劉三林，陳先橋，高 原

(武漢理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢430063)

1 虛擬航標(biāo)技術(shù)的研究現(xiàn)狀

航標(biāo)是幫助引導(dǎo)船舶航行、定位和標(biāo)示礙航物與標(biāo)示警告的人工標(biāo)志［1］，其作用是幫助船舶安全、經(jīng)濟(jì)、便利地航行。傳統(tǒng)航標(biāo)主要是基于視覺的、音響的和無線電的有信息服務(wù)作用的設(shè)施，容易受環(huán)境變化的影響，例如航標(biāo)的缺失、移位、損壞，以及冰雪天氣等，導(dǎo)致傳統(tǒng)航標(biāo)不能有效地提供及時(shí)準(zhǔn)確的信息。對(duì)于像橋區(qū)這樣的特殊航段無疑是一個(gè)巨大的隱患。但是隨著虛擬航標(biāo)技術(shù)的快速發(fā)展，這一難題有望得到解決。虛擬航標(biāo)技術(shù)是通過AIS 基站播發(fā)的一種實(shí)時(shí)助航信息，航行在AIS 基站覆蓋范圍內(nèi)安裝有AIS 設(shè)備的船舶均可接收并顯示虛擬電子航標(biāo)符號(hào)［2］，警示船舶駕駛?cè)藛T，從而達(dá)到保證船舶航行安全的目的。虛擬航標(biāo)系統(tǒng)工作原理如圖1 所示。

圖1 虛擬航標(biāo)系統(tǒng)工作原理圖

目前，虛擬航標(biāo)技術(shù)主要是基于AIS 技術(shù)的發(fā)展，AIS 是經(jīng)過國(guó)外近10 年的研究和試驗(yàn)，并在國(guó)際會(huì)議組織上討論通過的新型航行設(shè)備，具有先進(jìn)的技術(shù)和可操作性的實(shí)施方案［3］。英格蘭海事局于1999 年在其管轄區(qū)域內(nèi)開始試驗(yàn)虛擬航標(biāo)的應(yīng)用，并將該試驗(yàn)的成功經(jīng)驗(yàn)介紹給歐洲有關(guān)國(guó)家;丹麥海事局于2004 年在其水域開始發(fā)展基于AIS 網(wǎng)絡(luò)的虛擬航標(biāo)應(yīng)用［4］。

我國(guó)在計(jì)算機(jī)技術(shù)、無線電技術(shù)和GIS 技術(shù)等方面相對(duì)較落后，航海業(yè)、船舶駕駛技術(shù)和電子海圖技術(shù)等起步較晚，在AIS 技術(shù)上相對(duì)落后于國(guó)外。但是隨著我國(guó)沿海AIS 岸基網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和內(nèi)河AIS 岸基網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的建設(shè)基本完成，AIS 在沿海和內(nèi)河航段已得到了廣泛應(yīng)用，為拓展AIS 功能、充分發(fā)揮AIS 作用打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

與傳統(tǒng)航標(biāo)技術(shù)相比，虛擬航標(biāo)技術(shù)有以下無可比擬的優(yōu)勢(shì)：①虛擬航標(biāo)的應(yīng)用大大降低航標(biāo)的設(shè)置、更改、維護(hù)管理成本;②虛擬航標(biāo)可以實(shí)時(shí)地傳達(dá)通航主管部門的實(shí)時(shí)信息，并通過電子海圖實(shí)時(shí)顯示最新沉船或者障礙物的具體信息;③虛擬航標(biāo)的設(shè)置不受天氣條件、水深和位置等因素的限制。虛擬航標(biāo)可以有效地解決惡劣天氣或者一些航標(biāo)船無法駛進(jìn)區(qū)域的問題;④虛擬航標(biāo)不會(huì)出現(xiàn)如實(shí)體航標(biāo)標(biāo)位漂移等問題，不存在因燈浮漂移而造成船舶擱淺的因素，導(dǎo)航精度更高;⑤拓展航標(biāo)的助航功能。通過與DGPS 差分臺(tái)和其他傳感器的無線或物理銜接，AIS 航標(biāo)可以向船舶提供DGPS 精確差分信息，提供航標(biāo)所在水域天氣、潮汐和海況數(shù)據(jù)［5］;⑥對(duì)于一些狹窄航道，設(shè)置實(shí)體航標(biāo)會(huì)占用航道寬度，使原本狹小航道的通行能力更低，設(shè)置虛擬航標(biāo)可以有效地解決這一問題［6］;⑦虛擬航標(biāo)的設(shè)置可以通過電子航道平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，不存在傳統(tǒng)航標(biāo)布設(shè)涉及到的各種費(fèi)用，更加經(jīng)濟(jì)和實(shí)惠［7］。

2 虛擬航標(biāo)布設(shè)的基本原則

(1)根據(jù)航道的條件和船舶航行的特點(diǎn)，以及當(dāng)?shù)氐乃臍庀笮畔?，進(jìn)行虛擬航標(biāo)的布設(shè)。

(2)與真實(shí)航標(biāo)類似，虛擬航標(biāo)布設(shè)應(yīng)沿著航道兩邊均勻布設(shè)，保證船舶在航行的途中，能夠接收到任何一方AIS 基站發(fā)送的信號(hào)［8］。

(3)結(jié)合各個(gè)航道不同的特點(diǎn)，最大限度地滿足航道水深、彎曲半徑、航道寬度的要求，以期合理地規(guī)劃出一條安全的、經(jīng)濟(jì)的、便利的船舶航行通道。

(4)對(duì)于特殊航道的航道口門和重要節(jié)點(diǎn)要予以標(biāo)識(shí)，便于航行船舶提前進(jìn)行反應(yīng)和操作。

(5)針對(duì)航道不同季節(jié)性的水位上升、下降，虛擬航標(biāo)的布設(shè)要有針對(duì)性地進(jìn)行配布。在航道水位上升期間，在保證維護(hù)水深的前提下，適當(dāng)放寬航道通行。在航道水位下降期間，在保證維護(hù)水深的前提下可逐步縮短航道寬度。

(6)對(duì)于一些特殊航道存在的危險(xiǎn)點(diǎn)或者淺灘等危險(xiǎn)區(qū)域應(yīng)進(jìn)行標(biāo)識(shí)和警告，警示過往船舶注意危險(xiǎn)，及時(shí)避讓。

3 橋區(qū)虛擬航標(biāo)布設(shè)數(shù)學(xué)模型

橋區(qū)航段虛擬航標(biāo)布設(shè)主要涉及到航標(biāo)布設(shè)點(diǎn)的水深，航標(biāo)布設(shè)寬度，以及布設(shè)位置點(diǎn)等因素。對(duì)于雙孔及其以上的多孔通航的橋梁，一般選擇孔面航道寬度大，水流主流通過的橋孔作為下水通航橋孔。水流較緩的通航孔則作為上行通行橋孔。

設(shè)在內(nèi)河航道中A點(diǎn)布設(shè)虛擬航標(biāo)，A點(diǎn)水域周圍水深為H(H＞0)，布設(shè)點(diǎn)A與對(duì)應(yīng)的布設(shè)點(diǎn)A1之間的寬度為B(B＞0)，A與橋墩之間的水平距離為ΔB(ΔB＞0)，布設(shè)點(diǎn)A距離航道岸線信號(hào)發(fā)射點(diǎn)M垂直距離為D(D＞0)，航道可通行寬度為W(W＞0)。由于航標(biāo)的布設(shè)水深需滿足航道的通航等級(jí)，以及通過船舶的尺度要求。同時(shí)還要依據(jù)相關(guān)管理部門的規(guī)定預(yù)留出一定的維護(hù)水深。依據(jù)交通部指定的《內(nèi)河運(yùn)輸船舶標(biāo)準(zhǔn)化管理規(guī)定》以一級(jí)航道作為分析對(duì)象，在條件允許的情況下，必須保證噸位不少于3 000 t 的船舶通過。結(jié)合船舶設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及吃水深度Hi的一般統(tǒng)計(jì)分析，3 000 t 船舶設(shè)計(jì)吃水深度為3.5 m。內(nèi)河航道管理維護(hù)水深ΔH取值范圍為0.4 ～0.5 m，因此可以得出航道的最小水深：

假定ΔH取最大值，即可以得到一級(jí)航道水深最低保證值為4.0 m。依照式(1)得到的各個(gè)不同級(jí)別航道的水深最低保證值如表1 所示。

表1 航道水深最低保證值

在實(shí)際的應(yīng)用中，必須考慮不同地區(qū)的實(shí)際情況。對(duì)于維護(hù)水深ΔH的取值，在某些航段可能無法取到式(1)中的值使得Hmin變小，在這種情況下需考慮降低航道的通行標(biāo)準(zhǔn)，在能夠滿足式(1)的條件下，應(yīng)該盡可能提高維護(hù)水深，以便能使更大的船舶順利通過。

在滿足min{Hi-Hmin}≥0 前提下，航標(biāo)布設(shè)寬度最好滿足max{Bi+ΔB}，以保證獲得更大航道的通行能力。在滿足了船舶航行通航的寬度之后，可以設(shè)置多條通行航線。結(jié)合船舶航行最短路徑和航道最大利用率的原則，航標(biāo)布設(shè)應(yīng)在減少船舶轉(zhuǎn)彎的同時(shí)，盡可能在航道水深較淺的一邊航行，以便更大吃水深度的船舶通行。

同時(shí)結(jié)合船舶航行的最大吃水深度和布設(shè)寬度的分析，針對(duì)內(nèi)河航道季節(jié)性的豐水和枯水期情況，結(jié)合圖2 具體地分析航標(biāo)布設(shè)的一般性方法。

圖2 航標(biāo)水深與布設(shè)寬度關(guān)系圖

對(duì)于豐水期內(nèi)河航道，在保證維護(hù)水深ΔH的情況下，根據(jù)安全航行水深，獲取航道可以航行的寬度，然后依據(jù)布設(shè)寬度的標(biāo)準(zhǔn)得到航道的寬度L，劃分出不同航向的航道。對(duì)于虛線標(biāo)識(shí)的枯水期水面，在保證安全水深的前提下，將航標(biāo)布設(shè)位置向水面中心移動(dòng)ΔLi(ΔLi≥0)，為保證航道的通行能力，設(shè)置航標(biāo)之間的距離L保持不變。需滿足通過減少相應(yīng)的航道個(gè)數(shù)，保證航行的通行能力。

由于虛擬航標(biāo)不存在具體實(shí)物，主要通過岸基的天線發(fā)射器進(jìn)行信號(hào)通信，對(duì)于布設(shè)點(diǎn)A到航道岸線信號(hào)發(fā)射點(diǎn)M垂直距離D(D＞0)應(yīng)盡可能滿足信號(hào)通信的要求。設(shè)一般通信標(biāo)準(zhǔn)距離為D1，則距離必須滿足min{D1-D}≥0。

結(jié)合對(duì)水深、航道寬度、布設(shè)點(diǎn)位置等因素的分析，可以得到一個(gè)關(guān)于虛擬航標(biāo)布設(shè)的多目標(biāo)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型，如式(2)和式(3)所示：

其中：h為航道水深;b為橋墩之間的距離;W為整個(gè)航道可通行寬度。通過該模型可得出虛擬航標(biāo)的布設(shè)涉及到一個(gè)多目標(biāo)優(yōu)化處理。針對(duì)該目標(biāo)模型，采用線性加權(quán)法將多目標(biāo)模型轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)求解。根據(jù)模型中有P個(gè)目標(biāo)fi(x)(i=1，2，…，p)并且有不同的重要程度，對(duì)每個(gè)目標(biāo)根據(jù)其重要程度予以一個(gè)權(quán)重wi(i=1，2，…，p)，若多目標(biāo)的模型是各個(gè)目標(biāo)最小化或最大化的規(guī)劃問題［9］，則通過將各個(gè)目標(biāo)和與之對(duì)應(yīng)的權(quán)重相乘后求總和即可構(gòu)造出一個(gè)具有單目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)的模型，如式(4)所示：

針對(duì)該模型中的水深H、布設(shè)寬度B和信號(hào)接收距離D等因素，綜合考慮實(shí)際航標(biāo)布設(shè)重要性的優(yōu)先級(jí)和對(duì)各因素權(quán)值的設(shè)定，筆者采取一種利用最優(yōu)傳遞矩陣對(duì)傳統(tǒng)層次分析法進(jìn)行改進(jìn)的方法。傳統(tǒng)層次分析法的基本原理是將待評(píng)價(jià)的各因素兩兩比較其相對(duì)重要性，然后進(jìn)行排序。由于主觀判斷約束性，兩兩比較的結(jié)果不一定具有客觀一致性，因此通常需要進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。筆者提出改進(jìn)的層次分析法求得的判斷矩陣能夠自然地滿足一致性要求，可直接求得各因素的權(quán)值［10］。其具體的構(gòu)造方法如下：

(1)由標(biāo)度法構(gòu)造判斷矩陣A=(aij)n×n，該矩陣滿足aii=1，aij=1/aji，aij＞0;

(2)由得到的矩陣A，進(jìn)一步得到矩陣B=(bij)n×n，其中B=lgA;

(3)最后得到構(gòu)造矩陣A*= 10Cij，(Cij=其中A*是A的擬優(yōu)傳遞矩陣，并且其是一致的，即可通過方根法求得A*的最大特征值所對(duì)應(yīng)的向量即為各指標(biāo)的權(quán)重W' =(，…，)，歸一化后可得標(biāo)準(zhǔn)權(quán)重Wi =即得到各個(gè)因素的標(biāo)準(zhǔn)權(quán)重。

結(jié)合虛擬航標(biāo)布設(shè)涉及到的水深H、布設(shè)寬度B和信號(hào)接收距離D這3 個(gè)因素，采用三標(biāo)度法兩兩比較指標(biāo)的相對(duì)重要性，得到判斷矩陣M=(Mij)n×n和重要程度排序指數(shù)Ri，Rj，其中Ri，Rj如表2 所示。

表2 各因素相對(duì)重要性表

針對(duì)M中指標(biāo)H、B、D，設(shè)橫向取值為Mi，縱向取值為Mj，取值滿足：

Ri的值滿足的值滿足：Rj =

將根據(jù)計(jì)算得到的Ri，Rj值代入到式(5)中：

得到判斷矩陣A。根據(jù)上述構(gòu)造方法，依次進(jìn)行代入計(jì)算，最終得到水深H、布設(shè)寬度B、信號(hào)接收距離D因素的權(quán)重值w1=0.28、w2=0.29、w3=0.43，代入到模型中，得到一個(gè)一般虛擬航標(biāo)布設(shè)的模型圖，如圖3 所示。

4 虛擬航標(biāo)布設(shè)模型結(jié)果分析

基于上述橋區(qū)布設(shè)模型，針對(duì)武漢長(zhǎng)江大橋橋區(qū)的實(shí)際布設(shè)要求，將武漢長(zhǎng)江大橋橋長(zhǎng)W=1 155.5 m、橋孔跨度b=128 m、平均航道水深h=16.5 m、AIS 信號(hào)覆蓋半徑D=5 km 的參數(shù)代入到多目標(biāo)模型中，在長(zhǎng)江電子航道圖上進(jìn)行模擬布設(shè)的試驗(yàn)，得到的虛擬航標(biāo)布設(shè)圖如圖4 所示。武漢長(zhǎng)江大橋?qū)嶋H航標(biāo)布設(shè)圖如圖5 所示，通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)模型得到的布設(shè)方案航行安全性更高，導(dǎo)航準(zhǔn)確性也有一定提高，模型得到的結(jié)果是比較理想的。

圖3 橋區(qū)虛擬航標(biāo)布設(shè)模型圖

圖4 虛擬航標(biāo)布設(shè)圖

圖5 實(shí)際航標(biāo)布設(shè)圖

5 結(jié)論

隨著AIS 技術(shù)的廣泛應(yīng)用和不斷發(fā)展，基于AIS 的虛擬航標(biāo)將在標(biāo)識(shí)通航分道、劃分不同水深航路等方面發(fā)揮巨大作用。針對(duì)橋區(qū)航段虛擬航標(biāo)的布設(shè)，筆者從航標(biāo)的布設(shè)原則、影響航標(biāo)布設(shè)水深、航道寬度、間距等因素進(jìn)行分析，建立了一個(gè)關(guān)于虛擬航標(biāo)布設(shè)的多目標(biāo)優(yōu)化模型，利用虛擬航標(biāo)布設(shè)規(guī)劃航道進(jìn)行了一次有益的探索。

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