基于GIS的船舶溢油避險系統設計

于文博，李穎，劉志晨，趙術林

(大連海事大學 a.航海學院；b.環境信息研究所，遼寧 大連 116026)

近年來，重大海上溢油事故時有發生，對海洋環境與船舶航行皆造成惡劣影響。2018年在我國東海海域發生的“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，對事故海域造成不可估量的長期經濟、社會、生態損失[1-2]。為減少溢油事故造成的危害，應急指揮部門需要對一段時間內溢油擴散、漂移的范圍準確掌握，以便組織人力物力搶險救災，告知距離事故發生地點較近的船舶對遇險船舶進行救援，并在確認遇險船舶人員狀態后，禁止客貨船舶駛入事故海域，以免影響工作船舶進行海面清污。通過對相關文獻的查閱，現有溢油擴散預測系統采用的溢油擴散模型，能夠獲得準確的預測結果，但其系統少有與事故海域船舶數據進行融合顯示，難以完全支持應急部門的指揮調度工作。為了解決溢油擴散、漂移可視化,以及事故影響海域船舶查詢、調度問題，利用空間信息平臺，通過數據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現溢油擴散、漂移區域的預測,以及事故海域船舶的查詢，完成對相關信息的渲染展示，輸出專題地圖。系統以”桑吉”輪溢油事故為實例進行了模擬，預測成果可為引導溢油海域的船舶避險提供空間信息指導，為應急指揮提供支持。

1 地理信息系統優勢

1.1 數據管理功能

空間數據庫引擎是地理信息系統中一項關鍵性技術，包括ArcSDE、SpatialWare、SDX+等典型引擎[3]。借助空間數據引擎ArcSDE可將船舶溢油避險系統中不同類型的數據存儲在同一數據庫下，實現在ArcTocControl中分層管理、融合顯示，使空間數據庫既能提供溢油相關數據的空間特征(基礎地圖、圖形)信息又能提供其對應的屬性信息(如，風浪流信息、船舶信息)。

GIS具有強大的數據融合能力，可以實現不同數據源數據的有效融合，消除單一數據源數據信息的不足，加強數據源之間的優勢互補。將多源數據融合疊加到GIS的顯示界面中，參與空間計算，船舶溢油避險系統結果輸出的科學可靠性也可由數據的綜合性、準確性保障。針對異源數據，通過地理配準、空間校正、建立拓撲結構、屬性關聯等多種方式處理，保證其空間位置與邏輯關系的準確性。

1.2 空間分析功能

GIS中的空間分析技術以空間數據和屬性數據為基礎，通過疊加、分割、拓展，統一挖掘并提取數據潛在的信息，是對空間數據實施轉換以回答特定查詢的能力。GIS擁有功能強大的空間分析工具庫，包含900余個地理處理(geoprocessing，GP)工具，以ArcToolbox的方式進行組織管理，調用時可以直接指定輸入參數，得到相對應的地理處理結果，也可以將多個GP工具組合起來，實現更加復雜的空間分析功能設計。

2 系統總體設計

基于GIS技術進行船舶溢油避險進行系統設計，采用Visual Studio.Net框架與Arcgis Engine技術框架相結合的方法進行船舶溢油避險模型系統的開發。Visual Studio.Net是完全的面向對象語言，也是被認為最高效的編程方法之一，Arcgis Engine是基于COM技術開發的1套COM組件對象集，具有簡潔、靈活、可移植性強的特點，借助它可以完成脫離ArcGIS Desktop且針對性強的應用程序，具體系統設計框架見圖1。

圖1 系統設計框架

數據層是通過數據融合方式添加到溢油空間數據庫的數據，也是模型運行的輸入數據。為了融合顯示多源數據，需要對數據進行預處理，保證輸出的準確性。海圖數據加載后，原始海圖并不具備空間位置信息，根據海圖的編號、圖框經緯度等信息，通過地理配準，將其校正到真實位置，形成基礎海圖圖層。海風海流數據由文本格式導入空間數據庫[4]，根據其經緯度信息，在GIS的顯示界面中定位，并對其方向、速度等屬性信息進行插值計算，形成包含風浪流信息的圖層。船舶數據是自動識別系統(automatic identification system，AIS)數據經過一定規則提取，錄入到空間數據庫，構成包括船位、船首向、船速等屬性信息的點，生成船舶空間分布圖。數據疊加方式見圖2。

圖2 數據疊加方式

模型層為支持船舶溢油避險系統科學運算的具體方法，其中包括溢油預測模型與船舶避險模型。溢油預測模型的主要功能是實現溢油擴散預測與溢油漂移預測，溢油擴散預測主要計算給定溢油量下溢油的擴散面積，溢油漂移預測則根據給定的海風、海流等海洋環境信息對油在海面上的移動進行預測。船舶避險模型主要作用是在溢油區域周圍建立事故影響范圍的緩沖區，提取影響范圍內的船舶，并對船舶根據種類分類。

邏輯層是溢油事故發生后模型計算的基本流程。系統根據溢油事故目標位置結合擴散模型確定擴散區域，通過海洋環境數據結合漂移模型進行溢油漂移預測。然后采用船舶避險模型，集成緩沖區分析、疊加分析方法獲得溢油目標影響范圍與船舶避險范圍，綜合模型分析結果返回系統界面端，生成避險方案。

應用層是系統模塊設計部分，包括溢油信息融合模塊、溢油預測模塊和溢油信息發布模塊。溢油信息融合模塊，主要通過輸入溢油點經緯度、溢油量及船舶信息等，為系統業務提供數據支持；溢油預測模塊，實現溢油給定時間及海洋環境要素下，預測油污的擴散及漂移面積；溢油信息發布模塊主要包括建立事故影響緩沖區及事故海區船舶查詢功能，可以快速確定溢油海域內的船舶，并預留信息發送接口，便于提示船舶避險。

3 系統關鍵技術

3.1 溢油預測模型

溢油入海后，油膜厚度高，會快速向周圍擴散，在溢油事故發生初期，主要處于快速擴散階段，當溢油變得足夠薄或破碎為油膜碎片后，認為擴散階段完成。在擴散過程之后，油膜會在風浪流等因素的作用下在海面上進行漂移，形成條帶狀油污區域。

分析溢油擴散過程，系統針對在廣闊平靜水面的瞬時溢油，采用經典的Fay油膜擴散模型。根據Fay的研究，油膜的擴散過程主要受到油膜重力、張力、慣性力、黏滯力作用，并呈環形向四周擴散，擴散完成后，油污呈類圓形分布。依據溢油擴展在不同時期起主要作用的力不同，Fay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個階段，在各個階段中，2種力向著趨于平衡的方向發展，并進入下一個階段，油膜尺度擴展公式見表1。

表1 溢油擴散尺度公式

式中：D1、D2、D3為各階段油膜直徑；K1、K2、K3為各階段的經驗擴展系數，具體值由事故環境決定；V為溢油總體積；t為從溢油開始計算的時間；g為重力加速度；γ為水的運動黏滯系數；ρ為水的密度；σ為表面張力系數；β由溢油密度與水密度決定，常數。

通過統計分析大量統計結果，Fay認為，在溢油擴展階段結束后，溢油面積與溢油體積存在以下關系[5]。

式中：A為油污擴散面積；V為溢油總體積。溢油面積在開始時隨時間而變大，當擴散的第三個階段完成，即表面張力與黏滯力達到平衡后，溢油面積不再變化，溢油面積與時間的關系見圖3。

圖3 溢油面積隨時間變化

分析溢油漂移過程，采用文獻[6]提出的漂移模型，油膜在寬闊海面上的漂移運動主要受海風與海流的影響。雖然油膜經過擴展之后，厚度很薄，但是分析其運動和變化，都將其視為是連續的，即不考慮油膜的撕裂現象。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、海風速度；k為風力系數，通常取3%～4%之間，本系統取值為3.5%；S為溢油漂移距離；Δt為溢油漂移的時間；t為溢油開始擴散時間。油膜向風和流合力作用的方向運動，其漂移的示意圖見圖4。

圖4 油膜漂移示意

3.2 船舶避險模型

通過緩沖區分析與疊加分析相結合的方式，建立船舶避險模型。緩沖區分析是為了識別某一地理實體，根據點、線、面地理實體自身性質，建立其周圍一定寬度范圍內的多邊形緩沖區實體，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]。對于給定目標A，其緩沖區定義為

A={x|d(x,A)≤R}

(4)

式中：A為目標物；x為某時緩沖區的影響范圍；d為目標物A與x之間的距離；R為緩沖距，可將距A距離小于R的區域提取出來。在船舶避險模型中，為了劃定溢油事故影響的范圍，應由海事主管部門依據事故的性質、海洋環境以及事故的危害程度，確定事故的影響半徑R，輸入系統建立海域溢油影響區域的緩沖區。

探析提取事故影響區域中的船舶并及時發布避險信息的方法。模型采用疊加分析中的相交算法，相交分析是計算輸入要素的幾何交集的過程。由于點、線、面要素都可以進行相交操作，因此，相交分析的情形可以分為7類[8]。將已轉換為點要素的AIS船舶數據與面要素的事故影響區域取交集，提取在溢油事故范圍內的船舶。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。同時，還可根據船舶所處區域范圍，按危險程度進行分類顯示加以區分，以便發送避險信息或發送救援請求。具體見圖5；根據船舶的航行區域、溢油危險緩沖區進行劃分船舶危險類型，并進行分類表示，圖5中，外圍類橢圓形區域為事故影響緩沖區，三角形船舶為事故影響區域外船舶，十字形船舶為事故區域內需要緊急避險的船舶類型，菱形船舶為事故影響區域內可以提供援助的船舶類型。

圖5 船舶避險示意

4 “桑吉”輪溢油事故實例驗證

4.1 “桑吉”輪溢油事故相關概況

系統以“桑吉”輪溢油事故為模型計算實例，驗證系統的實際運行情況。據研究調查，巴拿馬籍油船“桑吉”輪與中國香港籍散貨船“長峰水晶”輪，于北京時間2018年1月6日19時50分在我國東海海域，東經124°57′6″，北緯30°51′1″處發生碰撞事故。其中，“桑吉”輪最終沉沒，造成其運載的預計1 956t船用燃油和11.3萬t凝析油存在泄漏危險。分析事故造成的溢油量，凝析油以揮發與燃燒為主，對大氣造成巨大污染，而船用燃油為重質油，在油船沉沒后，不易揮發，持續污染性較強，是造成海域生態污染的主要原因。預計事故溢油量為1 956t。為預測事發72h的溢油漂移軌跡，查詢事故海域1月6—8日20：00時的海洋環境信息，并將海面上空10m海風數據與海流數據制成柵格圖，添加到溢油信息數據庫中，具體事故海域72h海風、海流信息，見表2。

表2 海風、海流信息表

4.2 “桑吉”輪溢油預測模擬

利用GIS對要素類的處理能力進行溢油擴散區域模擬。首先根據事故點輸入的經緯度信息確定面要素圓心的位置，將溢油量導入溢油預測模型預測油膜自身擴展情況，確定溢油面積擴散至最大值時的半徑，在系統中創建對應的面要素，并在海圖上進行標繪。

然后根據溢油漂移模型，輸入風向、風速、流向、流速參數參與計算，得到油膜移動的距離，在溢油擴展區域創建相同的油膜自身擴展的面要素，利用要素編輯器中擴散功能，根據油膜漂移的距離，獲取新要素所漂移的X、Y值，從而生成下一時刻的溢油漂移區域，實現對溢油漂移軌跡的模擬預測。具體生成的24、48、72 h的溢油漂移擴散模擬圖見圖6。

圖6 溢油預測模擬

4.3 “桑吉”輪溢油避險模擬

由于溢油事故會對周圍海域造成一定的影響，為了防止事故損失持續擴大，應向周圍一定范圍海域內的船舶發送避險信息。溢油擴散漂移預測完成后，系統需要確定溢油事故的危險范圍，通過采用船舶避險模型，并參考《船舶油污染事故等級》[9]，依據溢油入水量和經濟損失，將事故分為以下4個等級，見表3。

表3 船舶油污染事故等級表

應急指揮部門應根據行業標準的規定，合理設置事故影響范圍。系統模擬桑吉輪事故的影響范圍半徑為5 n mile與10 n mile，設定為溢油事故影響非常危險和較為危險的海域，生成多環緩沖區。為了劃分事故影響海域中的船舶危險情況，系統根據真實AIS數據格式在長江口海域模擬部分船舶，該船舶數據具有船舶呼號、經緯度、船舶類型等船舶屬性信息，可滿足系統實驗要求。系統根據模擬船舶與“桑吉”輪溢油情況，首先將生成的緩沖區結果與船舶動態數據作為參數輸入模型中，然后利用GIS的疊加分析方法進行計算，提取影響范圍內的船舶，根據其船舶種類對其進行符號化顯示，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，則將其標注為十字形，應向其發送避險信息，若其種類為搜救執法船，則向其發送救援信息。最終輸出成圖，供應急指揮部門參考。該事故的模擬系統輸出圖見圖7。

圖7 系統溢油范圍與船舶避險結果

5 結論

針對海上溢油事故應急工作分析決策中存在的不足，通過結合溢油擴散與漂移模型，建立了船舶避險模型，設計研發了基于GIS技術的船舶溢油避險系統，并以“桑吉”輪溢油事故為實例對系統關鍵技術及模型進行實例驗證，同時在系統中進行模型的初步實現，分析結果可為溢油應急業務的開展提供有力支撐。