橋區(qū)水域失控船舶的航跡預(yù)測

王艷鋒 李紅祥

(1.武漢交通職業(yè)學(xué)院航海技術(shù)系,湖北武漢430065;2.武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣工程系,湖北武漢430050)

隨著公路、鐵路建設(shè)高潮的到來,我國跨海、跨江橋梁的數(shù)量不斷增加。橋梁數(shù)量的增加同時也對船舶的航運安全造成一定的影響,船舶撞橋事故屢屢發(fā)生。由船撞橋事故所導(dǎo)致的人員傷亡、財產(chǎn)損失以及環(huán)境破壞是及其驚人的。很多船舶撞橋事故輕則損失數(shù)萬元,重則人員傷亡,損失以數(shù)百萬、數(shù)千萬甚至數(shù)十億美元計,大量的間接損失更是難以計算。船舶在橋區(qū)水域失控時,在風(fēng)、流以及慣性力的影響下,能夠有效預(yù)測出未來一段時間內(nèi)船舶運動的軌跡,這樣就可以提前采取有效措施降低損失,甚至可以避免交通事故發(fā)生[1]。

1 船舶失控原因分析

根據(jù)《國際海上避碰規(guī)則》中失控船舶的定義[1]:“失去控制的船舶”指由于某種異常情況,不能按《1972年國際海上避碰規(guī)則》條款的要求進(jìn)行操縱,因而不能給他船讓路的船舶。“某種異常情況”主要是指船舶本身的異常情況,例如主機或舵機發(fā)生故障,車葉或舵葉丟失或者嚴(yán)重?fù)p失等;某種異常情況也包括某些客觀原因造成的異常情況,例如風(fēng)大流急造成船舶走錨、大風(fēng)浪中船舶卸錨拋鏈滯航等。因此,造成船舶失控的原因可以分為人為因素、船舶設(shè)備因素以及自然環(huán)境因素[2]:

(1)近年來,隨著航運經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,船舶數(shù)量激增,船員市場已經(jīng)無法滿足航運業(yè)的發(fā)展要求。培訓(xùn)船員以及船員培訓(xùn)機構(gòu)良莠不齊,造成部分船員素質(zhì)達(dá)不到合格要求。

(2)船舶應(yīng)急設(shè)備平時缺乏系統(tǒng)保養(yǎng),長時間不使用,關(guān)鍵時刻無法發(fā)揮關(guān)鍵性作用。

(3)船舶設(shè)備老化,保養(yǎng)更新不及時。老齡船舶的設(shè)備由于長期使用,設(shè)備耗損大、線路老化等故障較多,如果維修保養(yǎng)不及時,容易釀成失控事件。

2 失控船舶數(shù)學(xué)模型分析

2.1 失控船舶受力分析

失控船舶在內(nèi)河橋區(qū)水域車、舵均失控后,在不采取拋錨等人為措施的情況下,失控船舶漂移運動只受到3個主要作用力的作用,一個是慣性作用力,一個是風(fēng)作用力,再一個就是流作用力。

圖1 失控船舶受力示意圖

(1)慣性作用力:由失控船舶停車的慣性作用產(chǎn)生,主要在船舶慣性減速過程中存在,而在船舶可能完全停車后消失。

(2)風(fēng)作用力:主要考慮風(fēng)作用對船舶失控漂移航速、航跡的影響,使失控船舶在風(fēng)力的作用下,產(chǎn)生船位的移動,船位的改變,最直觀的觀測是在船載GPS上船舶經(jīng)緯度坐標(biāo)的變化。出于對實船實驗設(shè)備精度的考慮,本文只描述出橋區(qū)水域常風(fēng)向、均勻風(fēng)速。

(3)流作用力:本文限指流對船舶產(chǎn)生的流致漂移作用力。

2.2 船舶在流淌漂移過程中的數(shù)學(xué)模型

(1)船舶在X軸上的運動方程[3]

①船舶在X軸上的速度公式

Ba——船舶水線上側(cè)受風(fēng)面積(m2);

Bw——船舶水線下側(cè)受風(fēng)面積(m2);

K——風(fēng)致漂移系數(shù),取0.041。

②船舶在X軸上的位移公式

其中:Sx2——船舶流淌漂移過程在X軸上t時刻的位移(m)。

③船舶在X軸上的坐標(biāo)公式

其中:X2——船舶流淌漂移過程中在X軸上t時刻的坐標(biāo)(m)。

(2)船舶在Y軸上的運動方程

①船舶在Y軸上的速度公式

其中:Vy2——船舶流淌漂移過程中在Y軸上t時刻的速度(m/s)。

②船舶在Y軸上的位移公式

其中:Sy2—船舶流淌漂移過程在(3)式中船舶在Y軸上的坐標(biāo)公式

其中:Y2——船舶流淌漂移過程中在Y軸上t時刻的坐標(biāo)(m)。

3 數(shù)學(xué)模型與SVM算法對比分析

3.1 數(shù)學(xué)模型分析

以江陰大橋水域?qū)嵈瑢嶒灁?shù)據(jù)為參考值,在進(jìn)行實船實驗時,失控船舶受到風(fēng)、流的影響,產(chǎn)生風(fēng)致漂移量、流致漂移量為見表1。

表1 實船實驗1號船舶風(fēng)、流漂移量表

根據(jù)表1失控船舶風(fēng)、流漂移量,并結(jié)合船舶初始速度,分析得出失控船舶船位變化圖(見圖2)

圖2 號船位實船實驗數(shù)學(xué)模型圖

3.2 SVM算法下失控船舶航跡分析

(1)失控船舶航跡預(yù)測步驟

采用的預(yù)測步驟流程圖如圖3所示。

圖3 預(yù)測流程圖

(2)失控船舶回歸預(yù)測分析

利用上述回歸預(yù)測原理對失控船舶船位實船實驗回歸預(yù)測結(jié)果見圖4所示。

圖4 失控船舶船位實船實驗回歸預(yù)測結(jié)果圖

3.3 數(shù)學(xué)模型與SVM對比分析

結(jié)合數(shù)學(xué)模型分析圖2和圖4,可以得出以下幾點[4]:

(1)在江陰大橋橋區(qū)水域失控船舶航跡預(yù)測中,數(shù)學(xué)模型分析和SVM 回歸預(yù)測分析,并結(jié)合實船實驗的分析圖,可以得出前兩者在船舶失控后船舶的航向(只受風(fēng)、流影響)與實船實驗的船舶航向基本一致。

(2)從三者的分析圖中可以看出,SVM回歸預(yù)測方法在用于失控船舶航跡預(yù)測方面要比數(shù)學(xué)模型更能體現(xiàn)風(fēng)、流對失控船舶的實際影響。

(3)數(shù)學(xué)模型與SVM 回歸預(yù)測模型相比,數(shù)學(xué)模型考慮到了船舶失控時的初始速度在風(fēng)致漂移、流致漂移方向上的分量,而在該SVM 模型中并未把這一因素考慮[5]。

4 結(jié) 語

橋區(qū)水域失控船舶航跡預(yù)測可以有效避免重大水上交通事故的發(fā)生。本文通過在江陰大橋橋區(qū)水域?qū)嵈瑢嶒灁?shù)據(jù)分別運用數(shù)學(xué)模型和SVM在橋區(qū)水域失控船舶航跡預(yù)測進(jìn)行對比性分析,驗證了支持向量機(SVM)在失控船舶航跡回歸預(yù)測的可行性,為以后失控船舶航跡預(yù)測提供相應(yīng)的理論依據(jù)。

1 劉明俊,李世剛等.船舶失控后運動狀態(tài)分析[J].船海工程,2005(2):23-26

2 程志友.橋區(qū)船舶失控漂移航跡計算機模擬研究[D].武漢理工大學(xué)碩士論文,2007(4)

3 Brian Siler.Visual Basic6.0開發(fā)使用手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,1999.

4 李紅祥,吳建華,李 昊.觀測低高度太陽方位求羅經(jīng)差的計算程序[J].武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報,2009(04):20-23.