【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 交通系統(tǒng)的安全問題分析研究時(shí)，廣泛引入了系統(tǒng)工程理論和人工智能，模式識(shí)別、專家系統(tǒng)等技術(shù)。但是，長(zhǎng)江水運(yùn)的發(fā)展依然落后于海運(yùn)，水上交通安全問題研究的投入嚴(yán)重不足，相關(guān)的研究體系還沒有完全建立，幾乎處于空白，整個(gè)安全生產(chǎn)狀況與發(fā)達(dá)國(guó)家相比存在很大差距。近年來，我國(guó)的許多專家學(xué)者從不同的側(cè)面也對(duì)造成海上交通事故的最主要因素—人為因素進(jìn)行了分析，指出人為因素是一種綜合因素，與之有關(guān)的各因素之間是相互聯(lián)系的。呂海霆[18]在機(jī)艙船員海上作業(yè)勞動(dòng)安全衛(wèi)生預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)研究中詳細(xì)闡述了人為因素對(duì)海上作業(yè)安全的影響；曾華嵐[19]、李文雙[20]等對(duì)船舶輪機(jī)事故中的人為因素的進(jìn)行了研究；黃志[21]討論了航行環(huán)境與船舶碰撞事故的關(guān)系；蔡存強(qiáng)[22]、陳剛[23]等對(duì)船舶擱淺的原因進(jìn)行了分析。這些研究都從不同的角度和深度對(duì)水上交通事故進(jìn)行了闡述。多因素方面，708研究所郭其順[24]的對(duì)世界海難事故的現(xiàn)狀與原因進(jìn)行了分析；陳雷、曹亮[25]對(duì)全國(guó)水上交通安全做了宏觀分析；關(guān)政軍[26]曾對(duì)船舶交通事故進(jìn)行詳細(xì)分析；龍升照、黃瑞生[27]等闡述了人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)工程理論及應(yīng)用基礎(chǔ)；在此基礎(chǔ)上，黃飛[28]對(duì)船舶輪機(jī)“人——機(jī)”一體化管理模式進(jìn)行了研究。這些比較有代表性的論文可概括為：人、船、環(huán)境定量評(píng)價(jià)指標(biāo)的開發(fā)與研究。相比國(guó)外的研究，我國(guó)專家和學(xué)者在船舶交通事故預(yù)測(cè)方面也作了一定的工作。呂曉夫，楊亞東[29]等采用回歸分析方法預(yù)測(cè)船舶交通事故，肖景坤、殷佩海[30]等用灰色拓?fù)浞治龇椒A(yù)測(cè)海上溢油趨勢(shì)，倪秀暉等[31]利用灰色系統(tǒng)理論預(yù)測(cè)漁船事故等研究；鄭中義[32]、周偉新[33]、張斌等分別對(duì)灰色預(yù)測(cè)、交通事故灰色預(yù)測(cè)和灰色馬爾科夫預(yù)測(cè)做了研究，在此基礎(chǔ)上，大連海事大學(xué)趙佳妮[34]在運(yùn)用灰色馬爾科夫模型，綜合了灰色GM(1，1)模型和馬爾科夫矩陣的優(yōu)點(diǎn)，在充分利用歷史數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，預(yù)測(cè)了水上交通事故的發(fā)生量，并對(duì)該模型的影響因素進(jìn)行了分析；童飛[35]用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)水上交通事故進(jìn)行預(yù)測(cè)并通過MATLAB實(shí)現(xiàn)?；煦缈茖W(xué)的發(fā)展，使得可以不必事先建立主觀模型，而直接根據(jù)序列本身所計(jì)算出來的客觀規(guī)律進(jìn)行預(yù)測(cè)，這樣可以避免預(yù)測(cè)的人為主觀性，提高預(yù)測(cè)的精度和可信度。1980年，Packard提出時(shí)間序列的相空間技術(shù)，1981年，Takens根據(jù)Whitney早期在拓?fù)鋵W(xué)方面的工作，提出了相空間重構(gòu)理論。最初提出相空間重構(gòu)的目的在于從高維相空間中恢復(fù)混沌吸引子，而且混沌吸引子作為混沌系統(tǒng)的特征之一，體現(xiàn)著混沌系統(tǒng)的規(guī)律。經(jīng)過二十多年的不斷探索，人們已經(jīng)在混沌時(shí)間序列預(yù)測(cè)領(lǐng)域取得了很多重要的理論研究成果[3647]。從方法學(xué)的角度來看，這些預(yù)測(cè)方法可分為：全局預(yù)測(cè)法[4850] 、局域預(yù)測(cè)法[5155]和非線性自適應(yīng)預(yù)測(cè)法[5658]等。全局多項(xiàng)式建模預(yù)測(cè)法在理論上是可行的，可由于全局預(yù)測(cè)方法的建模過程必須采用離線方式，當(dāng)嵌入維數(shù)很高或者系統(tǒng)很復(fù)雜的時(shí)候，該方法并不容易實(shí)現(xiàn)且難以做出準(zhǔn)確預(yù)測(cè)；局域預(yù)測(cè)法是將相空間軌跡的最后一點(diǎn)作為中心點(diǎn)，把離中心點(diǎn)最近的若干軌跡點(diǎn)作為相關(guān)點(diǎn)，然后對(duì)這些相關(guān)點(diǎn)作出擬合，再估計(jì)軌跡下一點(diǎn)的走向，最后從預(yù)測(cè)出的軌跡點(diǎn)的坐標(biāo)中分離出所需要的預(yù)測(cè)值，相對(duì)于全局預(yù)測(cè)法來說，局域預(yù)測(cè)法在多數(shù)情況下都是可行的。局域預(yù)測(cè)法由其柔韌性好、擬合速度快和運(yùn)算精度高而受到人們的普遍關(guān)注?；煦鐣r(shí)間序列預(yù)測(cè)理論已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)[5960]、 交通[6363]、電力[6666]、氣象[67]、水文[68,69]、地質(zhì)[70,71]等各自然和社會(huì)領(lǐng)域并取得良好預(yù)測(cè)效果。武漢理工大學(xué)華清把混沌理論運(yùn)用到船舶交通事故預(yù)測(cè)中[72]，從混沌的角度研究船舶交通事故的預(yù)測(cè)，這是一種新的嘗試，值得進(jìn)一步深入研究。 料事之先是為預(yù)，防患未然即為警。水上交通事故預(yù)測(cè)是預(yù)防和預(yù)警的前提，預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性關(guān)系到各方的經(jīng)濟(jì)利益，因而水上交通事故的分析、預(yù)測(cè)和控制方法的研究一直受到國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界和航海業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注。本質(zhì)上，水上交通事故的發(fā)生呈現(xiàn)顯著、強(qiáng)烈的非線性特征。因此，對(duì)水上交通事故的預(yù)測(cè)，需要引入非線性理論加以分析和研究?；煦缋碚撌欠蔷€性理論的重要組成部分，通過分析水上交通事故的特點(diǎn)，判別其具有混沌特性，因此將混沌理論引入船舶交通事故預(yù)測(cè)具有針對(duì)性。本文將混沌理論應(yīng)用于水上交通事故預(yù)測(cè)研究中，為解決水上交通問題開辟了新的途徑。目前這方面的研究才剛剛起步，但作為水上安全領(lǐng)域中的一個(gè)實(shí)用研究方向，具有深入探討的價(jià)值。全文共分為六章，其主要內(nèi)容和結(jié)構(gòu)安排如下：第一章：緒論，說明本文的研究背景和意義，詳細(xì)闡述水上交通事故預(yù)測(cè)的歷史和發(fā)展研究現(xiàn)狀，簡(jiǎn)要介紹混沌預(yù)測(cè)理論的研究現(xiàn)狀，最后給出本文的內(nèi)容和結(jié)構(gòu)安排。第2章 ：相關(guān)混沌理論介紹，相空間重構(gòu)理論研究與實(shí)現(xiàn)。簡(jiǎn)要介紹混沌理論的發(fā)展歷史，重點(diǎn)介紹了混沌特性的判別方法和混沌時(shí)間序列預(yù)測(cè)理論，本章采用互信息法得到最佳嵌入延遲τ，通過GP算法得到最佳嵌入維數(shù)m，并在MATLAB軟件平臺(tái)上進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)。為下文的研究奠定理論基礎(chǔ)，同時(shí)也拓展了混沌理論的應(yīng)用領(lǐng)域。第3章 ：長(zhǎng)江流域水上交通事故中的混沌分析。文章通過對(duì)水上交通事故的致因分析，從定性和定量的角度對(duì)水上交通事故的混沌特性進(jìn)行深入的研究，建立了適合于水上交通事故混沌分析的混沌方程模型。并對(duì)長(zhǎng)江某流域水上交通事故進(jìn)行研究，用GP算法得到嵌入維數(shù)m=5，互信息法確定時(shí)間延遲t=4，重構(gòu)相空間，判定系統(tǒng)存在混沌吸引子，從而診斷出該水域交通事故的發(fā)生量具有混沌特性。混沌判別是混沌研究的基礎(chǔ)，從而為其今后的研究奠定了理論基礎(chǔ)。第4章 ：長(zhǎng)江流域水上交通事故的預(yù)測(cè)研究。本章首先闡述了水上交通事故預(yù)測(cè)的必要性和可行性，然后闡述了了混沌時(shí)間序列預(yù)測(cè)在水上交通事故預(yù)測(cè)中的應(yīng)用，并介紹了混沌預(yù)測(cè)的兩種方法—全局預(yù)測(cè)法和局域預(yù)測(cè)法。最后對(duì)水上交通事故預(yù)測(cè)進(jìn)行實(shí)例分析。分別不同時(shí)間序列預(yù)測(cè)方法，對(duì)長(zhǎng)江流域重慶段水上交通事故和長(zhǎng)江流域水上交通事故進(jìn)行預(yù)測(cè)。通過比較說明，局域法更好的反映了事故發(fā)生趨勢(shì)，局域預(yù)測(cè)法要優(yōu)于其他時(shí)間序列預(yù)測(cè)方法，并針對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果，對(duì)長(zhǎng)江流域事故發(fā)生趨勢(shì)進(jìn)行了分析。第5章 ：長(zhǎng)江流域水上交通風(fēng)險(xiǎn)防范研究。本章首先介紹了水上交通風(fēng)險(xiǎn)防范的相關(guān)概念，在分析長(zhǎng)江流域水上交通風(fēng)險(xiǎn)特征和安全形勢(shì)基礎(chǔ)上，對(duì)該流域水上交通風(fēng)險(xiǎn)防范提出了建議。 第六章：對(duì)本論文進(jìn)行總結(jié)，并指出目前還存在的問題以及進(jìn)一步的研究方向和工作的展望，并分析了混沌理論在水上交通事故研究中的廣闊應(yīng)用前景。第二章 混沌相關(guān)理論介紹 混沌一般意指混亂、沒有規(guī)律性的事物或現(xiàn)象，如緩緩上升的煙霧、風(fēng)中飄動(dòng)的旗幟、秋風(fēng)中的落葉、小溪中的流水、公路上擁擠的車流、不斷變化的股市行情等，都可以用混沌一詞來描述。無論是中華文化還是西方文化，對(duì)于混沌的最初理解都無外乎“無形”、“空虛”、“無秩序”，這種對(duì)自然界復(fù)雜系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)受制于當(dāng)時(shí)的物質(zhì)生產(chǎn)條件和宗教信仰。近代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展為人們進(jìn)一步認(rèn)識(shí)和研究混沌提供了必要條件[75]。二十世紀(jì)五、六十年代為發(fā)展初期。KAM定理的建立被認(rèn)為是混沌理論創(chuàng)建的歷史性標(biāo)志。1963年，美國(guó)氣象學(xué)家Lorenz發(fā)現(xiàn)了著名的“蝴蝶效應(yīng)”，此效應(yīng)說明，事物發(fā)展的結(jié)果，對(duì)初始條件具有極為敏感的依賴性。二十世紀(jì)七十年代為快速發(fā)展期。此間，混沌、奇怪吸引子等混沌概念被陸續(xù)提出，倍周期分岔等混沌現(xiàn)象也被發(fā)現(xiàn)。二十世紀(jì)八十年代是混沌學(xué)科的定量分析發(fā)展階段。分?jǐn)?shù)維、Lyapunov指數(shù)等特征量被發(fā)現(xiàn)，這促使混沌理論應(yīng)用于實(shí)際。 二十世紀(jì)九十年代至今是混沌理論的廣泛應(yīng)用階段。這一時(shí)期，混沌研究的特點(diǎn)是與其他學(xué)科相互滲透?；煦缋碚撛诒Ｃ芡ㄓ?、混沌優(yōu)化、非線性時(shí)間序列的分析和預(yù)測(cè)、弱信號(hào)檢測(cè)等方面都有著較為廣泛的應(yīng)用?；煦缋碚撛谄浒l(fā)展初期帶著一種詭秘的色彩，隨著對(duì)混沌現(xiàn)象研究的不斷深入，混沌的本質(zhì)規(guī)律逐步水落石出，但由于混沌現(xiàn)象的歧義性和復(fù)雜性，迄今學(xué)術(shù)界對(duì)混沌尚沒有一個(gè)統(tǒng)一的定義。有些科學(xué)家將混沌定義為貌似隨機(jī)的事件背后卻存在著內(nèi)在的聯(lián)系，如果一個(gè)系統(tǒng)的演變過程對(duì)初態(tài)非常敏感，人們就稱其為混沌系統(tǒng)。自然界中的混沌現(xiàn)象是普遍存在的，規(guī)則運(yùn)動(dòng)只是在局部范圍內(nèi)存在[66]?；煦缈茖W(xué)就是致力于發(fā)現(xiàn)這些背后隱藏的模式和細(xì)微的差別。下面介紹兩種影響較為廣泛的混沌定義：1．LiYorke定義LiYorke定理最早是由華人學(xué)者李天巖和他的導(dǎo)師Yorke在他們于1975年聯(lián)名發(fā)表的論文《周期3蘊(yùn)涵混沌》[78]中提出來的。LiYorke混沌的定義為：對(duì)于閉區(qū)間I R上的連續(xù)函數(shù)F，如果滿足下列條件，便稱它具有混沌現(xiàn)象：(1)對(duì)于任意自然數(shù)k，映射F具有周期為k的周期點(diǎn)。(2)存在一個(gè)不包含映射F的周期點(diǎn)的不可數(shù)集合S I，滿足對(duì)任意p, q∈S，p≠q：(3)對(duì)于任意和任意周期點(diǎn)：LiYorke的混沌定義中，只說明子集S的點(diǎn)相當(dāng)分散又相當(dāng)集中，并且子集S不會(huì)趨近于任意周期點(diǎn)，這個(gè)定義只預(yù)言非周期軌道的存在性，并沒有描述它們的測(cè)度和穩(wěn)定性。2．Devaney的混沌定義 1989年Devaney給出了混沌的另一種定義：設(shè)x是一度量空間，一個(gè)連續(xù)映射f:x→x39。，如果滿足下面3個(gè)條件，便稱為f在x上是混沌的： (1)f具有對(duì)初始條件的敏感依賴性； (2)f是拓?fù)鋫鬟f的； (3)f的周期點(diǎn)在x中稠密。不論哪一種混沌定義，都有一個(gè)共同的特點(diǎn)即在參數(shù)空間的一定范圍內(nèi)，確定性的非線性系統(tǒng)出現(xiàn)長(zhǎng)期行為對(duì)初值的敏感依賴性?；煦缦到y(tǒng)是種極端敏感地依賴于初始狀態(tài)的系統(tǒng)。從圖21中可以看出，初始狀態(tài)極為靠近的兩點(diǎn)，[x1(0)，y1(0)，z1(0)]和[x2(0)，y2(0)，z2(0)]經(jīng)過一段時(shí)間的演化，二者之間的距離發(fā)散得很快。經(jīng)過一段時(shí)間t后，分別運(yùn)動(dòng)到點(diǎn)[x1(t)，y1(t)，z1(t)]和[x2(t)，y2(t)，z2(t)]處，這表現(xiàn)出混沌運(yùn)動(dòng)對(duì)初始條件的敏感依賴性[79]。 圖21 初始狀態(tài)極為靠近點(diǎn)的演化過程 混沌系統(tǒng)在其運(yùn)動(dòng)過程的任意一點(diǎn)上都有這種敏感性，系統(tǒng)初態(tài)的任何微小誤差都將引起系統(tǒng)行為隨時(shí)間呈指數(shù)規(guī)律發(fā)散，且最終會(huì)收斂于狀態(tài)空間的一個(gè)有限區(qū)域，即收斂于一個(gè)奇異吸引子。一般來說，把時(shí)間t174。165。時(shí)狀態(tài)的歸宿稱作吸引子。吸引子的特征量是刻畫吸引子某個(gè)方面特征的量?；煦缦到y(tǒng)的重要特征是具有奇怪奇異子。奇異吸引子具有分?jǐn)?shù)維、正的Lyapunov指數(shù)、正Kolmogorov熵以及功率譜等是連續(xù)的統(tǒng)汁特征。 圖22 幾個(gè)著名的奇異吸引子 相空間重構(gòu)理論 Takens定理要判定時(shí)間序列所代表的系統(tǒng)中是否存在混沌吸引子，需要恢復(fù)原系統(tǒng)，因此應(yīng)首先對(duì)系統(tǒng)輸出的單一變量的時(shí)間序列進(jìn)行相空間重構(gòu)。Takens定理是相空間重構(gòu)的理論基礎(chǔ)。Takens定理：是維流形，映射是一個(gè)光滑的微分同胚，映射有二階連續(xù)導(dǎo)數(shù)， (21)則是到的一個(gè)嵌入[76]。Takens定理表明，可以尋求合適的嵌入維，恢復(fù)諸如吸引子等規(guī)則性軌跡。這實(shí)際上就是相空間重構(gòu)。對(duì)于混沌系統(tǒng)或一般的非線性系統(tǒng)來說，按照混沌系統(tǒng)含有周期無窮大的周期現(xiàn)象的特點(diǎn)，理論上應(yīng)當(dāng)取無窮大數(shù)據(jù)量才能反映出系統(tǒng)的全部特征。這正是Takens定理的條件。所以，無論采用何種方法，對(duì)于非線性系統(tǒng)（特別是混沌系統(tǒng)），從有限數(shù)據(jù)量（有限長(zhǎng)度的時(shí)間序列）不可能提取出系統(tǒng)的所有特征或規(guī)律，僅能從某一個(gè)單變量輸出時(shí)間序列中提取和恢復(fù)出原系統(tǒng)的某些部分規(guī)律。假設(shè)觀測(cè)時(shí)間數(shù)據(jù)序列為，取1個(gè)單位的延遲間隔，即τ=l時(shí)： 這就形成了時(shí)間延遲τ=1時(shí)的三維空間中的N個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)。如果去兩個(gè)單位的延遲間隔即τ=2時(shí)： 這就形成了時(shí)間延遲τ=1時(shí)的三維空間中的N個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)。那么對(duì)于延遲時(shí)間為τ的m維空間，則重構(gòu)后的相空間中的坐標(biāo)點(diǎn)可表示為：其中，N=n(m1)τ。上式中，m維空間的m稱為嵌入相空間的維數(shù)，這樣就用嵌入相空間代替了狀態(tài)空間，N個(gè)點(diǎn)就形成了m維嵌入相空間的軌道。根據(jù)相空間重構(gòu)的原理，源程序見附錄一(1)。 目前，確定時(shí)間延遲目前最常用的是自相關(guān)法和互信息法。自相關(guān)法是非常成熟的延遲時(shí)間求取方法，但自相關(guān)法只能提取序列間線性相性，而且不易推廣到高維。自相關(guān)函數(shù)僅僅度量了兩個(gè)變量的線性依賴性；而互信息函數(shù)卻度量了兩個(gè)變量的總體依賴性?；バ畔⒎ǖ幕バ畔⒘枯^小，折疊的開端能夠比較清楚地區(qū)分，因而能夠通過重構(gòu)相空間來定量和定性分析吸引子的動(dòng)力學(xué)特征?；バ畔⒎梢钥朔韵嚓P(guān)函數(shù)法定的不足，將其擴(kuò)展到大數(shù)據(jù)量、非線性問題。重構(gòu)相空間的延遲時(shí)間τ選取為互信息函數(shù)第一次達(dá)到極小值時(shí)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間。這種方法能克服自相關(guān)函數(shù)法只反映變量間線性相關(guān)程度的局限性，還能度量變量間的非線性的廣義相關(guān)關(guān)系。所以，互信息方法在時(shí)間延遲r的選取上要優(yōu)于自相關(guān)函數(shù)法。設(shè)混沌時(shí)間序列, 時(shí)間延遲為τ(T=τ)，嵌入維數(shù)為m,重構(gòu)空間得：其中。則系統(tǒng)對(duì)變量s的平均信息量為系統(tǒng)的熵H： (22)記[s,q]=[x(t),x(t+T)]；考慮一個(gè)總的耦合系統(tǒng)，(S，Q)，假定s已知為，則q的不確定性為： (23)是條件概率。設(shè)t時(shí)刻x已知，則在t+T時(shí)刻x的平均不確定性為： (24) (25)其中H(Q)是孤立的q的不確定性，H(Q|S)是已知s的q的不確定性。所以，s已知減少了q的不確定性，則互信息為： I(Q,S)= H(Q)H(Q|S) = H(Q)+H(s)H(S