虛擬航標優化布設的方法探究范文

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《武漢理工大學學報》2014年第十一期

1虛擬航標布設的基本原則

(1)根據航道的條件和船舶航行的特點，以及當地的水文氣象信息，進行虛擬航標的布設。(2)與真實航標類似，虛擬航標布設應沿著航道兩邊均勻布設，保證船舶在航行的途中，能夠接收到任何一方AIS基站發送的信號［8］。(3)結合各個航道不同的特點，最大限度地滿足航道水深、彎曲半徑、航道寬度的要求，以期合理地規劃出一條安全的、經濟的、便利的船舶航行通道。(4)對于特殊航道的航道口門和重要節點要予以標識，便于航行船舶提前進行反應和操作。(5)針對航道不同季節性的水位上升、下降，虛擬航標的布設要有針對性地進行配布。在航道水位上升期間，在保證維護水深的前提下，適當放寬航道通行。在航道水位下降期間，在保證維護水深的前提下可逐步縮短航道寬度。(6)對于一些特殊航道存在的危險點或者淺灘等危險區域應進行標識和警告，警示過往船舶注意危險，及時避讓。

2橋區虛擬航標布設數學模型

橋區航段虛擬航標布設主要涉及到航標布設點的水深，航標布設寬度，以及布設位置點等因素。對于雙孔及其以上的多孔通航的橋梁，一般選擇孔面航道寬度大，水流主流通過的橋孔作為下水通航橋孔。水流較緩的通航孔則作為上行通行橋孔。設在內河航道中A點布設虛擬航標，A點水域周圍水深為H(H＞0)，布設點A與對應的布設點A1之間的寬度為B(B＞0)，A與橋墩之間的水平距離為ΔB(ΔB＞0)，布設點A距離航道岸線信號發射點M垂直距離為D(D＞0)，航道可通行寬度為W(W＞0)。由于航標的布設水深需滿足航道的通航等級，以及通過船舶的尺度要求。同時還要依據相關管理部門的規定預留出一定的維護水深。依據交通部指定的《內河運輸船舶標準化管理規定》以一級航道作為分析對象，在條件允許的情況下，必須保證噸位不少于3000t的船舶通過。結合船舶設計標準及吃水深度Hi的一般統計分析，3000t船舶設計吃水深度為3．5m。內河航道管理維護水深ΔH取值范圍為0．4～0．5m，因此可以得出航道的最小水深。假定ΔH取最大值，即可以得到一級航道水深最低保證值為4．0m。依照式(1)得到的各個不同級別航道的水深最低保證值如表1所示。在實際的應用中，必須考慮不同地區的實際情況。對于維護水深ΔH的取值，在某些航段可能無法取到式(1)中的值使得Hmin變小，在這種情況下需考慮降低航道的通行標準，在能夠滿足式(1)的條件下，應該盡可能提高維護水深，以便能使更大的船舶順利通過。在滿足min{Hi－Hmin}≥0前提下，航標布設寬度最好滿足max{Bi+ΔB}，以保證獲得更大航道的通行能力。在滿足了船舶航行通航的寬度之后，可以設置多

同時結合船舶航行的最大吃水深度和布設寬度的分析，針對內河航道季節性的豐水和枯水期情況，結合圖2具體地分析航標布設的一般性方法。對于豐水期內河航道，在保證維護水深ΔH的情況下，根據安全航行水深，獲取航道可以航行的寬度，然后依據布設寬度的標準得到航道的寬度L，劃分出不同航向的航道。對于虛線標識的枯水期水面，在保證安全水深的前提下，將航標布設位置向水面中心移動ΔLi(ΔLi≥0)，為保證航道的通行能力。由于虛擬航標不存在具體實物，主要通過岸基的天線發射器進行信號通信，對于布設點A到航道岸線信號發射點M垂直距離D(D＞0)應盡可能滿足信號通信的要求。設一般通信標準距離為D1，則距離必須滿足min{D1－D}≥0。結合對水深、航道寬度、布設點位置等因素的分析，可以得到一個關于虛擬航標布設的多目標優化的數學模型，如式(2)和式(3)所示。其中:h為航道水深;b為橋墩之間的距離;W為整個航道可通行寬度。通過該模型可得出虛擬航標的布設涉及到一個多目標優化處理。針對該目標模型，采用線性加權法將多目標模型轉化為單目標求解。根據模型中有P個目標fi(x)(i=1，2，…，p)并且有不同的重要程度，對每個目標根據其重要程度予以一個權重wi(i=1，2，…，p)，若多目標的模型是各個目標最小化或最大化的規劃問題［9］，則通過將各個目標和與之對應的權重相乘后求總和即可構造出一個具有單目標優化函數的模型。針對該模型中的水深H、布設寬度B和信號接收距離D等因素，綜合考慮實際航標布設重要性的優先級和對各因素權值的設定，筆者采取一種利用最優傳遞矩陣對傳統層次分析法進行改進的方法。傳統層次分析法的基本原理是將待評價的各因素兩兩比較其相對重要性，然后進行排序。由于主觀判斷約束性，兩兩比較的結果不一定具有客觀一致性，因此通常需要進行一致性檢驗。

筆者提出改進的層次分析法求得的判斷矩陣能夠自然地滿足一致性要求，可直接求得各因素的權值［10］。其具體的構造方法如下。得到判斷矩陣A。根據上述構造方法，依次進行代入計算，最終得到水深H、布設寬度B、信號接收距離D因素的權重值w1=0．28、w2=0．29、w3=0．43，代入到模型中，得到一個一般虛擬航標布設的模型圖，如圖3所示。

3虛擬航標布設模型結果分析

基于上述橋區布設模型，針對武漢長江大橋橋區的實際布設要求，將武漢長江大橋橋長W=1155．5m、橋孔跨度b=128m、平均航道水深h=16．5m、AIS信號覆蓋半徑D=5km的參數代入到多目標模型中，在長江電子航道圖上進行模擬布設的試驗，得到的虛擬航標布設圖如圖4所示。武漢長江大橋實際航標布設圖如圖5所示，通過對比可以發現模型得到的布設方案航行安全性更高，導航準確性也有一定提高，模型得到的結果是比較理想的。

4結論

隨著AIS技術的廣泛應用和不斷發展，基于AIS的虛擬航標將在標識通航分道、劃分不同水深航路等方面發揮巨大作用。針對橋區航段虛擬航標的布設，筆者從航標的布設原則、影響航標布設水深、航道寬度、間距等因素進行分析，建立了一個關于虛擬航標布設的多目標優化模型，利用虛擬航標布設規劃航道進行了一次有益的探索。診斷系統，通過對歷史案例的檢索來找到與當前案例相似的案例，不需要構建詳細的模型就能進行故障診斷。其較高的靈活性和可操作性可以使機車診斷系統更加高效、準確，為機車的安全提供保障。

作者：劉三林陳先橋高原單位：武漢理工大學計算機科學與技術學院