潘佐明 邵進(jìn)興 唐基宏 周世波

一、引言

燈浮標(biāo)是標(biāo)示航道范圍、指示淺灘和礙航物或表示專門(mén)用途的水面助航標(biāo)志，也是引導(dǎo)船舶航行的人工標(biāo)志，對(duì)保障船舶的航行安全有著重要意義。因此，確保燈浮標(biāo)布設(shè)位置正確，為船舶航行和定位提供盡可能準(zhǔn)確的位置信息，是航海保障部門(mén)的職責(zé)之一。

一般來(lái)說(shuō)，航海保障部門(mén)對(duì)外發(fā)布的燈浮標(biāo)位置是該燈浮標(biāo)拋設(shè)時(shí)的沉石位置，但是由于在拋設(shè)燈浮標(biāo)時(shí)航標(biāo)船GPS定位精度的誤差、自然條件以及人為因素影響，燈浮標(biāo)沉石的實(shí)際拋設(shè)位置與對(duì)外發(fā)布的位置存在一定的誤差。此外，燈浮標(biāo)是由沉石和錨鏈系留于水中，以沉石為中心做圓周運(yùn)動(dòng)，船舶在航行過(guò)程中視覺(jué)所看到的燈浮標(biāo)位置也不是海圖上所標(biāo)示的位置，即實(shí)際所見(jiàn)的燈浮標(biāo)位置與海圖標(biāo)示的燈浮標(biāo)位置有一定的偏移。若燈浮標(biāo)位置偏移過(guò)大而未能及時(shí)察覺(jué)，就會(huì)向船舶等發(fā)出錯(cuò)誤的助航信息，將直接影響到船舶的航行安全，同時(shí)也會(huì)增加管理部門(mén)的壓力。因此，掌握燈浮標(biāo)偏移特點(diǎn)，對(duì)于燈浮標(biāo)的維護(hù)保養(yǎng)和提升燈浮標(biāo)的助航效能有重要的意義。

二、燈浮標(biāo)布設(shè)經(jīng)驗(yàn)做法及回旋范圍

按照國(guó)際航標(biāo)協(xié)會(huì)（IALA）通用系碇系統(tǒng)設(shè)計(jì)的建議和《助航指南》的相關(guān)規(guī)定，一般情況下燈浮標(biāo)錨鏈長(zhǎng)度與布設(shè)水深的關(guān)系為：水深小于50米時(shí)，燈浮標(biāo)錨鏈最小布放長(zhǎng)度為水深的2倍；水深大于50米時(shí)，燈浮標(biāo)錨鏈最小布設(shè)長(zhǎng)度為水深的1.5倍。這是燈浮標(biāo)布設(shè)的經(jīng)驗(yàn)法則。IALA關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)錨碇設(shè)計(jì)的建議E107指出，燈浮標(biāo)最大的回旋半徑R（值守圓半徑，如圖1所示）與燈浮標(biāo)錨鏈長(zhǎng)度L和水深H有關(guān)，在理想情況下，考慮到海平面的漲落，燈浮標(biāo)使用的錨鏈長(zhǎng)度總是幾倍于水深，因此，在風(fēng)平浪靜情況下，部分錨鏈附著于海底，此時(shí)燈浮標(biāo)的回旋半徑很??；而最大回旋半徑發(fā)生在風(fēng)大浪急時(shí)，全部錨鏈基本上不著海底，但是由于錨鏈有自重，它不可能完全被拉直而總是存在著垂曲現(xiàn)象，實(shí)踐證明，一般來(lái)說(shuō)，回旋半徑

事實(shí)上，受到浮體大小、錨鏈長(zhǎng)度、海床底質(zhì)、水流速度、拋設(shè)時(shí)間等多方面因素的影響，燈浮標(biāo)錨鏈在絕大多數(shù)情況下存在部分埋入河床之中的現(xiàn)象，因此浮標(biāo)的實(shí)際回旋半徑一般要小于理論值[2]。

圖1 燈浮標(biāo)值守圓半徑

三、廈門(mén)港主航道燈浮標(biāo)偏移特點(diǎn)分析

從上述對(duì)燈浮標(biāo)拋設(shè)和位置準(zhǔn)確性影響的分析可以看出，燈浮標(biāo)偏移受多方面因素的影響，并且這些影響因素中的自然條件、船行波、GPS信號(hào)誤差等帶有不確定性。因此，很難從理論上準(zhǔn)確分析出燈浮標(biāo)偏移值。而廈門(mén)港主航道燈浮標(biāo)均裝有遙測(cè)遙控終端，通過(guò)這些終端可以采集到燈浮標(biāo)的歷史位置數(shù)據(jù)。單個(gè)的燈浮標(biāo)位置數(shù)據(jù)只是燈浮標(biāo)在某一時(shí)刻位置的展示，并不能反映燈浮標(biāo)的偏移特征。但是，對(duì)某一個(gè)燈浮標(biāo)的大量位置數(shù)據(jù)進(jìn)行集中分析，就可以從中挖掘出該燈浮標(biāo)偏移的特征。

（一）典型燈浮標(biāo)及其遙測(cè)歷史位置數(shù)據(jù)

廈門(mén)港位于廈門(mén)灣內(nèi)，廈門(mén)灣屬于臺(tái)灣海峽的一部分，海底地形整體趨勢(shì)為由近岸向海傾斜。廈門(mén)灣內(nèi)有廈門(mén)本島、金門(mén)島、大擔(dān)和二擔(dān)島、鼓浪嶼等島嶼，這一系列島嶼使得灣內(nèi)地形局部變化劇烈，因此屬?gòu)?qiáng)潮海域，潮流沖刷作用強(qiáng)烈，形成的潮流通道就使得灣內(nèi)燈浮標(biāo)受水流影響大。同時(shí)，廈門(mén)灣口沒(méi)有遮擋，受風(fēng)影響明顯，而灣內(nèi)受廈門(mén)島、大小金門(mén)島及陸地的阻擋，受風(fēng)影響較弱。因此，為全面比較分析廈門(mén)港主航道燈浮標(biāo)偏移規(guī)律，選取主航道入口及近廈門(mén)灣內(nèi)的兩座燈浮標(biāo)（4號(hào)浮和28號(hào)?。┻M(jìn)行分析，燈浮標(biāo)位置如圖2和圖3所示。

圖2 廈門(mén)港主航道4號(hào)浮位置圖

圖3 廈門(mén)港主航道28號(hào)浮位置圖

廈門(mén)港主航道燈浮標(biāo)均已經(jīng)實(shí)現(xiàn)遙測(cè)遙控。遙測(cè)遙控系統(tǒng)是利用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)、電子海圖、GPS、通信和數(shù)據(jù)處理等技術(shù)，使航標(biāo)主管部門(mén)遠(yuǎn)程、快捷地確定航標(biāo)故障，采集航標(biāo)的位置、電流、電壓等參數(shù)，發(fā)布航標(biāo)信息，提高航標(biāo)管理效率和效能。系統(tǒng)主要由數(shù)字化航標(biāo)終端、信息傳輸系統(tǒng)及綜合監(jiān)控系統(tǒng)三部分組成，其工作原理為：安裝在航標(biāo)上的數(shù)字化航標(biāo)終端測(cè)定航標(biāo)燈工作狀態(tài)，通過(guò)信息傳輸系統(tǒng)將航標(biāo)終端上傳的信息傳回綜合監(jiān)控系統(tǒng)[3]。廈門(mén)港主航道4號(hào)燈浮標(biāo)和28號(hào)燈浮標(biāo)的歷史位置數(shù)據(jù)均存儲(chǔ)在廈門(mén)航標(biāo)處遙測(cè)遙控系統(tǒng)中，提取2019年全年的數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象，這兩個(gè)燈浮標(biāo)的具體位置和采集的遙測(cè)歷史位置點(diǎn)數(shù)據(jù)量見(jiàn)表1，這些遙測(cè)歷史位置點(diǎn)在海圖上的顯示見(jiàn)圖4。4號(hào)浮主要用于分析廈門(mén)灣口門(mén)附近受風(fēng)流影響較大時(shí)燈浮標(biāo)的偏移特點(diǎn)，28號(hào)浮主要用于分析廈門(mén)灣灣內(nèi)受風(fēng)流影響較小時(shí)的燈浮標(biāo)偏移特點(diǎn)。

表1 2019年4號(hào)浮和28號(hào)浮位置及采集的歷史位置點(diǎn)數(shù)據(jù)量

圖4 2019年4號(hào)浮和28號(hào)浮遙測(cè)歷史位置數(shù)據(jù)

（二）廈門(mén)港主航道典型燈浮標(biāo)偏移特點(diǎn)分析

1.燈浮標(biāo)偏移原因分析

目前的燈浮標(biāo)布設(shè)作業(yè)都是按照經(jīng)驗(yàn)法則和規(guī)定進(jìn)行的。這種燈浮標(biāo)布設(shè)作業(yè)主要是以人的經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，沒(méi)有考慮到作用于燈浮標(biāo)上的各種阻力、燈浮標(biāo)船定位誤差以及布設(shè)海域的環(huán)境條件或錨鏈的單位長(zhǎng)度及濕重等情況對(duì)燈浮標(biāo)位置的影響，由此確定的燈浮標(biāo)實(shí)際位置與燈浮標(biāo)的設(shè)計(jì)位置可能有較大的偏差，并且燈浮標(biāo)偏移的范圍也只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估算。出現(xiàn)偏差或偏移的主要原因如下：（1）燈浮標(biāo)的安置是人工作業(yè)，可能受作業(yè)時(shí)工人的業(yè)務(wù)能力、天氣、潮汐、定位設(shè)備誤差以及錨錠拋擲后的實(shí)際地理位置等因素影響。（2）受系鏈長(zhǎng)度的影響，燈浮標(biāo)的實(shí)際位置與錨錠或沉錘的位置不一致，而是在一定的回旋范圍內(nèi)[4]，該回旋水域的范圍只能由人根據(jù)燈浮標(biāo)所在水域的風(fēng)、流等條件估算，誤差較大。（3）船行波對(duì)燈浮標(biāo)位置偏移的影響也是燈浮標(biāo)遠(yuǎn)離設(shè)計(jì)位置的一個(gè)重要原因，并且，由于船舶種類不同、船速不同、距燈浮標(biāo)距離不同時(shí)船行波對(duì)燈浮標(biāo)偏移影響的程度均不同，這就使得船行波對(duì)燈浮標(biāo)位置偏移的影響程度很難通過(guò)理論計(jì)算求得。針對(duì)上述問(wèn)題，本文采集廈門(mén)港主航道部分有代表性燈浮標(biāo)一年時(shí)間內(nèi)的歷史位置數(shù)據(jù)，根據(jù)歷史位置數(shù)據(jù)分析燈浮標(biāo)的偏移特點(diǎn)。

2.廈門(mén)港典型燈浮標(biāo)偏移特點(diǎn)分析

（1）風(fēng)、流影響下的燈浮標(biāo)偏移特點(diǎn)分析

燈浮標(biāo)偏移主要受風(fēng)、流、船行波、定位誤差等因素影響。風(fēng)、流影響一般有規(guī)律可循，而其他影響因素具有隨機(jī)性，很難進(jìn)行理論和經(jīng)驗(yàn)分析。

①風(fēng)影響下的燈浮標(biāo)偏移：廈門(mén)灣常風(fēng)向?yàn)镋NE向，強(qiáng)風(fēng)向?yàn)镾E、SW向。季風(fēng)現(xiàn)象明顯，每年從9月到翌年3月（春、冬季）盛行東北東季風(fēng)，風(fēng)速較大；而4—8月盛行東南風(fēng)，風(fēng)速較小。因此，在春季和冬季，一般情況下燈浮標(biāo)有向西南向偏移趨勢(shì)，而在夏季和秋季，燈浮標(biāo)有向東北向偏移趨勢(shì)。

②流影響下的燈浮標(biāo)偏移：廈門(mén)灣潮汐主要是外海潮波傳入引起的，屬正規(guī)半日潮海區(qū)，平均漲潮歷時(shí)和落潮歷時(shí)基本相當(dāng)。并且主航道沿線附近水域漲落潮流向和航道軸向基本一致。因此，在每個(gè)漲落潮周期內(nèi)，燈浮標(biāo)受流的影響，其偏移基本上是沿航道走向往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

③風(fēng)、流影響下的廈門(mén)港主航道燈浮標(biāo)偏移規(guī)律：從以上分析可知，在風(fēng)、流的綜合作用下，在不同季節(jié)，廈門(mén)港主航道燈浮標(biāo)偏移方向不一致，其偏移規(guī)律主要取決于作用在燈浮標(biāo)上的風(fēng)的作用力和流的作用力的大小。如果風(fēng)的作用力占主導(dǎo)地位，則燈浮標(biāo)主要向下風(fēng)偏移，如果流的作用力占主導(dǎo)地位，則燈浮標(biāo)主要沿著航道軸線方向偏移。因此，在風(fēng)、流的綜合作用下，其偏移規(guī)律比較難判斷。

（2）基于燈浮標(biāo)歷史位置數(shù)據(jù)的偏移特點(diǎn)分析

以廈門(mén)港4號(hào)燈浮標(biāo)和28號(hào)燈浮標(biāo)2019年全年的遙測(cè)歷史位置數(shù)據(jù)為例，分析廈門(mén)港主航道燈浮標(biāo)的偏移規(guī)律。

由于廈門(mén)港是往復(fù)流，每天對(duì)燈浮標(biāo)位置的影響基本一樣。而風(fēng)的影響則不同，由于在不同季節(jié)廈門(mén)灣習(xí)慣風(fēng)向不同，造成燈浮標(biāo)受風(fēng)影響在不同季節(jié)不盡相同。因此，在采用燈浮標(biāo)遙測(cè)位置大數(shù)據(jù)分析燈浮標(biāo)偏移特點(diǎn)時(shí)，將歷史燈浮標(biāo)數(shù)據(jù)按照春、夏、秋、冬四個(gè)季節(jié)進(jìn)行分析。圖5是不同季節(jié)4號(hào)燈浮標(biāo)位置分布圖。

圖5 主航道4號(hào)燈浮標(biāo)不同季節(jié)位置點(diǎn)分布圖

從圖5可以發(fā)現(xiàn)主航道4號(hào)燈浮標(biāo)的偏移特點(diǎn)如下：

①在春季（1—3月份）和冬季（10—12月份）4號(hào)燈浮標(biāo)偏移特點(diǎn)基本一致，主要是向西南側(cè)偏移，這主要是由兩個(gè)原因造成的：一是每年從9月到翌年3月（春冬季）盛行東北東季風(fēng)引起該燈浮標(biāo)向西南偏移；二是船行波的影響，由于4號(hào)浮位于航道西側(cè)，因此，進(jìn)出港航行船行波也使得該燈浮標(biāo)向西南偏移。這兩個(gè)因素的綜合作用效果就是在春季和冬季，4號(hào)浮基本上向西南偏移，極少會(huì)向著航道方向偏移。

②夏季（4—6月份）和秋季（7—9月份）4號(hào)燈浮標(biāo)偏移特點(diǎn)基本一致，在這兩個(gè)季節(jié)，燈浮標(biāo)既朝著西南方向偏移，也向著航道方向偏移，但是，在夏季燈浮標(biāo)向著航道的偏移幅度要大于秋季。這個(gè)偏移特點(diǎn)主要是由船舶的船行波引起的。因?yàn)樵谙那锛竟?jié)，除臺(tái)風(fēng)天氣外，一般情況下廈門(mén)灣受東南風(fēng)的影響，但是風(fēng)力普遍較春季和冬季小，這就使得船行波在燈浮標(biāo)偏移的影響因素中起主導(dǎo)作用。船舶從主航道經(jīng)過(guò)，船行波使得4號(hào)浮向西南偏移，船舶過(guò)后，在回復(fù)力的作用下燈浮標(biāo)又向著航道方向偏移。但是由于船行波的作用力大于回復(fù)力的作用力，這就使得4號(hào)浮向西南方偏移的幅度要大于向著航道方向的偏移幅度。

③在航道軸線方向，4號(hào)浮的偏移在各個(gè)季節(jié)沒(méi)有明顯的變化，其偏移幅度在各季節(jié)基本一致。

④主航道4號(hào)浮拋設(shè)位置距航道西邊線50米，根據(jù)各個(gè)季度4號(hào)浮的位置數(shù)據(jù)，其在各個(gè)方向上的偏移幅度（各遙測(cè)位置點(diǎn)距4號(hào)燈浮標(biāo)對(duì)外發(fā)布的位置點(diǎn)的距離）最大21米，因此，燈浮標(biāo)在外力作用下不會(huì)偏移到主航道內(nèi)，也不會(huì)影響到主航道內(nèi)通航船舶的航行安全。

圖6是不同季節(jié)28號(hào)燈浮標(biāo)位置分布圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)主航道28號(hào)燈浮標(biāo)的偏移特點(diǎn)如下：

①總體來(lái)看，28號(hào)浮在航道軸線方向偏移幅度要大于垂直于航道軸線方向的偏移幅度，特別是春季和冬季，其偏移不像4號(hào)浮受季風(fēng)影響明顯。這主要是因?yàn)?8號(hào)浮位于廈門(mén)灣內(nèi)，受廈門(mén)島及周邊其他島嶼和建筑物的阻擋，風(fēng)對(duì)燈浮標(biāo)偏移的影響程度大幅度降低，在常風(fēng)向上偏移幅度較小。而流對(duì)燈浮標(biāo)偏移的影響較為明顯，并且28號(hào)浮附近水域漲落潮流向與航道走向基本一致，這就使得28號(hào)浮在航道軸線方向偏移量較大。

圖6 主航道28號(hào)燈浮標(biāo)不同季節(jié)位置點(diǎn)分布圖

②28號(hào)浮向航道外側(cè)偏移的幅度較向著航道偏移的幅度要大，這主要是由于船行波的影響，使得燈浮標(biāo)遠(yuǎn)離航道偏移。

③在航道軸線方向，28號(hào)浮向著外海方向偏移較向海滄港區(qū)方向偏移幅度大，這主要是由于在28號(hào)浮西側(cè)是廈門(mén)至漳州滾裝客船習(xí)慣航路，并且該習(xí)慣航路船舶艘次較多，這些滾裝客船的船行波使得28號(hào)浮向外海側(cè)偏移幅度明顯增大。

④在夏季和秋季（4—9月份），特別是在秋季，28號(hào)浮背離航道偏移幅度較大。從圖中可以看出，這些偏移幅度較大的燈浮標(biāo)位置點(diǎn)比較稀疏，這說(shuō)明28號(hào)浮并不是經(jīng)常有這么大的偏移幅度。究其原因，主要是在臺(tái)風(fēng)影響期間，燈浮標(biāo)偏移幅度較大，但是并沒(méi)有偏移進(jìn)航道影響到船舶的通航安全。

四、結(jié)語(yǔ)

向船舶提供準(zhǔn)確的燈浮標(biāo)位置信息是保障船舶進(jìn)出港航行安全的一項(xiàng)重要措施，也是航海保障部門(mén)的職責(zé)所在。本文結(jié)合廈門(mén)港的氣象條件，選取廈門(mén)港主航道典型燈浮標(biāo)遙測(cè)位置數(shù)據(jù)，分析廈門(mén)灣口和灣內(nèi)燈浮標(biāo)偏移的特點(diǎn)，以期為提高廈門(mén)港主航道燈浮標(biāo)布設(shè)的精度和準(zhǔn)確性提供理論支撐，更好地為船舶航行安全服務(wù)。