桥区水域失控船舶的航迹预测

王艳锋 李红祥

(1.武汉交通职业学院航海技术系,湖北武汉430065;2.武汉船舶职业技术学院电子电气工程系,湖北武汉430050)

随着公路、铁路建设高潮的到来,我国跨海、跨江桥梁的数量不断增加。桥梁数量的增加同时也对船舶的航运安全造成一定的影响,船舶撞桥事故屡屡发生。由船撞桥事故所导致的人员伤亡、财产损失以及环境破坏是及其惊人的。很多船舶撞桥事故轻则损失数万元,重则人员伤亡,损失以数百万、数千万甚至数十亿美元计,大量的间接损失更是难以计算。船舶在桥区水域失控时,在风、流以及惯性力的影响下,能够有效预测出未来一段时间内船舶运动的轨迹,这样就可以提前采取有效措施降低损失,甚至可以避免交通事故发生[1]。

1 船舶失控原因分析

根据《国际海上避碰规则》中失控船舶的定义[1]:“失去控制的船舶”指由于某种异常情况,不能按《1972年国际海上避碰规则》条款的要求进行操纵,因而不能给他船让路的船舶。“某种异常情况”主要是指船舶本身的异常情况,例如主机或舵机发生故障,车叶或舵叶丢失或者严重损失等;某种异常情况也包括某些客观原因造成的异常情况,例如风大流急造成船舶走锚、大风浪中船舶卸锚抛链滞航等。因此,造成船舶失控的原因可以分为人为因素、船舶设备因素以及自然环境因素[2]:

(1)近年来,随着航运经济的飞速发展,船舶数量激增,船员市场已经无法满足航运业的发展要求。培训船员以及船员培训机构良莠不齐,造成部分船员素质达不到合格要求。

(2)船舶应急设备平时缺乏系统保养,长时间不使用,关键时刻无法发挥关键性作用。

(3)船舶设备老化,保养更新不及时。老龄船舶的设备由于长期使用,设备耗损大、线路老化等故障较多,如果维修保养不及时,容易酿成失控事件。

2 失控船舶数学模型分析

2.1 失控船舶受力分析

失控船舶在内河桥区水域车、舵均失控后,在不采取抛锚等人为措施的情况下,失控船舶漂移运动只受到3个主要作用力的作用,一个是惯性作用力,一个是风作用力,再一个就是流作用力。

图1 失控船舶受力示意图

(1)惯性作用力:由失控船舶停车的惯性作用产生,主要在船舶惯性减速过程中存在,而在船舶可能完全停车后消失。

(2)风作用力:主要考虑风作用对船舶失控漂移航速、航迹的影响,使失控船舶在风力的作用下,产生船位的移动,船位的改变,最直观的观测是在船载GPS上船舶经纬度坐标的变化。出于对实船实验设备精度的考虑,本文只描述出桥区水域常风向、均匀风速。

(3)流作用力:本文限指流对船舶产生的流致漂移作用力。

2.2 船舶在流淌漂移过程中的数学模型

(1)船舶在X轴上的运动方程[3]

①船舶在X轴上的速度公式

Ba——船舶水线上侧受风面积(m2);

Bw——船舶水线下侧受风面积(m2);

K——风致漂移系数,取0.041。

②船舶在X轴上的位移公式

其中:Sx2——船舶流淌漂移过程在X轴上t时刻的位移(m)。

③船舶在X轴上的坐标公式

其中:X2——船舶流淌漂移过程中在X轴上t时刻的坐标(m)。

(2)船舶在Y轴上的运动方程

①船舶在Y轴上的速度公式

其中:Vy2——船舶流淌漂移过程中在Y轴上t时刻的速度(m/s)。

②船舶在Y轴上的位移公式

其中:Sy2—船舶流淌漂移过程在(3)式中船舶在Y轴上的坐标公式

其中:Y2——船舶流淌漂移过程中在Y轴上t时刻的坐标(m)。

3 数学模型与SVM算法对比分析

3.1 数学模型分析

以江阴大桥水域实船实验数据为参考值,在进行实船实验时,失控船舶受到风、流的影响,产生风致漂移量、流致漂移量为见表1。

表1 实船实验1号船舶风、流漂移量表

根据表1失控船舶风、流漂移量,并结合船舶初始速度,分析得出失控船舶船位变化图(见图2)

图2 号船位实船实验数学模型图

3.2 SVM算法下失控船舶航迹分析

(1)失控船舶航迹预测步骤

采用的预测步骤流程图如图3所示。

图3 预测流程图

(2)失控船舶回归预测分析

利用上述回归预测原理对失控船舶船位实船实验回归预测结果见图4所示。

图4 失控船舶船位实船实验回归预测结果图

3.3 数学模型与SVM对比分析

结合数学模型分析图2和图4,可以得出以下几点[4]:

(1)在江阴大桥桥区水域失控船舶航迹预测中,数学模型分析和SVM 回归预测分析,并结合实船实验的分析图,可以得出前两者在船舶失控后船舶的航向(只受风、流影响)与实船实验的船舶航向基本一致。

(2)从三者的分析图中可以看出,SVM回归预测方法在用于失控船舶航迹预测方面要比数学模型更能体现风、流对失控船舶的实际影响。

(3)数学模型与SVM 回归预测模型相比,数学模型考虑到了船舶失控时的初始速度在风致漂移、流致漂移方向上的分量,而在该SVM 模型中并未把这一因素考虑[5]。

4 结 语

桥区水域失控船舶航迹预测可以有效避免重大水上交通事故的发生。本文通过在江阴大桥桥区水域实船实验数据分别运用数学模型和SVM在桥区水域失控船舶航迹预测进行对比性分析,验证了支持向量机(SVM)在失控船舶航迹回归预测的可行性,为以后失控船舶航迹预测提供相应的理论依据。

1 刘明俊,李世刚等.船舶失控后运动状态分析[J].船海工程,2005(2):23-26

2 程志友.桥区船舶失控漂移航迹计算机模拟研究[D].武汉理工大学硕士论文,2007(4)

3 Brian Siler.Visual Basic6.0开发使用手册[M].北京:机械工业出版社,1999.

4 李红祥,吴建华,李 昊.观测低高度太阳方位求罗经差的计算程序[J].武汉船舶职业技术学院学报,2009(04):20-23.