航道適航性分析模型設(shè)計(jì)與應(yīng)用

楊必成，翁佳靜，王山東

(河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211100)

航運(yùn)安全體系建設(shè)是我國(guó)航運(yùn)事業(yè)發(fā)展的根本保障，而航道的適航性分析是其重要組成部分。Kozerska[1]從水下自然要素以及水上運(yùn)輸參數(shù)(如橋梁等)兩個(gè)方面對(duì)可通航水域進(jìn)行探討研究；Kantarzhi等[2]應(yīng)用ARTEMIS模型研究波浪條件對(duì)適航區(qū)域的影響；楊保岑等[3]對(duì)ArcGIS進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，利用數(shù)學(xué)模型動(dòng)態(tài)計(jì)算可通航區(qū)域。隨著三維可視化分析技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字航道相較于普通的二維電子航道圖，其豐富的三維信息使得航道的適航性分析更加立體、直觀[4]。本文以京杭運(yùn)河的三維航道為研究對(duì)象，構(gòu)建航道適航性分析模型，為船舶在航道中的安全行駛提供參考。

1 技術(shù)路線(xiàn)

利用水深點(diǎn)數(shù)據(jù)及邊界提取技術(shù)構(gòu)建航道水下三維地形；依據(jù)各航道要素的參考規(guī)范構(gòu)建航道物標(biāo)以及船舶的三維模型；依據(jù)AIS定位數(shù)據(jù)以及船舶型號(hào)參數(shù)構(gòu)建船舶的三維航跡帶模型；將三者進(jìn)行布爾空間運(yùn)算構(gòu)建船舶的可通航區(qū)域模型，引入船舶碰撞危險(xiǎn)度參數(shù)，構(gòu)建完整的適航性分析模型。在模擬試驗(yàn)中依據(jù)該模型判斷當(dāng)前船舶行駛路線(xiàn)是否安全，并依此實(shí)施具體的避碰決策。技術(shù)路線(xiàn)見(jiàn)圖1。

圖1 技術(shù)路線(xiàn)

2 空間要素的三維建模

2.1 通航要素分析

航道通航影響因素主要包括航道水深、航道寬度、航道曲率半徑、凈空尺度[5]。而這些影響因素的具體分析需要依托實(shí)地的三維航道地形信息，本文以京杭運(yùn)河水深點(diǎn)數(shù)據(jù)為源數(shù)據(jù)，依據(jù)水深的定義[6]對(duì)其高程信息進(jìn)行換算，采取雙線(xiàn)性多項(xiàng)式內(nèi)插法加密水深點(diǎn)，最后利用預(yù)處理后數(shù)據(jù)構(gòu)建水下地形不規(guī)則三角網(wǎng)模型，效果見(jiàn)圖2。

圖2 三維水下地形模型

由于航道邊界水位隨季節(jié)變更，需獲取航道模型的邊界線(xiàn)作為后續(xù)適航性分析中的航道寬度依據(jù)，采用廣度優(yōu)先算法[7]提取格網(wǎng)模型的邊緣點(diǎn)。提取效果見(jiàn)圖3。

圖3 航道邊緣提取效果

2.2 航道要素三維建模

利用外部鏈接CAD數(shù)據(jù)圖紙對(duì)諸多航道要素進(jìn)行三維建模，流程見(jiàn)圖4，成果見(jiàn)圖5。

圖4 航道要素建模流程

圖5 船閘模型

2.3 三維航跡帶參數(shù)化建模

AIS技術(shù)是一種船舶定位技術(shù)，通過(guò)對(duì)衛(wèi)星傳回的信息進(jìn)行解析獲取船舶的歷史跡點(diǎn)，依據(jù)這些數(shù)據(jù)信息對(duì)船舶的歷史軌跡進(jìn)行擬合，并統(tǒng)計(jì)其航跡帶寬度以及通航水深信息作為三維航跡帶建模參數(shù)。本文采用最小二乘法[8]進(jìn)行軌跡點(diǎn)擬合，軌跡點(diǎn)的擬合效果與最小二乘的參數(shù)設(shè)置有關(guān)，故以整體方差的統(tǒng)計(jì)值作為調(diào)優(yōu)依據(jù)，迭代獲取最優(yōu)的參數(shù)個(gè)數(shù)估計(jì)。圖6b)的擬合效果優(yōu)于圖6a)。

圖6 最小二乘擬合

而在流速、風(fēng)速等因素的影響下船舶在行駛過(guò)程中的軌跡線(xiàn)通常為曲線(xiàn)，船舶航跡帶寬度由船舶的航跡安全緩沖帶的偏移量、船舶本身的占用空間相加所得[9]，見(jiàn)圖7。

圖7 航跡帶寬度

依據(jù)JTS 166—2020《海港總平面設(shè)計(jì)規(guī)范》[10]，可通過(guò)式(1)計(jì)算航跡帶寬度A：

A=n(Lsinγ+B)

(1)

式中：L為設(shè)計(jì)船長(zhǎng)；B為設(shè)計(jì)船寬；n為船舶漂移倍數(shù)；γ為風(fēng)、流壓差角。見(jiàn)表1。

表1 船舶漂移倍數(shù)

船體下沉量D0可由式(2)通航水深計(jì)算公式[11]獲得：

D0=T+Z0+Z1+Z2+Z3

(2)

式中：T為滿(mǎn)載吃水；Z0為船體下沉量；Z1為最小富余深度；Z2為波浪富余深度；Z3為船舶縱傾富余深度。

利用Huuska公式[12]計(jì)算船舶下沉量Z0：

(3)

(4)

通過(guò)對(duì)9種實(shí)際船舶的航跡點(diǎn)進(jìn)行擬合，獲取實(shí)測(cè)的航跡帶數(shù)據(jù)，與式(1)計(jì)算所得的航跡帶寬值進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)實(shí)測(cè)擬合的內(nèi)容和規(guī)范公式計(jì)算的結(jié)果基本一致。可將規(guī)范公式計(jì)算所得的航跡帶寬應(yīng)用于后續(xù)的航跡帶建模。

圖8 航跡帶對(duì)比

本文以寶航789的船舶參數(shù)為試驗(yàn)對(duì)象，構(gòu)建三維航跡帶。為了提高航跡帶的擬合建模效果，以航跡線(xiàn)中的轉(zhuǎn)向點(diǎn)為依據(jù)進(jìn)行分段建模。最終效果見(jiàn)圖9。

圖9 航跡帶

2.4 可通航區(qū)域建模

可通航區(qū)域是一個(gè)封閉式空間，在這個(gè)空間內(nèi)兩側(cè)的等深線(xiàn)、凈空線(xiàn)均應(yīng)滿(mǎn)足通航需求，將航道要素模型與航跡帶模型進(jìn)行布爾空間運(yùn)算[13]，求出安全的航行范圍。布爾運(yùn)算規(guī)則見(jiàn)圖10。

圖10 布爾運(yùn)算規(guī)則

將空間航跡帶模型與橋梁空間體作為運(yùn)算的參數(shù)，算法流程見(jiàn)圖11。

圖11 三維航跡帶模型與橋梁空間體布爾運(yùn)算流程

依據(jù)求出的空間運(yùn)算結(jié)果構(gòu)建航道的適航水域模型，主要分為3種情況：天然水域(指水域開(kāi)闊、無(wú)水工設(shè)施等建筑物的航段)、設(shè)有橋梁的航段、存在臨水建筑的航段(港區(qū)航段)。

1)對(duì)于順直天然水域進(jìn)行適航性建模只需考慮水位變化，利用變化的水位值更新航道三維水下地形并與船舶的航跡帶求差，若是彎曲航道可采用切角法加寬航道[14]。

2)對(duì)于設(shè)有橋梁的航段進(jìn)行適航性建模，需要根據(jù)其橋梁建筑物的空間包圍盒大小構(gòu)造分層次的八叉樹(shù)空間包圍盒。若是拱橋則還需將包圍盒和空洞模型進(jìn)行求差運(yùn)算，最后再將橋梁模型與航跡帶模型求差分析。

3)對(duì)于港區(qū)航段進(jìn)行安全水域建模，由于停泊水域?yàn)榇疤峁┩？孔鳂I(yè)的空間，但其空間內(nèi)船舶的行為可能影響相鄰航道中船舶的行駛空間，故通過(guò)將停泊水域的空間包圍盒與航道的適航空間進(jìn)行布爾差運(yùn)算，即可獲得港區(qū)內(nèi)適宜的運(yùn)動(dòng)空間。

3 適航空間應(yīng)用分析

3.1 船舶避碰參數(shù)計(jì)算

在確定了整個(gè)水域的適航空間之后，可計(jì)算船舶會(huì)遇的CRI值(碰撞危險(xiǎn)度參數(shù))[15-16]，這是一種評(píng)判船舶碰撞危險(xiǎn)度的度量值，其范圍為0～1。通常還可以從時(shí)間空間兩個(gè)方面將碰撞危險(xiǎn)度進(jìn)行劃分，可劃分為時(shí)間碰撞危險(xiǎn)度(time collision risk，TCR)和空間碰撞危險(xiǎn)度(space collision risk，SCR)。

空間碰撞危險(xiǎn)度一般通過(guò)比較最近相遇距離DCPA、絕對(duì)安全會(huì)遇距離d1、雙方安全通過(guò)的最小距離d2的大小，代入不同的式子即可求得空間碰撞危險(xiǎn)度的隸屬度值γDCPA，可將其作為空間碰撞危險(xiǎn)度的參考值。

(5)

其中d1、d2的計(jì)算可參考文獻(xiàn)[17]，計(jì)算公式為：

(6)

d1=1.5ρ(θT)

(7)

d2=2d1

(8)

式中：θT為兩船相對(duì)方位角。

時(shí)間碰撞危險(xiǎn)度指的一種時(shí)間緊急程度的度量值，表示船舶為避免碰撞應(yīng)急響應(yīng)的時(shí)間需求。

(9)

其中：

(10)

(11)

式中：t1為船只采取避讓行為的時(shí)間；t2為船只到障礙物所需時(shí)間；D1為遇見(jiàn)障礙物采取避讓行為的最短反應(yīng)時(shí)間；D2為遇見(jiàn)障礙物采取避讓行為的最長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間；vR為船舶航行速度。

CRI值可通過(guò)上述求得的兩個(gè)危險(xiǎn)度數(shù)值計(jì)算得到：

γ=γDCPA⊕γTCPA

(12)

其中，⊕為合成算子，含義如下：γDCPA=0，γ=0；γDCPA≠0，γTCPA=0，γ=0；γDCPA≠0，γTCPA≠0，γ=0.5γDCPA+0.5γTCPA。

上述的避碰參數(shù)計(jì)算均需在已確定的適航空間內(nèi)進(jìn)行，若超出范圍則危險(xiǎn)度為1，應(yīng)采取相應(yīng)的避碰決策。決策分析的主要流程見(jiàn)圖12。

3.2 路線(xiàn)避碰決策

圖12 避險(xiǎn)決策

當(dāng)船舶收到預(yù)警信息，將執(zhí)行協(xié)調(diào)避讓機(jī)制，依據(jù)實(shí)際情況，規(guī)劃合理路線(xiàn)，本文以魯濟(jì)寧貨7828和寶航789為模擬試驗(yàn)對(duì)象，模擬場(chǎng)景可分為追越局面、相向而行、交叉局面3種。

3.2.1追越局面

寶航789行駛速度大于魯濟(jì)寧貨7828，且航向幾乎一致，當(dāng)CRI>0.4時(shí)，通過(guò)采取相應(yīng)的措施，避免船舶碰撞。具體決策內(nèi)容為：魯濟(jì)寧貨7828保持原速度不變，寶航789左側(cè)超越，直到CRI值<0.4，在超越之前判斷在適航空間中是否存在合適的超越位置，該位置需與魯濟(jì)寧貨7828保持一定的安全距離。見(jiàn)圖13。

圖13 追越局面

3.2.2相向而行

同樣在兩船相向而行時(shí)，設(shè)置0.4為CRI閾值。通過(guò)CRI值分析當(dāng)前船舶行駛安全性，當(dāng)其大于閾值時(shí)，上行船只魯濟(jì)寧貨7828作出避讓?zhuān)茏尩臋M向安全距離應(yīng)為寶航789航跡帶的1.5倍，直到危險(xiǎn)解除(即CRI<0.4)。見(jiàn)圖14。

圖14 相向而行

3.2.3交叉局面

當(dāng)魯濟(jì)寧貨7828與寶航789的行駛路線(xiàn)相互交叉時(shí)，試驗(yàn)中作出的具體決策為：向右橫向行駛船只魯濟(jì)寧貨7828應(yīng)保持原航線(xiàn)不變，上行船只寶航789在CRI值大于0.4時(shí)應(yīng)當(dāng)減速讓行，避讓直至CRI值小于0.4。見(jiàn)圖15。

圖15 交叉局面

4 平臺(tái)應(yīng)用

將上述研究?jī)?nèi)容應(yīng)用于實(shí)際開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)平臺(tái)為Unity3D，應(yīng)用研究區(qū)域?yàn)榫┖即筮\(yùn)河淮陰船閘至淮安船閘航段，基于航務(wù)管理處的水情信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，根據(jù)季節(jié)年份的變化更新適航區(qū)域，獲取通航船舶的船型數(shù)據(jù)橋梁數(shù)據(jù)，分析大型內(nèi)河港口與助航設(shè)施情況，將航道地形、航道影像、航道設(shè)施建筑物等要素進(jìn)行三維可視化，并設(shè)計(jì)航線(xiàn)查詢(xún)、模擬航行、繪制航跡帶、顯示適航區(qū)域、預(yù)警與決策等諸多功能見(jiàn)圖16。為驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性，采用模擬試驗(yàn)的形式。試驗(yàn)證明，船舶可依據(jù)適航性分析模型做出合理有效的預(yù)警與避險(xiǎn)。

圖16 航道適航性分析模型諸多功能

5 結(jié)論

1)航道適航性分析模型的空間基礎(chǔ)可采用三維航道技術(shù)構(gòu)建，在該項(xiàng)技術(shù)的引入過(guò)程中可考慮多源數(shù)據(jù)的信息提取與融合。

2)可以在可通航區(qū)域引入CRI值作為船舶避險(xiǎn)依據(jù)。進(jìn)而構(gòu)建適航性分析模型。模擬試驗(yàn)證明該適航性分析模型符合可靠性及穩(wěn)定性的要求。