針對橋區(qū)虛擬航標(biāo)優(yōu)化布設(shè)的方法研究

劉三林，陳先橋，高 原

(武漢理工大學(xué) 計算機科學(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、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準(zhǔn)確的信息。對于像橋區(qū)這樣的特殊航段無疑是一個巨大的隱患。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)的一種實時助航信息，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［2］，警示船舶駕駛?cè)藛T，從而達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)過國外近10 年的研究和試驗，并在國際會議組織上討論通過的新型航行設(shè)備，具有先進的技術(shù)和可操作性的實施方案［3］。英格蘭海事局于1999 年在其管轄區(qū)域內(nèi)開始試驗虛擬航標(biāo)的應(yīng)用，并將該試驗的成功經(jīng)驗介紹給歐洲有關(guān)國家;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］。

我國在計算機技術(shù)、無線電技術(shù)和GIS 技術(shù)等方面相對較落后，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)上相對落后于國外。但是隨著我國沿海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 作用打下了堅實基礎(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：①虛擬航標(biāo)的應(yīng)用大大降低航標(biāo)的設(shè)置、更改、維護管理成本;②虛擬航標(biāo)可以實時地傳達通航主管部門的實時信息，并通過電子海圖實時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)船無法駛進區(qū)域的問題;④虛擬航標(biāo)不會出現(xiàn)如實體航標(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對于一些狹窄航道，設(shè)置實體航標(biāo)會占用航道寬度，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實現(xiàn)，不存在傳統(tǒng)航標(biāo)布設(shè)涉及到的各種費用，更加經(jīng)濟和實惠［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，以及當(dāng)?shù)氐乃臍庀笮畔?，進行虛擬航標(biāo)的布設(shè)。

(2)與真實航標(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［8］。

(3)結(jié)合各個航道不同的特點，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)濟的、便利的船舶航行通道。

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

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

(6)對于一些特殊航道存在的危險點或者淺灘等危險區(qū)域應(yīng)進行標(biāo)識和警告，警示過往船舶注意危險，及時避讓。

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)點的水深，航標(biāo)布設(shè)寬度，以及布設(shè)位置點等因素。對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點布設(shè)虛擬航標(biāo)，A點水域周圍水深為H(H＞0)，布設(shè)點A與對應(yīng)的布設(shè)點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A距離航道岸線信號發(fā)射點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，以及通過船舶的尺度要求。同時還要依據(jù)相關(guān)管理部門的規(guī)定預(yù)留出一定的維護水深。依據(jù)交通部指定的《內(nèi)河運輸船舶標(biāo)準(zhǔn)化管理規(guī)定》以一級航道作為分析對象，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)計標(biāo)準(zhǔn)及吃水深度Hi的一般統(tǒng)計分析，3 000 t 船舶設(shè)計吃水深度為3.5 m。內(nèi)河航道管理維護水深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，即可以得到一級航道水深最低保證值為4.0 m。依照式(1)得到的各個不同級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

在實際的應(yīng)用中，必須考慮不同地區(qū)的實際情況。對于維護水深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，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

對于豐水期內(nèi)河航道，在保證維護水深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。對于虛線標(biāo)識的枯水期水面，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)的航道個數(shù)，保證航行的通行能力。

由于虛擬航標(biāo)不存在具體實物，主要通過岸基的天線發(fā)射器進行信號通信，對于布設(shè)點A到航道岸線信號發(fā)射點M垂直距離D(D＞0)應(yīng)盡可能滿足信號通信的要求。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)合對水深、航道寬度、布設(shè)點位置等因素的分析，可以得到一個關(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)涉及到一個多目標(biāo)優(yōu)化處理。針對該目標(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個目標(biāo)fi(x)(i=1，2，…，p)并且有不同的重要程度，對每個目標(biāo)根據(jù)其重要程度予以一個權(quán)重wi(i=1，2，…，p)，若多目標(biāo)的模型是各個目標(biāo)最小化或最大化的規(guī)劃問題［9］，則通過將各個目標(biāo)和與之對應(yīng)的權(quán)重相乘后求總和即可構(gòu)造出一個具有單目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)的模型，如式(4)所示：

針對該模型中的水深H、布設(shè)寬度B和信號接收距離D等因素，綜合考慮實際航標(biāo)布設(shè)重要性的優(yōu)先級和對各因素權(quán)值的設(shè)定，筆者采取一種利用最優(yōu)傳遞矩陣對傳統(tǒng)層次分析法進行改進的方法。傳統(tǒng)層次分析法的基本原理是將待評價的各因素兩兩比較其相對重要性，然后進行排序。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，因此通常需要進行一致性檢驗。筆者提出改進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和信號接收距離D這3 個因素，采用三標(biāo)度法兩兩比較指標(biāo)的相對重要性，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 各因素相對重要性表

針對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，依次進行代入計算，最終得到水深H、布設(shè)寬度B、信號接收距離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，針對武漢長江大橋橋區(qū)的實際布設(shè)要求，將武漢長江大橋橋長W=1 155.5 m、橋孔跨度b=128 m、平均航道水深h=16.5 m、AIS 信號覆蓋半徑D=5 km 的參數(shù)代入到多目標(biāo)模型中，在長江電子航道圖上進行模擬布設(shè)的試驗，得到的虛擬航標(biāo)布設(shè)圖如圖4 所示。武漢長江大橋?qū)嶋H航標(biāo)布設(shè)圖如圖5 所示，通過對比可以發(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)識通航分道、劃分不同水深航路等方面發(fā)揮巨大作用。針對橋區(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、間距等因素進行分析，建立了一個關(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)劃航道進行了一次有益的探索。

［1］黃艷玉. 虛擬航標(biāo)及其應(yīng)用［J］. 航海技術(shù)，2009(4)：27 -30.

［2］IALA.IALA Recommendation O -143 on virtual aids to navigation edition 1［S］.2010.

［3］魏武財，張杏谷. 基于AIS 的虛擬航標(biāo)信息系統(tǒng)［J］.中國水運，2006，11(4)：126 -127.

［4］方英豪，劉世江. AIS 虛擬航標(biāo)的可行性［J］. 中國水運，2007(1)：46 -47.

［5］JENS K J. Experience with AIS AtoN(Aids to Navigation)［R］.［S.l.］：［s.n.］，2009.

［6］吳建華，李紅祥，周鵬.虛擬航標(biāo)系統(tǒng)的開發(fā)與仿真［J］.中國航海，2007(4)：54 -57.

［7］周家銘.基于AIS 的數(shù)字航標(biāo)設(shè)計［D］.福州：福建師范大學(xué)圖書館，2013.

［8］宋成果.基于虛擬現(xiàn)實的內(nèi)河航道航標(biāo)布設(shè)的仿真研究［D］.武漢：武漢理工大學(xué)圖書館，2012.

［9］肖曉偉，肖迪.多目標(biāo)優(yōu)化問題的研究概述［J］. 計算機應(yīng)用研究，2011，3(3)：806 -808.

［10］羅海濤. 多目標(biāo)決策中確定權(quán)值的一種新方法［J］.阜新礦業(yè)學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版，1997(2)：116 -119.