錨位點輔助決策模型的設計與實現

黃曉琛， 李改肖， 彭認燦， 董 箭

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

拋錨駐泊是艦船經常采用的停泊方式，為讓錨抓牢海底，避免因走錨造成事故，航海人員在錨位點的選擇時需要考慮水深、底質、海底地形、風流等多種海洋環境條件，但由于海圖是以注記形式表示的水深、底質等信息，無法直觀地反映多種海洋環境要素。[1-2]對于科考船、大型捕撈漁船、軍艦等有著特殊使命任務的艦船而言，當需要在非海事部門劃定或推薦的錨地拋錨時，航海人員需要在錨位點選擇的多種考量因素中作出基于以往經驗的主觀決策，難以得到理論上最優的錨位點。本文以航海人員的實際需求為導向，通過空間分析的視角，基于VCF(Vector Chart Format)格式數字海圖和地理信息系統(Geographic Information System,GIS)的方法設計實現“錨位點輔助決策模型”，以期更好地輔助航海人員完成拋錨時錨位點的選擇，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，當遇到較大風浪時，艦船將有觸底的風險；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，艦船受限于錨機功率將無法收回錨鏈。艦船的極限拋錨深度主要由錨機的額定起錨能力PW、錨重Wa、錨抓力系數λa、單位長度的鏈重ωc、鏈孔距水面的高度d決定[5],經驗計算公式為

(1)

1.1.2水深值的內插

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

表1 不同深度范圍的水深點密度

由表1可知:海圖上的水深點分布并不均勻。為得到完整的海底地形和每一點的水深數據，需要對已有的水深點數據進行內插。已有的研究表明:在疏密不均的數據點進行內插得到地形時，克里金內插較之其他插值方法有著較好的擬合效果和插值精度。[8]

克里金內插是根據待估計點周圍的若干已知信息，以變異函數為工具，確定待估計點周圍已知點的參數對待估計點的加權值的大小，然后對待估計點做出估計方差最小、無偏的估計量。克里金插值不僅考慮距離，還通過變異函數和結構分析，考慮已有樣本點的空間分布與未知樣本點的空間方位關系。克里金內插法計算未知量的一般公式[9]為

(2)

式(2)中：Z(xi)為樣本點的數值;λi對應點的權重值(計算方法詳見文獻[19]);Z(x0)為待求點的數值。

原始的水深分布見圖1。水深點如圖1所示,通過克里金內插可得到完整的水深分布，即海底地形，見圖2。再依據水深值所在的范圍對數據進行重分類，可得到水深對于拋錨適宜程度的分布圖，見圖3。

1.2 海底地形坡度

艦船拋錨時應選擇海底地形平坦的區域，坡度

過陡時容易在波浪的作用下發生走錨。[3]原始海圖數據通過點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據之后的信息挖掘出來。在地理學中，坡度定義為一點P的法線方向與天頂方向Z之間的夾角。[10]通常通過計算梯度反方向(下降最快的方向)上單位長度的高程升降得到。梯度和坡度的計算公式[11]為

(3)

(4)

航海學中坡度有時采用坡比形式表示，為地理學中坡度的正切值

k=tanβ

(5)

由第一步內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。根據坡度大小與坡面自然特征的相關關系可將坡度分布劃分為6個等級，并依此對坡度分布圖進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 底質情況

2.1 底質的適宜程度

艦船拋錨時需要選擇軟硬適中的底質類型。

1)底質過軟，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)底質過硬，錨抓底后只錨爪入土，僅能獲得標準錨抓力，若采用重力拋錨，過硬的底質類型或造成錨冠砸壞。

綜合航海人員一般經驗和以往的研究來看，泥沙底最好，沙泥質、泥質較好，沙質次之，巖、石、珊瑚、礫石等硬質底土類型不可拋錨。[3]許多文獻[12]對于泥質、沙質的底質類型的排序有所不同，由于這兩種底質類型在海圖上大多僅標注一個漢字，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粒級標準[13]，沙這一粒組類型可按照細分法繼續分為極粗沙、粗沙、中沙、細沙、極細沙，粒徑范圍為0.063～2.000 mm，極細沙的性質近似于黏土(軟質底)，而粗砂的類型近似于礫石(硬質底)。再加之海圖生產過程中會對底質注記進行綜合[7]處理，因此，僅從海圖上的底質標注很難得到原始底質測量時該點的具體底質類型，故由于具體底質類型的不確定性，將這兩種底質類型對于拋錨的適宜程度置于沙泥之后。原始底質注記見圖5。

圖5 原始底質注記

2.2 底質的分布情況

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

圖6 底質分布圖

在自然界中各種底質類型大多是自然過渡的，一般不會產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，生成的底質分布比起原始的點狀注記更為直觀可感。

3 禁止拋錨的區域

在靠近陸地的近海，通常存在著多種海事部門劃定的區域界限，這些區域或完全禁止拋錨，或對錨泊安全產生影響。在VCF格式海圖[14]中存儲的對錨泊有影響的區域歸納見表2。

表2 對錨泊有限制的區域類型統計

通過表2中區域對應的編碼從對應的圖層中篩選出要素并進行疊置即可得到對拋錨有限制的全部區域，以海圖16311為例，提取結果見圖7。

注：該幅海圖的圖幅范圍內僅存在航道區這一影響拋錨的區域

4 錨鏈長與錨泊圓

4.1 錨鏈長度的估算

艦船拋錨時放出錨鏈長度由懸垂錨鏈和臥底錨鏈兩部分構成。計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錨泊圓半徑的計算

艦船錨泊時會在風流的作用下以錨位點為圓心作圓周運動，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為實際拋出錨鏈長度；L1為錨鏈孔至錨位點的水平距離；L2為艦船長度；H為錨位點處圖載水深。由圖8可知:在錨未發生明顯拖動的條件下，艦船形成最大錨泊圓范圍時有

L≈L3

(12)

此時錨泊圓半徑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

由船載船舶自動識別系統(Automatic Identification System,AIS)接收器可獲得周邊船舶的基本信息、航行狀態和經緯度坐標，進而可通過第一步的分析結果獲得所在位置處的水深值，由船舶基本參數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為圓心，可生成對應的錨泊圓范圍,見圖9。在最終決定錨位點時可直觀地避開周邊錨泊船舶的活動范圍，提高錨泊的安全性。

5 礙航物周邊預留的安全距離

錨位點選擇時需要與周邊的障礙物(淺灘、島礁、沉船、陸岸等)預留一定的安全距離，據航海人員的經驗做法，該距離通常取錨鏈全長加2倍艦船長度。因此，只需對陸地和島礁的岸線、點狀礙航物以該距離生成緩沖區，即可生成艦船拋錨時需要預留的安全距離(見圖10)。

圖9 周邊船舶形成的錨泊圓注:淺色區域為陸地岸線的緩沖區范圍;深色區域為礙航物的緩沖區范圍圖10 與礙航物、陸岸預留安全距離

6 用戶設定錨位點

依據對多位艦艇航海長的問卷調查，用戶對于錨位點決策時的多個靜態環境條件的優先級為：水深≈底質>坡度。因此，在海區拋錨適宜程度綜合打分的計算中，賦予這3個條件0.35、0.35、0.30的權重，并進行加權計算。對于在限制錨泊的區域、陸地及障礙物緩沖區、周邊錨泊船舶錨泊圓內、任意一項指標不適宜的海域，綜合評分直接為0。最終在一個界面中同時顯示綜合打分、水深、底質、坡度情況，用戶在界面中移動鼠標，可同時聯動地在其他3個界面中看到鼠標所在經緯度處每項環境條件的具體情況界面(見圖11)，最終根據自身的實際需求點擊鼠標設置錨位點。

圖11 聯動顯示各項環境條件情況界面

7 助航標志提示和定點拋錨

7.1 錨位點可見域內的助航標志

艦船在近海拋錨時通常選擇一些助航標志，用于準確拋錨至預設錨位點和評判最終拋錨的真實位置。由于陸地地形的阻擋和能見度的原因，并非都能看到海區內的每個助航標志，因而需要經過通視分析，得到錨位點處實際可見的助航標志。具體方法步驟如下：

1)生成地形表面：VCF格式海圖在RELFNTL圖層中存儲有陸地的等高線信息，首先由等高線內插生成地形柵格，之后用陸地圖層對柵格進行裁剪，再通過柵格計算器對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)，即得到整個圖幅用于通視分析的地形表面柵格數據。

2)構造視線：VCF格式海圖將助航標志存儲在ANVGPTP圖層中，以用戶預選的錨位點作為觀察點，以助航標志圖層中的點要素為觀察目標構建視線。

3)通視分析與參數計算：對以上兩步生成的地形柵格和視線進行通視分析，得到分析結果，再計算出每條可見視線的方位角和距離(距離大于視距的也認為不可見)，分析結果見圖12。

圖12 錨位點處可見域內的助航標志

7.2 方位位置線網輔助定點拋錨

特殊用途的船舶有時需要進行定點拋錨。據航海人員的經驗做法，通常在錨位點艦艏和正橫各選一助航標志，以艦艏向的助航標志作為導標，以正橫的助航標志作為側標，在執行定點拋錨前，在紙上繪制側標的方位位置線網。[16]拋錨時，一名瞭望人員通過光學方位儀觀察導標方位，判定是否航行在預設的拋錨航線上;另一名瞭望人員觀察側標方位，并結合事先繪制好的方位位置線網可準確判定艦船距預設錨位點的實時距離。[17]該方法經多年實踐表明穩定可靠，航海人員經訓練可在6鏈的范圍內將艦船準確拋在錨位點上，水平誤差不超過30 m。這里需要指出的是拋錨訓練中作為評判標準的誤差是指錨鏈孔至錨位點的距離。通常艦船的方位分羅經與錨鏈孔有一定的距離，見圖13。艦船沿拋錨航線航行，當錨鏈孔位于錨位點正上方時，方位分羅經所在的位置定義為0 m位置點。因而在生成方位位置線網時，應當以該點作為基準。

圖13 方位分羅經至錨鏈孔的距離

通過上述分析得到可見域內的助航標志，用戶選擇其中兩個助航標志分別作為導標和側標。一方面，通過連接導標和錨位點的直線得到拋錨航線，標注導標相對錨位點的方位角即為拋錨航向；另一方面，以側標為端點，從錨位點向當前艦船所在一側作一組射線。在小比例尺顯示時，只顯示整度方位角的位置線網(見圖14)；在大中比例尺顯示時，顯示整度位置線網與拋錨航線的交點，以及這些在其關鍵位置點觀測側標的方位角和到0 m位置點的距離(見圖15)；當船舶行駛至拋錨航線末段(距0 m位置點500 m以內)時，位置線網加密至0.1°(見圖16)。該模型可單獨使用，也可疊合艦船全球定位系統(Global Positioning System, GPS)數據實時顯示艦船當前位置，進一步減小定點拋錨誤差。

圖14 小比例尺顯示方位位置線網

8 系統整體框架

本模型的軟件系統旨在為航行中的艦船提供拋錨作業時的錨位點輔助決策。系統基于ArcGIS Eng-ine二次開發，[18]為保證該系統可在網絡通信不暢的情況下仍正常運行，采用C/S架構[19]，將系統的海圖數據庫和絕大部分的分析功能置于客戶機一端，而服務器端主要提供艦船擬拋錨海區的氣象預報信息以及海圖數據的補充與更新，以期盡可能地減少與岸基服務器之間的數據通信，提高系統的可靠性。當客戶端無法與岸基服務器通信，處于脫機狀態時，可通過人工設置或預留的與船舶氣象儀間的數據接口獲取實時氣象信息，仍可正常完成軟件的分析功能。客戶端的整體框架結構見圖17。系統的業務邏輯圖見圖18。

圖17 客戶端的框架結構

圖18 系統的業務邏輯圖

9 結束語

針對當前錨位點人工決策過程中存在的因素考慮不全、主觀性強的突出問題，在基于當前船舶普遍裝備的電子海圖顯示與信息系統、全球導航衛星系統、船舶自動識別系統的硬件設施的條件下，本文通過對VCF格式數字海圖數據中的位置和屬性信息進行空間分析，得到顧及水深、底質、海底地形、風流影響、區域界線、礙航物、助航標志、周邊錨泊船舶等因素的錨泊安全性分析結果，為航海人員在自然海域拋錨提供錨位點選址決策和定點拋錨方案，以期降低艦船走錨或碰撞的風險，提升錨泊安全性。本文的研究內容可為智能船舶拋錨作業的自動化提供錨位點選址的研究基礎，具有一定的應用價值。