基于浮標漂移遙測的沉石移位估計方法研究

李 政 周春輝* 陳 剛 劉宗楊 趙俊男

(武漢理工大學航運學院1) 武漢 430063) (內河航運技術湖北省重點實驗室2) 武漢 430063)

0 引 言

浮標是海上航行標志的一種，是標明航道方向、界限與礙航物，以及幫助引導船舶航行、定位和避碰的人為設立的標志，其位置的準確性對保障海上航行安全具有重要意義.

袁錦標[1]強調標位準確是航標工作人員的首要工作目標.呂英龍等[2]提出要為助航標志立法，從法律層面改善航標漂移對水上航行安全的影響.郝志濤等[3]從航標的硬件出發，對浮標沉石、標體受力等情況進行深入分析并提出解決方案，從一定程度上減少了浮標漂移量.林秀明等[4]則對定位系統進行了升級，使浮標定位達到了更高的精度和準確度.

浮標沉石移位在很大程度上會影響浮標的位置準確性.但現階段，浮標沉石移位方面的相關研究相對較少，沒有可行的手段來判斷浮標沉石是否發生移位.文中嘗試利用航標遙測系統所提供的數據進行概率密度的沉石概位估計，判斷出浮標沉石移位情況，有利于航標維護，確保浮標位置的準確性.

1 浮標漂移數據分析

1.1 浮標數據采集和預處理

文中以珠江口銅鼓航道T1、T5和T10號浮標為研究對象，采集一段時間內浮標GPS定位數據信息(每1 h采集一次)，通過GSM(全球移動通信系統)以短信息的形式進行數據傳輸.

利用箱線圖對采集到的數據進行預處理，剔除離群點.箱線圖(Box-plot)是一種用作顯示一組數據分散情況的統計圖，可以提供有關數據位置和分散情況的關鍵信息.在箱線圖中主要包含六個數據節點：將一組數據從大到小排列，分別得出它的上邊緣、上四分位數Q3、中位數、下四分位數Q1、下邊緣以及異常值.異常值被定義為小于Q1-1.5IQR或大于Q3+1.5IQR的值，其中四分位距IQR=Q3-Q1，然后將異常值即離群點剔除，其余數據保留.

處理前后航標定位數據對比見圖1.顯然，原始數據中部分位置數據(圖1深色點)離散程度較大，采用箱線圖處理方法剔除離群點后的位置數據(圖1淺色點)明顯集中.

圖1 數據預處理前后對比

1.2 浮標沉石位置的估計

根據浮標的觀測位置，利用k-means聚類算法求取某一較長時間段內(1周或1個月)浮標的點集中心位置，作為該浮標的沉石預估位置.

k-means算法是典型的基于距離的聚類算法，采用距離作為相似性的評價指標，即認為兩個對象的距離越近，其相似度就越大.這里采用歐式距離函數作為對象間的距離函數，算法流程見圖2.

圖2 k-means算法流程圖

歐式距離的定義如下：

(1)

式中：m為數據對象的維(屬性)數；xik和xjk分別為第i、j個對象的第k屬性的值.

若簇類相似度好且簇間的相似度差，則聚類算法的性能較好.k-means聚類算法使用誤差平方和準則函數來評價聚類性能，并基于此定義如下誤差平方和準則函數公式為

(2)

解得：

(3)

式(3)為簇類中心等于所屬簇類樣本的均值.

采用k-means算法得到浮標的聚類中心(圖3星形點).將得到的聚類中心點作為預估的浮標沉石位置.

圖3 浮標漂移位置的聚類中心結果

1.3 浮標最大漂移距離建模

浮標受到正常的風、流和潮汐等的影響，懸垂在水中的錨鏈長度隨時變化，使浮標的位置在以沉石位置為基點的回旋半徑l1內漂移，浮標的回旋半徑為

(4)

式中：h為鏈條全長；d為拋設浮標處最低潮水深(或海圖水深)；0.8為鏈條懸弧系數.

經式(4)計算所得的回旋半徑，是在最低潮位，風、流向一致且最大時才會出現.一般情況下臥底錨鏈不會完全拉離水底，浮標的回旋半徑小于l1.

用于定位的GPS接收機安裝在浮標上，且到浮標標體底部的高度固定；浮標受到風的影響會產生搖擺傾斜，在定位時會產生一定的偏差.設GPS接收機距標體底部的高度為H，傾角為θ，則該偏離浮標的距離l2為

l2=Hsinθ

(5)

考慮到GPS定位精度l3和在拋設浮標時的定位誤差l4，故在極端情況下的浮標漂移距離為

(6)

對銅鼓航道T10號浮標的最大漂移距離進行計算.根據式(4)，已知選取浮標錨鏈布放長度h為浮標所處水域水深d的三倍，得浮標最大活動半徑即回旋半徑l1為10.86 m；根據式(5)，已知選取浮標安裝的GPS接收機與標體底部間距為0.52 m，得由于航標傾斜導致的GPS測量偏差l2為0.26 m；假設GPS的C/A碼定位精度l3<15 m，拋設浮標定位誤差l4<15m.根據式(6)得到浮標最大漂移距離為41 m，計算預處理后的數據到聚類中心的距離，結果均小于最大漂移距離，說明預處理得到的數據能夠用于沉石移位估計實驗.

1.4 浮標漂移運動特征

選取珠江口銅鼓航道T1號、T5號和T10號浮標研究同一時間臨近浮標漂移運動特征，T1號和T5號浮標間距1.74 nm，T5號和T10號浮標間距1.64 nm.

以2020年4月15—21日(共7 d)的聚類中心為沉石概位，自22日0時至23日23時逐小時坐標與沉石概位之間的方位作對比.方位的判別方法是八方位角的任一方位角及其兩側各22.5°范圍內均視為位于該方位，例如，方位角為α，若22.5°≤α<67.5°，則視為α屬于NE方位；若67.5°≤α<112.5°，則視為α屬于E方位，以此類推.結果見表1～3.

表1 銅鼓航道T1號浮標方位變化

表2 銅鼓航道T5號浮標方位變化

從這三處浮標的方位變化對比來看，在同一時間三處浮標基本會向同樣的方向漂移，說明在一定范圍內的海域海況一致.

表3 銅鼓航道T10號浮標方位變化

2 浮標沉石移位估計方法

2.1 浮標漂移規律的假設

珠江口水域浮標標體可以看作是一種海面漂浮物，而海面漂浮物主要受風、流、波的影響[5-7].

連接沉石和標體的錨鏈始終處于水中，其自身與水流的接觸面積極小，所產生的拖曳力也可忽略.錨鏈的延展程度取決于標體的漂移距離，即取決于標體的受力情況，而錨鏈的作用是保持標體在一定的范圍內漂移，錨鏈對標體的作用力是由沉石沉于海底所產生的耙附力給予的.

綜合上述分析和1.4結論，珠江口水域浮標的漂移主要受風、風生流和潮流的影響，且以風和潮流的影響為主導.假設臺風等極端惡劣天氣影響浮標所在水域時，沉石發生移位，由于歷時較短，當該片海域重回正常狀態后，認為浮標仍保持惡劣海況發生前的漂移規律.

2.2 沉石移位仿真方法

海上漂移物體在風的作用下會沿著與風向成一定夾角的方向漂移，可以將風壓漂移速度分為與風向一致和垂直于風向的兩部分[8-10].而當能夠導致浮標沉石發生移位的強風和潮流等作用到浮標時，垂直于風向的浮標漂移距離要比與風向一致的浮標漂移距離要小得多，又沉石的自重較大，故可以認為沉石的移動方向和風向相同.

確定沉石在發生移位后的新位置，最直接的方法是在臺風對浮標所在區域的影響結束后，通過一段時間的浮標遙測數據確定新的沉石概位，且得到的位置相對準確，缺點是耗時較長，一旦沉石發生較大移位，不能及時地出航維護.為了快速地得到新的沉石位置，提出一種利用BP神經網絡預測浮標未來一段時間位置信息的方法：通過訓練與浮標定位數據相同時間內的所處水域的水文氣象信息，來預測未來一段時間內浮標的位置數據，然后與實際定位數據進行對比分析，驗證預測數據的可靠性.

2.3 仿真實驗設計

實驗數據來自于2020年3月25日—6月23日內銅鼓航道T10號航標的定位信息、航標布放位置所在水域附近潮汐觀測站(內伶仃島)的潮汐信息以及附近氣象站(香港流浮山)記錄的與航標漂移相關的氣象信息，將其模擬為浮標在經歷惡劣環境影響后一段時間所收集到的信息.浮標定位信息和水文氣象數據片段見表4.

表4 浮標定位和水文氣象數據片段

通過訓練2020年3月25日—6月16日銅鼓航道T10號浮標共624條水文氣象數據和浮標定位數據，并輸入6月17—23日共55條浮標水文氣象數據來預測每個時間點的浮標位置，然后與實際浮標定位數據來分析預測的準確性.

2.4 實驗結果分析

仿真實驗得到銅鼓航道T10號浮標6月17—23日共55個時間點的預測位置以及與實際浮標定位數據距離誤差見表5.這些時間點的預測位置與實際定位數據距離誤差分布見圖4.分別對這55個時間點的浮標定位數據和預測數據進行聚類，得到兩個聚類中心點坐標及兩點距離誤差，見表6.

圖4 預測距離誤差分布

表5 浮標預測位置及距離誤差數據片段

表6 浮標定位數據和預測數據聚類中心對比結果

2.5 沉石移位的判定方法

根據現有航標管理規定，沿人工航道布設的同側標志間的距離通常為1.5 n mile，浮動標志位置與航道邊線的橫向距離應大于浮動標志回旋半徑但不超過1.2倍的標志回旋半徑，通常以20～50 m為宜.

據此，設定若浮標沉石在遭遇惡劣環境影響前后的位置距離小于20 m，則視為沉石未發生移位；若位置距離大于等于20 m且小于50 m，則視為沉石發生輕微移位，視情況確定是否立即進行出航維護；若位置距離大于等于50 m，則視為沉石發生嚴重移位，需要及時處置，保障航道過往船舶通行安全.

3 結 束 語

針對目前缺少對浮標沉石移位判定方法的研究，模擬浮標沉石在經歷惡劣環境影響前后的位置變化情況，利用箱線圖對一段時間的航標定位數據進行處理，結合k-means算法對沉石位置進行估計，據此分析了浮標漂移特征，基于BP神經網絡預測未來一段時間的浮標位置數據，并與實際定位數據進行對比分析，取得了較好的效果.

由于浮標漂移所受外界影響因素眾多，文中未對所有影響因素及因素所占權重進行分析，加之浮標定位精度所限，所得結果會存在誤差，未來還需要進一步研究.