李 政 周春輝* 陳 剛 劉宗楊 趙俊男

(武漢理工大學(xué)航運學(xué)院1) 武漢 430063) (內(nèi)河航運技術(shù)湖北省重點實驗室2) 武漢 430063)

0 引 言

浮標(biāo)是海上航行標(biāo)志的一種，是標(biāo)明航道方向、界限與礙航物，以及幫助引導(dǎo)船舶航行、定位和避碰的人為設(shè)立的標(biāo)志，其位置的準(zhǔn)確性對保障海上航行安全具有重要意義.

袁錦標(biāo)[1]強調(diào)標(biāo)位準(zhǔn)確是航標(biāo)工作人員的首要工作目標(biāo).呂英龍等[2]提出要為助航標(biāo)志立法，從法律層面改善航標(biāo)漂移對水上航行安全的影響.郝志濤等[3]從航標(biāo)的硬件出發(fā)，對浮標(biāo)沉石、標(biāo)體受力等情況進行深入分析并提出解決方案，從一定程度上減少了浮標(biāo)漂移量.林秀明等[4]則對定位系統(tǒng)進行了升級，使浮標(biāo)定位達到了更高的精度和準(zhǔn)確度.

浮標(biāo)沉石移位在很大程度上會影響浮標(biāo)的位置準(zhǔn)確性.但現(xiàn)階段，浮標(biāo)沉石移位方面的相關(guān)研究相對較少，沒有可行的手段來判斷浮標(biāo)沉石是否發(fā)生移位.文中嘗試?yán)煤綐?biāo)遙測系統(tǒng)所提供的數(shù)據(jù)進行概率密度的沉石概位估計，判斷出浮標(biāo)沉石移位情況，有利于航標(biāo)維護，確保浮標(biāo)位置的準(zhǔn)確性.

1 浮標(biāo)漂移數(shù)據(jù)分析

1.1 浮標(biāo)數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理

文中以珠江口銅鼓航道T1、T5和T10號浮標(biāo)為研究對象，采集一段時間內(nèi)浮標(biāo)GPS定位數(shù)據(jù)信息(每1 h采集一次)，通過GSM(全球移動通信系統(tǒng))以短信息的形式進行數(shù)據(jù)傳輸.

利用箱線圖對采集到的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，剔除離群點.箱線圖(Box-plot)是一種用作顯示一組數(shù)據(jù)分散情況的統(tǒng)計圖，可以提供有關(guān)數(shù)據(jù)位置和分散情況的關(guān)鍵信息.在箱線圖中主要包含六個數(shù)據(jù)節(jié)點：將一組數(shù)據(jù)從大到小排列，分別得出它的上邊緣、上四分位數(shù)Q3、中位數(shù)、下四分位數(shù)Q1、下邊緣以及異常值.異常值被定義為小于Q1-1.5IQR或大于Q3+1.5IQR的值，其中四分位距IQR=Q3-Q1，然后將異常值即離群點剔除，其余數(shù)據(jù)保留.

處理前后航標(biāo)定位數(shù)據(jù)對比見圖1.顯然，原始數(shù)據(jù)中部分位置數(shù)據(jù)(圖1深色點)離散程度較大，采用箱線圖處理方法剔除離群點后的位置數(shù)據(jù)(圖1淺色點)明顯集中.

圖1 數(shù)據(jù)預(yù)處理前后對比

1.2 浮標(biāo)沉石位置的估計

根據(jù)浮標(biāo)的觀測位置，利用k-means聚類算法求取某一較長時間段內(nèi)(1周或1個月)浮標(biāo)的點集中心位置，作為該浮標(biāo)的沉石預(yù)估位置.

k-means算法是典型的基于距離的聚類算法，采用距離作為相似性的評價指標(biāo)，即認(rèn)為兩個對象的距離越近，其相似度就越大.這里采用歐式距離函數(shù)作為對象間的距離函數(shù)，算法流程見圖2.

圖2 k-means算法流程圖

歐式距離的定義如下：

(1)

式中：m為數(shù)據(jù)對象的維(屬性)數(shù)；xik和xjk分別為第i、j個對象的第k屬性的值.

若簇類相似度好且簇間的相似度差，則聚類算法的性能較好.k-means聚類算法使用誤差平方和準(zhǔn)則函數(shù)來評價聚類性能，并基于此定義如下誤差平方和準(zhǔn)則函數(shù)公式為

(2)

解得：

(3)

式(3)為簇類中心等于所屬簇類樣本的均值.

采用k-means算法得到浮標(biāo)的聚類中心(圖3星形點).將得到的聚類中心點作為預(yù)估的浮標(biāo)沉石位置.

圖3 浮標(biāo)漂移位置的聚類中心結(jié)果

1.3 浮標(biāo)最大漂移距離建模

浮標(biāo)受到正常的風(fēng)、流和潮汐等的影響，懸垂在水中的錨鏈長度隨時變化，使浮標(biāo)的位置在以沉石位置為基點的回旋半徑l1內(nèi)漂移，浮標(biāo)的回旋半徑為

(4)

式中：h為鏈條全長；d為拋設(shè)浮標(biāo)處最低潮水深(或海圖水深)；0.8為鏈條懸弧系數(shù).

經(jīng)式(4)計算所得的回旋半徑，是在最低潮位，風(fēng)、流向一致且最大時才會出現(xiàn).一般情況下臥底錨鏈不會完全拉離水底，浮標(biāo)的回旋半徑小于l1.

用于定位的GPS接收機安裝在浮標(biāo)上，且到浮標(biāo)標(biāo)體底部的高度固定；浮標(biāo)受到風(fēng)的影響會產(chǎn)生搖擺傾斜，在定位時會產(chǎn)生一定的偏差.設(shè)GPS接收機距標(biāo)體底部的高度為H，傾角為θ，則該偏離浮標(biāo)的距離l2為

l2=Hsinθ

(5)

考慮到GPS定位精度l3和在拋設(shè)浮標(biāo)時的定位誤差l4，故在極端情況下的浮標(biāo)漂移距離為

(6)

對銅鼓航道T10號浮標(biāo)的最大漂移距離進行計算.根據(jù)式(4)，已知選取浮標(biāo)錨鏈布放長度h為浮標(biāo)所處水域水深d的三倍，得浮標(biāo)最大活動半徑即回旋半徑l1為10.86 m；根據(jù)式(5)，已知選取浮標(biāo)安裝的GPS接收機與標(biāo)體底部間距為0.52 m，得由于航標(biāo)傾斜導(dǎo)致的GPS測量偏差l2為0.26 m；假設(shè)GPS的C/A碼定位精度l3<15 m，拋設(shè)浮標(biāo)定位誤差l4<15m.根據(jù)式(6)得到浮標(biāo)最大漂移距離為41 m，計算預(yù)處理后的數(shù)據(jù)到聚類中心的距離，結(jié)果均小于最大漂移距離，說明預(yù)處理得到的數(shù)據(jù)能夠用于沉石移位估計實驗.

1.4 浮標(biāo)漂移運動特征

選取珠江口銅鼓航道T1號、T5號和T10號浮標(biāo)研究同一時間臨近浮標(biāo)漂移運動特征，T1號和T5號浮標(biāo)間距1.74 nm，T5號和T10號浮標(biāo)間距1.64 nm.

以2020年4月15—21日(共7 d)的聚類中心為沉石概位，自22日0時至23日23時逐小時坐標(biāo)與沉石概位之間的方位作對比.方位的判別方法是八方位角的任一方位角及其兩側(cè)各22.5°范圍內(nèi)均視為位于該方位，例如，方位角為α，若22.5°≤α<67.5°，則視為α屬于NE方位；若67.5°≤α<112.5°，則視為α屬于E方位，以此類推.結(jié)果見表1～3.

表1 銅鼓航道T1號浮標(biāo)方位變化

表2 銅鼓航道T5號浮標(biāo)方位變化

從這三處浮標(biāo)的方位變化對比來看，在同一時間三處浮標(biāo)基本會向同樣的方向漂移，說明在一定范圍內(nèi)的海域海況一致.

表3 銅鼓航道T10號浮標(biāo)方位變化

2 浮標(biāo)沉石移位估計方法

2.1 浮標(biāo)漂移規(guī)律的假設(shè)

珠江口水域浮標(biāo)標(biāo)體可以看作是一種海面漂浮物，而海面漂浮物主要受風(fēng)、流、波的影響[5-7].

連接沉石和標(biāo)體的錨鏈?zhǔn)冀K處于水中，其自身與水流的接觸面積極小，所產(chǎn)生的拖曳力也可忽略.錨鏈的延展程度取決于標(biāo)體的漂移距離，即取決于標(biāo)體的受力情況，而錨鏈的作用是保持標(biāo)體在一定的范圍內(nèi)漂移，錨鏈對標(biāo)體的作用力是由沉石沉于海底所產(chǎn)生的耙附力給予的.

綜合上述分析和1.4結(jié)論，珠江口水域浮標(biāo)的漂移主要受風(fēng)、風(fēng)生流和潮流的影響，且以風(fēng)和潮流的影響為主導(dǎo).假設(shè)臺風(fēng)等極端惡劣天氣影響浮標(biāo)所在水域時，沉石發(fā)生移位，由于歷時較短，當(dāng)該片海域重回正常狀態(tài)后，認(rèn)為浮標(biāo)仍保持惡劣海況發(fā)生前的漂移規(guī)律.

2.2 沉石移位仿真方法

海上漂移物體在風(fēng)的作用下會沿著與風(fēng)向成一定夾角的方向漂移，可以將風(fēng)壓漂移速度分為與風(fēng)向一致和垂直于風(fēng)向的兩部分[8-10].而當(dāng)能夠?qū)е赂?biāo)沉石發(fā)生移位的強風(fēng)和潮流等作用到浮標(biāo)時，垂直于風(fēng)向的浮標(biāo)漂移距離要比與風(fēng)向一致的浮標(biāo)漂移距離要小得多，又沉石的自重較大，故可以認(rèn)為沉石的移動方向和風(fēng)向相同.

確定沉石在發(fā)生移位后的新位置，最直接的方法是在臺風(fēng)對浮標(biāo)所在區(qū)域的影響結(jié)束后，通過一段時間的浮標(biāo)遙測數(shù)據(jù)確定新的沉石概位，且得到的位置相對準(zhǔn)確，缺點是耗時較長，一旦沉石發(fā)生較大移位，不能及時地出航維護.為了快速地得到新的沉石位置，提出一種利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測浮標(biāo)未來一段時間位置信息的方法：通過訓(xùn)練與浮標(biāo)定位數(shù)據(jù)相同時間內(nèi)的所處水域的水文氣象信息，來預(yù)測未來一段時間內(nèi)浮標(biāo)的位置數(shù)據(jù)，然后與實際定位數(shù)據(jù)進行對比分析，驗證預(yù)測數(shù)據(jù)的可靠性.

2.3 仿真實驗設(shè)計

實驗數(shù)據(jù)來自于2020年3月25日—6月23日內(nèi)銅鼓航道T10號航標(biāo)的定位信息、航標(biāo)布放位置所在水域附近潮汐觀測站(內(nèi)伶仃島)的潮汐信息以及附近氣象站(香港流浮山)記錄的與航標(biāo)漂移相關(guān)的氣象信息，將其模擬為浮標(biāo)在經(jīng)歷惡劣環(huán)境影響后一段時間所收集到的信息.浮標(biāo)定位信息和水文氣象數(shù)據(jù)片段見表4.

表4 浮標(biāo)定位和水文氣象數(shù)據(jù)片段

通過訓(xùn)練2020年3月25日—6月16日銅鼓航道T10號浮標(biāo)共624條水文氣象數(shù)據(jù)和浮標(biāo)定位數(shù)據(jù)，并輸入6月17—23日共55條浮標(biāo)水文氣象數(shù)據(jù)來預(yù)測每個時間點的浮標(biāo)位置，然后與實際浮標(biāo)定位數(shù)據(jù)來分析預(yù)測的準(zhǔn)確性.

2.4 實驗結(jié)果分析

仿真實驗得到銅鼓航道T10號浮標(biāo)6月17—23日共55個時間點的預(yù)測位置以及與實際浮標(biāo)定位數(shù)據(jù)距離誤差見表5.這些時間點的預(yù)測位置與實際定位數(shù)據(jù)距離誤差分布見圖4.分別對這55個時間點的浮標(biāo)定位數(shù)據(jù)和預(yù)測數(shù)據(jù)進行聚類，得到兩個聚類中心點坐標(biāo)及兩點距離誤差，見表6.

圖4 預(yù)測距離誤差分布

表5 浮標(biāo)預(yù)測位置及距離誤差數(shù)據(jù)片段

表6 浮標(biāo)定位數(shù)據(jù)和預(yù)測數(shù)據(jù)聚類中心對比結(jié)果

2.5 沉石移位的判定方法

根據(jù)現(xiàn)有航標(biāo)管理規(guī)定，沿人工航道布設(shè)的同側(cè)標(biāo)志間的距離通常為1.5 n mile，浮動標(biāo)志位置與航道邊線的橫向距離應(yīng)大于浮動標(biāo)志回旋半徑但不超過1.2倍的標(biāo)志回旋半徑，通常以20～50 m為宜.

據(jù)此，設(shè)定若浮標(biāo)沉石在遭遇惡劣環(huán)境影響前后的位置距離小于20 m，則視為沉石未發(fā)生移位；若位置距離大于等于20 m且小于50 m，則視為沉石發(fā)生輕微移位，視情況確定是否立即進行出航維護；若位置距離大于等于50 m，則視為沉石發(fā)生嚴(yán)重移位，需要及時處置，保障航道過往船舶通行安全.

3 結(jié) 束 語

針對目前缺少對浮標(biāo)沉石移位判定方法的研究，模擬浮標(biāo)沉石在經(jīng)歷惡劣環(huán)境影響前后的位置變化情況，利用箱線圖對一段時間的航標(biāo)定位數(shù)據(jù)進行處理，結(jié)合k-means算法對沉石位置進行估計，據(jù)此分析了浮標(biāo)漂移特征，基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測未來一段時間的浮標(biāo)位置數(shù)據(jù)，并與實際定位數(shù)據(jù)進行對比分析，取得了較好的效果.

由于浮標(biāo)漂移所受外界影響因素眾多，文中未對所有影響因素及因素所占權(quán)重進行分析，加之浮標(biāo)定位精度所限，所得結(jié)果會存在誤差，未來還需要進一步研究.