长江流域水上交通事故的混沌分析和防范研究硕士学位论文

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1、硕士学位论文长江流域水上交通事故的混沌分析和防范研究毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和

2、电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学

3、位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日指导教师评阅书指导教师评价：一、撰写（设计）过程1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神 优 良 中 及格 不及格2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度 优 良 中 及格 不及格3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力 优 良 中 及格 不及格4、研究方法的科学性；技术线路的

4、可行性；设计方案的合理性 优 良 中 及格 不及格5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）指导教师： （签名） 单

5、位： （盖章）年 月 日评阅教师评阅书评阅教师评价：一、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）评阅教师： （签名） 单位： （盖章）年 月 日长江流域水上交通事故的混沌分析和防范研

6、究教研室（或答辩小组）及教学系意见教研室（或答辩小组）评价：一、答辩过程1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况 优 良 中 及格 不及格2、对答辩问题的反应、理解、表达情况 优 良 中 及格 不及格3、学生答辩过程中的精神状态 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、

7、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格评定成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）教研室主任（或答辩小组组长）： （签名）年 月 日教学系意见：系主任： （签名）年 月 日摘 要本文首先分析了当前我国水上交通安全的严峻形势，阐述了事故预测对海事监管、预警的重要的作用。水上交通事故的发生呈现强烈的非线性特征。因此，对水上交通事故的预测，需要引入非线性理论加以分析和研究。以非线性为特征的混沌理论被称为20世纪自然科学的第三次大革命，将混沌理论应用于水上交通事故预测研究中则是水上安全领域中的一个崭新的研究方向，具有深刻探讨的价值。本文以长江流域水上交通事故为研

8、究对象，以交通安全工程理论和混沌预测理论为研究基础，借鉴其它领域的分析思路与方法，首先分析水上交通事故的混沌特性，然后从混沌的角度研究水上交通事故预测，最后通过对比不同时间序列预测方法的预测效果，说明混沌理论在水上交通事故预测中取得良好效果。从而为安全管理部门制定有效的防范措施提供科学的决策依据。具体内容和研究成果概括如下：第一，混沌理论的阐述。本文首先对混沌及相空间重构理论的原理进行了阐述，详细介绍了相关参数的计算方法。通过相空间重构将混沌理论引入到水上交通事故时间序列的分析中。 第二，长江流域水上交通事故混沌特性的判别。通过水上交通事故致因理论的研究，在分析混沌时间序列特征量和相空间重构理

9、论的基础上，进行了定性分析和定量计算，通过MATLAB编程实现了水上交通事故时间序列的相空间重构，观察其相图，说明水上交通事故的非线性、内随机性以及存在奇异吸引子等特征，从而判定水上交通事故是一个混沌系统。为今后混沌理论在水上安全领域更深入的应用提供了理论基础。第三，长江流域水上交通事故预测研究。本章首先介绍了一种新的非线性时间序列预测方法混沌时间序列的预测理论。重点研究了全局预测法和局域预测法。采用了长江流域重庆段水上交通事故时间序列和长江流域水上交通事故时间序列两组数据，分别用混沌时间序列局域法、回归分析法、移动平均法、指数平滑法，对长江流域水上交通事故进行预测，通过比较说明，局域预测法要

10、优于其他时间序列预测方法，并针对预测结果进行了分析，从而为水上安全管理部门制定预防措施提供了具有一定可信度的决策基础。第四，长江流域水上交通风险防范研究。本章首先介绍了水上交通风险防范的相关概念，在分析长江流域安全形势基础上，对该流域水上交通风险防范提出了建议。关键词： 水上交通事故，混沌理论，事故预测，风险防范ABSTRACT The article firstly analyzes the situation of traffic transportation safety, pointing that exact and effective maritime accident forec

11、asting is quite important to maritime supervision, management and early warning. Marine traffic accidents have many characteristics, such as various influent-factors, irregular, randomness, higher-dimension nonlinear and so on. So the nonlinear science needs to be applied to the analysis and forecas

12、t of maritime accidents. The chaos theory researched for the non-linear characteristics is known as the 20th centurys 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 need

13、s 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 acci

14、dents 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 phase-space reconstruction the

15、ories are expounded at first，and the related parameters is calculated in detail proposed. The phase-space 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 r

16、eason, 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, in-random and the presence of strange attractors. Thus determines the marine

17、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 predic

18、tion theory. The wholeregion method and local-region method is mainly propounded. Secondly, this paper, using chaotic time series, regression analysis, moving average, exponential smoothing, carried on the forecast of the Yangtze valley marine traffic accidents, based on two groups of data, that is

19、the Yangtze valley Chongqing section marine traffic accidents time series and the Yangtze valley marine traffic accident time series. The comparison showed that local-region method reflected the accidents trend better. Accurate forecast can provide a credible policy-making basis for maritime safety

20、control department to develop preventive measures. IV. The study of risk prediction of the Yangtze valley marine traffic accidents. After introducing related theory about risk prediction, the author analyze the security situation of the Yangtze valley, and,based on this analysis, put forward proposa

21、ls about risk prediction.Feng Ruyun (Transportation Planning and Management) Directed by Prof. Liu Hong KEYWORDS：marine traffic accident, chaos theory, accidents forecast, risk prediction 目 录第一章 绪论11.1研究背景和意义11.1.1水上交通运输业的快速发展11.1.2水上交通安全形势依然严峻21.1.3研究意义31.2研究现状41.2.1国外研究现状41.2.2国内研究现状51.3本文的研究思路和主要

22、内容6第二章 混沌相关理论介绍92.1混沌理论概述92.2 相空间重构理论122.2.1 Takens定理122.2.2时间延迟的确定132.2.3嵌入维数的确定142.3混沌判别162.3.1定性分析162.3.2定量分析方法162.4混沌时间序列预测理论172.5本章小结18第三章 长江流域水上交通事故的混沌特性分析193.1水上交通事故的致因分析193.2水上交通事故混沌特性定性分析203.2.1基于事故致因理论的混沌特性定性分析213.2.2基于事故致因理论的混沌特性模型研究223.3长江流域水上交通事故的混沌特性定量分析233.3.1混沌诊断对象描述243.3.2互信息法确定时间延迟

23、253.3.3 G-P算法确定嵌入维数273.3.4水上交通事故的相空间重构293.4 水上交通事故混沌分析323.5本章小结32第四章 长江流域水上交通事故预测研究334.1水上交通事故时间序列的预测模型研究344.1.1基于全局法的混沌预测模型研究354.1.2基于局域法的混沌预测模型研究354.1.3最小二乘法在曲线拟合中的研究364.2 局域法模型和全局法模型预测效果比较374.2.1全局法预测的实现384.2.2局域法预测的实现394.2.3预测效果评析404.3水上交通事故时间序列预测实例研究414.3.1 预测目标的确定414.3.2有关资料和情报的收集414.3.3预测方法的选

24、择444.3.4长江流域重庆段水上交通事故发生量的预测454.3.5长江流域水上交通事故发生量预测484.4模型预测效果评价524.5本章小结52第五章 长江流域水上事故风险防范研究545.1长江流域水上交通安全形势分析545.2水上交通风险防范概述545.2.1水运安全风险的相关定义545.2.2 水上交通风险的特征555.2.3 水上交通风险的内容555.3 长江流域水上交通安全风险现状565.4 长江流域水上交通安全风险险防范的建议575.4.1收集水上交通风险防范初始信息575.4.2制定风险防范计划575.4.3建立风险防范长效机制585.5本章小结59第六章 结论和展望606.1全

25、文工作总结606.2需要深入研究的问题616.3混沌理论在水上交通事故分析中的应用前景分析61致 谢63参考文献64附录 相关程序70IX长江流域水上交通事故的混沌分析和防范研究第一章 绪论1.1研究背景和意义1.1.1水上交通运输业的快速发展改革开放以来，中国经济持续稳定的发展，贸易的增长和繁荣带来了水上运输的巨大需求。30年的时间里港口数量和运力规模大幅度地增加，海上的船舶交通状况又发生了很大的变化，船舶正向大型化，高速化方向发展，船舶数量不断增多，船舶交通日趋繁忙，使得在有限的港口水域中，造成港口航道交通量的增加；船种与船型的变化，造成港口航道船型的混杂1。投资经营者的数量也大幅度地增加

26、，运输实体由过去单一国有企业向国有、集体、个体多元化方向转变2。2008年底，全国拥有水上运输船舶18.42万艘，完成水路货运量29.45亿吨、货物周转量50,262.74亿吨公里，至2009年底，全国完成水路货运量31.4亿吨，完成水路货物周转量57,440亿吨公里3。国际金融危机对全球航运业的发展冲击相当严重。受国际金融危机影响，外需萎缩，我国外贸进出口经历了自2008年以来的连续大幅下挫，水路货运量强劲增长的势头明显放缓4。但我国内需比较强劲，国家经济刺激政策效果明显。随着国家40,000亿元投资经济刺激计划拉动效应的显现，国内对工业原材料需求不断升温，国内企业加大铁矿石、煤炭、原油等进

27、口力度，国内交通运输业得到蓬勃发展，外贸进口成为2009年港口运输生产的亮点，2009年，全国水路货运量同比增长6%，水路货物周转量同比增长14%5。长江是我国内河水运最重要、运输规模最大的通航河流，通航里程2800多千米，占全国内河通航里程的百分之七十，货运量占全国内河运量的80，沿江七省二市集聚了我国41以上的经济总量，在全国经济发展中占有十分重要的地位。据统计2000年至2009年间，长江流域国内生产总值将保持年均9至10的增长速度。2010年至2020年，年均增长7至8，均将高于全国平均水平。1.1.2水上交通安全形势依然严峻 水运繁荣的背后却是频频发生的交通事故所带来的生命和财产的损

28、失。水上交通事故率远远低于道路交通事故率，是一种比较安全的运输方式。从另一个角度讲，虽然水上交通事故属于小概率事件，但由于其运量大、运输工具庞大而灵活性差以及受自然环境影响较大的特点，一旦发生危险就很容易产生船体断裂或船舶沉没等严重后果，加之受地域环境的限制，很难迅速有效的施救，全军覆没的惨剧时有发生，不但造成巨额经济损失，人员伤亡更加触目惊心。据统计，全世界每年平均灭失500总吨以上的船舶总数超过350艘，发生碰撞、搁浅、触礁等水上交通事故的船舶更是数以万计。而且，目前超大型油轮以及运输危险货物的船舶不断增多，这些船只如果发生事故，会招致大范围的重大灾害，引起很大的社会问题，在某种情况下会发

29、展成为深刻的国际问题。我国政府予以高度重视，采取了一系列综合措施，水上交通安全处于相对平稳的状态。安全生产已成为交通安全管理部门高度重视的问题，而水上交通事故的预测则是安全管理的重大课题。交通运输部副部长徐祖远强调指出，航运市场不景气阶段往往是水上重特大事故发生的高危期，各级交通系统要加强监管，确保水上安全形势持续稳定6。据中国海上搜救中心常务副主任陈爱平介绍，近年来，我国海上运输船舶数量持续增长，各类涉海、用海活动数量越来越多，规模也越来越大，而海上险情呈稳步下降趋势，水上安全形势虽然平稳但依旧十分严峻。表1-1显示了基于四项指标的全国水上交通事故统计7。表1- 1 20002009年全国水

30、上交通事故统计表 年份 指标2000年2001年2002年2003年2004年2005年2006年2007年2008年2009年事故量（起）633633735633562532440420342358死亡人数（人）576576463498489479376372352336沉船数（艘）257257384343330306250248213199直接经济损失（亿元）1.241.241.611.243.694.954.434.025.193.47经济发展带动了长江航运的发展，也带来了水上交通事故时有发生。据统计，1995至2009年间，长江干线年均发生水上交通事故133件死亡124人、沉船62艘、

31、经济损失3290.54万元。水域内库区、港区、桥区、干支交汇区、施工作业区、锚泊区和渡口(六区一渡)水域通航环境敏感，事故多发，管理困难，成为长江海事管理的重点水域。初步分析事故发生的原因，多数事故的发生是由于船长不熟悉水情、航路及操作不当引起的。因此，对于维护水域的安全航行状况，需要更多的航行信息服务，而传统的监管手段已经显得不适应新的形势发展。1.1.3研究意义党中央、国务院高度重视安全生产。党的十六届三中全会决定中提出：“建立健全各种预警和应急机制，提高政府应对突发事件和风险的能力”；十七大对安全生产工作提出了新要求，突出了安全生产的重要性。十七大报告在回顾工作时指出：在部署社会建设任务

32、时，强调要“坚持安全发展，强化安全生产管理和监督，有效遏制重特大安全事故”，要“完善突发事件应急管理机制”，“保障人民生命财产安全”。水上交通事故的研究正是贯彻安全生产的一种举措。水上交通事故的发生是小概率事件，而且“因时、因人而异”的发生，不可能确定地预测事故将于何时何地或何种条件下发生。而水上交通安全事故一旦发生，往往都会对环境和生命财产造成巨大损失8。水上交通事故的发生量是衡量船舶因安全状况的重要指标之一，党中央、国务院高度重视安全生产，国家有关部门制定安全目标时，必须考虑水上交通事故发生量的现状和发展趋势9。目前我国的水上交通安全管理侧重于事故后的应急、经济损失的统计以及当事人责任的追

33、究等等，缺乏前瞻性研究，缺乏对水上交通事故的预控管理，从一定程度上抑制了水运业的发展。所以水上交通事故的预测研究显得极为重要。长江航运的地位和作用对流域经济以至对国家经济建设的地位和作用十分明显。随着国家西部大开发战略的实施长江航运作为连通东西部的桥梁和纽带，其航道的畅通对于西部开发战略的实施关系重大，必将在流域的经济发展、生产力布局由东向西转移以及东、中、西部地区不断扩大的资源、技术、信息交流中发挥重要作用。本文以长江流域水上交通事故为研究对象，以交通安全工程理论和混沌预测理论为研究基础，针对水上交通事故的成因机理及其与影响因素进行分析，论述了水上交通事故的预测方法，并在定量和定性两方面诊断

34、出水上交通事故具有初始条件敏感性和长期不可预测性，混沌判别是混沌研究的基础，从而为其以后的研究奠定了理论基础，同时也拓展了混沌理论的应用领域。本通过建立有效的预测模型研究交通事故的发展趋势，对将来可能发生的事故进行合理的估计，采取及时地、有针对性的措施，将事故控制在一定的限度内，以达到减少水上交通事故、增加水运安全的目的。在分析了长江流域水上安全形势的基础上，对长江流域的水上交通风险防范提出了建议。1.2研究现状1971年日本的藤井弥平博士在世界航运界中最有影响力的英国皇家航海学会学术刊物航海杂志上发表了题目为“海上交通工程”的论文，同年在日本出版了世界上第一本海上交通工程专著序说海上交通工程

35、学，标着一门新兴的学科海上交通工程学的诞生。 国内外水上交通安全形势及对策方面的研究主要涉及国际海事组织(IMO)公约等对航运安全的要求以及国内外研究机构和学者在水上交通安全评价、风险预测和风险判断等方面的理论和方法的研究。1.2.1国外研究现状 相比较而言，美国、日本、欧洲等发达国家，随着生活水平的提高人民对安全和环境的敏感度提高，对水上安全和救助的反应速度要求也相应提高，因而设施配置的数量相对要多，并且质量优于其他国家，在国际合作中往往处于主动地位。 1991年，ASIS(Association Structural Improvement of Shipbuilding Industry

36、)展开了一个旨在防止油船由碰撞和搁浅而泄漏的研究项目，近年来相关研究工作得到了深入开展，取得了一定成就10。从1994年美国海岸警卫队USCG(U.S. Coast Guard)发动了一个长期的、系统的研究计划（PTP计划）11，它是“以人为中心的旨在减少海难事故和海洋污染的系统研究方法”，通过对人为因素的系统研究来减少、控制该因素的危害，实现水上交通安全预测。对水上交通事故影响因素的分析，比较有代表性的是1990年日本航海学会论文集在船舶交通事故中关于人一机系统的研究和海上交通系统环境安全评价研究模拟（日本1991年）、海上交通模拟器（荷兰TN01992年）、海事模拟（INSC 1998年）

37、等。美国的Blanc采用神经网络方法对比统计方法对1978年到1987年期间的密西西比河下游的936起事故进行了分类分析12。1993年，日本的正田合等在事故预防心理学中，对事故中的心理因素进行了研究13。1998年，Lin和Jobson等人采用贝叶斯估计理论，根据潮汐、能见度、航道复杂性、白天和夜航等变量研究了5个港口的事故资料，得到了船舶搁浅概率的量化结果。在船舶交通事故的预测方面，近十年来，国内外学者运用故障树分析法14、模糊数15、BP算法16、神经网络17等理论方法对事故进行了预测分析和评价，并对船舶的事故模式进行了识别。1.2.2国内研究现状就国内而言，水运发展相对滞后于其他运输形

38、式，随着国家对水运的重视程度越来越高，在很多学者、实际行业管理者的不懈研究和实践下，目前也取得了一系列的成果。分析的方法渐渐从以定性和经验分析向定量分析转变，对水上交通系统的安全问题分析研究时，广泛引入了系统工程理论和人工智能，模式识别、专家系统等技术。但是，长江水运的发展依然落后于海运，水上交通安全问题研究的投入严重不足，相关的研究体系还没有完全建立，几乎处于空白，整个安全生产状况与发达国家相比存在很大差距。近年来，我国的许多专家学者从不同的侧面也对造成海上交通事故的最主要因素人为因素进行了分析，指出人为因素是一种综合因素，与之有关的各因素之间是相互联系的。吕海霆18在机舱船员海上作业劳动安

39、全卫生预测评价研究中详细阐述了人为因素对海上作业安全的影响；曾华岚19、李文双20等对船舶轮机事故中的人为因素的进行了研究；黄志21讨论了航行环境与船舶碰撞事故的关系；蔡存强22、陈刚23等对船舶搁浅的原因进行了分析。这些研究都从不同的角度和深度对水上交通事故进行了阐述。多因素方面，708研究所郭其顺24的对世界海难事故的现状与原因进行了分析；陈雷、曹亮25对全国水上交通安全做了宏观分析；关政军26曾对船舶交通事故进行详细分析；龙升照、黄瑞生27等阐述了人-机-环境系统工程理论及应用基础；在此基础上，黄飞28对船舶轮机“人机”一体化管理模式进行了研究。这些比较有代表性的论文可概括为：人、船、环

40、境定量评价指标的开发与研究。相比国外的研究，我国专家和学者在船舶交通事故预测方面也作了一定的工作。吕晓夫，杨亚东29等采用回归分析方法预测船舶交通事故，肖景坤、殷佩海30等用灰色拓扑分析方法预测海上溢油趋势，倪秀晖等31利用灰色系统理论预测渔船事故等研究；郑中义32、周伟新33、张斌等分别对灰色预测、交通事故灰色预测和灰色马尔科夫预测做了研究，在此基础上，大连海事大学赵佳妮34在运用灰色马尔科夫模型，综合了灰色GM(1，1)模型和马尔科夫矩阵的优点，在充分利用历史数据的基础上，预测了水上交通事故的发生量，并对该模型的影响因素进行了分析；童飞35用BP神经网络模型对水上交通事故进行预测并通过MA

41、TLAB实现。混沌科学的发展，使得可以不必事先建立主观模型，而直接根据序列本身所计算出来的客观规律进行预测，这样可以避免预测的人为主观性，提高预测的精度和可信度。1980年，Packard提出时间序列的相空间技术，1981年，Takens根据Whitney早期在拓扑学方面的工作，提出了相空间重构理论。最初提出相空间重构的目的在于从高维相空间中恢复混沌吸引子，而且混沌吸引子作为混沌系统的特征之一，体现着混沌系统的规律。经过二十多年的不断探索，人们已经在混沌时间序列预测领域取得了很多重要的理论研究成果36-47。从方法学的角度来看，这些预测方法可分为：全局预测法48-50 、局域预测法51-55和

42、非线性自适应预测法56-58等。全局多项式建模预测法在理论上是可行的，可由于全局预测方法的建模过程必须采用离线方式，当嵌入维数很高或者系统很复杂的时候，该方法并不容易实现且难以做出准确预测；局域预测法是将相空间轨迹的最后一点作为中心点，把离中心点最近的若干轨迹点作为相关点，然后对这些相关点作出拟合，再估计轨迹下一点的走向，最后从预测出的轨迹点的坐标中分离出所需要的预测值，相对于全局预测法来说，局域预测法在多数情况下都是可行的。局域预测法由其柔韧性好、拟合速度快和运算精度高而受到人们的普遍关注。混沌时间序列预测理论已经被广泛应用于经济59-60、 交通63-63、电力66-66、气象67、水文6

43、8,69、地质70,71等各自然和社会领域并取得良好预测效果。武汉理工大学华清把混沌理论运用到船舶交通事故预测中72，从混沌的角度研究船舶交通事故的预测，这是一种新的尝试，值得进一步深入研究。1.3本文的研究思路和主要内容 料事之先是为预，防患未然即为警。水上交通事故预测是预防和预警的前提，预测的准确性关系到各方的经济利益，因而水上交通事故的分析、预测和控制方法的研究一直受到国内外学术界和航海业内的广泛关注。本质上，水上交通事故的发生呈现显著、强烈的非线性特征。因此，对水上交通事故的预测，需要引入非线性理论加以分析和研究。混沌理论是非线性理论的重要组成部分，通过分析水上交通事故的特点，判别其具

44、有混沌特性，因此将混沌理论引入船舶交通事故预测具有针对性。本文将混沌理论应用于水上交通事故预测研究中，为解决水上交通问题开辟了新的途径。目前这方面的研究才刚刚起步，但作为水上安全领域中的一个实用研究方向，具有深入探讨的价值。全文共分为六章，其主要内容和结构安排如下：第一章：绪论，说明本文的研究背景和意义，详细阐述水上交通事故预测的历史和发展研究现状，简要介绍混沌预测理论的研究现状，最后给出本文的内容和结构安排。第2章 ：相关混沌理论介绍，相空间重构理论研究与实现。简要介绍混沌理论的发展历史，重点介绍了混沌特性的判别方法和混沌时间序列预测理论，本章采用互信息法得到最佳嵌入延迟，通过G-P算法得到

45、最佳嵌入维数m，并在MATLAB软件平台上进行编程实现。为下文的研究奠定理论基础，同时也拓展了混沌理论的应用领域。第3章 ：长江流域水上交通事故中的混沌分析。文章通过对水上交通事故的致因分析，从定性和定量的角度对水上交通事故的混沌特性进行深入的研究，建立了适合于水上交通事故混沌分析的混沌方程模型。并对长江某流域水上交通事故进行研究，用G-P算法得到嵌入维数m=5，互信息法确定时间延迟t=4，重构相空间，判定系统存在混沌吸引子，从而诊断出该水域交通事故的发生量具有混沌特性。混沌判别是混沌研究的基础，从而为其今后的研究奠定了理论基础。第4章 ：长江流域水上交通事故的预测研究。本章首先阐述了水上交通

46、事故预测的必要性和可行性，然后阐述了了混沌时间序列预测在水上交通事故预测中的应用，并介绍了混沌预测的两种方法全局预测法和局域预测法。最后对水上交通事故预测进行实例分析。分别不同时间序列预测方法，对长江流域重庆段水上交通事故和长江流域水上交通事故进行预测。通过比较说明，局域法更好的反映了事故发生趋势，局域预测法要优于其他时间序列预测方法，并针对预测结果，对长江流域事故发生趋势进行了分析。第5章 ：长江流域水上交通风险防范研究。本章首先介绍了水上交通风险防范的相关概念，在分析长江流域水上交通风险特征和安全形势基础上，对该流域水上交通风险防范提出了建议。 第六章：对本论文进行总结，并指出目前还存在的

47、问题以及进一步的研究方向和工作的展望，并分析了混沌理论在水上交通事故研究中的广阔应用前景。第二章 混沌相关理论介绍2.1混沌理论概述 混沌一般意指混乱、没有规律性的事物或现象，如缓缓上升的烟雾、风中飘动的旗帜、秋风中的落叶、小溪中的流水、公路上拥挤的车流、不断变化的股市行情等，都可以用混沌一词来描述。无论是中华文化还是西方文化，对于混沌的最初理解都无外乎“无形”、“空虚”、“无秩序”，这种对自然界复杂系统的认识受制于当时的物质生产条件和宗教信仰。近代科学技术的发展为人们进一步认识和研究混沌提供了必要条件75。二十世纪五、六十年代为发展初期。KAM定理的建立被认为是混沌理论创建的历史性标志。19

48、63年，美国气象学家Lorenz发现了著名的“蝴蝶效应”，此效应说明，事物发展的结果，对初始条件具有极为敏感的依赖性。二十世纪七十年代为快速发展期。此间，混沌、奇怪吸引子等混沌概念被陆续提出，倍周期分岔等混沌现象也被发现。二十世纪八十年代是混沌学科的定量分析发展阶段。分数维、Lyapunov指数等特征量被发现，这促使混沌理论应用于实际。 二十世纪九十年代至今是混沌理论的广泛应用阶段。这一时期，混沌研究的特点是与其他学科相互渗透。混沌理论在保密通讯、混沌优化、非线性时间序列的分析和预测、弱信号检测等方面都有着较为广泛的应用。混沌理论在其发展初期带着一种诡秘的色彩，随着对混沌现象研究的不断深入，混

49、沌的本质规律逐步水落石出，但由于混沌现象的歧义性和复杂性，迄今学术界对混沌尚没有一个统一的定义。有些科学家将混沌定义为貌似随机的事件背后却存在着内在的联系，如果一个系统的演变过程对初态非常敏感，人们就称其为混沌系统。自然界中的混沌现象是普遍存在的，规则运动只是在局部范围内存在66。混沌科学就是致力于发现这些背后隐藏的模式和细微的差别。下面介绍两种影响较为广泛的混沌定义：1Li-Yorke定义Li-Yorke定理最早是由华人学者李天岩和他的导师Yorke在他们于1975年联名发表的论文周期3蕴涵混沌78中提出来的。Li-Yorke混沌的定义为：对于闭区间I R上的连续函数F，如果满足下列条件，便

50、称它具有混沌现象：(1)对于任意自然数k，映射F具有周期为k的周期点。(2)存在一个不包含映射F的周期点的不可数集合S I，满足对任意p, qS，pq：(3)对于任意和任意周期点：Li-Yorke的混沌定义中，只说明子集S的点相当分散又相当集中，并且子集S不会趋近于任意周期点，这个定义只预言非周期轨道的存在性，并没有描述它们的测度和稳定性。2Devaney的混沌定义 1989年Devaney给出了混沌的另一种定义：设x是一度量空间，一个连续映射f:xx，如果满足下面3个条件，便称为f在x上是混沌的： (1)f具有对初始条件的敏感依赖性； (2)f是拓扑传递的； (3)f的周期点在x中稠密。不论

51、哪一种混沌定义，都有一个共同的特点即在参数空间的一定范围内，确定性的非线性系统出现长期行为对初值的敏感依赖性。混沌系统是种极端敏感地依赖于初始状态的系统。从图2-1中可以看出，初始状态极为靠近的两点，x1(0)，y1(0)，z1(0)和x2(0)，y2(0)，z2(0)经过一段时间的演化，二者之间的距离发散得很快。经过一段时间t后，分别运动到点x1(t)，y1(t)，z1(t)和x2(t)，y2(t)，z2(t)处，这表现出混沌运动对初始条件的敏感依赖性79。 图2-1 初始状态极为靠近点的演化过程 混沌系统在其运动过程的任意一点上都有这种敏感性，系统初态的任何微小误差都将引起系统行为随时间呈

52、指数规律发散，且最终会收敛于状态空间的一个有限区域，即收敛于一个奇异吸引子。一般来说，把时间t时状态的归宿称作吸引子。吸引子的特征量是刻画吸引子某个方面特征的量。混沌系统的重要特征是具有奇怪奇异子。奇异吸引子具有分数维、正的Lyapunov指数、正Kolmogorov熵以及功率谱等是连续的统汁特征。 图2-2 几个著名的奇异吸引子2.2 相空间重构理论2.2.1 Takens定理要判定时间序列所代表的系统中是否存在混沌吸引子，需要恢复原系统，因此应首先对系统输出的单一变量的时间序列进行相空间重构。Takens定理是相空间重构的理论基础。Takens定理：是维流形，映射是一个光滑的微分同胚，映射

53、有二阶连续导数， (2-1)则是到的一个嵌入76。Takens定理表明，可以寻求合适的嵌入维，恢复诸如吸引子等规则性轨迹。这实际上就是相空间重构。对于混沌系统或一般的非线性系统来说，按照混沌系统含有周期无穷大的周期现象的特点，理论上应当取无穷大数据量才能反映出系统的全部特征。这正是Takens定理的条件。所以，无论采用何种方法，对于非线性系统（特别是混沌系统），从有限数据量（有限长度的时间序列）不可能提取出系统的所有特征或规律，仅能从某一个单变量输出时间序列中提取和恢复出原系统的某些部分规律。假设观测时间数据序列为，取1个单位的延迟间隔，即=l时： 这就形成了时间延迟=1时的三维空间中的N个坐

54、标点。如果去两个单位的延迟间隔即=2时： 这就形成了时间延迟=1时的三维空间中的N个坐标点。那么对于延迟时间为的m维空间，则重构后的相空间中的坐标点可表示为：其中，N=n-(m-1)。上式中，m维空间的m称为嵌入相空间的维数，这样就用嵌入相空间代替了状态空间，N个点就形成了m维嵌入相空间的轨道。根据相空间重构的原理，用MATLAB7.1软件编制了单变量时间序列的重构相空间程序，源程序见附录一(1)。2.2.2时间延迟的确定 目前，确定时间延迟目前最常用的是自相关法和互信息法。自相关法是非常成熟的延迟时间求取方法，但自相关法只能提取序列间线性相性，而且不易推广到高维。自相关函数仅仅度量了两个变量

55、的线性依赖性；而互信息函数却度量了两个变量的总体依赖性。互信息法的互信息量较小，折叠的开端能够比较清楚地区分，因而能够通过重构相空间来定量和定性分析吸引子的动力学特征。互信息法可以克服自相关函数法定的不足，将其扩展到大数据量、非线性问题。重构相空间的延迟时间选取为互信息函数第一次达到极小值时所对应的时间。这种方法能克服自相关函数法只反映变量间线性相关程度的局限性，还能度量变量间的非线性的广义相关关系。所以，互信息方法在时间延迟r的选取上要优于自相关函数法。设混沌时间序列, 时间延迟为(T=)，嵌入维数为m,重构空间得：其中。则系统对变量s的平均信息量为系统的熵H： (2-2)记s,q=x(t)

56、,x(t+T)；考虑一个总的耦合系统，(S，Q)，假定s已知为，则q的不确定性为： (2-3)是条件概率。设t时刻x已知，则在t+T时刻x的平均不确定性为： (2-4) (2-5)其中H(Q)是孤立的q的不确定性，H(Q|S)是已知s的q的不确定性。所以，s已知减少了q的不确定性，则互信息为： I(Q,S)= H(Q)-H(Q|S) = H(Q)+H(s)-H(S,Q) = I(S,Q) (2-6)互信息不是变量s或q的函数，而是联合分布概率的函数，它是分布的总体度量。若Q是S的延迟相，则延迟相的图形给了分布的估计。计算互信息的基本困难是从直方图中估计分布。可以用以下方法解决：设在s，q平面上

57、点(s，q)处的一个大小为的盒子，那么有 (2-7)其中、分别为盒子中点的数目和总点数。对于一般情况，互信息为： (2-8)则第一次达到最小时的时间就是相空间重构的时间延迟。用MATLAB7.1编制互信息的计算程序75，81，源程序见附录一(2)。2.2.3嵌入维数的确定最佳嵌入维数是进行相空间重构时需要选取的一个重要参数。Takens定理证明当嵌入维数m2d+1时可获得一个吸引子的嵌入，其中d是吸引子的分形维数。如果m选的较小，则吸引子可能折叠导致在某些地方自相交，这样在相交区域的一个小邻域内可能包含来自吸引子的不同部分的点;如果选得太大，理论上是可以的，但在实际应用中，随着m的增加会大大增加计算吸引子几何不变量(如关联维数、Lyapunov指数等)的工作量，且噪声和舍入误差较大79。选取的方法最常用的为饱和关联维数法。关联维数是对相空间中吸引子复杂度的度量，设像空间中不相交的两点为： (2-9)则像空间中的两个点和的欧氏距离为： (2-10)定义2-10给定一个临界距离r，则相空间中吸引子上的两点之间的距离小于r的概率称为关联函数，记为： (2-11) 其中，为相点个数，H为函数： (2-12)是一个累计分布函数，表示相空间中吸引子上两点之间距离小于r的概率，