基于动态数据驱动的港口水域溢油仿真模.doc
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1、精品论文基于动态数据驱动的港口水域溢油仿真模型与算法曾庆成,杨路燕5(大连海事大学交通运输管理学院,辽宁 大连 116026) 摘要:针对港口水域应急处置过程中,由于系统复杂性、以及环境多变性导致难以准确预测 事故发展趋势的问题,引入动态数据驱动应用系统,提出基于动态数据驱动的溢油应急决策 仿真模型,通过在仿真在运行过程中动态接收实际系统的数据并做出响应,对仿真模型进行 修正。在设计基于动态数据驱动的溢油决策仿真模型框架的基础上,研究实际系统数据映射10到仿真模型的方法、仿真模型状态的更新算法、以及溢油事故模拟算法,最后利用实际案例 进行了验证。结果表明,与一般的溢油仿真模型相比,基于动态数据
2、驱动的仿真模型可以提 高溢油事故预测的准确性。关键词:动态数据驱动;溢油;应急管理;仿真模型中图分类号:N945, TP18文献标识码:A15A dynamic data-driven application simulation model and algorithm for oil spill emergency decision in port water area Zeng Qingcheng, Yang Luyan(Transportation Management College,Dalian Maritime University, LiaoNing DaLian 116026)
3、20Abstract: In order to solve the difficulty in simulation and prediction the evolution of oil spillincidents in port water area caused by system complexity and environment variety, a simulation model based on dynamic data-driven application system (DDDAS) was developed. By assimilating real-time da
4、ta, simulation model can update its initial condition and solutions, and modify its parameters. Firstly, the framework for DDDAS- based simulation model was designed.25Then the method to mapping real-time data to simulation model, the method to recovery initial data for DDDAS, and the algorithms to
5、simulate the behavior of oil spill were studied. Finally, numerical examples were provided to illustrate the validity of the proposed model. Resultsindicate that the DDDAS-based simulation method can improve the prediction accuracy of oil spill incidents comparing the general oil spill simulation mo
6、del.30Keywords: dynamic data-driven; oil spill; emergency management; simulation model0引言海上原油运输具有船舶载运量大、流动性强等特点,一旦发生事故会对水域环境与公共 安全造成严重危害。受气象、水文等因素以及溢油扩散与漂移的影响,海上溢油事故的救援35难度大,应急处置过程复杂。港口水域是海上溢油事故高发区域,港口水域溢油事故应急处 置除了考虑海上溢油事故特征外,还要考虑港口水域复杂的船舶交通状况以及港口生产作业 的影响,因而应急决策与应急处置技术要求更高。与此同时,近年来随着我国原油进口量的 迅速增加,我国
7、主要原油接卸港面临的溢油事故风险随之增加。因此,港口水域溢油应急管 理问题的研究具有重要的现实意义。40海上溢油事故具有复杂的发生、发展与演化机理,同时还存在次生灾害与灾害耦合问题。 受系统非线性、时变性、多变量和不确定性等特点的影响,很难通过传统的解析模型与仿真 模型分析和预测溢油事故应急系统中复杂的行为。因此,仿真技术得到广泛应用,如 Lonin1, Chen 等2,Sebastio 与 Soares3,Wang 等4,Guo 与 Wang5,刘彦呈等6,熊德琪等7,基金项目:高等学校博士点基金(20092125120001)作者简介:曾庆成,(1978-),男,教授,主要研究方向:系统仿
8、真与优化. E-mail: - 7 -孙长青等8,Douglas 等9- 11,Kim 等12,Zhao 等13,Muttil 等14,Parashar 等15分别开发45了海上溢油仿真模型,通过将溢油数值计算模型与 GIS 技术、仿真建模方法结合,对海上 溢油的扩散过程进行仿真与预测。但是,目前的仿真模型主要依靠离线的历史事故数据进行 仿真分析,而不能利用应急系统中的实时数据提高仿真模型预测的精确性。因此,对于类似 溢油事故的应急系统仿真,需要探索新的方法。动态数据应用系统(dynamic data-driven application system, DDDAS)是一种新的仿真应50用模式
9、,其基本思想是将仿真和实验/试验有机结合起来,仿真可以在运行过程中动态地从 实际系统接收数据并做出响应,同时仿真结果可以动态地控制实际系统的运行,使计算结果 更为可靠。针对港口水域应急处置过程中准确预测事故发展趋势的困难,本文引入动态数据 驱动应用系统,提出基于动态数据驱动的溢油应急决策仿真模型,将实际系统数据映射到仿 真模型的方法、仿真模型状态的更新算法、以及溢油事故模拟算法等,目的是提高溢油仿真55模型的预测准确性,提高应急决策的科学性。1基于 DDDAS 仿真的应急决策模型框架由于溢油应急系统复杂性、以及应急环境的多变性,决定了应急处置一旦开始,实际情 况必然会在某种程度上与应急预案或计
10、划不一致,因此,需要根据应急系统的变化情况,在 对溢油事故的演化趋势预测的基础上,对应急计划与决策进行实时调整。60仿真是溢油扩散预测的有效手段,但是如何利用溢油事故的实时数据对仿真模型进行修 正,提高预测准确性,是目前溢油仿真模型不能解决的问题。为此,将 DDDAS 与仿真技术 结合,构建一个基于 DDDAS 仿真的应急决策支持模型,目的是在应急处置期间预测应急系 统发展趋势,从而为决策者提供及时有效的决策支持,提高应急决策的科学性,模型结构如 图 1 所示。65在图 1 所示的基于 DDDAS 的仿真模型中,仿真模型可以同时利用历史数据与实时在线 数据对溢油扩散进行仿真与预测。首先,构建溢
11、油应急管理仿真模型,利用大量的溢油事故 历史数据对仿真模型参数进行标定,标定后的仿真模型可以对溢油扩散进行模拟,对应急处 理过程进行分析。溢油事故发生后,将溢油事故信息输入仿真模型运行仿真。在仿真在运行 过程中,可以动态地从实际系统接收实时数据并做出响应,将事故实际发展情况反馈给仿真70模型,新数据的吸收使得仿真模型可以不断调整其预测结果、同时修正模型。利用修正后的 仿真模型可以更新溢油事故演化的预测,指导应急决策方案的实时调整。通过仿真模型与实 际系统的数据交互提高仿真模型预测的准确性。溢油扩散仿真应急处置过程仿真仿真 仿系 仿真模型库 基础仿真 真统 算法 溢油仿真模型应急响应仿真模型事故
12、演化预测 应 急应急决策方法 指 挥系 应急决策方案统溢油扩散检测数据实 应急救援进展数据际系 统应急资源配置数据图 1 基于 DDDAS 的溢油应急决策仿真模型框架Fig.1 Framework of DDDAS-based simulation model for oil spill emergency decision2仿真模型构建75溢油应急管理仿真模型的构建需要解决两方面问题,一是如何将复杂的空间要素、环境 因素、以及溢油扩散行为等抽象为仿真模型,二是对应急预案过程的描述,如应急救援干预 措施对事故发展的影响,事故中人群行为方式等。为解决上述问题,采用非形式化的面向对象的仿真建模方法
13、,从各个方面描述溢油事故 应急管理系统。将系统中对象分为实体对象、信息对象与控制对象,利用采用非形式化的面80向对象的仿真建模方法进行功能分析,在此基础上,设计仿真模型的总体结构与逻辑流程。 在溢油扩散模型方面,分别建立漂移、扩散、蒸发和乳化等溢油行为的计算模型,全方位计 算模拟溢油扩散过程。设计仿真模型模型中各个模块的集成方法,采用如图 2 所示的方法。以 anylogic 作为 仿真模型开发软件,建立仿真模型的总体结构,设计仿真模型的逻辑流程。以 ArcGIS 作为85GIS 开发工具,将目前通用 S-57, S-52 标准的电子海图转换为 ArcGIS 格式,利用 ArcGIS 处 理地
14、理基础数据。利用 Java 开发控制模块,实现各模块的集成。在运行过程中,仿真模型 接受控制模块仿真指令并返回仿真结果;通过控制模块控制溢油扩散过程、以及仿真数据在 GIS 上的模拟演示;算法模块与应用模型由控制模块控制运行,并且与系统数据库实时进 行数据交互。算法模块应用模型anylogic平台仿真模块控制模块GIS 模块ArcGIS 平台数据 控制90仿真数据库 知识库图 2 海上溢油应急管理仿真模型空间数据库GIS 模型库Fig.2 Simulation model for oil spill emergency management3仿真算法设计951003.1溢油扩散模拟算法在仿真模
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- 基于 动态 数据 驱动 港口 水域 溢油 仿真
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