長江流域水上交通事故的混沌分析和防范研究碩士學位論文(存儲版)

　　

【正文】 上是混沌的： (1)f具有對初始條件的敏感依賴性； (2)f是拓撲傳遞的； (3)f的周期點在x中稠密。時狀態的歸宿稱作吸引子。這實際上就是相空間重構。根據相空間重構的原理，源程序見附錄一(1)。所以，互信息方法在時間延遲r的選取上要優于自相關函數法。對于一般情況，互信息為： (28)則第一次達到最小時的時間就是相空間重構的時間延遲。對于給定的時間序列，r0充分小時，關聯積分與關聯維D存在著下列關系： (213)即： (214)如果序列{x(t)}中有混沌吸引子存在，那么隨著m的增加，Dm也會增加。實際系統中，常常同時存在隨機性成分和確定性成分，所以要絕對區分序列是混沌的，周期的還是隨機的不太可能。系統存在于一定的環境之中，系統與環境的關系可以作為對系統進行分類的基本標準，可以把系統分為兩個大類：耗散系統和保守系統。時間序列是按時間順序排列的觀測數據集合。混沌系統對初值敏感，初值的微小擾動將以指數倍數被放大，所以混沌時間序列是長期不可預測的；但是混沌系統是由非線性機制決定的確定性系統，貌似隨機運動的混沌系統內部存在確定性規律，所以混沌時間序列是短期可預測的。 本章首先對混沌理論進行了簡明的介紹，然后闡述了混沌判別的定量和定性分析方法。在多數情況下，定性分析是決定研究方向的，而定量分析則提供了系統行為的數量表示。由于上述方面的局限性，如果不對它做進一步的加工分析，不易了解混沌運動諸多方面的信息，難于區分混沌和其他形式的運動。而且凡是影響船舶運營安全的風險因素均對公司管理層和船員等所有人員造成影響，而影響人的風險因素卻不一定影響到物的因素。通過上述的分析，可知水上交通交通事故對基本事件具有敏感依賴性，如果該基本事件不能得到控制，將會引起船舶交通事故發生?；馐降茫? (32) 其中j=1,2,3 ......，m是一個非線性函數，其中，是以往的值，可以預先知道，對當前而言，實際上是變量的函數。其具體計算步驟為[78]：讀監測數據x(t)m163。5．根據r和與r相對應的分別計算出ln(r)和ln，做出圖，lnln(r)的圖。并且系統最終會收斂于狀態空間的一個有限區域，即收斂于一個奇異吸引子。另一方面，分析長江流域重慶段1986~2006水上交通事故的相空間重構圖，可以看出本系統屬于耗散系統，并且系統最終會收斂于狀態空間的一個有限區域，即收斂于一個奇異吸引子。交通事故預測的目的是為了了解交通事故發展的未來狀況，以便合理、及時的做出相應的決策和計劃，避免工作中的盲目性和被動性，有效地控制各影響因素，達到減少交通事故的目的[87]。因而，本文中所說的水上交通事故的預測是指某一地區或某一單位未來一定時期內事故總的發展趨勢，將會達到什么樣的水平，特別是近期的發展趨勢和水平，這是交通安全管理機關所關心的主要方面，如能有效地得到這方面的資料，進而根據本地單位水上交通事故的特點采取相應的有效措施將事故控制在一定的限度，都是很有幫助的。針對以上情況，混沌理論是非線性理論的重要組成部分，它在非線性系統內部貌似無規則的運動，抓住其對初始條件敏感依賴、非周期變化、存在奇異吸收因子等特點，能夠很好地描述非線性系統運動的變化規律。本質上，船舶交通事故呈現顯著、強烈的非線性特征。這就需要對以往的事故進行科學的分析，找出事故發生的規律，以便進行預測。因為事故的預測就是對交通事故未來的情況進行估計和推測[86]。分析長江流域重慶段1986~2006水上交通事故的相空間重構圖在x, y, z三個平面的投影，可以發現，水上交通事故并非周期性的發生，這表明了系統的非線性和無序性。根據上文求出的時間延遲和嵌入維數，繪制重構相空間的三維圖以及重構相圖在xy、xz、yz方向上的投影。n(m)* τ %計算重構后相空間數據點ND2(m)=GP(Y,m,N)m172。讀取時間序列x(t)令s(t)=x(t),q(j)=x(t+τ) 分別計算 計算 H(si), H(q),H(si,q)L(q,si)=H(si)+H(q)H(q,si) 圖3 4 互信息算法流程圖 圖3 5 事故數時間序列的互信息量函數圖 圖3 6 事故數時間序列的互信息量函數放大圖如圖所示，選取事故數序列的互信息量函數第一次達到極小值時所對應的時間為重構相空間的延遲時間，本文選擇τ=4。系統狀態特性系統狀態變化速度系統狀態變化加速度 圖3 2 水上交通事故安全系統的狀態變化船舶航行中，船舶交通安全系統處于混沌狀態，事故的發生具有隨機性、初始條件敏感性。一旦初始條件形成后將無法控制的船舶交通事故突發性地降臨，具有從原始條件演變到不可預測事故后果的顯著特點。從船舶交通事故產生的過程來看，船舶交通事故風險不僅是恒定存在的，同時在船舶運營期間的危險也是不可確定的。 船員管理 管理因素 航運公司管理 人為因素 工作環境 環境因素 生活環境 水 上 交 通 事 故 船舶噸位大小 水深 船舶年齡 風 船舶因素 流自然環境 船體結構 能見度 船舶設備 操船環境 航道寬度航道環境航道彎曲度航行環境因素 交通環境 浮標水域設施 信息環境 防波堤 助航標志圖31 水上交通事故成因分析圖混沌特性判別是進行混沌預測的前提，早期為了判別時間序列是否具有混沌特性，通常通過實驗來確定是否觀察到復雜的軌跡，但是實驗無法弄清楚這一軌跡到底是具有很長周期的周期解，還是非周期解。 事故致因理論是從大量典型事故的本質原因的分析中所提取的事故機理和事故模型，是探索事故發生和發展規律、研究事故始末過程、揭示事故本質的理論，是分析事故的工具，以指導事故預防和控制，也可以用于事故預測?；煦鐣r間序列局域法的預測思想是：對m維嵌入空間中的所有狀態點進行擬合，而是在狀態點中挑選出與需要預測狀態點鄰近的k個點來擬合重構函數，估計軌跡下一點的走向，最后從預測出的軌跡點坐標中分離出所需要的預測值?；煦鐣r間序列預測的基礎是相空間的重構，即把具有混沌特性的時間序列重建為一定維數的非線性動力系統。關聯維數D即吸引子維數，由前所述，以大于等于(2+1)D的整數作為嵌入維數構建相空間能夠全面地表現吸引子特性。常用的有相圖法和功率譜法等。一般認為，如果重構相空間的維數足夠大，就可以刻畫出系統的混沌吸引子，揭示出傳統方法無法展示的系統運動規律，所以通常情況下，選取嵌入維數m≥2D+1。選取的方法最常用的為飽和關聯維數法。計算互信息的基本困難是從直方圖中估計分布。重構相空間的延遲時間τ選取為互信息函數第一次達到極小值時所對應的時間。那么對于延遲時間為τ的m維空間，則重構后的相空間中的坐標點可表示為：其中，N=n(m1)τ。Takens定理：是維流形，映射是一個光滑的微分同胚，映射有二階連續導數， (21)則是到的一個嵌入[76]。一般來說，把時間t174。(2)存在一個不包含映射F的周期點的不可數集合S I，滿足對任意p, q∈S，p≠q：(3)對于任意和任意周期點：LiYorke的混沌定義中，只說明子集S的點相當分散又相當集中，并且子集S不會趨近于任意周期點，這個定義只預言非周期軌道的存在性，并沒有描述它們的測度和穩定性。這一時期，混沌研究的特點是與其他學科相互滲透。二十世紀五、六十年代為發展初期。分別不同時間序列預測方法，對長江流域重慶段水上交通事故和長江流域水上交通事故進行預測。為下文的研究奠定理論基礎，同時也拓展了混沌理論的應用領域。本質上，水上交通事故的發生呈現顯著、強烈的非線性特征。經過二十多年的不斷探索，人們已經在混沌時間序列預測領域取得了很多重要的理論研究成果[3647]。這些研究都從不同的角度和深度對水上交通事故進行了闡述。1993年，日本的正田合等在《事故預防心理學》中，對事故中的心理因素進行了研究[13]。在分析了長江流域水上安全形勢的基礎上，對長江流域的水上交通風險防范提出了建議。而水上交通安全事故一旦發生，往往都會對環境和生命財產造成巨大損失[8]。水域內庫區、港區、橋區、干支交匯區、施工作業區、錨泊區和渡口(六區一渡)水域通航環境敏感，事故多發，管理困難，成為長江海事管理的重點水域。而且，目前超大型油輪以及運輸危險貨物的船舶不斷增多，這些船只如果發生事故，會招致大范圍的重大災害，引起很大的社會問題，在某種情況下會發展成為深刻的國際問題。隨著國家40,000億元投資經濟刺激計劃拉動效應的顯現，國內對工業原材料需求不斷升溫，國內企業加大鐵礦石、煤炭、原油等進口力度，國內交通運輸業得到蓬勃發展，外貿進口成為2009年港口運輸生產的亮點，2009年，全國水路貨運量同比增長6%，水路貨物周轉量同比增長14%[5]。s third revolution to natural sciences. Applying it to the prediction of maritime accidents is a new research direction in the field of water traffic transportation safety , which needs deep discussion.This article takes marine traffic accident of our country as the object of study, and takes the traffic engineering theory and the chaos prediction theory as the research foundation. Using the analysis method of other domains for reference and doing research on vessel maritime accidents’ prediction from the point of chaotic is a kind of new attempt. This article aims to reducing maritime accidents and increasing water transport security. The summary of concrete content and current results is as follows： I. Description of chaos theory. Chaotic and phasespace reconstruction theories are expounded at first，and the related parameters is calculated in detail proposed. The phasespace reconstruction leads chaotic theory into maritime accidents time series analysis. II. Analysis of chaos in the Yangtze valley marine traffic accidents. After analysis of the maritime accidents reason, chaos characteristic model is established. Phase space restructuring of aquatic traffic accident time series is realized by the MATLAB program. The phase diagram indicates the Chaotic characteristics like nonlinear, inrandom and the presence of strange attractors. Thus determines the marine traffic accident is a chaos system. This provided the theoretical basis for the application of chaos theory in maritime security. III. Prediction of the Yangtze valley marine traffic accidents. In this charter, a new method of nonlinear time series prediction is introduced：chaotic time series predicti