基于GIS的船舶溢油避险系统设计

于文博，李颖，刘志晨，赵术林

(大连海事大学 a.航海学院；b.环境信息研究所，辽宁 大连 116026)

近年来，重大海上溢油事故时有发生，对海洋环境与船舶航行皆造成恶劣影响。2018年在我国东海海域发生的“桑吉”轮碰撞事故造成了11.3万t凝析油和约1 956 t船用燃油的爆燃及泄漏，对事故海域造成不可估量的长期经济、社会、生态损失[1-2]。为减少溢油事故造成的危害，应急指挥部门需要对一段时间内溢油扩散、漂移的范围准确掌握，以便组织人力物力抢险救灾，告知距离事故发生地点较近的船舶对遇险船舶进行救援，并在确认遇险船舶人员状态后，禁止客货船舶驶入事故海域，以免影响工作船舶进行海面清污。通过对相关文献的查阅，现有溢油扩散预测系统采用的溢油扩散模型，能够获得准确的预测结果，但其系统少有与事故海域船舶数据进行融合显示，难以完全支持应急部门的指挥调度工作。为了解决溢油扩散、漂移可视化,以及事故影响海域船舶查询、调度问题，利用空间信息平台，通过数据中心获取海域船舶信息以及事故信息，利用空间分析工具实现溢油扩散、漂移区域的预测,以及事故海域船舶的查询，完成对相关信息的渲染展示，输出专题地图。系统以”桑吉”轮溢油事故为实例进行了模拟，预测成果可为引导溢油海域的船舶避险提供空间信息指导，为应急指挥提供支持。

1 地理信息系统优势

1.1 数据管理功能

空间数据库引擎是地理信息系统中一项关键性技术，包括ArcSDE、SpatialWare、SDX+等典型引擎[3]。借助空间数据引擎ArcSDE可将船舶溢油避险系统中不同类型的数据存储在同一数据库下，实现在ArcTocControl中分层管理、融合显示，使空间数据库既能提供溢油相关数据的空间特征(基础地图、图形)信息又能提供其对应的属性信息(如，风浪流信息、船舶信息)。

GIS具有强大的数据融合能力，可以实现不同数据源数据的有效融合，消除单一数据源数据信息的不足，加强数据源之间的优势互补。将多源数据融合叠加到GIS的显示界面中，参与空间计算，船舶溢油避险系统结果输出的科学可靠性也可由数据的综合性、准确性保障。针对异源数据，通过地理配准、空间校正、建立拓扑结构、属性关联等多种方式处理，保证其空间位置与逻辑关系的准确性。

1.2 空间分析功能

GIS中的空间分析技术以空间数据和属性数据为基础，通过叠加、分割、拓展，统一挖掘并提取数据潜在的信息，是对空间数据实施转换以回答特定查询的能力。GIS拥有功能强大的空间分析工具库，包含900余个地理处理(geoprocessing，GP)工具，以ArcToolbox的方式进行组织管理，调用时可以直接指定输入参数，得到相对应的地理处理结果，也可以将多个GP工具组合起来，实现更加复杂的空间分析功能设计。

2 系统总体设计

基于GIS技术进行船舶溢油避险进行系统设计，采用Visual Studio.Net框架与Arcgis Engine技术框架相结合的方法进行船舶溢油避险模型系统的开发。Visual Studio.Net是完全的面向对象语言，也是被认为最高效的编程方法之一，Arcgis Engine是基于COM技术开发的1套COM组件对象集，具有简洁、灵活、可移植性强的特点，借助它可以完成脱离ArcGIS Desktop且针对性强的应用程序，具体系统设计框架见图1。

图1 系统设计框架

数据层是通过数据融合方式添加到溢油空间数据库的数据，也是模型运行的输入数据。为了融合显示多源数据，需要对数据进行预处理，保证输出的准确性。海图数据加载后，原始海图并不具备空间位置信息，根据海图的编号、图框经纬度等信息，通过地理配准，将其校正到真实位置，形成基础海图图层。海风海流数据由文本格式导入空间数据库[4]，根据其经纬度信息，在GIS的显示界面中定位，并对其方向、速度等属性信息进行插值计算，形成包含风浪流信息的图层。船舶数据是自动识别系统(automatic identification system，AIS)数据经过一定规则提取，录入到空间数据库，构成包括船位、船首向、船速等属性信息的点，生成船舶空间分布图。数据叠加方式见图2。

图2 数据叠加方式

模型层为支持船舶溢油避险系统科学运算的具体方法，其中包括溢油预测模型与船舶避险模型。溢油预测模型的主要功能是实现溢油扩散预测与溢油漂移预测，溢油扩散预测主要计算给定溢油量下溢油的扩散面积，溢油漂移预测则根据给定的海风、海流等海洋环境信息对油在海面上的移动进行预测。船舶避险模型主要作用是在溢油区域周围建立事故影响范围的缓冲区，提取影响范围内的船舶，并对船舶根据种类分类。

逻辑层是溢油事故发生后模型计算的基本流程。系统根据溢油事故目标位置结合扩散模型确定扩散区域，通过海洋环境数据结合漂移模型进行溢油漂移预测。然后采用船舶避险模型，集成缓冲区分析、叠加分析方法获得溢油目标影响范围与船舶避险范围，综合模型分析结果返回系统界面端，生成避险方案。

应用层是系统模块设计部分，包括溢油信息融合模块、溢油预测模块和溢油信息发布模块。溢油信息融合模块，主要通过输入溢油点经纬度、溢油量及船舶信息等，为系统业务提供数据支持；溢油预测模块，实现溢油给定时间及海洋环境要素下，预测油污的扩散及漂移面积；溢油信息发布模块主要包括建立事故影响缓冲区及事故海区船舶查询功能，可以快速确定溢油海域内的船舶，并预留信息发送接口，便于提示船舶避险。

3 系统关键技术

3.1 溢油预测模型

溢油入海后，油膜厚度高，会快速向周围扩散，在溢油事故发生初期，主要处于快速扩散阶段，当溢油变得足够薄或破碎为油膜碎片后，认为扩散阶段完成。在扩散过程之后，油膜会在风浪流等因素的作用下在海面上进行漂移，形成条带状油污区域。

分析溢油扩散过程，系统针对在广阔平静水面的瞬时溢油，采用经典的Fay油膜扩散模型。根据Fay的研究，油膜的扩散过程主要受到油膜重力、张力、惯性力、黏滞力作用，并呈环形向四周扩散，扩散完成后，油污呈类圆形分布。依据溢油扩展在不同时期起主要作用的力不同，Fay将其分为重力-惯性力阶段、重力-黏滞力阶段、黏滞力-表面张力阶段3个阶段，在各个阶段中，2种力向着趋于平衡的方向发展，并进入下一个阶段，油膜尺度扩展公式见表1。

表1 溢油扩散尺度公式

式中：D1、D2、D3为各阶段油膜直径；K1、K2、K3为各阶段的经验扩展系数，具体值由事故环境决定；V为溢油总体积；t为从溢油开始计算的时间；g为重力加速度；γ为水的运动黏滞系数；ρ为水的密度；σ为表面张力系数；β由溢油密度与水密度决定，常数。

通过统计分析大量统计结果，Fay认为，在溢油扩展阶段结束后，溢油面积与溢油体积存在以下关系[5]。

式中：A为油污扩散面积；V为溢油总体积。溢油面积在开始时随时间而变大，当扩散的第三个阶段完成，即表面张力与黏滞力达到平衡后，溢油面积不再变化，溢油面积与时间的关系见图3。

图3 溢油面积随时间变化

分析溢油漂移过程，采用文献[6]提出的漂移模型，油膜在宽阔海面上的漂移运动主要受海风与海流的影响。虽然油膜经过扩展之后，厚度很薄，但是分析其运动和变化，都将其视为是连续的，即不考虑油膜的撕裂现象。其漂移速度及漂移距离为

voil=vc+kvw

(2)

(3)

式中:voil、vc、vw为溢油漂移速度、海流速度、海风速度；k为风力系数，通常取3%～4%之间，本系统取值为3.5%；S为溢油漂移距离；Δt为溢油漂移的时间；t为溢油开始扩散时间。油膜向风和流合力作用的方向运动，其漂移的示意图见图4。

图4 油膜漂移示意

3.2 船舶避险模型

通过缓冲区分析与叠加分析相结合的方式，建立船舶避险模型。缓冲区分析是为了识别某一地理实体，根据点、线、面地理实体自身性质，建立其周围一定宽度范围内的多边形缓冲区实体，从而确定不同地理要素之间的空间邻近性或接近程度的一种分析方式[7]。对于给定目标A，其缓冲区定义为

A={x|d(x,A)≤R}

(4)

式中：A为目标物；x为某时缓冲区的影响范围；d为目标物A与x之间的距离；R为缓冲距，可将距A距离小于R的区域提取出来。在船舶避险模型中，为了划定溢油事故影响的范围，应由海事主管部门依据事故的性质、海洋环境以及事故的危害程度，确定事故的影响半径R，输入系统建立海域溢油影响区域的缓冲区。

探析提取事故影响区域中的船舶并及时发布避险信息的方法。模型采用叠加分析中的相交算法，相交分析是计算输入要素的几何交集的过程。由于点、线、面要素都可以进行相交操作，因此，相交分析的情形可以分为7类[8]。将已转换为点要素的AIS船舶数据与面要素的事故影响区域取交集，提取在溢油事故范围内的船舶。算法原理如下。

Sship={pship|pship⊆Buffer}

(5)

式中：Sship为提取的船舶集；pship为附近海域所有船舶；Buffer为事故影响缓冲区。同时，还可根据船舶所处区域范围，按危险程度进行分类显示加以区分，以便发送避险信息或发送救援请求。具体见图5；根据船舶的航行区域、溢油危险缓冲区进行划分船舶危险类型，并进行分类表示，图5中，外围类椭圆形区域为事故影响缓冲区，三角形船舶为事故影响区域外船舶，十字形船舶为事故区域内需要紧急避险的船舶类型，菱形船舶为事故影响区域内可以提供援助的船舶类型。

图5 船舶避险示意

4 “桑吉”轮溢油事故实例验证

4.1 “桑吉”轮溢油事故相关概况

系统以“桑吉”轮溢油事故为模型计算实例，验证系统的实际运行情况。据研究调查，巴拿马籍油船“桑吉”轮与中国香港籍散货船“长峰水晶”轮，于北京时间2018年1月6日19时50分在我国东海海域，东经124°57′6″，北纬30°51′1″处发生碰撞事故。其中，“桑吉”轮最终沉没，造成其运载的预计1 956t船用燃油和11.3万t凝析油存在泄漏危险。分析事故造成的溢油量，凝析油以挥发与燃烧为主，对大气造成巨大污染，而船用燃油为重质油，在油船沉没后，不易挥发，持续污染性较强，是造成海域生态污染的主要原因。预计事故溢油量为1 956t。为预测事发72h的溢油漂移轨迹，查询事故海域1月6—8日20：00时的海洋环境信息，并将海面上空10m海风数据与海流数据制成栅格图，添加到溢油信息数据库中，具体事故海域72h海风、海流信息，见表2。

表2 海风、海流信息表

4.2 “桑吉”轮溢油预测模拟

利用GIS对要素类的处理能力进行溢油扩散区域模拟。首先根据事故点输入的经纬度信息确定面要素圆心的位置，将溢油量导入溢油预测模型预测油膜自身扩展情况，确定溢油面积扩散至最大值时的半径，在系统中创建对应的面要素，并在海图上进行标绘。

然后根据溢油漂移模型，输入风向、风速、流向、流速参数参与计算，得到油膜移动的距离，在溢油扩展区域创建相同的油膜自身扩展的面要素，利用要素编辑器中扩散功能，根据油膜漂移的距离，获取新要素所漂移的X、Y值，从而生成下一时刻的溢油漂移区域，实现对溢油漂移轨迹的模拟预测。具体生成的24、48、72 h的溢油漂移扩散模拟图见图6。

图6 溢油预测模拟

4.3 “桑吉”轮溢油避险模拟

由于溢油事故会对周围海域造成一定的影响，为了防止事故损失持续扩大，应向周围一定范围海域内的船舶发送避险信息。溢油扩散漂移预测完成后，系统需要确定溢油事故的危险范围，通过采用船舶避险模型，并参考《船舶油污染事故等级》[9]，依据溢油入水量和经济损失，将事故分为以下4个等级，见表3。

表3 船舶油污染事故等级表

应急指挥部门应根据行业标准的规定，合理设置事故影响范围。系统模拟桑吉轮事故的影响范围半径为5 n mile与10 n mile，设定为溢油事故影响非常危险和较为危险的海域，生成多环缓冲区。为了划分事故影响海域中的船舶危险情况，系统根据真实AIS数据格式在长江口海域模拟部分船舶，该船舶数据具有船舶呼号、经纬度、船舶类型等船舶属性信息，可满足系统实验要求。系统根据模拟船舶与“桑吉”轮溢油情况，首先将生成的缓冲区结果与船舶动态数据作为参数输入模型中，然后利用GIS的叠加分析方法进行计算，提取影响范围内的船舶，根据其船舶种类对其进行符号化显示，将其分为需撤离船舶与有救援能力船舶2类，若是客船、油船、货船等，则将其标注为十字形，应向其发送避险信息，若其种类为搜救执法船，则向其发送救援信息。最终输出成图，供应急指挥部门参考。该事故的模拟系统输出图见图7。

图7 系统溢油范围与船舶避险结果

5 结论

针对海上溢油事故应急工作分析决策中存在的不足，通过结合溢油扩散与漂移模型，建立了船舶避险模型，设计研发了基于GIS技术的船舶溢油避险系统，并以“桑吉”轮溢油事故为实例对系统关键技术及模型进行实例验证，同时在系统中进行模型的初步实现，分析结果可为溢油应急业务的开展提供有力支撑。