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    科學技術論文

    基于浮標漂移遙測的沉石移位估計方法研究

    時間:2021年08月10日 所屬分類:科學技術論文 點擊次數:

    摘要:為了確定浮標沉石在極端條件下是否發生移位,需要結合浮標遙測定位信息和環境條件進行建模和分析。收集航標遙測數據,利用箱線圖對數據進行處理;利用K-means算法求取聚類中心,作為計算浮標漂移量的基準點;分析相鄰浮標在相同時間下的漂移運動特征,確

      摘要:為了確定浮標沉石在極端條件下是否發生移位,需要結合浮標遙測定位信息和環境條件進行建模和分析。收集航標遙測數據,利用箱線圖對數據進行處理;利用K-means算法求取聚類中心,作為計算浮標漂移量的基準點;分析相鄰浮標在相同時間下的漂移運動特征,確定導致浮標漂移的主要原因并進行量化;通過BP神經網絡對航標漂移進行預測,與極端條件發生后一段時間的浮標位置數據進行對比分析,判斷沉石是否發生移位。實驗結果表明,該方法能夠較好地判斷浮標沉石的移位情況,提高航標的管理效率。

      關鍵詞:浮標;沉石移位;K-means算法;BP神經網絡;航海保障

    航海論文

      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[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。本文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,能夠判斷出浮標沉石移位情況,有利于航標維護工作,確保浮標位置的準確性。

      1浮標沉石移位原因分析

      一處正常放置在水中的浮標由沉石、錨鏈和浮標標體構成,其中沉石依靠自重沉在海床,產生耙附力。錨鏈的長度通常按照幾倍于水深配置,富余的錨鏈起到伸縮調節和增加海底附著力的作用。導致沉石移位的原因主要有以下兩個方面:

      (1)極端惡劣海況和天氣影響。以我國東南沿海一帶海域為例,每年5—10月,海上容易出現強臺風、巨浪等極端惡劣天氣和海況,浮標在受到風、浪、流等多種作用力合擊下,連接浮標和沉石的錨鏈會完全離底,拉動沉石并可能使沉石發生移位,導致浮標發生異常漂移,影響浮標性能的正常發揮。

      (2)船舶碰撞或拖帶浮標。由于駕駛員疏于瞭望或操作不當等原因造成船舶偏離航道,碰撞浮標或從事捕魚船舶作業時將漁網掛在了沉石或錨鏈上,直接帶動了沉石的移位。本文主要研究在惡劣天氣影響下浮標沉石移位的情況,船舶碰撞等人為因素導致的沉石移位暫時不予考慮。

      2浮標漂移數據分析

      本文以珠江口銅鼓航道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;利用箱線圖對數據做預處理剔除離群點;通過Kmeans算法得出聚類中心,將該點作為沉石的概位,并以此為基準點建立浮標最大漂移距離模型,驗證遙測數據的有效性;分析相鄰浮標之間漂移運動的變化關系,判斷一定范圍海域內海況是否相似。

      2.1浮標數據采集和預處理

      浮標GPS數據信息每1h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。在數據分析工作中的第一步就是異常值檢測,如果不加剔除地把異常值包括進數據的計算分析過程中,會對結果帶來不良影響,箱線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

      2.2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(一周或一月)浮標的點集中心位置,作為該浮標的沉石預估位置。K-means算法是很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。

      2.3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1.74nm,T5號和T10號浮標間距1.64nm。以2020年4月15日至21日(共7天)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。

      3浮標沉石移位估計方法

      3.1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。

      (1)風對海面漂移物移動速度的影響主要有兩個方面,一是風對物體上部的力即暴露于空氣中的部分產生的拖曳力,二是風生流導致的海水流動。

      (2)存在于海水中的流主要包括風生流、海流和潮流。當海水受風生流和海流的共同作用就會對漂移物產生拖曳力,波浪也會對漂移物有推動作用[5]?紤]到海流產生的條件是當浮標位于距海岸25nmile外或者當海水深度大于100m時,且表層海流是影響浮標漂移的主要因素[6],而浮標所處水域均不滿足上述兩點,故不考慮海流對浮標的影響。潮流由于其潮漲潮落對浮標的反復拉動作用,會對浮標的漂移產生較大影響。

      (3)根據研究,浮標露在海面的體積與波浪的波長比較起來要小很多,波浪不因浮體而散射或反射,幾乎全部透過,此時波浪作用力很小,可以忽略[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。

      綜合上述分析和本文2.4節結論,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。

      3.2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[8-9]。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,本文提出一種利用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。

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      4結論

      針對目前缺少對浮標沉石移位判定方法的研究,提出了一套有效地解決方案。為了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Kmeans算法對沉石位置進行估計;據此分析了浮標漂移特征,之后基于BP神經網絡對未來一段時間的浮標位置數據進行預測,與實際定位數據進行對比分析,取得了較好地效果,有助于提升航標管理工作效率。由于浮標漂移所受外界影響因素眾多,本文未對所有影響因素以及因素所占權重進行分析,加之浮標定位精度所限,所得結果也會存在誤差,未來還需要進一步研究。

      參考文獻:

      [1]袁錦標.談航標位置的維護管理[J].航海技術, 1996(1):14-17.

      [2]呂英龍,王劍.淺析通航水域橋梁助航標志管理的立法保障[J].中國水運(下半月),2016,16(6):45-46.

      [3]郝志濤,曾林林.淺談在特殊水域環境下浮標移位的解決方案[J].珠江水運,2020(14):39-40.

      [4]林秀明,鄭佳春.航標遙測遙控系統升級改造技術[J].中國科技信息,2017(21):23-25.

      [5]徐江玲,高松,葛勇,等.波浪對海上漂浮物漂移軌跡作用分析[J].防災科技學院學報,2017,19(2):75-79.

      [6]唐仲才.淺析影響海上救助時間和速度的因素[J].航海技術,1997(1):17-19.

      作者:李政1,2,周春輝1,2*,陳剛1,劉宗楊1,2,趙俊男1,2

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