基于大數據的質量智能管控模型的探索與實踐

范文娟 宋海洋

摘要：文章提出一種基于蒙特卡洛仿真的錨地錨泊容量計算方法，并以某錨地進行了驗證，結果表明，該方法可行具有很好的適用性，能夠用于錨地錨泊容量的估算，為錨地的科學管理提供參考。

關鍵詞：蒙特卡洛;錨地;錨泊容量

中圖分類號：U691 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2020）08-0108-03

0 引言

錨地是港口和航運發展的重要資源，也是港口生產的基本條件和重要的公用基礎設施。“十二五”期間，江蘇沿海大開發和沿江經濟帶建設上升為國家戰略，江蘇沿海和沿江地區開發建設如火如荼，水上交通運輸日益繁忙，2016年7月5日長江南京以下12.5m深水航道二期工程全線貫通，長江黃金水道海港化趨勢日益明顯。長江干線港口吞吐量、來港船舶數量持續大幅攀升，港口錨地總面積不能滿足錨泊船舶數量需求，“大港口、小錨地”的矛盾日益突出。為充分發揮和有效利用有限的錨地資源，推動港口錨地的規劃、建設與港口碼頭泊位同步發展，對錨地使用效率和錨地船舶容量的研究已迫在眉睫。

開展錨地錨泊容量的研究，一方面可以為規劃、建設新錨地提供必要的參考，另一方面通過對錨地最大容量的研究，可有助于管理部門加強對進出港船舶總量的宏觀控制，維護港口良好的通航秩序，防止過量船舶在錨地錨泊，避免因船舶間距離過小而引發的水上交通事故或險情，為加強錨泊船科學管理提供理論依據，進而保障船舶與港口水上交通安全。

1 研究現狀

關于錨地的容量和使用方面的研究，目前常用的方法主要包括統計法、計算機模擬法和經驗公式法。統計方法比較有代表性的如日本學者神島昭等，其研究的思路主要為通過對某一水域錨泊船的進出及錨泊時間等數據進行長時間的觀測和統計，進而得出大量的數據樣本，根據統計樣本在進一步歸納分析。統計的對象一般包括：錨泊船的船型和數量、錨泊船進出錨地的時間分布、錨泊持續時間、不同時刻錨地中船舶的錨泊數量以及錨地周邊的交通流情況等。

計算機模擬法通過設定相關的情景，通過計算機大量模擬得出錨地容量數據，對于錨地中不同船型混拋的錨泊方式，通常以標準船型進行折算，進而得出錨地的容量。經驗公式法是目前我國計算錨地容量的最常用和便捷方法，一般根據《海港總體設計規范》提供的經驗公式計算船舶占用水域面積，然后根據錨地的面積、水深等情況分配錨位[1-2]。

2 基于蒙特卡洛方法計算錨地容量的設計

2.1 蒙特卡洛算法

蒙特卡洛算法是一種應用隨機數來進行計算機模擬的方法，此方法對研究的系統進行隨機觀察抽樣，通過對樣本值的觀察統計，求得所研究系統的某些參數。其基本思想是：假設要求解的x是隨機變量ζ的數學期望E（ζ），則可通過以下方法對想進行近似求解，對ζ進行多次重復抽樣，產生相互獨立的ζ值ζ1，ζ2，ζ3，…，ζN，計算其算術平均值=ζi，然后根據大數定理，當N充分大時，≈E（ζ）=x以概率1成立，即可用作為x的估計值。

2.2 蒙特卡洛算法求取錨地容量的設計

2.2.1 設計思路

將計算錨地容量問題抽象為數學模型，通過計算錨地邊界范圍內的任意兩點的距離，并統計符合兩點間的距離大于錨泊船直徑的點，符合條件的點的數量即為錨地的容量。

2.2.2 計算步驟

通過MATLAB計算步驟如圖1。

（1）用MATLAB隨機產生服從（0，1）均勻分布的隨機數，將隨機產生的數值點限定在錨地邊界范圍內。

（2）設置判斷標準，根據錨地內已有的錨位點檢驗隨機產生錨位點是否可用，即判斷兩點間的距離是否大于錨泊船直徑，若滿足條件，則將該點儲存起來;若不滿足條件，則再次產生一個隨機錨位點，再一次進行判斷，當系統連續產生多個（一般不少于100個）不可用的錨位點，則認為錨地已被全部占用，系統記錄的符合條件的點的數量即為錨地的容量。

（3）利用計算機大量重復模擬，將獲得數據進行統計分析，得出最終的計算結果。

3 算例

以南通港某錨地為例驗證模型的適用性，錨地布置在長江北支口上游端的西南側、北茆沙北水道的NO9黑浮與NO10黑浮連線的北側，錨地長度為3000m，寬度為960m，錨地主要供3000噸級及以下船舶錨泊。

3.1 問題的描述和假設

首先，建立一個坐標系，X軸對應錨地的長度，Y軸對應錨地的寬度，單位為米，x的取值小于3000，y的取值小于960;將錨地容量的計算轉化成在給定的矩形空間中填充圓形的問題，圓形的半徑即為錨泊船的旋回半徑，在滿足規則的前提下，所能填充的圓形最大數量即為錨地的錨泊容量。

利用蒙特卡洛方法計算時，由于隨機產生錨位點，模擬計算的結果并不是一個定值，而在一定范圍內波動，因此需要多次計算求取平均值作為錨地的容量。

3.2 錨泊半徑的計算

根據《海港總體設計規范》相關規定，普通船采用單錨泊系泊時，每個錨位所占水域為一圓形面積，其半徑可按下式計算：

風力≤7級時? ?R=L+3h+90

式中：R-單錨泊水域系泊半徑（m）;L-設計船長（m）;h-錨地水深（m）;

錨泊船型的主尺度如表1所示，經計算3000噸級的船舶每個錨位所占水域圓形半徑約為195m，1000噸級的船舶每個錨位所占水域圓形半徑約為168m[3-4]。

3.3 模擬仿真計算

通過MATLAB編程可完成蒙特卡洛算法模擬，主要的代碼如下：

（1）數據判斷的代碼。

通過模擬計算，以1000噸級船舶為對象，通過模擬計算其均值為13.2;以3000噸級船舶為對象，通過模擬計算其均值為10.4;考慮到以標準船型進行換算的情況，1000噸級和3000噸級船舶尺度相差不大，錨泊船的半徑差別也不大，故通過模擬計算可知，理想狀態下，該錨地的錨泊容量應該在11～13艘。結合實際情況，由于錨地水下地形并不是均一的，3000噸級船舶和1000噸級船舶所需錨地水深不同，船舶實際拋錨的位置還需從水深和錨泊半徑兩方面綜合考慮，該錨地實際營運中錨泊能力為，3艘3000噸級船舶和9艘10000噸級船，即錨泊容量為12艘船舶[4]。

4 結論

實例證明，將蒙特卡洛方法應用于錨地錨泊容量的計算，方法可行，計算的結果與實際情況基本吻合，本文選取的研究對象為一規則的矩形錨地，實際中錨地多為不規則形狀，且多種類型的錨泊船混拋，針對此種情況，后續還需繼續研究，完善計算模型。

參考文獻

[1] 楊小軍.基于隨機模擬的動態錨地容量研究[D].上海：上海海事大學，2009.

[2] 李偉，于洋，劉賢朋.基于錨鏈狀態監測的錨泊安全評估[J].大連海事大學海報，2004，30（1）：55-57.

[3] 王才星.錨地及錨泊船安全管理對策初探[J].交通科技，2010（4）：108-110.

[4] 南通港沿江公共錨地基礎信息技術咨詢報告[R].2016.