摘要：為了確定浮標(biāo)沉石在極端條件下是否發(fā)生移位，需要結(jié)合浮標(biāo)遙測(cè)定位信息和環(huán)境條件進(jìn)行建模和分析。收集航標(biāo)遙測(cè)數(shù)據(jù)，利用箱線圖對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理;利用K-means算法求取聚類中心，作為計(jì)算浮標(biāo)漂移量的基準(zhǔn)點(diǎn);分析相鄰浮標(biāo)在相同時(shí)間下的漂移運(yùn)動(dòng)特征，確定導(dǎo)致浮標(biāo)漂移的主要原因并進(jìn)行量化;通過(guò)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)航標(biāo)漂移進(jìn)行預(yù)測(cè)，與極端條件發(fā)生后一段時(shí)間的浮標(biāo)位置數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，判斷沉石是否發(fā)生移位。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能夠較好地判斷浮標(biāo)沉石的移位情況，提高航標(biāo)的管理效率。

　　關(guān)鍵詞：浮標(biāo);沉石移位;K-means算法;BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);航海保障

　　0引言浮標(biāo)是海上航行標(biāo)志的一種，是標(biāo)明航道方向、界限與礙航物以及幫助引導(dǎo)船舶航行、定位和避碰的人為設(shè)立的標(biāo)志，其位置的準(zhǔn)確性對(duì)保障海上航行安全具有重要意義。袁錦標(biāo)[1]強(qiáng)調(diào)標(biāo)位準(zhǔn)確是航標(biāo)工作人員的首要工作目標(biāo)。呂英龍[2]提出要為助航標(biāo)志立法，從法律層面改善航標(biāo)漂移對(duì)水上航行安全的影響。郝志濤等[3]從航標(biāo)的硬件出發(fā)，對(duì)浮標(biāo)沉石、標(biāo)體受力等情況進(jìn)行深入分析并提出解決方案，從一定程度上減少了浮標(biāo)漂移量。林秀明等[4]則對(duì)定位系統(tǒng)進(jìn)行了升級(jí)，使浮標(biāo)定位達(dá)到了更高的精度和準(zhǔn)確度。

　　浮標(biāo)沉石移位在很大程度上會(huì)影響浮標(biāo)的位置準(zhǔn)確性。但現(xiàn)階段，浮標(biāo)沉石移位方面的相關(guān)研究相對(duì)較少，沒(méi)有可行的手段來(lái)判斷浮標(biāo)沉石是否發(fā)生移位。本文嘗試?yán)�用航�?biāo)遙測(cè)系統(tǒng)所提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行概率密度的沉石概位估計(jì)，能夠判斷出浮標(biāo)沉石移位情況，有利于航標(biāo)維護(hù)工作，確保浮標(biāo)位置的準(zhǔn)確性。

　　1浮標(biāo)沉石移位原因分析

　　一處正常放置在水中的浮標(biāo)由沉石、錨鏈和浮標(biāo)標(biāo)體構(gòu)成，其中沉石依靠自重沉在海床，產(chǎn)生耙附力。錨鏈的長(zhǎng)度通常按照幾倍于水深配置，富余的錨鏈起到伸縮調(diào)節(jié)和增加海底附著力的作用。導(dǎo)致沉石移位的原因主要有以下兩個(gè)方面：

　　(1)極端惡劣海況和天氣影響。以我國(guó)東南沿海一帶海域?yàn)槔�，每�?—10月，海上容易出現(xiàn)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)、巨浪等極端惡劣天氣和海況，浮標(biāo)在受到風(fēng)、浪、流等多種作用力合擊下，連接浮標(biāo)和沉石的錨鏈會(huì)完全離底，拉動(dòng)沉石并可能使沉石發(fā)生移位，導(dǎo)致浮標(biāo)發(fā)生異常漂移，影響浮標(biāo)性能的正常發(fā)揮。

　　(2)船舶碰撞或拖帶浮標(biāo)。由于駕駛員疏于瞭望或操作不當(dāng)?shù)仍�因造成船舶偏離航道，碰撞浮標(biāo)或從事捕魚船舶作業(yè)時(shí)將漁網(wǎng)掛在了沉石或錨鏈上，直接帶動(dòng)了沉石的移位。本文主要研究在惡劣天氣影響下浮標(biāo)沉石移位的情況，船舶碰撞等人為因素導(dǎo)致的沉石移位暫時(shí)不予考慮。

　　2浮標(biāo)漂移數(shù)據(jù)分析

　　本文以珠江口銅鼓航道T1、T5和T10號(hào)浮標(biāo)為研究對(duì)象，采集一段時(shí)間內(nèi)浮標(biāo)GPS定位數(shù)據(jù)信息;利用箱線圖對(duì)數(shù)據(jù)做預(yù)處理剔除離群點(diǎn);通過(guò)Kmeans算法得出聚類中心，將該點(diǎn)作為沉石的概位，并以此為基準(zhǔn)點(diǎn)建立浮標(biāo)最大漂移距離模型，驗(yàn)證遙測(cè)數(shù)據(jù)的有效性;分析相鄰浮標(biāo)之間漂移運(yùn)動(dòng)的變化關(guān)系，判斷一定范圍海域內(nèi)海況是否相似。

　　2.1浮標(biāo)數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理

　　浮標(biāo)GPS數(shù)據(jù)信息每1h采集一次，通過(guò)GSM(全球移動(dòng)通信系統(tǒng))以短信息的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。利用箱線圖對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，剔除離群點(diǎn)。

　　箱線圖(Box-plot)是一種用作顯示一組數(shù)據(jù)分散情況的統(tǒng)計(jì)圖。在數(shù)據(jù)分析工作中的第一步就是異常值檢測(cè)，如果不加剔除地把異常值包括進(jìn)數(shù)據(jù)的計(jì)算分析過(guò)程中，會(huì)對(duì)結(jié)果帶來(lái)不良影響，箱線圖可以提供有關(guān)數(shù)據(jù)位置和分散情況的關(guān)鍵信息。在箱線圖中主要包含六個(gè)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)：將一組數(shù)據(jù)從大到小排列，分別得出它的上邊緣、上四分位數(shù)

　　2.2浮標(biāo)沉石位置的估計(jì)

　　根據(jù)浮標(biāo)的觀測(cè)位置，利用K-means聚類算法求取某一較長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)(一周或一月)浮標(biāo)的點(diǎn)集中心位置，作為該浮標(biāo)的沉石預(yù)估位置。K-means算法是很典型的基于距離的聚類算法，采用距離作為相似性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，即認(rèn)為兩個(gè)對(duì)象的距離越近，其相似度就越大。

　　2.3浮標(biāo)漂移運(yùn)動(dòng)特征

　　選取珠江口銅鼓航道T1號(hào)、T5號(hào)和T10號(hào)浮標(biāo)研究同一時(shí)間臨近浮標(biāo)漂移運(yùn)動(dòng)特征，T1號(hào)和T5號(hào)浮標(biāo)間距1.74nm，T5號(hào)和T10號(hào)浮標(biāo)間距1.64nm。以2020年4月15日至21日(共7天)的聚類中心為沉石概位，自22日0時(shí)至23日23時(shí)逐小時(shí)坐標(biāo)與沉石概位之間的方位作對(duì)比。方位的判別方法是八方位角的任一方位角及其兩側(cè)各22.5°范圍內(nèi)均視為位于該方位，例如方位角為α，若22.5°≤α<67.5°，則視為α屬于NE方位;若67.5°≤α<112.5°，則視為α屬于E方位，以此類推。

　　3浮標(biāo)沉石移位估計(jì)方法

　　3.1浮標(biāo)漂移規(guī)律的假設(shè)

　　珠江口水域浮標(biāo)標(biāo)體可以看作是一種海面漂浮物，而海面漂浮物主要受風(fēng)、流、波的影響。

　　(1)風(fēng)對(duì)海面漂移物移動(dòng)速度的影響主要有兩個(gè)方面，一是風(fēng)對(duì)物體上部的力即暴露于空氣中的部分產(chǎn)生的拖曳力，二是風(fēng)生流導(dǎo)致的海水流動(dòng)。

　　(2)存在于海水中的流主要包括風(fēng)生流、海流和潮流。當(dāng)海水受風(fēng)生流和海流的共同作用就會(huì)對(duì)漂移物產(chǎn)生拖曳力，波浪也會(huì)對(duì)漂移物有推動(dòng)作用[5]�？紤]到海流產(chǎn)生的條件是當(dāng)浮標(biāo)位于距海岸25nmile外或者當(dāng)海水深度大于100m時(shí)，且表層海流是影響浮標(biāo)漂移的主要因素[6]，而浮標(biāo)所處水域均不滿足上述兩點(diǎn)，故不考慮海流對(duì)浮標(biāo)的影響。潮流由于其潮漲潮落對(duì)浮標(biāo)的反復(fù)拉動(dòng)作用，會(huì)對(duì)浮標(biāo)的漂移產(chǎn)生較大影響。

　　(3)根據(jù)研究，浮標(biāo)露在海面的體積與波浪的波長(zhǎng)比較起來(lái)要小很多，波浪不因浮體而散射或反射，幾乎全部透過(guò)，此時(shí)波浪作用力很小，可以忽略[7]。 連接沉石和標(biāo)體的錨鏈?zhǔn)冀K處于水中，其自身與水流的接觸面積極小，所產(chǎn)生的拖曳力也可忽略。錨鏈的延展程度取決于標(biāo)體的漂移距離，即取決于標(biāo)體的受力情況，而錨鏈的作用是保持標(biāo)體在一定的范圍內(nèi)漂移，錨鏈對(duì)標(biāo)體的作用力是由沉石沉于海底所產(chǎn)生的耙附力給予的。

　　綜合上述分析和本文2.4節(jié)結(jié)論，珠江口水域浮標(biāo)的漂移主要受風(fēng)、風(fēng)生流和潮流的影響，且以風(fēng)和潮流的影響為主導(dǎo)。假設(shè)臺(tái)風(fēng)等極端惡劣天氣影響浮標(biāo)所在水域時(shí)，沉石發(fā)生移位，由于歷時(shí)較短，當(dāng)該片海域重回正常狀態(tài)后，認(rèn)為浮標(biāo)仍保持惡劣海況發(fā)生前的漂移規(guī)律。

　　3.2沉石移位仿真方法

　　海上漂移物體在風(fēng)的作用下會(huì)沿著與風(fēng)向成一定夾角的方向漂移，可以將風(fēng)壓漂移速度分為與風(fēng)向一致和垂直于風(fēng)向的兩部分[8-9]。而當(dāng)能夠?qū)е赂��?biāo)沉石發(fā)生移位的強(qiáng)風(fēng)和潮流等作用到浮標(biāo)時(shí)，垂直于風(fēng)向的浮標(biāo)漂移距離要比與風(fēng)向一致的浮標(biāo)漂移距離要小得多，又沉石的自重較大，故可以認(rèn)為沉石的移動(dòng)方向和風(fēng)向相同。

　　確定沉石在發(fā)生移位后的新位置，最直接的方法是在臺(tái)風(fēng)對(duì)浮標(biāo)所在區(qū)域的影響結(jié)束后，通過(guò)一段時(shí)間的浮標(biāo)遙測(cè)數(shù)據(jù)確定新的沉石概位，且得到的位置相對(duì)準(zhǔn)確，缺點(diǎn)是耗時(shí)較長(zhǎng)，一旦沉石發(fā)生較大移位，不能及時(shí)地出航維護(hù)。為了快速地得到新的沉石位置，本文提出一種利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)浮標(biāo)未來(lái)一段時(shí)間位置信息的方法：通過(guò)訓(xùn)練與浮標(biāo)定位數(shù)據(jù)相同時(shí)間內(nèi)的所處水域的水文氣象信息，來(lái)預(yù)測(cè)未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)浮標(biāo)的位置數(shù)據(jù)，然后與實(shí)際定位數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性。

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　　4結(jié)論

　　針對(duì)目前缺少對(duì)浮標(biāo)沉石移位判定方法的研究，提出了一套有效地解決方案。為了模擬浮標(biāo)沉石在經(jīng)歷惡劣環(huán)境影響前后的位置變化情況，利用箱線圖對(duì)一段時(shí)間的航標(biāo)定位數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，結(jié)合Kmeans算法對(duì)沉石位置進(jìn)行估計(jì);據(jù)此分析了浮標(biāo)漂移特征，之后基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)未來(lái)一段時(shí)間的浮標(biāo)位置數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，與實(shí)際定位數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，取得了較好地效果，有助于提升航標(biāo)管理工作效率。由于浮標(biāo)漂移所受外界影響因素眾多，本文未對(duì)所有影響因素以及因素所占權(quán)重進(jìn)行分析，加之浮標(biāo)定位精度所限，所得結(jié)果也會(huì)存在誤差，未來(lái)還需要進(jìn)一步研究。

　　參考文獻(xiàn)：

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　　作者：李政1,2，周春輝1,2*，陳剛1，劉宗楊1,2，趙俊男1,2