船舶溢油GIS 系統(tǒng)避險設(shè)計

李成海 馮曰林 胡甚平

（1.山東交通職業(yè)學(xué)院航海系，山東濰坊 261206；2.上海海事大學(xué)商船學(xué)院，上海 201306 ）

0 引言

隨著航運(yùn)科技的迅速發(fā)展，船舶大型化、高速化引發(fā)的溢油事故頻發(fā)，對海洋環(huán)境污染后果愈發(fā)嚴(yán)重。2021 年4月，青島海域發(fā)生的巴拿馬籍“義海”輪與利比里亞籍“交響樂”輪碰撞事故造成了約9 400 t 原油入海，溢油面積達(dá)4 360 km2，生態(tài)損失債權(quán)達(dá)37.4 億元。為方便應(yīng)急管理部門盡最大可能降低事故危害的目的，實時掌控溢油擴(kuò)散范圍及移動趨勢信息，以方便部署應(yīng)急救助力量，通知事故點(diǎn)附近船舶施救或撤離，并確認(rèn)事故風(fēng)險性質(zhì)后告知貨輪和客輪等船舶避免進(jìn)入溢油事故影響海域，以方便消防救助團(tuán)隊實施指揮中心部署的任務(wù)。通過查閱相關(guān)研究成果及預(yù)估溢油擴(kuò)散系統(tǒng)的溢油油膜擴(kuò)散移動模型，可取得較精確的預(yù)估結(jié)果，但系統(tǒng)缺少溢油事故擴(kuò)散海域及其附近的船舶信息及其數(shù)據(jù)顯示，難以實現(xiàn)科學(xué)施救指揮。為了實現(xiàn)船舶溢油擴(kuò)散移動動態(tài)可實時監(jiān)視和預(yù)警的目的，以及溢油事故點(diǎn)附近船舶搜尋和調(diào)度目標(biāo)，運(yùn)用空間地理信息平臺和平臺上的信息，使用模型模擬方式對船舶溢油擴(kuò)散面、移動趨勢的預(yù)估，以及溢油事故海區(qū)及其附近海域船舶信息的搜尋，實現(xiàn)對事故信息的顯示，并形成避險圖。研究系統(tǒng)以“義海”輪和“交響樂”輪碰撞溢油案例進(jìn)行模型模擬分析，模擬結(jié)果為完善應(yīng)急策略的制定和施救措施科學(xué)化，提供應(yīng)急指導(dǎo)。

1 空間管理信息優(yōu)勢

1.1 空間數(shù)據(jù)融合能力

含有SDX+、Spatialware 和AreSDE 技術(shù)引擎，是空間引擎數(shù)據(jù)庫信息系統(tǒng)的重要技術(shù)。為實現(xiàn)ArcTocControl 的融合顯示及分層管理[1]，利用空間數(shù)據(jù)AreSDE 引擎將各類型數(shù)據(jù)儲存在船舶溢油GIS 避險系統(tǒng)，從而使空間系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫即可提供相應(yīng)的屬性信息，又可提供與船舶溢油空間特征的相關(guān)數(shù)據(jù)。

GIS 可對各數(shù)據(jù)源進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，發(fā)揮強(qiáng)大有效融合能力的優(yōu)勢，避免單數(shù)據(jù)源提供的數(shù)據(jù)信息不詳?shù)娜笔В鰪?qiáng)數(shù)據(jù)源相互特長的互補(bǔ)。將GIS 界面中疊加融合多源數(shù)據(jù)，并進(jìn)行空間計算，系統(tǒng)計算結(jié)果證明船舶溢油GIS 系統(tǒng)的可靠性。通過空間校正和地理配準(zhǔn)技術(shù)構(gòu)建拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對異源數(shù)據(jù)的多方式處置，使其保障邏輯關(guān)系和空間位置的詳盡和可信性。

1.2 分析數(shù)據(jù)空間屬性

GIS屬性數(shù)值和空間數(shù)據(jù)的空間分析為前提，加以拓展、分割和疊加后搜索和挖掘潛在的數(shù)據(jù)信息，以轉(zhuǎn)換空間數(shù)據(jù)方式回復(fù)查詢。GIS 具有900 多地理處置（geoprocessing,GP）手的強(qiáng)大功能空間分析庫，以ArcToolbox 形式對地理處置手進(jìn)行管理，選用時直接鍵入?yún)?shù)輸出相應(yīng)的地理處置結(jié)果[2]，也可對更多GP 手進(jìn)行組合，以取得更系統(tǒng)的功能分析技術(shù)。

2 船舶溢油系統(tǒng)的開發(fā)

運(yùn)用Arcgis Engine 與Net 架構(gòu)及Visual Studio 技術(shù)和GIS 技術(shù)相結(jié)合的船舶溢油避險系統(tǒng)模型設(shè)計。Arcgis Engine運(yùn)用COM 組件技術(shù)參考集，Visual Studio 全面面向參考對象語言，具有高效編程、可移植的優(yōu)點(diǎn)，利用其優(yōu)點(diǎn)可實行對ArcGIS Desktop 剝離的應(yīng)用編程[3]，設(shè)計流程如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)編程流程圖

數(shù)據(jù)階次利用融合方式加入溢油數(shù)據(jù)庫的信息，即運(yùn)行模型的鍵入數(shù)據(jù)。為了預(yù)處理數(shù)據(jù)以使輸出的數(shù)據(jù)較準(zhǔn)確，需對多源數(shù)據(jù)進(jìn)行融合。原始紙質(zhì)海圖無詳細(xì)空間信息，對紙質(zhì)海圖加載數(shù)據(jù)后，根據(jù)海圖圖框標(biāo)注的經(jīng)緯度和圖號等信息進(jìn)行地理校準(zhǔn)到準(zhǔn)確位置，使圖層形成基礎(chǔ)海圖。根據(jù)GIS 界面顯示的經(jīng)緯度地理信息，對速度和方向信息及風(fēng)浪信息圖層數(shù)據(jù)進(jìn)行插值計算。空間數(shù)據(jù)經(jīng)過自動識別系統(tǒng)（Automatic Identification System,AIS）按規(guī)則提取后，進(jìn)入數(shù)據(jù)庫，形成含有船速、船艏向和船位的信息點(diǎn)，形成空間數(shù)據(jù)分布圖。疊加數(shù)據(jù)方式，如圖2 所示。

圖2 疊加的數(shù)據(jù)顯示方式

模型階次為避險模型與溢油預(yù)估模型，科學(xué)運(yùn)算船舶溢油避險系統(tǒng)方法。避險模型是提取溢油海區(qū)周圍船舶構(gòu)建事故影響緩沖海區(qū)，并對緩沖海區(qū)船舶按船舶類型分類。溢油預(yù)估模型是實現(xiàn)溢油移動方向預(yù)估與溢油擴(kuò)散面預(yù)估的功能，溢油移動方向預(yù)估是根據(jù)當(dāng)時海面上風(fēng)流信息對溢油移動方向的預(yù)估，并計算和預(yù)估給定溢油重量的擴(kuò)散面積。

邏輯階次是模型計算船舶溢油實際發(fā)生事故的流程。系統(tǒng)通過海上氣象數(shù)據(jù)、擴(kuò)散模型給定的擴(kuò)散海區(qū)面積和溢油事故具體位置進(jìn)行船舶溢油方向的預(yù)估，然后運(yùn)用分析法疊加、分析的緩沖海區(qū)結(jié)果和避險模型，取得較準(zhǔn)確的避險范圍和溢油影響海區(qū)范圍，對系統(tǒng)界面模型結(jié)果綜合分析后，形成船舶溢油避險預(yù)案。

應(yīng)用階次是含有溢油信息、溢油預(yù)估和信息融合3 個模塊的系統(tǒng)設(shè)計。溢油信息模塊含有事故海域及其附近海區(qū)船舶查詢，可快速鎖定溢油海區(qū)船舶及發(fā)送接口預(yù)留溢油信息，以警示船舶避險；溢油預(yù)估模塊是對海上環(huán)境要素和溢油時間準(zhǔn)確信息條件下，預(yù)估溢油擴(kuò)散面積；信息融合模塊是通過船舶信息、溢油總量和溢油位置的數(shù)據(jù)，為系統(tǒng)提供實時數(shù)據(jù)支持。

3 系統(tǒng)避險技術(shù)

3.1 溢油預(yù)估模型

船舶受損發(fā)送溢油事故時，溢油油層厚且向四周快速擴(kuò)散，表明事故初期處于擴(kuò)散最快階段，當(dāng)油層變成薄而碎的油膜時，通常認(rèn)為結(jié)束了溢油擴(kuò)散。溢油海面擴(kuò)散階段，在海上風(fēng)浪作用下油膜在海上漂移擴(kuò)散，海面上形成帶狀油污區(qū)塊。

針對遼闊海面船舶瞬時溢油，選用Fay 研究成果表明，油膜受張力、重力、粘滯力和慣性力的作用，并向四周呈環(huán)形擴(kuò)散的過程，當(dāng)出現(xiàn)圓形分布的油污時，表明擴(kuò)散終結(jié)。根據(jù)溢油擴(kuò)散時期不同作用力不同，F(xiàn)AY 法將粘滯力—張力、重力—黏滯力和重力—慣性力劃分為3 個時間段，在各時間段內(nèi)，2 種力的方向趨于平衡后，向下一時間段發(fā)展，溢油油膜擴(kuò)散尺度計算公式，見表1。

表1 船舶溢油油膜尺度擴(kuò)散公式

表1 中，C1、C2和C3代表各時間段擴(kuò)散油膜的直徑，h1、h2和h3代表各時間段油膜擴(kuò)散經(jīng)驗系數(shù)，海上環(huán)境決定事故的具體數(shù)值；k 代表計算的溢油開始時間，W代表海上溢油總量；γ代表水的沾滯系數(shù)；s代表重力加速度；ρ代表水密度；σ代表張力系數(shù)；β是常數(shù)，由密度和溢油密度來決定。

根據(jù)Fay 法及大量結(jié)果分析，在海上溢油完成擴(kuò)散后，溢油量與溢油面積具有的關(guān)系為：

式（1）中，B 代表油污擴(kuò)散面積；W 代表溢油總量。船舶溢油擴(kuò)散面積在剛開始時擴(kuò)散速度最快，當(dāng)擴(kuò)散第三時間段結(jié)束后，即沾滯力和張力平衡時，油污面不再擴(kuò)散，時間段與溢油面關(guān)系，如圖3 所示。

圖3 隨時間段變化溢油面關(guān)系

選用文獻(xiàn)[4]宋朋遠(yuǎn)教授的分析溢油擴(kuò)散模型，海流和海風(fēng)因素決定油膜在海上的擴(kuò)散。油膜不再擴(kuò)散后，厚度變小，擴(kuò)散的變化過程是持續(xù)的。擴(kuò)散運(yùn)動距離和移動速度為：

式（2）式（3）中，wojl、wd和wv代表溢油擴(kuò)散速度、海上流速和風(fēng)速，h 代表風(fēng)力系數(shù)，取值為3%～4%，本研究取中間值3.5%；E 代表溢油擴(kuò)散距離；Δk 代表溢油擴(kuò)散的時間；k 代表溢油擴(kuò)散開始的時間。溢油油膜向海風(fēng)和海浪作用力的方向擴(kuò)散，其擴(kuò)展圖，如圖4 所示。

圖4 溢油油膜移動示意圖

3.2 構(gòu)建避險模型

通過疊加分析和分析緩沖海區(qū)的形式，構(gòu)建船舶溢油避險模型。分析緩沖海區(qū)是辨識某地理位置，根據(jù)點(diǎn)、線、面地理性質(zhì)，構(gòu)建具有一定寬度的多邊形形狀范圍的地理緩沖海區(qū)，以便確定地理要素各異的相鄰空間及接近程度的分析法[5]。設(shè)定目標(biāo)B，其定義緩沖海區(qū)為：

式（4）中，B 代表目標(biāo)標(biāo)的；y 代表在某時間段緩沖海區(qū)地理位置；c 代表目標(biāo)標(biāo)的B 和y 之間的距離；V 代表緩沖距離，可將小于V 的距離B 海區(qū)篩選出來。在船舶溢油避險模型內(nèi)由海事監(jiān)督部門依據(jù)職責(zé)和事故性質(zhì)、危害程度和事故性質(zhì)，劃分溢油事故造成的影響范圍，確認(rèn)溢油事故影響半徑V 的范圍，半徑數(shù)值鍵入系統(tǒng)構(gòu)建溢油海區(qū)影響范圍的緩沖海區(qū)。

實時發(fā)送船舶溢油事故影響海區(qū)避險信息法，避險模型選用相交算法的疊加分析法，分析過程是鍵入要素與相交算法疊加分析結(jié)果的交集過程。因為點(diǎn)、線、面三要素可相互交錯操作，所以，交集分析分為七大類[6]。對面積要素事故地理位置和AIS 船舶要素數(shù)據(jù)進(jìn)行影響海區(qū)地理交集處理，取得在溢油避險海區(qū)內(nèi)船舶。計算原理為：

式（5）中，Eship代表船舶集合，F(xiàn)ship代表溢油事故附近的船舶，F(xiàn)ship代表溢油事故的緩沖海區(qū)。同時，根據(jù)事故危險程度以類型區(qū)分及溢油事故的地理范圍，發(fā)送救助信息和避險請求，如圖5 所示。根據(jù)溢油緩沖海區(qū)和船舶航經(jīng)海區(qū)進(jìn)行分類[7]，在圖5 中，橢圓形狀代表溢油事故影響范圍的緩沖海區(qū)，三角形代表船舶溢油影響范圍外的船舶，十字形代表溢油事故海區(qū)緊急避險事故的船舶形式，方形代表溢油事故提供救助的救援船類型。

圖5 溢油船舶避險圖

4 溢油船舶實例事故的驗證

4.1 青島外海兩艘外輪碰撞造成溢油事故

系統(tǒng)以巴拿馬籍“義海”輪與利比里亞籍“交響樂”輪碰撞溢油作為事故研究對象模型實例計算，計算結(jié)果證明系統(tǒng)運(yùn)行的準(zhǔn)確程度[8]。據(jù)山東海事局調(diào)查，2021 年4 月27 日9：00 許，在青島朝連島東南海域距離青島港40 n mile 海域發(fā)生碰撞事故，事故造成約9 400 t 溢油入海。經(jīng)初步估算兩輪破損修理費(fèi)約3 500 萬元，泄露貨油價值2 200 萬元，溢油面積達(dá)4 360 km2，生態(tài)損失債權(quán)37.4億元。事故發(fā)生時，“義海”輪存有1 046.09 t 自用燃油，“交響樂”輪存有481.6 t自用燃油。兩輪碰撞事故溢油中有以揮發(fā)很強(qiáng)的自用輕燃油，這對大氣環(huán)境有污染危害，而船用重柴油不易揮發(fā)，溢油入海持續(xù)污染，這是海洋污染的主要因素。為了方便評估溢油72 h 擴(kuò)散軌跡，查詢青島海域4 月27 日9：00 的海上氣象、潮流信息，并對青島海域近海面10 m 上空海上風(fēng)力、風(fēng)向和海面流速、流向制成數(shù)據(jù)柵格圖，數(shù)據(jù)信息加入溢油信息庫，青島海域72 h 的海風(fēng)和海流信息[9]，見表2。

表2 青島海域風(fēng)流信息表

4.2 兩外輪溢油預(yù)估模型

運(yùn)用GIS 的處置力進(jìn)行溢油擴(kuò)散海域模擬[10]。首先以輸入的地理經(jīng)緯度事故點(diǎn)確認(rèn)要素的圓心，溢油預(yù)估模型中導(dǎo)入溢油量預(yù)估油膜擴(kuò)散范圍，確認(rèn)溢油膜面最大時的半徑，在海上標(biāo)繪系統(tǒng)建立對應(yīng)面要素。

在溢油擴(kuò)散模型中輸入海上風(fēng)、流參數(shù)并進(jìn)行計算，取得油膜擴(kuò)散的距離，在溢油擴(kuò)散海區(qū)建立同一的溢油油膜擴(kuò)散面要素，運(yùn)用要素編輯具有擴(kuò)散的功能，依據(jù)溢油油膜擴(kuò)散移動距離，取得新要素移動Y、X 數(shù)值，依次生成此后時間段的油膜擴(kuò)散海域，從而對溢油油膜擴(kuò)散軌跡的預(yù)估和模擬[11]。此后生成的24 h、48 h 和72 h 的溢油油膜擴(kuò)散移動軌跡模擬圖，如圖6 所示。

圖6 溢油油膜擴(kuò)散軌跡模擬圖

4.3 兩外輪溢油避險模型模擬

因為船舶溢油污染海上環(huán)境，為盡量減少事故擴(kuò)散的風(fēng)險，應(yīng)第一時間通知事故現(xiàn)場附近船舶采取應(yīng)急措施避險。溢油油膜擴(kuò)散移動預(yù)估完成后，須確認(rèn)系統(tǒng)內(nèi)溢油事故的影響范圍，參照《船舶油污染事故等級》劃分標(biāo)準(zhǔn)[12]，運(yùn)用溢油避險模擬模型，根據(jù)溢油泄漏量和事故造成的經(jīng)濟(jì)損失，將溢油事故分為4 個等級，見表3。

表3 船舶溢油污染事故級別表

國家應(yīng)急管理部門根據(jù)行業(yè)規(guī)定，科學(xué)設(shè)置事故影響控制范圍。模擬系統(tǒng)兩外輪碰撞溢油事故影響范圍為5 n mile和10 n mile 半徑的海域[13]，此海域設(shè)定為影響較危險或非常危險的海域，從而形成多環(huán)狀緩沖海區(qū)，為了劃分溢油事故影響程度，系統(tǒng)根據(jù)AIS 數(shù)據(jù)在青島朝連島海域模擬的船舶，各模擬船舶信息，能滿足系統(tǒng)模擬的要求[14]。根據(jù)系統(tǒng)模擬的各船舶和兩外輪溢油擴(kuò)散情況，將船舶信息數(shù)據(jù)和形成的緩沖海區(qū)的結(jié)果作為參數(shù)鍵入模擬模型中，運(yùn)用GIS 法進(jìn)行分析和計算，根據(jù)影響范圍內(nèi)船舶類型對其符號化并顯示，其分為消防救助船舶和撤離此海區(qū)船舶兩大類，如果是貨輪、客輪應(yīng)令其避險，系統(tǒng)顯示十字形，如果是消防救助船舶令其施救并使其獲得救助信息[15]，最后形成避險圖，方便應(yīng)急救助部門施救。

5 結(jié)束語

本研究針對船舶溢油事故應(yīng)急施救策略的缺失部分，運(yùn)用船舶溢油擴(kuò)散和溢油油膜移動模型，構(gòu)建了船舶避險模型模擬。利用GIS法技術(shù)研發(fā)設(shè)計了船舶溢油擴(kuò)散避險模型，并以在青島海域“義海”輪和“交響樂”輪外籍船舶碰撞溢油入海事故作為案例對關(guān)鍵的系統(tǒng)技術(shù)和模型模擬結(jié)果進(jìn)行了分析，同時在模型中初步完善應(yīng)急系統(tǒng)，驗證結(jié)果為修訂應(yīng)急救助措施提供理論支持。