航標設(shè)標錨鏈長度的優(yōu)化方法研究

程 鑫

(交通運輸部東海航海保障中心連云港航標處，連云港 222042)

航標通常設(shè)置在江、河、湖泊、水庫等通航水域，標示航道的方向、界限與障礙物，并揭示有關(guān)航道信息，為船舶航行指出安全、經(jīng)濟的航道，是船舶在航道內(nèi)安全航行的重要助航設(shè)施。航標日常維護管理工作復(fù)雜繁瑣，需要密切關(guān)注水情變化，及時將航標進行收邊、加固錨石、放松鋼絲纜繩等操作；漲水過后，還需要快速恢復(fù)失常航標，并追回流失航標。在船舶交通流繁忙水域，浮標管理維護要求較高，工作人員需要時刻關(guān)注浮標運行狀態(tài)。隨著近年來外海風電場、跨海大橋等近海建筑物的不斷增加，浮標維護任務(wù)重、難度高，船舶安全通航的保障壓力較大。

在航標運行過程中，由于水位漲落變幅的存在，導致錨鏈的長度時而出現(xiàn)不足或是過長的情況，導致航標產(chǎn)生走失或位移過遠。航標的漂移，不僅對過往船舶通航帶來極大的安全隱患，同時頻繁的報警信息將會導致航標運行狀態(tài)監(jiān)管人員工作量的急劇上升。隨著我國水運事業(yè)的飛速發(fā)展，航標漂移問題愈發(fā)受到重視，相關(guān)的研究工作也陸續(xù)開展。呂應(yīng)龍[1]提出了助航標志立法的重要性，呼吁國家出臺配套的、專業(yè)的、統(tǒng)一的航標管理規(guī)定，從立法層面改善航標漂移對航行安全的影響。更多研究者則是從航標硬件出發(fā)，考慮航標硬件結(jié)構(gòu)的改進，提升監(jiān)管效率、降低航標的漂移量[2-3]。在監(jiān)測體系上，呂永祥等提出了一套航標遙測遙控系統(tǒng)，以達到對航標觀測精度及準確度的提升[4-6]。

在實際工程條件下，長江航道內(nèi)河設(shè)標時的錨鏈長度通常為當前水深的3～5倍[7]。目前長江航道航標狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中，對于航標漂移報警距離常設(shè)閾值為50 m，航標位移過大將觸發(fā)漂移報警。然而，在水位、水流、過往船舶碰撞等諸多因素作用下，航標漂移虛假報警時有發(fā)生，增加了航標運行狀態(tài)監(jiān)管人員的工作負擔，對過往船舶安全通航產(chǎn)生影響。

目前，航標的布設(shè)主要依據(jù)是《內(nèi)河通航標準》(GB50139)與《內(nèi)河助航標志》(GB5863)兩項國家標準。為保障航標布設(shè)可靠性，其重點考慮的特征主要包括：布設(shè)點的巖質(zhì)、水流條件、河床組成、泥沙輸運特性等，輔以降雨、氣象等環(huán)境因素。為科學合理的對錨鏈長度進行設(shè)置，改進原有根據(jù)經(jīng)驗值設(shè)置的方法，本文在建立錨鏈長度與水位關(guān)系的基礎(chǔ)上，推導了航標漂移范圍與設(shè)標點水深的約束關(guān)系，提出了一種基于水位信息的航標錨鏈設(shè)置長度計算公式。在數(shù)據(jù)預(yù)處理階段，采用K-means方法對航標數(shù)據(jù)中的設(shè)標點誤差進行修正。實測記錄數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果證實，本文提出的設(shè)標方法將明顯降低內(nèi)河航道內(nèi)航標漂移距離，減少航標誤報警次數(shù)，為航標管理與維護工作提供技術(shù)支撐。

1 航標結(jié)構(gòu)及錨鏈設(shè)置

圖1 航標錨鏈結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematic diagram of navigation buoy anchor chain

長江航道內(nèi)布設(shè)的航標多以航標船為載體布設(shè)，通常在船首、船尾分別拋設(shè)錨鏈和錨石，將標志船固定于水中，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中航標船的錨鏈長度由臥底錨鏈及懸垂錨鏈構(gòu)成，懸垂錨鏈長度記為Lk，臥底錨鏈長度記為Ls。錨鏈與水底相切點記為F，其中懸垂錨鏈Lk的長度受錨鏈重量、彎曲角度等因素影響，設(shè)qw為單位長度錨鏈在水中的重量，T為懸垂錨鏈著地端的拉力，H代表航標結(jié)構(gòu)中心至水底的垂直距離，則懸垂錨鏈長度可表達如下[7]

(1)

式中：船首尾通過錨鏈分別與底部錨點相連，兩個錨點間距離記為l，懸垂錨鏈的長度記為Lk，水深記為D，實際情況中，l遠小于Lk，所以航標最大漂移距離可近似視作圓形，理想狀態(tài)下的最大漂移距離為

(2)

在航標船實際布設(shè)過程中，受錨鏈自重及浮力影響，錨鏈在水中的曲線為余切曲線，存有一定彎曲角度。經(jīng)研究[8]，該誤差系數(shù)通常取為0.8，則實際的最大漂移距離為

(3)

圖2 航標漂移最大距離Fig.2 Maximum drifting distance of navigation buoy

錨鏈受風、浪、流的共同作用下，將會產(chǎn)生一定的位移，其理論位移范圍將由錨鏈和水深值共同決定。在水深增加到一定的臨界值時，錨鏈將呈近似垂直狀；而在水深降低到一定程度時，受外力影響，航標將到達理論漂移最大值，如圖2所示。

由圖2可知，水深的變化幅值很大程度上決定了錨鏈長度設(shè)置的上下限。當水位較高時，錨鏈的長度應(yīng)滿足大于最高水位值且略有盈余；在低水位時，應(yīng)盡量減小航標漂移值，使其在一定的漂移半徑之內(nèi)。高水位時，臥底錨鏈Ls長度可忽略不計，近似認為錨鏈長度L等于懸垂錨鏈長度Lk，設(shè)水深值為D，最大漂移距離報警閾值為C，則錨鏈長度設(shè)置應(yīng)滿足上下限如公式(4)所示，其中max(D)及min(D)分別代表設(shè)標區(qū)域的水深最大與最小值。

(4)

2 基于統(tǒng)計分析的航標錨鏈設(shè)置方法

為優(yōu)化錨鏈長度取值，對航標所處水域的水位變化趨勢進行研究分析。長江上、中、下游水位變化各不相同。下游南京以下河段為感潮河段，其水位變化受外海潮汐漲落影響較大，變化趨勢呈明顯周期性[9]；而中、上游河段受徑流影響較大，水位變化過程可視為非平穩(wěn)時間序列[10]。取長江上、中、下游不同河段水位實際觀測數(shù)據(jù)(上游重慶段、中游武漢段、下游馬鞍山段，如圖3所示)，建立不同水位條件下，航標錨鏈長度設(shè)置方法。

3-a 重慶3-b 武漢3-c 馬鞍山圖3 長江水位時域變化過程Fig.3 Temporal variation of river water level in the Yangtze River

表1 約束條件下的錨鏈長度取值結(jié)果Tab.1 Calculation results of constrained buoy anchor chain length m

表2 錨鏈長度設(shè)置優(yōu)化結(jié)果Tab.2 Optimized anchor chain length for different seasons m

將上述河段設(shè)標時間細分為三類：洪水季、中水季與枯水季，分別探討錨鏈長度取值范圍。以武漢段(武漢關(guān)站)為例，其洪水季通常在每年的6～7月，取2015年6～7月水位平均值為13.241 6 m；枯水季在每年的1～3月，取2015年1～3月水位平均值2.464 m；中水期在每年的4～5月，取2015年4～5月水位平均值為8.456 m。將上述取值分別代入公式，計算得到洪水季、枯水季、中水季的錨鏈長度設(shè)置分別為當前水位數(shù)值的1.23倍、6.60倍以及1.907倍。

由上述計算結(jié)果可知，傳統(tǒng)的3～5倍水深的設(shè)標取值可進一步優(yōu)化，即按照設(shè)標時段分別設(shè)置，在洪水季、中水季、枯水季采用不同的設(shè)標標準；在略計盈余的前提下，武漢段應(yīng)設(shè)置為1.5倍、2.5倍、7.0倍左右較為合理。長江上游(重慶)、下游(馬鞍山)計算結(jié)果如表2所示。

3 結(jié)果分析

3.1 實測數(shù)據(jù)預(yù)處理

基于長江武漢航道處所獲取的航標運行維護數(shù)據(jù)，分別取武漢長江大橋橋區(qū)下水#2白浮、白沙洲紅燈船浮標以及二七長江大橋橋區(qū)#1白浮浮標2017年3～9月航標狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)作分析。在航標設(shè)標過程中，受GPS固有誤差影響，航標實際布設(shè)錨點存有一定的偏差；另一方面，受河床底部泥沙運動、水流、風力，以及過往船舶碰撞等，航標定位也會產(chǎn)生一定的偏移，從而對航標狀態(tài)監(jiān)測預(yù)警產(chǎn)生影響。為盡可能減小上述兩方面誤差量，采用K-means聚類方法對航標漂移軌跡點進行聚類分析，由聚類中心代替航標布設(shè)點，以平滑實測數(shù)據(jù)誤差。

基于K-means算法的航標設(shè)標點修復(fù)過程如下：

(1)隨機選擇一個航標軌跡點作為起始聚類中心，并記為預(yù)設(shè)中心點。

(3)隨機更換另外一個軌跡點為中心點，并重復(fù)步驟(2)，計算剩余點距離之和。

(4)若當前中心點的距離和小于預(yù)設(shè)中心點的距離之和，則將預(yù)設(shè)中心點替換為當前點，否則，預(yù)設(shè)中心點不變。

(5)當預(yù)設(shè)中心點不再發(fā)生變化或者所有軌跡點均已搜索完畢，則算法終止；如果條件不滿足，則回到步驟(3)。

以長江武漢段天興洲航標#5白浮2017年5月數(shù)據(jù)為實驗樣本，聚類結(jié)果如圖4所示。由圖可知，聚類后的航標中心明顯更貼合于實際的航標運動軌跡。

3.2 實測結(jié)果對比

取武漢長江大橋橋區(qū)下水#2白浮、白沙洲紅燈船浮標以及二七長江大橋橋區(qū)#1白浮浮標2017年3～9月航標狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，對比計算結(jié)果如表3所示。采用K-means聚類方法后，實現(xiàn)了航標錨點重新定位，一定程度上降低了航標實際偏移的計算誤差，有助于減少了航標狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的虛假報警次數(shù)。

圖4 K-means聚類分析結(jié)果Fig.4 Clustering results by K-means algorithm

航標類別最大偏移量平均偏移量報警次數(shù)#2白浮設(shè)標中心75.943 9 m55.728 5 m136聚類中心67.796 0 m42.055 5 m89紅燈船浮設(shè)標中心97.103 6 m60.540 4 m4 297聚類中心71.410 4 m47.124 6 m2 823橋區(qū)#1白浮設(shè)標中心164.353 4 m95.998 1 m5 632聚類中心131.126 5 m92.565 6 m3 713

表4 錨鏈長度設(shè)置結(jié)果對比Tab.4 Anchor chain length setting comparison for different seasons

以長江武漢段為例，傳統(tǒng)的錨鏈長度設(shè)置方法為當前水深的3～5倍；在略計盈余的前提下，按照本文所建立的計算方法，洪水季、中水季、枯水季取值分別為：7.0倍、2.5倍和1.5倍。對比兩類航標錨鏈長度設(shè)置方法結(jié)果如表4所示。

由上述結(jié)果可知：單純依靠傳統(tǒng)經(jīng)驗值的設(shè)置方法，在枯水季設(shè)標時，會發(fā)生洪水季航標錨鏈長度不夠的情況，而在中水季、洪水季，航標最大漂移距離達到了30 m及50 m的量級，甚至超出了航標漂移的預(yù)警閾值。本文提出的錨鏈長度計算方法，不僅解決了枯水季設(shè)標錨鏈長度不夠的問題，同時也將漂移最大距離降低至20 m、10 m量級，有效減少了航標最大漂移量，有助于降低航標漂移誤報警率。

4 結(jié)論

通過分析長江不同河段的水位變化特征，建立了不同時段的錨鏈長度優(yōu)化計算方法；結(jié)合K-means聚類分析方法，獲得了更加精確的航標設(shè)置位置，據(jù)此分析了航標漂移特征。實測記錄數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果證實，優(yōu)化后的錨鏈長度取值方法以及K-means聚類方法，降低了航標漂移半徑，有助于減少航標日常運行維護中的誤報警率，提升航標管理工作效率。

航標漂移所受外界影響因素眾多，本文結(jié)合航標漂移數(shù)據(jù)處理及水位變化特征，探討了錨鏈長度設(shè)置優(yōu)化計算方法，研究成果可為航標維護管理提供技術(shù)支撐，保障船舶安全通航。