英语原文共 14 页
使用先进信息技术对海洋事故数据分析、可视化和质量控制
James P.Dobbins和Mark Abkowitz
美国田纳西州纳什维尔范德比尔特大学
摘要：随着对脆弱的美国运输系统基础设施的日益关注，正在进行几种不同类型的风险评估。由于这适用于海运，风险分析的一个领域是内陆水道网上的安全运输。沿着美国大约10，000英里的通航水道，坐落着主要的桥梁、船闸和水坝以及人口中心。一个事件不仅会影响人类健康、财产和生态，而且如果它使网络无法通行，这也可能在整个美国经济中引起连锁反应。这篇文章探讨了如何使用先进的信息技术来识别和可视化美国航道沿线的危险位置。这项研究的最初目的是利用地理信息系统技术确定这些地点。然而，美国海岸警卫队事故数据的质量问题很快变得很明显。因此，使用卫星图像的可视化(在谷歌地球等程序中)在验证事故地点和理解每个地点的特征如何导致事故原因和后果方面被证明是有价值的。因此，本文还讨论了如何将具有成本效益的技术有意义地应用于海难数据分析和验证。
关键词：海上交通事故数据；可视化；质量控制；地质；图形信息系统(GIS)、谷歌地球、海洋运输风险评估
1、导言
内陆海运通常用拖船和驳船进行。驳船主要用于运输低价值、大体积的大宗商品，如谷物、煤、砾石、矿石和石油产品。根据作业区域的不同，一艘拖船可以将多达40艘驳船捆绑在一起并推动。
该行业对国家经济福利的贡献是显著的。2008年，近4，000艘拖船每年沿美国可通航水道运送32，000艘驳船(干货、甲板和油轮)，其中包含8亿吨以上的原材料和成品(美国水道运营商[·AWO)；美国海事管理局，2008年)。2006年，超过4000亿吨英里沿着密西西比河系统(密西西比河，包括支流)移动(美国陆军工程兵团[·USACE，2007年)。2006年，经营内陆海运船舶的公司数量超过3，300家(USACE，2007年)。因为典型的驳船运输能力是单轨汽车的15倍，半卡车拖车的60倍，内陆海运对美国经济的好处是根本性的和重要的。此外，随着货物运输远离拥挤的高速公路和人口中心，生活质量效益得以实现(AWO，2008年)。
内河航运带来了几个独特的挑战。船闸帮助船只改变水体之间的高度。然而，由于水流流经相邻的水坝，并且为了适应船闸室内的情况，通常必须将一个塔架分成几个不同的切口(驳船组)，因此接近船闸可能会很困难。其他危险包括公路和铁路桥墩、港口和码头附近拥挤的水道、航道移动、恶劣天气和能见度有限的条件以及低水位和高水位条件。驳船的载重量(约1，500吨)也增加了内河航道的操纵难度。
美国海岸警卫队的任务是根据46联邦法规第4部分(2009年海上事故或意外事故)调查发生在美国通航水域的海上事故。关于船舶，术语“海上事故”包括(但不限于)搁浅、触碰、沉没、洪水、碰撞、爆炸、火灾以及船舶电力、推进或转向能力的降低或损失(海上事故，2009年)。触碰是指移动物体(如拖船和驳船)与固定物体(如船闸墙、桥墩或码头)相遇的情况，不同于碰撞，触碰涉及移动物体之间的接触。搁浅是指拖船和/或驳船触底的情况。
尽管美国海岸警卫队负责调查所有可报告的海上事故、内陆和沿海事故以及所有事故类型，但这项研究侧重于识别和检查内陆通航水道上发生的高事故位置。重点进一步限于碰撞、碰撞和搁浅，因为其他事故类型(如人员伤亡、火灾和爆炸)被认为是独立于航道配置、船舶交通和地理位置而发生的。内陆水道网被定义为新奥尔良及其支流上方的密西西比河。这一定义限制了所涉及的船只类型，并消除了与深水船只的相互作用，就像在新奥尔良和其他沿海港口遇到的那样。
在这项研究中，地理信息系统技术被用来处理数以千计的海上事故记录，并确定内陆水道网沿线最常见的事故地点。地理信息系统通过其空间属性提供了一种管理数据的手段。
对象不是存储在传统的数据库表中，而是基于地理进行组织，并按对象类型(例如事故、终端设施、英里标记以及锁和水坝)分层存储。这使得对象能够使用地理作为公分母来关联(例如海上伤亡和最近英里标记之间的关系)。地理信息系统用于可视化时，能够比传统的报告或表格格式更容易地传达信息和趋势。
2、方法
2.1.数据可用性
美国海岸警卫队保存所有通航水道事故的数据。截至2008年春季，事故数据可从1980年到2007年年中获得。然而，在这段时间里，美国海岸警卫队已经在三个主要的系统设计之间进行了转换:CASMAIN(伤亡维修)到MINMod(海洋调查模块)，然后到MISLE(安全和执法海洋信息)。
进行感兴趣的研究所需的基本信息是事故日期、事故类型(碰撞、碰撞或搁浅)和位置(纬度和经度，或水体和河流英里)。由美国海岸警卫队指定的唯一海上事故案例编号用于确保没有事故被计算两次。例如，在两艘船相撞的情况下，将产生两个记录(具有相同的海难案例号)。数据库程序用于从分析中消除重复的病例号。
1980年至1991年的数据可通过中亚经济体统计数据库([统计局，2008年b)获得。该数据库包含50多个属性，包括诸如风况、损害估计、有关所涉及船只的信息以及导致事故的因素等细节。MINMod继承了CASMAIN公司，经营期从1992年到2001年。最小外径数据结构包含19个属性，主要消除了存储相关船只信息的字段(USCG现在将该信息存储在单独的船只表中)和非主要因素。
从2002年开始，直到现在，美国海岸警卫队将船只伤亡信息存储在海上安全和执法信息系统中。该数据库旨在存储美国海岸警卫队履行的所有职责的信息，而不仅仅是污染和船只事故。可获得2002年至2006年的多指标类集调查数据(英国统计局，2008年)。MISLE中可用的属性类似于MINMod中的属性。
2.2.数据质量
尽管所有三个系统中记录的事件遵循相同的一般程序(由做出响应的海上安全股调查人员输入)，但在为分析目的合并这些数据集时，仍有一些问题必须理解。如果驳船涉及搁浅并在两天后下沉，如果下沉是搁浅的结果，则在同一案例编号下将有两个条目。有有意和无意的基础。故意搁浅发生在船只失灵、着火或如果不搁浅就有沉没危险的时候。尽管对有意接地的考虑不在本研究的范围内，但只能在CASMAIN数据库中将这些接地与无意接地区分开来。幸运的是，有意接地似乎相对较少。
地区报告也涉及到一些问题(奥尼尔，纽约)，调查人员在向报告系统输入信息时提供的细节数量也有所不同。众所周知，有些地区在船只触底搁浅时会报告，而其他地区只有在船只受损和/或延误时才会报告事故(沃特世、克里贝尔和迈尔，1999年)。MISLE已经进行了广泛的绩效评估，并由美国总审计局(GAO)对其中一些问题进行了审查，包括地区活动报告不足高达50% (GAO，2001)。这可能导致年份和报告事件数量之间的差异。报告要求和行业操作实践的变化对每年报告的事故数量的变化有很大影响。
这三个数据库的结构不同。因此，必须从每个数据集提取共同的相关字段。表1描述了这些常见字段。
表1
使用1980-2006年美国海岸警卫队数据的通用数据字段事故分析
|
字段名 描述 |
|
MCCASE 伤亡人数(CASMAIN和MINMod，MISLE的活动标识) 日期 事故发生日期 水域 事故发生的河流或水体 纬度 纬度 经度 经度 本质 事件的本质(触碰，碰撞，搁浅) 地理编码 事件是如何地理编码的(直接，河流和英里，没有)？ |
注：CASMAIN=伤亡维修；MINMod=海洋调查模块；MISLEE=海洋信息促进安全和执法。
1.直接:使用USCG报告的纬度和经度。
- 河流和英里:如果纬度和/或经度缺失，河流和英里标记用于从美国消费电子协会的英里标记数据库中复制纬度和经度。
-
无:这些记录没有可以确定地理位置的信息。
图1显示了从1980年到2006年报告的碰撞、碰撞和搁浅的数量，报告系统显示在图的顶部。20世纪90年代初报道的联合事件数量激增是1993年9月毛比亚事件的直接结果，当时一次驳船-桥梁联合导致美铁日落有限公司脱轨，造成47人死亡。事件发生后，所有桥梁事故(不仅仅是那些造成25，000美元或更多损失的事故)都应作为海上伤亡报告。图2显示了1980年至2006年间内陆水路运输的吨位。继20世纪80年代初铁路放松管制的影响之后，水上交通保持相对稳定。
尽管报告事故的变化是一个重大问题，但缺乏地理坐标是这项研究的一个更大问题。表2显示了如何记录每个数据集中的位置坐标。请注意，超过一半的CASMAIN记录包含纬度和经度条目，无法定位的记录数量随着MISLE而增加。同样令人感兴趣的是，每年报告的事故数量已经从MINMod下降到MISLE，下降了近25%。这可能与自9/11事件以来美国海岸警卫队海上安全任务增加安保、海上安全办公室之间报告的变化和/或美国海岸警卫队人员适应新报告系统有关。
如果存在纬度和经度属性数据，事故记录坐标信息的格式和精度会有所不同。在某些年份，纬度和经度以度、分和秒为单位报告，而在其他年份，事故只报告百分之一度。后一种格式转换成大约0.6海里的精度(因为1海里相当于1分钟的纬度)。这种缺乏精确性并没有使事故记录不能用于本研究的目的，但是它确实限制了详细的检查，例如确定事故发生在河岸上。
图1.美国海岸警卫队报告系统时代的事故按年统计
图2.按年划分的内陆水上贸易
表2
美国海岸警卫队事故数据的突破(位置坐标)
|
# 平均 纬度/ 河流 未知 数据集 记录 事件/年 经度 长度 |
|
伤亡维修 15,894 1,325 9,740 6,154 0 （1980-1991） 海洋调查模块 16,498 1,650 16,484 9 5 （1992-2001） 海洋信息促进 6,243 1,249 5,931 13 299 安全和执法 （2002-2006） |
注：CASMAIN=伤亡维修；MINMod=海洋调查模块；MISLEE=海洋信息促进安全和执法。
2.3.地理分析
利用地理信息系统技术探索坐标数据。地理信息系统能够每秒处理数千条记录，并执行复杂的交叉分析。这种分析包括重叠水路网络的缓冲区(例如，在水路的任一侧绘制5英里)，并仅选择缓冲区内的那些伤亡记录。在本研究中，地理信息系统用于执行以下任务:
1.地图伤亡记录(使用纬度/经度或河流/英里标记坐标信息)
2.对数据执行质量控制程序(消除5英里缓冲区以外的事故记录)
3.用最近的河流和英里标记标记每个事故记录(使用美国消费电子协会的英里标记数据库；USACE，2008年)
4.想象结果。
在地理信息系统中分析数据之前，必须在数据库中进行准备。微软访问用于将数据集合并成一个表(使用通用数据结构)，并将纬度和经度坐标转换成十进制度。
美国及其周围的可通航水道(USACE导航数据中心，2008年)。该网络通常用于测绘和其他水道性能评估，包括经济分析。在本研究中，该网络被用于在案例研究区域的内陆水道段的两侧创建一个5英里的缓冲区。超出缓冲区的事故被视为与陆地导航无关，或者坐标不够可靠，无法纳入分析。该程序产生了位于NWN 5英里范围内的12，258份事故记录(如图3所示)。
理解美国海岸警卫队数据地理准确性的一种方法是计算位于5英里缓冲区内的事故数量(按河流)，并将地理信息系统计算的河流名称值与美国海岸警卫队分配的原始值进行比较(至少对于那些水域已被填充的地区)。由于案例研究区(内陆通航水道缓冲区)外的近10，000起事故没有在水域中明确说明的水体，因此无法确定缓冲区内应该有多少记录。表3显示了超过100起事故的河流的比较结果。对于5英里缓冲区内的所有事故，约87%的事故被指定了正确的河流名称(由美国地质勘探局)，其余13%位于缓冲区之外或在WATER字段中包含空值。USCG数据库中的名称各不相同，例如，一些河流名称包括英里标记，并相应地进行了修改，以匹配英里标记层的名称(例如，“密西西比河下游，毫米528”改为“密西西比河下游”)。阿查法拉亚河的低精度百分比(38.6%)可能是由于它与海湾沿岸内水道西部(靠近95英里标记)相交和同处一地。
图3.内陆水道触碰，碰撞，搁浅位置图（1980-2006）
表3
5英里航道缓冲区内事故与总事故的比较
|
水体 在国家航道网5英里以内 总计 精度%<!--资料编号：[3970] |
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
