基于大數(shù)據(jù)的質(zhì)量智能管控模型的探索與實(shí)踐

范文娟 宋海洋

摘要：文章提出一種基于蒙特卡洛仿真的錨地錨泊容量計(jì)算方法，并以某錨地進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明，該方法可行具有很好的適用性，能夠用于錨地錨泊容量的估算，為錨地的科學(xué)管理提供參考。

關(guān)鍵詞：蒙特卡洛;錨地;錨泊容量

中圖分類號(hào)：U691 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2020）08-0108-03

0 引言

錨地是港口和航運(yùn)發(fā)展的重要資源，也是港口生產(chǎn)的基本條件和重要的公用基礎(chǔ)設(shè)施。“十二五”期間，江蘇沿海大開發(fā)和沿江經(jīng)濟(jì)帶建設(shè)上升為國家戰(zhàn)略，江蘇沿海和沿江地區(qū)開發(fā)建設(shè)如火如荼，水上交通運(yùn)輸日益繁忙，2016年7月5日長江南京以下12.5m深水航道二期工程全線貫通，長江黃金水道海港化趨勢日益明顯。長江干線港口吞吐量、來港船舶數(shù)量持續(xù)大幅攀升，港口錨地總面積不能滿足錨泊船舶數(shù)量需求，“大港口、小錨地”的矛盾日益突出。為充分發(fā)揮和有效利用有限的錨地資源，推動(dòng)港口錨地的規(guī)劃、建設(shè)與港口碼頭泊位同步發(fā)展，對(duì)錨地使用效率和錨地船舶容量的研究已迫在眉睫。

開展錨地錨泊容量的研究，一方面可以為規(guī)劃、建設(shè)新錨地提供必要的參考，另一方面通過對(duì)錨地最大容量的研究，可有助于管理部門加強(qiáng)對(duì)進(jìn)出港船舶總量的宏觀控制，維護(hù)港口良好的通航秩序，防止過量船舶在錨地錨泊，避免因船舶間距離過小而引發(fā)的水上交通事故或險(xiǎn)情，為加強(qiáng)錨泊船科學(xué)管理提供理論依據(jù)，進(jìn)而保障船舶與港口水上交通安全。

1 研究現(xiàn)狀

關(guān)于錨地的容量和使用方面的研究，目前常用的方法主要包括統(tǒng)計(jì)法、計(jì)算機(jī)模擬法和經(jīng)驗(yàn)公式法。統(tǒng)計(jì)方法比較有代表性的如日本學(xué)者神島昭等，其研究的思路主要為通過對(duì)某一水域錨泊船的進(jìn)出及錨泊時(shí)間等數(shù)據(jù)進(jìn)行長時(shí)間的觀測和統(tǒng)計(jì)，進(jìn)而得出大量的數(shù)據(jù)樣本，根據(jù)統(tǒng)計(jì)樣本在進(jìn)一步歸納分析。統(tǒng)計(jì)的對(duì)象一般包括：錨泊船的船型和數(shù)量、錨泊船進(jìn)出錨地的時(shí)間分布、錨泊持續(xù)時(shí)間、不同時(shí)刻錨地中船舶的錨泊數(shù)量以及錨地周邊的交通流情況等。

計(jì)算機(jī)模擬法通過設(shè)定相關(guān)的情景，通過計(jì)算機(jī)大量模擬得出錨地容量數(shù)據(jù)，對(duì)于錨地中不同船型混拋的錨泊方式，通常以標(biāo)準(zhǔn)船型進(jìn)行折算，進(jìn)而得出錨地的容量。經(jīng)驗(yàn)公式法是目前我國計(jì)算錨地容量的最常用和便捷方法，一般根據(jù)《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》提供的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算船舶占用水域面積，然后根據(jù)錨地的面積、水深等情況分配錨位[1-2]。

2 基于蒙特卡洛方法計(jì)算錨地容量的設(shè)計(jì)

2.1 蒙特卡洛算法

蒙特卡洛算法是一種應(yīng)用隨機(jī)數(shù)來進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬的方法，此方法對(duì)研究的系統(tǒng)進(jìn)行隨機(jī)觀察抽樣，通過對(duì)樣本值的觀察統(tǒng)計(jì)，求得所研究系統(tǒng)的某些參數(shù)。其基本思想是：假設(shè)要求解的x是隨機(jī)變量ζ的數(shù)學(xué)期望E（ζ），則可通過以下方法對(duì)想進(jìn)行近似求解，對(duì)ζ進(jìn)行多次重復(fù)抽樣，產(chǎn)生相互獨(dú)立的ζ值ζ1，ζ2，ζ3，…，ζN，計(jì)算其算術(shù)平均值=ζi，然后根據(jù)大數(shù)定理，當(dāng)N充分大時(shí)，≈E（ζ）=x以概率1成立，即可用作為x的估計(jì)值。

2.2 蒙特卡洛算法求取錨地容量的設(shè)計(jì)

2.2.1 設(shè)計(jì)思路

將計(jì)算錨地容量問題抽象為數(shù)學(xué)模型，通過計(jì)算錨地邊界范圍內(nèi)的任意兩點(diǎn)的距離，并統(tǒng)計(jì)符合兩點(diǎn)間的距離大于錨泊船直徑的點(diǎn)，符合條件的點(diǎn)的數(shù)量即為錨地的容量。

2.2.2 計(jì)算步驟

通過MATLAB計(jì)算步驟如圖1。

（1）用MATLAB隨機(jī)產(chǎn)生服從（0，1）均勻分布的隨機(jī)數(shù)，將隨機(jī)產(chǎn)生的數(shù)值點(diǎn)限定在錨地邊界范圍內(nèi)。

（2）設(shè)置判斷標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)錨地內(nèi)已有的錨位點(diǎn)檢驗(yàn)隨機(jī)產(chǎn)生錨位點(diǎn)是否可用，即判斷兩點(diǎn)間的距離是否大于錨泊船直徑，若滿足條件，則將該點(diǎn)儲(chǔ)存起來;若不滿足條件，則再次產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)錨位點(diǎn)，再一次進(jìn)行判斷，當(dāng)系統(tǒng)連續(xù)產(chǎn)生多個(gè)（一般不少于100個(gè)）不可用的錨位點(diǎn)，則認(rèn)為錨地已被全部占用，系統(tǒng)記錄的符合條件的點(diǎn)的數(shù)量即為錨地的容量。

（3）利用計(jì)算機(jī)大量重復(fù)模擬，將獲得數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出最終的計(jì)算結(jié)果。

3 算例

以南通港某錨地為例驗(yàn)證模型的適用性，錨地布置在長江北支口上游端的西南側(cè)、北茆沙北水道的NO9黑浮與NO10黑浮連線的北側(cè)，錨地長度為3000m，寬度為960m，錨地主要供3000噸級(jí)及以下船舶錨泊。

3.1 問題的描述和假設(shè)

首先，建立一個(gè)坐標(biāo)系，X軸對(duì)應(yīng)錨地的長度，Y軸對(duì)應(yīng)錨地的寬度，單位為米，x的取值小于3000，y的取值小于960;將錨地容量的計(jì)算轉(zhuǎn)化成在給定的矩形空間中填充圓形的問題，圓形的半徑即為錨泊船的旋回半徑，在滿足規(guī)則的前提下，所能填充的圓形最大數(shù)量即為錨地的錨泊容量。

利用蒙特卡洛方法計(jì)算時(shí)，由于隨機(jī)產(chǎn)生錨位點(diǎn)，模擬計(jì)算的結(jié)果并不是一個(gè)定值，而在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，因此需要多次計(jì)算求取平均值作為錨地的容量。

3.2 錨泊半徑的計(jì)算

根據(jù)《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定，普通船采用單錨泊系泊時(shí)，每個(gè)錨位所占水域?yàn)橐粓A形面積，其半徑可按下式計(jì)算：

風(fēng)力≤7級(jí)時(shí)? ?R=L+3h+90

式中：R-單錨泊水域系泊半徑（m）;L-設(shè)計(jì)船長（m）;h-錨地水深（m）;

錨泊船型的主尺度如表1所示，經(jīng)計(jì)算3000噸級(jí)的船舶每個(gè)錨位所占水域圓形半徑約為195m，1000噸級(jí)的船舶每個(gè)錨位所占水域圓形半徑約為168m[3-4]。

3.3 模擬仿真計(jì)算

通過MATLAB編程可完成蒙特卡洛算法模擬，主要的代碼如下：

（1）數(shù)據(jù)判斷的代碼。

通過模擬計(jì)算，以1000噸級(jí)船舶為對(duì)象，通過模擬計(jì)算其均值為13.2;以3000噸級(jí)船舶為對(duì)象，通過模擬計(jì)算其均值為10.4;考慮到以標(biāo)準(zhǔn)船型進(jìn)行換算的情況，1000噸級(jí)和3000噸級(jí)船舶尺度相差不大，錨泊船的半徑差別也不大，故通過模擬計(jì)算可知，理想狀態(tài)下，該錨地的錨泊容量應(yīng)該在11～13艘。結(jié)合實(shí)際情況，由于錨地水下地形并不是均一的，3000噸級(jí)船舶和1000噸級(jí)船舶所需錨地水深不同，船舶實(shí)際拋錨的位置還需從水深和錨泊半徑兩方面綜合考慮，該錨地實(shí)際營運(yùn)中錨泊能力為，3艘3000噸級(jí)船舶和9艘10000噸級(jí)船，即錨泊容量為12艘船舶[4]。

4 結(jié)論

實(shí)例證明，將蒙特卡洛方法應(yīng)用于錨地錨泊容量的計(jì)算，方法可行，計(jì)算的結(jié)果與實(shí)際情況基本吻合，本文選取的研究對(duì)象為一規(guī)則的矩形錨地，實(shí)際中錨地多為不規(guī)則形狀，且多種類型的錨泊船混拋，針對(duì)此種情況，后續(xù)還需繼續(xù)研究，完善計(jì)算模型。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊小軍.基于隨機(jī)模擬的動(dòng)態(tài)錨地容量研究[D].上海：上海海事大學(xué)，2009.

[2] 李偉，于洋，劉賢朋.基于錨鏈狀態(tài)監(jiān)測的錨泊安全評(píng)估[J].大連海事大學(xué)海報(bào)，2004，30（1）：55-57.

[3] 王才星.錨地及錨泊船安全管理對(duì)策初探[J].交通科技，2010（4）：108-110.

[4] 南通港沿江公共錨地基礎(chǔ)信息技術(shù)咨詢報(bào)告[R].2016.