航標設標錨鏈長度的優化方法研究

程 鑫

(交通運輸部東海航海保障中心連云港航標處，連云港 222042)

航標通常設置在江、河、湖泊、水庫等通航水域，標示航道的方向、界限與障礙物，并揭示有關航道信息，為船舶航行指出安全、經濟的航道，是船舶在航道內安全航行的重要助航設施。航標日常維護管理工作復雜繁瑣，需要密切關注水情變化，及時將航標進行收邊、加固錨石、放松鋼絲纜繩等操作；漲水過后，還需要快速恢復失常航標，并追回流失航標。在船舶交通流繁忙水域，浮標管理維護要求較高，工作人員需要時刻關注浮標運行狀態。隨著近年來外海風電場、跨海大橋等近海建筑物的不斷增加，浮標維護任務重、難度高，船舶安全通航的保障壓力較大。

在航標運行過程中，由于水位漲落變幅的存在，導致錨鏈的長度時而出現不足或是過長的情況，導致航標產生走失或位移過遠。航標的漂移，不僅對過往船舶通航帶來極大的安全隱患，同時頻繁的報警信息將會導致航標運行狀態監管人員工作量的急劇上升。隨著我國水運事業的飛速發展，航標漂移問題愈發受到重視，相關的研究工作也陸續開展。呂應龍[1]提出了助航標志立法的重要性，呼吁國家出臺配套的、專業的、統一的航標管理規定，從立法層面改善航標漂移對航行安全的影響。更多研究者則是從航標硬件出發，考慮航標硬件結構的改進，提升監管效率、降低航標的漂移量[2-3]。在監測體系上，呂永祥等提出了一套航標遙測遙控系統，以達到對航標觀測精度及準確度的提升[4-6]。

在實際工程條件下，長江航道內河設標時的錨鏈長度通常為當前水深的3～5倍[7]。目前長江航道航標狀態監測系統中，對于航標漂移報警距離常設閾值為50 m，航標位移過大將觸發漂移報警。然而，在水位、水流、過往船舶碰撞等諸多因素作用下，航標漂移虛假報警時有發生，增加了航標運行狀態監管人員的工作負擔，對過往船舶安全通航產生影響。

目前，航標的布設主要依據是《內河通航標準》(GB50139)與《內河助航標志》(GB5863)兩項國家標準。為保障航標布設可靠性，其重點考慮的特征主要包括：布設點的巖質、水流條件、河床組成、泥沙輸運特性等，輔以降雨、氣象等環境因素。為科學合理的對錨鏈長度進行設置，改進原有根據經驗值設置的方法，本文在建立錨鏈長度與水位關系的基礎上，推導了航標漂移范圍與設標點水深的約束關系，提出了一種基于水位信息的航標錨鏈設置長度計算公式。在數據預處理階段，采用K-means方法對航標數據中的設標點誤差進行修正。實測記錄數據統計結果證實，本文提出的設標方法將明顯降低內河航道內航標漂移距離，減少航標誤報警次數，為航標管理與維護工作提供技術支撐。

1 航標結構及錨鏈設置

圖1 航標錨鏈結構圖Fig.1 Schematic diagram of navigation buoy anchor chain

長江航道內布設的航標多以航標船為載體布設，通常在船首、船尾分別拋設錨鏈和錨石，將標志船固定于水中，具體結構如圖1所示。其中航標船的錨鏈長度由臥底錨鏈及懸垂錨鏈構成，懸垂錨鏈長度記為Lk，臥底錨鏈長度記為Ls。錨鏈與水底相切點記為F，其中懸垂錨鏈Lk的長度受錨鏈重量、彎曲角度等因素影響，設qw為單位長度錨鏈在水中的重量，T為懸垂錨鏈著地端的拉力，H代表航標結構中心至水底的垂直距離，則懸垂錨鏈長度可表達如下[7]

(1)

式中：船首尾通過錨鏈分別與底部錨點相連，兩個錨點間距離記為l，懸垂錨鏈的長度記為Lk，水深記為D，實際情況中，l遠小于Lk，所以航標最大漂移距離可近似視作圓形，理想狀態下的最大漂移距離為

(2)

在航標船實際布設過程中，受錨鏈自重及浮力影響，錨鏈在水中的曲線為余切曲線，存有一定彎曲角度。經研究[8]，該誤差系數通常取為0.8，則實際的最大漂移距離為

(3)

圖2 航標漂移最大距離Fig.2 Maximum drifting distance of navigation buoy

錨鏈受風、浪、流的共同作用下，將會產生一定的位移，其理論位移范圍將由錨鏈和水深值共同決定。在水深增加到一定的臨界值時，錨鏈將呈近似垂直狀；而在水深降低到一定程度時，受外力影響，航標將到達理論漂移最大值，如圖2所示。

由圖2可知，水深的變化幅值很大程度上決定了錨鏈長度設置的上下限。當水位較高時，錨鏈的長度應滿足大于最高水位值且略有盈余；在低水位時，應盡量減小航標漂移值，使其在一定的漂移半徑之內。高水位時，臥底錨鏈Ls長度可忽略不計，近似認為錨鏈長度L等于懸垂錨鏈長度Lk，設水深值為D，最大漂移距離報警閾值為C，則錨鏈長度設置應滿足上下限如公式(4)所示，其中max(D)及min(D)分別代表設標區域的水深最大與最小值。

(4)

2 基于統計分析的航標錨鏈設置方法

為優化錨鏈長度取值，對航標所處水域的水位變化趨勢進行研究分析。長江上、中、下游水位變化各不相同。下游南京以下河段為感潮河段，其水位變化受外海潮汐漲落影響較大，變化趨勢呈明顯周期性[9]；而中、上游河段受徑流影響較大，水位變化過程可視為非平穩時間序列[10]。取長江上、中、下游不同河段水位實際觀測數據(上游重慶段、中游武漢段、下游馬鞍山段，如圖3所示)，建立不同水位條件下，航標錨鏈長度設置方法。

3-a 重慶3-b 武漢3-c 馬鞍山圖3 長江水位時域變化過程Fig.3 Temporal variation of river water level in the Yangtze River

表1 約束條件下的錨鏈長度取值結果Tab.1 Calculation results of constrained buoy anchor chain length m

表2 錨鏈長度設置優化結果Tab.2 Optimized anchor chain length for different seasons m

將上述河段設標時間細分為三類：洪水季、中水季與枯水季，分別探討錨鏈長度取值范圍。以武漢段(武漢關站)為例，其洪水季通常在每年的6～7月，取2015年6～7月水位平均值為13.241 6 m；枯水季在每年的1～3月，取2015年1～3月水位平均值2.464 m；中水期在每年的4～5月，取2015年4～5月水位平均值為8.456 m。將上述取值分別代入公式，計算得到洪水季、枯水季、中水季的錨鏈長度設置分別為當前水位數值的1.23倍、6.60倍以及1.907倍。

由上述計算結果可知，傳統的3～5倍水深的設標取值可進一步優化，即按照設標時段分別設置，在洪水季、中水季、枯水季采用不同的設標標準；在略計盈余的前提下，武漢段應設置為1.5倍、2.5倍、7.0倍左右較為合理。長江上游(重慶)、下游(馬鞍山)計算結果如表2所示。

3 結果分析

3.1 實測數據預處理

基于長江武漢航道處所獲取的航標運行維護數據，分別取武漢長江大橋橋區下水#2白浮、白沙洲紅燈船浮標以及二七長江大橋橋區#1白浮浮標2017年3～9月航標狀態監測數據作分析。在航標設標過程中，受GPS固有誤差影響，航標實際布設錨點存有一定的偏差；另一方面，受河床底部泥沙運動、水流、風力，以及過往船舶碰撞等，航標定位也會產生一定的偏移，從而對航標狀態監測預警產生影響。為盡可能減小上述兩方面誤差量，采用K-means聚類方法對航標漂移軌跡點進行聚類分析，由聚類中心代替航標布設點，以平滑實測數據誤差。

基于K-means算法的航標設標點修復過程如下：

(1)隨機選擇一個航標軌跡點作為起始聚類中心，并記為預設中心點。

(3)隨機更換另外一個軌跡點為中心點，并重復步驟(2)，計算剩余點距離之和。

(4)若當前中心點的距離和小于預設中心點的距離之和，則將預設中心點替換為當前點，否則，預設中心點不變。

(5)當預設中心點不再發生變化或者所有軌跡點均已搜索完畢，則算法終止；如果條件不滿足，則回到步驟(3)。

以長江武漢段天興洲航標#5白浮2017年5月數據為實驗樣本，聚類結果如圖4所示。由圖可知，聚類后的航標中心明顯更貼合于實際的航標運動軌跡。

3.2 實測結果對比

取武漢長江大橋橋區下水#2白浮、白沙洲紅燈船浮標以及二七長江大橋橋區#1白浮浮標2017年3～9月航標狀態監測數據，對比計算結果如表3所示。采用K-means聚類方法后，實現了航標錨點重新定位，一定程度上降低了航標實際偏移的計算誤差，有助于減少了航標狀態監測系統的虛假報警次數。

圖4 K-means聚類分析結果Fig.4 Clustering results by K-means algorithm

航標類別最大偏移量平均偏移量報警次數#2白浮設標中心75.943 9 m55.728 5 m136聚類中心67.796 0 m42.055 5 m89紅燈船浮設標中心97.103 6 m60.540 4 m4 297聚類中心71.410 4 m47.124 6 m2 823橋區#1白浮設標中心164.353 4 m95.998 1 m5 632聚類中心131.126 5 m92.565 6 m3 713

表4 錨鏈長度設置結果對比Tab.4 Anchor chain length setting comparison for different seasons

以長江武漢段為例，傳統的錨鏈長度設置方法為當前水深的3～5倍；在略計盈余的前提下，按照本文所建立的計算方法，洪水季、中水季、枯水季取值分別為：7.0倍、2.5倍和1.5倍。對比兩類航標錨鏈長度設置方法結果如表4所示。

由上述結果可知：單純依靠傳統經驗值的設置方法，在枯水季設標時，會發生洪水季航標錨鏈長度不夠的情況，而在中水季、洪水季，航標最大漂移距離達到了30 m及50 m的量級，甚至超出了航標漂移的預警閾值。本文提出的錨鏈長度計算方法，不僅解決了枯水季設標錨鏈長度不夠的問題，同時也將漂移最大距離降低至20 m、10 m量級，有效減少了航標最大漂移量，有助于降低航標漂移誤報警率。

4 結論

通過分析長江不同河段的水位變化特征，建立了不同時段的錨鏈長度優化計算方法；結合K-means聚類分析方法，獲得了更加精確的航標設置位置，據此分析了航標漂移特征。實測記錄數據統計結果證實，優化后的錨鏈長度取值方法以及K-means聚類方法，降低了航標漂移半徑，有助于減少航標日常運行維護中的誤報警率，提升航標管理工作效率。

航標漂移所受外界影響因素眾多，本文結合航標漂移數據處理及水位變化特征，探討了錨鏈長度設置優化計算方法，研究成果可為航標維護管理提供技術支撐，保障船舶安全通航。