基于GIS的船舶溢油避險(xiǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

于文博，李穎，劉志晨，趙術(shù)林

(大連海事大學(xué) a.航海學(xué)院；b.環(huán)境信息研究所，遼寧 大連 116026)

近年來，重大海上溢油事故時(shí)有發(fā)生，對(duì)海洋環(huán)境與船舶航行皆造成惡劣影響。2018年在我國東海海域發(fā)生的“桑吉”輪碰撞事故造成了11.3萬t凝析油和約1 956 t船用燃油的爆燃及泄漏，對(duì)事故海域造成不可估量的長期經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)損失[1-2]。為減少溢油事故造成的危害，應(yīng)急指揮部門需要對(duì)一段時(shí)間內(nèi)溢油擴(kuò)散、漂移的范圍準(zhǔn)確掌握，以便組織人力物力搶險(xiǎn)救災(zāi)，告知距離事故發(fā)生地點(diǎn)較近的船舶對(duì)遇險(xiǎn)船舶進(jìn)行救援，并在確認(rèn)遇險(xiǎn)船舶人員狀態(tài)后，禁止客貨船舶駛?cè)胧鹿屎Ｓ颍悦庥绊懝ぷ鞔斑M(jìn)行海面清污。通過對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)的查閱，現(xiàn)有溢油擴(kuò)散預(yù)測系統(tǒng)采用的溢油擴(kuò)散模型，能夠獲得準(zhǔn)確的預(yù)測結(jié)果，但其系統(tǒng)少有與事故海域船舶數(shù)據(jù)進(jìn)行融合顯示，難以完全支持應(yīng)急部門的指揮調(diào)度工作。為了解決溢油擴(kuò)散、漂移可視化,以及事故影響海域船舶查詢、調(diào)度問題，利用空間信息平臺(tái)，通過數(shù)據(jù)中心獲取海域船舶信息以及事故信息，利用空間分析工具實(shí)現(xiàn)溢油擴(kuò)散、漂移區(qū)域的預(yù)測,以及事故海域船舶的查詢，完成對(duì)相關(guān)信息的渲染展示，輸出專題地圖。系統(tǒng)以”桑吉”輪溢油事故為實(shí)例進(jìn)行了模擬，預(yù)測成果可為引導(dǎo)溢油海域的船舶避險(xiǎn)提供空間信息指導(dǎo)，為應(yīng)急指揮提供支持。

1 地理信息系統(tǒng)優(yōu)勢

1.1 數(shù)據(jù)管理功能

空間數(shù)據(jù)庫引擎是地理信息系統(tǒng)中一項(xiàng)關(guān)鍵性技術(shù)，包括ArcSDE、SpatialWare、SDX+等典型引擎[3]。借助空間數(shù)據(jù)引擎ArcSDE可將船舶溢油避險(xiǎn)系統(tǒng)中不同類型的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在同一數(shù)據(jù)庫下，實(shí)現(xiàn)在ArcTocControl中分層管理、融合顯示，使空間數(shù)據(jù)庫既能提供溢油相關(guān)數(shù)據(jù)的空間特征(基礎(chǔ)地圖、圖形)信息又能提供其對(duì)應(yīng)的屬性信息(如，風(fēng)浪流信息、船舶信息)。

GIS具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)融合能力，可以實(shí)現(xiàn)不同數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)的有效融合，消除單一數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)信息的不足，加強(qiáng)數(shù)據(jù)源之間的優(yōu)勢互補(bǔ)。將多源數(shù)據(jù)融合疊加到GIS的顯示界面中，參與空間計(jì)算，船舶溢油避險(xiǎn)系統(tǒng)結(jié)果輸出的科學(xué)可靠性也可由數(shù)據(jù)的綜合性、準(zhǔn)確性保障。針對(duì)異源數(shù)據(jù)，通過地理配準(zhǔn)、空間校正、建立拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、屬性關(guān)聯(lián)等多種方式處理，保證其空間位置與邏輯關(guān)系的準(zhǔn)確性。

1.2 空間分析功能

GIS中的空間分析技術(shù)以空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過疊加、分割、拓展，統(tǒng)一挖掘并提取數(shù)據(jù)潛在的信息，是對(duì)空間數(shù)據(jù)實(shí)施轉(zhuǎn)換以回答特定查詢的能力。GIS擁有功能強(qiáng)大的空間分析工具庫，包含900余個(gè)地理處理(geoprocessing，GP)工具，以ArcToolbox的方式進(jìn)行組織管理，調(diào)用時(shí)可以直接指定輸入?yún)?shù)，得到相對(duì)應(yīng)的地理處理結(jié)果，也可以將多個(gè)GP工具組合起來，實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的空間分析功能設(shè)計(jì)。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于GIS技術(shù)進(jìn)行船舶溢油避險(xiǎn)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用Visual Studio.Net框架與Arcgis Engine技術(shù)框架相結(jié)合的方法進(jìn)行船舶溢油避險(xiǎn)模型系統(tǒng)的開發(fā)。Visual Studio.Net是完全的面向?qū)ο笳Z言，也是被認(rèn)為最高效的編程方法之一，Arcgis Engine是基于COM技術(shù)開發(fā)的1套COM組件對(duì)象集，具有簡潔、靈活、可移植性強(qiáng)的特點(diǎn)，借助它可以完成脫離ArcGIS Desktop且針對(duì)性強(qiáng)的應(yīng)用程序，具體系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架見圖1。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架

數(shù)據(jù)層是通過數(shù)據(jù)融合方式添加到溢油空間數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)，也是模型運(yùn)行的輸入數(shù)據(jù)。為了融合顯示多源數(shù)據(jù)，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，保證輸出的準(zhǔn)確性。海圖數(shù)據(jù)加載后，原始海圖并不具備空間位置信息，根據(jù)海圖的編號(hào)、圖框經(jīng)緯度等信息，通過地理配準(zhǔn)，將其校正到真實(shí)位置，形成基礎(chǔ)海圖圖層。海風(fēng)海流數(shù)據(jù)由文本格式導(dǎo)入空間數(shù)據(jù)庫[4]，根據(jù)其經(jīng)緯度信息，在GIS的顯示界面中定位，并對(duì)其方向、速度等屬性信息進(jìn)行插值計(jì)算，形成包含風(fēng)浪流信息的圖層。船舶數(shù)據(jù)是自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(automatic identification system，AIS)數(shù)據(jù)經(jīng)過一定規(guī)則提取，錄入到空間數(shù)據(jù)庫，構(gòu)成包括船位、船首向、船速等屬性信息的點(diǎn)，生成船舶空間分布圖。數(shù)據(jù)疊加方式見圖2。

圖2 數(shù)據(jù)疊加方式

模型層為支持船舶溢油避險(xiǎn)系統(tǒng)科學(xué)運(yùn)算的具體方法，其中包括溢油預(yù)測模型與船舶避險(xiǎn)模型。溢油預(yù)測模型的主要功能是實(shí)現(xiàn)溢油擴(kuò)散預(yù)測與溢油漂移預(yù)測，溢油擴(kuò)散預(yù)測主要計(jì)算給定溢油量下溢油的擴(kuò)散面積，溢油漂移預(yù)測則根據(jù)給定的海風(fēng)、海流等海洋環(huán)境信息對(duì)油在海面上的移動(dòng)進(jìn)行預(yù)測。船舶避險(xiǎn)模型主要作用是在溢油區(qū)域周圍建立事故影響范圍的緩沖區(qū)，提取影響范圍內(nèi)的船舶，并對(duì)船舶根據(jù)種類分類。

邏輯層是溢油事故發(fā)生后模型計(jì)算的基本流程。系統(tǒng)根據(jù)溢油事故目標(biāo)位置結(jié)合擴(kuò)散模型確定擴(kuò)散區(qū)域，通過海洋環(huán)境數(shù)據(jù)結(jié)合漂移模型進(jìn)行溢油漂移預(yù)測。然后采用船舶避險(xiǎn)模型，集成緩沖區(qū)分析、疊加分析方法獲得溢油目標(biāo)影響范圍與船舶避險(xiǎn)范圍，綜合模型分析結(jié)果返回系統(tǒng)界面端，生成避險(xiǎn)方案。

應(yīng)用層是系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)部分，包括溢油信息融合模塊、溢油預(yù)測模塊和溢油信息發(fā)布模塊。溢油信息融合模塊，主要通過輸入溢油點(diǎn)經(jīng)緯度、溢油量及船舶信息等，為系統(tǒng)業(yè)務(wù)提供數(shù)據(jù)支持；溢油預(yù)測模塊，實(shí)現(xiàn)溢油給定時(shí)間及海洋環(huán)境要素下，預(yù)測油污的擴(kuò)散及漂移面積；溢油信息發(fā)布模塊主要包括建立事故影響緩沖區(qū)及事故海區(qū)船舶查詢功能，可以快速確定溢油海域內(nèi)的船舶，并預(yù)留信息發(fā)送接口，便于提示船舶避險(xiǎn)。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 溢油預(yù)測模型

溢油入海后，油膜厚度高，會(huì)快速向周圍擴(kuò)散，在溢油事故發(fā)生初期，主要處于快速擴(kuò)散階段，當(dāng)溢油變得足夠薄或破碎為油膜碎片后，認(rèn)為擴(kuò)散階段完成。在擴(kuò)散過程之后，油膜會(huì)在風(fēng)浪流等因素的作用下在海面上進(jìn)行漂移，形成條帶狀油污區(qū)域。

分析溢油擴(kuò)散過程，系統(tǒng)針對(duì)在廣闊平靜水面的瞬時(shí)溢油，采用經(jīng)典的Fay油膜擴(kuò)散模型。根據(jù)Fay的研究，油膜的擴(kuò)散過程主要受到油膜重力、張力、慣性力、黏滯力作用，并呈環(huán)形向四周擴(kuò)散，擴(kuò)散完成后，油污呈類圓形分布。依據(jù)溢油擴(kuò)展在不同時(shí)期起主要作用的力不同，F(xiàn)ay將其分為重力-慣性力階段、重力-黏滯力階段、黏滯力-表面張力階段3個(gè)階段，在各個(gè)階段中，2種力向著趨于平衡的方向發(fā)展，并進(jìn)入下一個(gè)階段，油膜尺度擴(kuò)展公式見表1。

表1 溢油擴(kuò)散尺度公式

式中：D1、D2、D3為各階段油膜直徑；K1、K2、K3為各階段的經(jīng)驗(yàn)擴(kuò)展系數(shù)，具體值由事故環(huán)境決定；V為溢油總體積；t為從溢油開始計(jì)算的時(shí)間；g為重力加速度；γ為水的運(yùn)動(dòng)黏滯系數(shù)；ρ為水的密度；σ為表面張力系數(shù)；β由溢油密度與水密度決定，常數(shù)。

通過統(tǒng)計(jì)分析大量統(tǒng)計(jì)結(jié)果，F(xiàn)ay認(rèn)為，在溢油擴(kuò)展階段結(jié)束后，溢油面積與溢油體積存在以下關(guān)系[5]。

式中：A為油污擴(kuò)散面積；V為溢油總體積。溢油面積在開始時(shí)隨時(shí)間而變大，當(dāng)擴(kuò)散的第三個(gè)階段完成，即表面張力與黏滯力達(dá)到平衡后，溢油面積不再變化，溢油面積與時(shí)間的關(guān)系見圖3。

圖3 溢油面積隨時(shí)間變化

分析溢油漂移過程，采用文獻(xiàn)[6]提出的漂移模型，油膜在寬闊海面上的漂移運(yùn)動(dòng)主要受海風(fēng)與海流的影響。雖然油膜經(jīng)過擴(kuò)展之后，厚度很薄，但是分析其運(yùn)動(dòng)和變化，都將其視為是連續(xù)的，即不考慮油膜的撕裂現(xiàn)象。其漂移速度及漂移距離為

voil=vc+kvw

(2)

(3)

式中:voil、vc、vw為溢油漂移速度、海流速度、海風(fēng)速度；k為風(fēng)力系數(shù)，通常取3%～4%之間，本系統(tǒng)取值為3.5%；S為溢油漂移距離；Δt為溢油漂移的時(shí)間；t為溢油開始擴(kuò)散時(shí)間。油膜向風(fēng)和流合力作用的方向運(yùn)動(dòng)，其漂移的示意圖見圖4。

圖4 油膜漂移示意

3.2 船舶避險(xiǎn)模型

通過緩沖區(qū)分析與疊加分析相結(jié)合的方式，建立船舶避險(xiǎn)模型。緩沖區(qū)分析是為了識(shí)別某一地理實(shí)體，根據(jù)點(diǎn)、線、面地理實(shí)體自身性質(zhì)，建立其周圍一定寬度范圍內(nèi)的多邊形緩沖區(qū)實(shí)體，從而確定不同地理要素之間的空間鄰近性或接近程度的一種分析方式[7]。對(duì)于給定目標(biāo)A，其緩沖區(qū)定義為

A={x|d(x,A)≤R}

(4)

式中：A為目標(biāo)物；x為某時(shí)緩沖區(qū)的影響范圍；d為目標(biāo)物A與x之間的距離；R為緩沖距，可將距A距離小于R的區(qū)域提取出來。在船舶避險(xiǎn)模型中，為了劃定溢油事故影響的范圍，應(yīng)由海事主管部門依據(jù)事故的性質(zhì)、海洋環(huán)境以及事故的危害程度，確定事故的影響半徑R，輸入系統(tǒng)建立海域溢油影響區(qū)域的緩沖區(qū)。

探析提取事故影響區(qū)域中的船舶并及時(shí)發(fā)布避險(xiǎn)信息的方法。模型采用疊加分析中的相交算法，相交分析是計(jì)算輸入要素的幾何交集的過程。由于點(diǎn)、線、面要素都可以進(jìn)行相交操作，因此，相交分析的情形可以分為7類[8]。將已轉(zhuǎn)換為點(diǎn)要素的AIS船舶數(shù)據(jù)與面要素的事故影響區(qū)域取交集，提取在溢油事故范圍內(nèi)的船舶。算法原理如下。

Sship={pship|pship?Buffer}

(5)

式中：Sship為提取的船舶集；pship為附近海域所有船舶；Buffer為事故影響緩沖區(qū)。同時(shí)，還可根據(jù)船舶所處區(qū)域范圍，按危險(xiǎn)程度進(jìn)行分類顯示加以區(qū)分，以便發(fā)送避險(xiǎn)信息或發(fā)送救援請(qǐng)求。具體見圖5；根據(jù)船舶的航行區(qū)域、溢油危險(xiǎn)緩沖區(qū)進(jìn)行劃分船舶危險(xiǎn)類型，并進(jìn)行分類表示，圖5中，外圍類橢圓形區(qū)域?yàn)槭鹿视绊懢彌_區(qū)，三角形船舶為事故影響區(qū)域外船舶，十字形船舶為事故區(qū)域內(nèi)需要緊急避險(xiǎn)的船舶類型，菱形船舶為事故影響區(qū)域內(nèi)可以提供援助的船舶類型。

圖5 船舶避險(xiǎn)示意

4 “桑吉”輪溢油事故實(shí)例驗(yàn)證

4.1 “桑吉”輪溢油事故相關(guān)概況

系統(tǒng)以“桑吉”輪溢油事故為模型計(jì)算實(shí)例，驗(yàn)證系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況。據(jù)研究調(diào)查，巴拿馬籍油船“桑吉”輪與中國香港籍散貨船“長峰水晶”輪，于北京時(shí)間2018年1月6日19時(shí)50分在我國東海海域，東經(jīng)124°57′6″，北緯30°51′1″處發(fā)生碰撞事故。其中，“桑吉”輪最終沉沒，造成其運(yùn)載的預(yù)計(jì)1 956t船用燃油和11.3萬t凝析油存在泄漏危險(xiǎn)。分析事故造成的溢油量，凝析油以揮發(fā)與燃燒為主，對(duì)大氣造成巨大污染，而船用燃油為重質(zhì)油，在油船沉沒后，不易揮發(fā)，持續(xù)污染性較強(qiáng)，是造成海域生態(tài)污染的主要原因。預(yù)計(jì)事故溢油量為1 956t。為預(yù)測事發(fā)72h的溢油漂移軌跡，查詢事故海域1月6—8日20：00時(shí)的海洋環(huán)境信息，并將海面上空10m海風(fēng)數(shù)據(jù)與海流數(shù)據(jù)制成柵格圖，添加到溢油信息數(shù)據(jù)庫中，具體事故海域72h海風(fēng)、海流信息，見表2。

表2 海風(fēng)、海流信息表

4.2 “桑吉”輪溢油預(yù)測模擬

利用GIS對(duì)要素類的處理能力進(jìn)行溢油擴(kuò)散區(qū)域模擬。首先根據(jù)事故點(diǎn)輸入的經(jīng)緯度信息確定面要素圓心的位置，將溢油量導(dǎo)入溢油預(yù)測模型預(yù)測油膜自身擴(kuò)展情況，確定溢油面積擴(kuò)散至最大值時(shí)的半徑，在系統(tǒng)中創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的面要素，并在海圖上進(jìn)行標(biāo)繪。

然后根據(jù)溢油漂移模型，輸入風(fēng)向、風(fēng)速、流向、流速參數(shù)參與計(jì)算，得到油膜移動(dòng)的距離，在溢油擴(kuò)展區(qū)域創(chuàng)建相同的油膜自身擴(kuò)展的面要素，利用要素編輯器中擴(kuò)散功能，根據(jù)油膜漂移的距離，獲取新要素所漂移的X、Y值，從而生成下一時(shí)刻的溢油漂移區(qū)域，實(shí)現(xiàn)對(duì)溢油漂移軌跡的模擬預(yù)測。具體生成的24、48、72 h的溢油漂移擴(kuò)散模擬圖見圖6。

圖6 溢油預(yù)測模擬

4.3 “桑吉”輪溢油避險(xiǎn)模擬

由于溢油事故會(huì)對(duì)周圍海域造成一定的影響，為了防止事故損失持續(xù)擴(kuò)大，應(yīng)向周圍一定范圍海域內(nèi)的船舶發(fā)送避險(xiǎn)信息。溢油擴(kuò)散漂移預(yù)測完成后，系統(tǒng)需要確定溢油事故的危險(xiǎn)范圍，通過采用船舶避險(xiǎn)模型，并參考《船舶油污染事故等級(jí)》[9]，依據(jù)溢油入水量和經(jīng)濟(jì)損失，將事故分為以下4個(gè)等級(jí)，見表3。

表3 船舶油污染事故等級(jí)表

應(yīng)急指揮部門應(yīng)根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，合理設(shè)置事故影響范圍。系統(tǒng)模擬桑吉輪事故的影響范圍半徑為5 n mile與10 n mile，設(shè)定為溢油事故影響非常危險(xiǎn)和較為危險(xiǎn)的海域，生成多環(huán)緩沖區(qū)。為了劃分事故影響海域中的船舶危險(xiǎn)情況，系統(tǒng)根據(jù)真實(shí)AIS數(shù)據(jù)格式在長江口海域模擬部分船舶，該船舶數(shù)據(jù)具有船舶呼號(hào)、經(jīng)緯度、船舶類型等船舶屬性信息，可滿足系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)要求。系統(tǒng)根據(jù)模擬船舶與“桑吉”輪溢油情況，首先將生成的緩沖區(qū)結(jié)果與船舶動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)作為參數(shù)輸入模型中，然后利用GIS的疊加分析方法進(jìn)行計(jì)算，提取影響范圍內(nèi)的船舶，根據(jù)其船舶種類對(duì)其進(jìn)行符號(hào)化顯示，將其分為需撤離船舶與有救援能力船舶2類，若是客船、油船、貨船等，則將其標(biāo)注為十字形，應(yīng)向其發(fā)送避險(xiǎn)信息，若其種類為搜救執(zhí)法船，則向其發(fā)送救援信息。最終輸出成圖，供應(yīng)急指揮部門參考。該事故的模擬系統(tǒng)輸出圖見圖7。

圖7 系統(tǒng)溢油范圍與船舶避險(xiǎn)結(jié)果

5 結(jié)論

針對(duì)海上溢油事故應(yīng)急工作分析決策中存在的不足，通過結(jié)合溢油擴(kuò)散與漂移模型，建立了船舶避險(xiǎn)模型，設(shè)計(jì)研發(fā)了基于GIS技術(shù)的船舶溢油避險(xiǎn)系統(tǒng)，并以“桑吉”輪溢油事故為實(shí)例對(duì)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及模型進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證，同時(shí)在系統(tǒng)中進(jìn)行模型的初步實(shí)現(xiàn)，分析結(jié)果可為溢油應(yīng)急業(yè)務(wù)的開展提供有力支撐。