錨位點(diǎn)輔助決策模型的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

黃曉琛， 李改肖， 彭認(rèn)燦， 董 箭

(1. 92001部隊(duì)， 山東 青島 266005； 2. 海軍大連艦艇學(xué)院 軍事海洋與測繪系， 遼寧 大連 116018)

拋錨駐泊是艦船經(jīng)常采用的停泊方式，為讓錨抓牢海底，避免因走錨造成事故，航海人員在錨位點(diǎn)的選擇時(shí)需要考慮水深、底質(zhì)、海底地形、風(fēng)流等多種海洋環(huán)境條件，但由于海圖是以注記形式表示的水深、底質(zhì)等信息，無法直觀地反映多種海洋環(huán)境要素。[1-2]對(duì)于科考船、大型捕撈漁船、軍艦等有著特殊使命任務(wù)的艦船而言，當(dāng)需要在非海事部門劃定或推薦的錨地拋錨時(shí)，航海人員需要在錨位點(diǎn)選擇的多種考量因素中作出基于以往經(jīng)驗(yàn)的主觀決策，難以得到理論上最優(yōu)的錨位點(diǎn)。本文以航海人員的實(shí)際需求為導(dǎo)向，通過空間分析的視角，基于VCF(Vector Chart Format)格式數(shù)字海圖和地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System,GIS)的方法設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)“錨位點(diǎn)輔助決策模型”，以期更好地輔助航海人員完成拋錨時(shí)錨位點(diǎn)的選擇，提升錨泊的安全性。

1 海底地形情況

1.1 水深情況

1.1.1可拋錨的水深范圍

艦船拋錨的適宜水深范圍主要取決于艦船的吃水情況。一般而言，水深范圍在3～5倍艦船吃水為最適宜的拋錨深度范圍[3]；2倍吃水為艦船拋錨水深范圍的下限，若低于此深度拋錨，當(dāng)遇到較大風(fēng)浪時(shí)，艦船將有觸底的風(fēng)險(xiǎn)；拋錨的水深范圍上限為艦船的極限拋錨深度[4]，超過該深度拋錨時(shí)，艦船受限于錨機(jī)功率將無法收回錨鏈。艦船的極限拋錨深度主要由錨機(jī)的額定起錨能力PW、錨重Wa、錨抓力系數(shù)λa、單位長度的鏈重ωc、鏈孔距水面的高度d決定[5],經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式為

(1)

1.1.2水深值的內(nèi)插

海圖上的水深點(diǎn)注記通常呈菱形分布[6]，但在不同深度范圍的海域水深點(diǎn)的密度有所不同。一般來說，淺水區(qū)域水深點(diǎn)較密，深水區(qū)域水深點(diǎn)較稀，在地形起伏變化較大的區(qū)域、航門、水道、航道轉(zhuǎn)折處、錨地、突出岬角和其他地形復(fù)雜的海域水深點(diǎn)會(huì)適當(dāng)加密。水深注記的密度見表1。[7]

表1 不同深度范圍的水深點(diǎn)密度

由表1可知:海圖上的水深點(diǎn)分布并不均勻。為得到完整的海底地形和每一點(diǎn)的水深數(shù)據(jù)，需要對(duì)已有的水深點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)插。已有的研究表明:在疏密不均的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行內(nèi)插得到地形時(shí)，克里金內(nèi)插較之其他插值方法有著較好的擬合效果和插值精度。[8]

克里金內(nèi)插是根據(jù)待估計(jì)點(diǎn)周圍的若干已知信息，以變異函數(shù)為工具，確定待估計(jì)點(diǎn)周圍已知點(diǎn)的參數(shù)對(duì)待估計(jì)點(diǎn)的加權(quán)值的大小，然后對(duì)待估計(jì)點(diǎn)做出估計(jì)方差最小、無偏的估計(jì)量?？死锝鸩逯挡粌H考慮距離，還通過變異函數(shù)和結(jié)構(gòu)分析，考慮已有樣本點(diǎn)的空間分布與未知樣本點(diǎn)的空間方位關(guān)系?？死锝饍?nèi)插法計(jì)算未知量的一般公式[9]為

(2)

式(2)中：Z(xi)為樣本點(diǎn)的數(shù)值;λi對(duì)應(yīng)點(diǎn)的權(quán)重值(計(jì)算方法詳見文獻(xiàn)[19]);Z(x0)為待求點(diǎn)的數(shù)值。

原始的水深分布見圖1。水深點(diǎn)如圖1所示,通過克里金內(nèi)插可得到完整的水深分布，即海底地形，見圖2。再依據(jù)水深值所在的范圍對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重分類，可得到水深對(duì)于拋錨適宜程度的分布圖，見圖3。

1.2 海底地形坡度

艦船拋錨時(shí)應(yīng)選擇海底地形平坦的區(qū)域，坡度

過陡時(shí)容易在波浪的作用下發(fā)生走錨。[3]原始海圖數(shù)據(jù)通過點(diǎn)狀的水深注記表示海底地形，無法直觀地獲得坡度情況，而借助坡度分析可將這一隱含在水深數(shù)據(jù)之后的信息挖掘出來。在地理學(xué)中，坡度定義為一點(diǎn)P的法線方向與天頂方向Z之間的夾角。[10]通常通過計(jì)算梯度反方向(下降最快的方向)上單位長度的高程升降得到。梯度和坡度的計(jì)算公式[11]為

(3)

(4)

航海學(xué)中坡度有時(shí)采用坡比形式表示，為地理學(xué)中坡度的正切值

k=tanβ

(5)

由第一步內(nèi)插得到的海底水深分布(海底地形)通過坡度分析可得到海底坡度分布見圖4。根據(jù)坡度大小與坡面自然特征的相關(guān)關(guān)系可將坡度分布劃分為6個(gè)等級(jí)，并依此對(duì)坡度分布圖進(jìn)行重分類可得到更為直觀的海底地形的坡度情況如圖4所示。

2 底質(zhì)情況

2.1 底質(zhì)的適宜程度

艦船拋錨時(shí)需要選擇軟硬適中的底質(zhì)類型。

1)底質(zhì)過軟，錨深陷泥中，錨爪向上張開，不能深嚙海底，錨抓力將大大減小。

2)底質(zhì)過硬，錨抓底后只錨爪入土，僅能獲得標(biāo)準(zhǔn)錨抓力，若采用重力拋錨，過硬的底質(zhì)類型或造成錨冠砸壞。

綜合航海人員一般經(jīng)驗(yàn)和以往的研究來看，泥沙底最好，沙泥質(zhì)、泥質(zhì)較好，沙質(zhì)次之，巖、石、珊瑚、礫石等硬質(zhì)底土類型不可拋錨。[3]許多文獻(xiàn)[12]對(duì)于泥質(zhì)、沙質(zhì)的底質(zhì)類型的排序有所不同，由于這兩種底質(zhì)類型在海圖上大多僅標(biāo)注一個(gè)漢字，但涵蓋的海底沉淀物粒徑范圍卻較廣。以沙為例，按照尤登-溫德華士等比制Ф粒級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[13]，沙這一粒組類型可按照細(xì)分法繼續(xù)分為極粗沙、粗沙、中沙、細(xì)沙、極細(xì)沙，粒徑范圍為0.063～2.000 mm，極細(xì)沙的性質(zhì)近似于黏土(軟質(zhì)底)，而粗砂的類型近似于礫石(硬質(zhì)底)。再加之海圖生產(chǎn)過程中會(huì)對(duì)底質(zhì)注記進(jìn)行綜合[7]處理，因此，僅從海圖上的底質(zhì)標(biāo)注很難得到原始底質(zhì)測量時(shí)該點(diǎn)的具體底質(zhì)類型，故由于具體底質(zhì)類型的不確定性，將這兩種底質(zhì)類型對(duì)于拋錨的適宜程度置于沙泥之后。原始底質(zhì)注記見圖5。

圖5 原始底質(zhì)注記

2.2 底質(zhì)的分布情況

海圖上的底質(zhì)信息為點(diǎn)狀的底質(zhì)注記，為得到底質(zhì)的面狀分布，模型采用建立泰森多邊形[10]的方法生成底質(zhì)分布Voronoi圖，見圖6。

圖6 底質(zhì)分布圖

在自然界中各種底質(zhì)類型大多是自然過渡的，一般不會(huì)產(chǎn)生明確清晰的分界線如圖6所示，因而本方法得到的是底質(zhì)分布的大致范圍，基本可滿足拋錨決策的需求。該方法簡單快捷，生成的底質(zhì)分布比起原始的點(diǎn)狀注記更為直觀可感。

3 禁止拋錨的區(qū)域

在靠近陸地的近海，通常存在著多種海事部門劃定的區(qū)域界限，這些區(qū)域或完全禁止拋錨，或?qū)﹀^泊安全產(chǎn)生影響。在VCF格式海圖[14]中存儲(chǔ)的對(duì)錨泊有影響的區(qū)域歸納見表2。

表2 對(duì)錨泊有限制的區(qū)域類型統(tǒng)計(jì)

通過表2中區(qū)域?qū)?yīng)的編碼從對(duì)應(yīng)的圖層中篩選出要素并進(jìn)行疊置即可得到對(duì)拋錨有限制的全部區(qū)域，以海圖16311為例，提取結(jié)果見圖7。

注：該幅海圖的圖幅范圍內(nèi)僅存在航道區(qū)這一影響拋錨的區(qū)域

4 錨鏈長與錨泊圓

4.1 錨鏈長度的估算

艦船拋錨時(shí)放出錨鏈長度由懸垂錨鏈和臥底錨鏈兩部分構(gòu)成。計(jì)算錨鏈長度所需公式[13]為

L=Lh+Lb≈1.5Lh

(6)

(7)

T0=Pa+Pw

(8)

(9)

(10)

(11)

4.2 周邊艦船形成的錨泊圓

4.2.1錨泊圓半徑的計(jì)算

艦船錨泊時(shí)會(huì)在風(fēng)流的作用下以錨位點(diǎn)為圓心作圓周運(yùn)動(dòng)，形成的范圍為錨泊圓。錨泊圓的半徑在一些教材中一般取實(shí)際拋出錨鏈長與船長之和，安全考量過度放大錨泊圓的范圍。錨泊圓示意見圖8。圖8中：L為實(shí)際拋出錨鏈長度；L1為錨鏈孔至錨位點(diǎn)的水平距離；L2為艦船長度；H為錨位點(diǎn)處圖載水深。由圖8可知:在錨未發(fā)生明顯拖動(dòng)的條件下，艦船形成最大錨泊圓范圍時(shí)有

L≈L3

(12)

此時(shí)錨泊圓半徑Rmax為

(13)

圖8 錨泊圓示意

4.2.2周邊船舶錨泊圓范圍的生成

由船載船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(Automatic Identification System,AIS)接收器可獲得周邊船舶的基本信息、航行狀態(tài)和經(jīng)緯度坐標(biāo)，進(jìn)而可通過第一步的分析結(jié)果獲得所在位置處的水深值，由船舶基本參數(shù)和水深可估算出周邊錨泊船舶形成的錨泊圓半徑。以周邊船舶的位置坐標(biāo)為圓心，可生成對(duì)應(yīng)的錨泊圓范圍,見圖9。在最終決定錨位點(diǎn)時(shí)可直觀地避開周邊錨泊船舶的活動(dòng)范圍，提高錨泊的安全性。

5 礙航物周邊預(yù)留的安全距離

錨位點(diǎn)選擇時(shí)需要與周邊的障礙物(淺灘、島礁、沉船、陸岸等)預(yù)留一定的安全距離，據(jù)航海人員的經(jīng)驗(yàn)做法，該距離通常取錨鏈全長加2倍艦船長度。因此，只需對(duì)陸地和島礁的岸線、點(diǎn)狀礙航物以該距離生成緩沖區(qū)，即可生成艦船拋錨時(shí)需要預(yù)留的安全距離(見圖10)。

圖9 周邊船舶形成的錨泊圓注:淺色區(qū)域?yàn)殛懙匕毒€的緩沖區(qū)范圍;深色區(qū)域?yàn)榈K航物的緩沖區(qū)范圍圖10 與礙航物、陸岸預(yù)留安全距離

6 用戶設(shè)定錨位點(diǎn)

依據(jù)對(duì)多位艦艇航海長的問卷調(diào)查，用戶對(duì)于錨位點(diǎn)決策時(shí)的多個(gè)靜態(tài)環(huán)境條件的優(yōu)先級(jí)為：水深≈底質(zhì)>坡度。因此，在海區(qū)拋錨適宜程度綜合打分的計(jì)算中，賦予這3個(gè)條件0.35、0.35、0.30的權(quán)重，并進(jìn)行加權(quán)計(jì)算。對(duì)于在限制錨泊的區(qū)域、陸地及障礙物緩沖區(qū)、周邊錨泊船舶錨泊圓內(nèi)、任意一項(xiàng)指標(biāo)不適宜的海域，綜合評(píng)分直接為0。最終在一個(gè)界面中同時(shí)顯示綜合打分、水深、底質(zhì)、坡度情況，用戶在界面中移動(dòng)鼠標(biāo)，可同時(shí)聯(lián)動(dòng)地在其他3個(gè)界面中看到鼠標(biāo)所在經(jīng)緯度處每項(xiàng)環(huán)境條件的具體情況界面(見圖11)，最終根據(jù)自身的實(shí)際需求點(diǎn)擊鼠標(biāo)設(shè)置錨位點(diǎn)。

圖11 聯(lián)動(dòng)顯示各項(xiàng)環(huán)境條件情況界面

7 助航標(biāo)志提示和定點(diǎn)拋錨

7.1 錨位點(diǎn)可見域內(nèi)的助航標(biāo)志

艦船在近海拋錨時(shí)通常選擇一些助航標(biāo)志，用于準(zhǔn)確拋錨至預(yù)設(shè)錨位點(diǎn)和評(píng)判最終拋錨的真實(shí)位置。由于陸地地形的阻擋和能見度的原因，并非都能看到海區(qū)內(nèi)的每個(gè)助航標(biāo)志，因而需要經(jīng)過通視分析，得到錨位點(diǎn)處實(shí)際可見的助航標(biāo)志。具體方法步驟如下：

1)生成地形表面：VCF格式海圖在RELFNTL圖層中存儲(chǔ)有陸地的等高線信息，首先由等高線內(nèi)插生成地形柵格，之后用陸地圖層對(duì)柵格進(jìn)行裁剪，再通過柵格計(jì)算器對(duì)海面的高程賦值為用戶的眼高(海面至操舵人員眼睛的高度)，即得到整個(gè)圖幅用于通視分析的地形表面柵格數(shù)據(jù)。

2)構(gòu)造視線：VCF格式海圖將助航標(biāo)志存儲(chǔ)在ANVGPTP圖層中，以用戶預(yù)選的錨位點(diǎn)作為觀察點(diǎn)，以助航標(biāo)志圖層中的點(diǎn)要素為觀察目標(biāo)構(gòu)建視線。

3)通視分析與參數(shù)計(jì)算：對(duì)以上兩步生成的地形柵格和視線進(jìn)行通視分析，得到分析結(jié)果，再計(jì)算出每條可見視線的方位角和距離(距離大于視距的也認(rèn)為不可見)，分析結(jié)果見圖12。

圖12 錨位點(diǎn)處可見域內(nèi)的助航標(biāo)志

7.2 方位位置線網(wǎng)輔助定點(diǎn)拋錨

特殊用途的船舶有時(shí)需要進(jìn)行定點(diǎn)拋錨。據(jù)航海人員的經(jīng)驗(yàn)做法，通常在錨位點(diǎn)艦艏和正橫各選一助航標(biāo)志，以艦艏向的助航標(biāo)志作為導(dǎo)標(biāo)，以正橫的助航標(biāo)志作為側(cè)標(biāo)，在執(zhí)行定點(diǎn)拋錨前，在紙上繪制側(cè)標(biāo)的方位位置線網(wǎng)。[16]拋錨時(shí)，一名瞭望人員通過光學(xué)方位儀觀察導(dǎo)標(biāo)方位，判定是否航行在預(yù)設(shè)的拋錨航線上;另一名瞭望人員觀察側(cè)標(biāo)方位，并結(jié)合事先繪制好的方位位置線網(wǎng)可準(zhǔn)確判定艦船距預(yù)設(shè)錨位點(diǎn)的實(shí)時(shí)距離。[17]該方法經(jīng)多年實(shí)踐表明穩(wěn)定可靠，航海人員經(jīng)訓(xùn)練可在6鏈的范圍內(nèi)將艦船準(zhǔn)確拋在錨位點(diǎn)上，水平誤差不超過30 m。這里需要指出的是拋錨訓(xùn)練中作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)的誤差是指錨鏈孔至錨位點(diǎn)的距離。通常艦船的方位分羅經(jīng)與錨鏈孔有一定的距離，見圖13。艦船沿拋錨航線航行，當(dāng)錨鏈孔位于錨位點(diǎn)正上方時(shí)，方位分羅經(jīng)所在的位置定義為0 m位置點(diǎn)。因而在生成方位位置線網(wǎng)時(shí)，應(yīng)當(dāng)以該點(diǎn)作為基準(zhǔn)。

圖13 方位分羅經(jīng)至錨鏈孔的距離

通過上述分析得到可見域內(nèi)的助航標(biāo)志，用戶選擇其中兩個(gè)助航標(biāo)志分別作為導(dǎo)標(biāo)和側(cè)標(biāo)。一方面，通過連接導(dǎo)標(biāo)和錨位點(diǎn)的直線得到拋錨航線，標(biāo)注導(dǎo)標(biāo)相對(duì)錨位點(diǎn)的方位角即為拋錨航向；另一方面，以側(cè)標(biāo)為端點(diǎn)，從錨位點(diǎn)向當(dāng)前艦船所在一側(cè)作一組射線。在小比例尺顯示時(shí)，只顯示整度方位角的位置線網(wǎng)(見圖14)；在大中比例尺顯示時(shí)，顯示整度位置線網(wǎng)與拋錨航線的交點(diǎn)，以及這些在其關(guān)鍵位置點(diǎn)觀測側(cè)標(biāo)的方位角和到0 m位置點(diǎn)的距離(見圖15)；當(dāng)船舶行駛至拋錨航線末段(距0 m位置點(diǎn)500 m以內(nèi))時(shí)，位置線網(wǎng)加密至0.1°(見圖16)。該模型可單獨(dú)使用，也可疊合艦船全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System, GPS)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示艦船當(dāng)前位置，進(jìn)一步減小定點(diǎn)拋錨誤差。

圖14 小比例尺顯示方位位置線網(wǎng)

8 系統(tǒng)整體框架

本模型的軟件系統(tǒng)旨在為航行中的艦船提供拋錨作業(yè)時(shí)的錨位點(diǎn)輔助決策。系統(tǒng)基于ArcGIS Eng-ine二次開發(fā)，[18]為保證該系統(tǒng)可在網(wǎng)絡(luò)通信不暢的情況下仍正常運(yùn)行，采用C/S架構(gòu)[19]，將系統(tǒng)的海圖數(shù)據(jù)庫和絕大部分的分析功能置于客戶機(jī)一端，而服務(wù)器端主要提供艦船擬拋錨海區(qū)的氣象預(yù)報(bào)信息以及海圖數(shù)據(jù)的補(bǔ)充與更新，以期盡可能地減少與岸基服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)通信，提高系統(tǒng)的可靠性。當(dāng)客戶端無法與岸基服務(wù)器通信，處于脫機(jī)狀態(tài)時(shí)，可通過人工設(shè)置或預(yù)留的與船舶氣象儀間的數(shù)據(jù)接口獲取實(shí)時(shí)氣象信息，仍可正常完成軟件的分析功能。客戶端的整體框架結(jié)構(gòu)見圖17。系統(tǒng)的業(yè)務(wù)邏輯圖見圖18。

圖17 客戶端的框架結(jié)構(gòu)

圖18 系統(tǒng)的業(yè)務(wù)邏輯圖

9 結(jié)束語

針對(duì)當(dāng)前錨位點(diǎn)人工決策過程中存在的因素考慮不全、主觀性強(qiáng)的突出問題，在基于當(dāng)前船舶普遍裝備的電子海圖顯示與信息系統(tǒng)、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)、船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的硬件設(shè)施的條件下，本文通過對(duì)VCF格式數(shù)字海圖數(shù)據(jù)中的位置和屬性信息進(jìn)行空間分析，得到顧及水深、底質(zhì)、海底地形、風(fēng)流影響、區(qū)域界線、礙航物、助航標(biāo)志、周邊錨泊船舶等因素的錨泊安全性分析結(jié)果，為航海人員在自然海域拋錨提供錨位點(diǎn)選址決策和定點(diǎn)拋錨方案，以期降低艦船走錨或碰撞的風(fēng)險(xiǎn)，提升錨泊安全性。本文的研究內(nèi)容可為智能船舶拋錨作業(yè)的自動(dòng)化提供錨位點(diǎn)選址的研究基礎(chǔ)，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。