针对桥区虚拟航标优化布设的方法研究

刘三林，陈先桥，高 原

(武汉理工大学 计算机科学与技术学院，湖北 武汉430063)

1 虚拟航标技术的研究现状

航标是帮助引导船舶航行、定位和标示碍航物与标示警告的人工标志［1］，其作用是帮助船舶安全、经济、便利地航行。传统航标主要是基于视觉的、音响的和无线电的有信息服务作用的设施，容易受环境变化的影响，例如航标的缺失、移位、损坏，以及冰雪天气等，导致传统航标不能有效地提供及时准确的信息。对于像桥区这样的特殊航段无疑是一个巨大的隐患。但是随着虚拟航标技术的快速发展，这一难题有望得到解决。虚拟航标技术是通过AIS 基站播发的一种实时助航信息，航行在AIS 基站覆盖范围内安装有AIS 设备的船舶均可接收并显示虚拟电子航标符号［2］，警示船舶驾驶人员，从而达到保证船舶航行安全的目的。虚拟航标系统工作原理如图1 所示。

图1 虚拟航标系统工作原理图

目前，虚拟航标技术主要是基于AIS 技术的发展，AIS 是经过国外近10 年的研究和试验，并在国际会议组织上讨论通过的新型航行设备，具有先进的技术和可操作性的实施方案［3］。英格兰海事局于1999 年在其管辖区域内开始试验虚拟航标的应用，并将该试验的成功经验介绍给欧洲有关国家;丹麦海事局于2004 年在其水域开始发展基于AIS 网络的虚拟航标应用［4］。

我国在计算机技术、无线电技术和GIS 技术等方面相对较落后，航海业、船舶驾驶技术和电子海图技术等起步较晚，在AIS 技术上相对落后于国外。但是随着我国沿海AIS 岸基网络系统和内河AIS 岸基网络系统的建设基本完成，AIS 在沿海和内河航段已得到了广泛应用，为拓展AIS 功能、充分发挥AIS 作用打下了坚实基础。

与传统航标技术相比，虚拟航标技术有以下无可比拟的优势：①虚拟航标的应用大大降低航标的设置、更改、维护管理成本;②虚拟航标可以实时地传达通航主管部门的实时信息，并通过电子海图实时显示最新沉船或者障碍物的具体信息;③虚拟航标的设置不受天气条件、水深和位置等因素的限制。虚拟航标可以有效地解决恶劣天气或者一些航标船无法驶进区域的问题;④虚拟航标不会出现如实体航标标位漂移等问题，不存在因灯浮漂移而造成船舶搁浅的因素，导航精度更高;⑤拓展航标的助航功能。通过与DGPS 差分台和其他传感器的无线或物理衔接，AIS 航标可以向船舶提供DGPS 精确差分信息，提供航标所在水域天气、潮汐和海况数据［5］;⑥对于一些狭窄航道，设置实体航标会占用航道宽度，使原本狭小航道的通行能力更低，设置虚拟航标可以有效地解决这一问题［6］;⑦虚拟航标的设置可以通过电子航道平台实现，不存在传统航标布设涉及到的各种费用，更加经济和实惠［7］。

2 虚拟航标布设的基本原则

(1)根据航道的条件和船舶航行的特点，以及当地的水文气象信息，进行虚拟航标的布设。

(2)与真实航标类似，虚拟航标布设应沿着航道两边均匀布设，保证船舶在航行的途中，能够接收到任何一方AIS 基站发送的信号［8］。

(3)结合各个航道不同的特点，最大限度地满足航道水深、弯曲半径、航道宽度的要求，以期合理地规划出一条安全的、经济的、便利的船舶航行通道。

(4)对于特殊航道的航道口门和重要节点要予以标识，便于航行船舶提前进行反应和操作。

(5)针对航道不同季节性的水位上升、下降，虚拟航标的布设要有针对性地进行配布。在航道水位上升期间，在保证维护水深的前提下，适当放宽航道通行。在航道水位下降期间，在保证维护水深的前提下可逐步缩短航道宽度。

(6)对于一些特殊航道存在的危险点或者浅滩等危险区域应进行标识和警告，警示过往船舶注意危险，及时避让。

3 桥区虚拟航标布设数学模型

桥区航段虚拟航标布设主要涉及到航标布设点的水深，航标布设宽度，以及布设位置点等因素。对于双孔及其以上的多孔通航的桥梁，一般选择孔面航道宽度大，水流主流通过的桥孔作为下水通航桥孔。水流较缓的通航孔则作为上行通行桥孔。

设在内河航道中A点布设虚拟航标，A点水域周围水深为H(H＞0)，布设点A与对应的布设点A1之间的宽度为B(B＞0)，A与桥墩之间的水平距离为ΔB(ΔB＞0)，布设点A距离航道岸线信号发射点M垂直距离为D(D＞0)，航道可通行宽度为W(W＞0)。由于航标的布设水深需满足航道的通航等级，以及通过船舶的尺度要求。同时还要依据相关管理部门的规定预留出一定的维护水深。依据交通部指定的《内河运输船舶标准化管理规定》以一级航道作为分析对象，在条件允许的情况下，必须保证吨位不少于3 000 t 的船舶通过。结合船舶设计标准及吃水深度Hi的一般统计分析，3 000 t 船舶设计吃水深度为3.5 m。内河航道管理维护水深ΔH取值范围为0.4 ～0.5 m，因此可以得出航道的最小水深：

假定ΔH取最大值，即可以得到一级航道水深最低保证值为4.0 m。依照式(1)得到的各个不同级别航道的水深最低保证值如表1 所示。

表1 航道水深最低保证值

在实际的应用中，必须考虑不同地区的实际情况。对于维护水深ΔH的取值，在某些航段可能无法取到式(1)中的值使得Hmin变小，在这种情况下需考虑降低航道的通行标准，在能够满足式(1)的条件下，应该尽可能提高维护水深，以便能使更大的船舶顺利通过。

在满足min{Hi-Hmin}≥0 前提下，航标布设宽度最好满足max{Bi+ΔB}，以保证获得更大航道的通行能力。在满足了船舶航行通航的宽度之后，可以设置多条通行航线。结合船舶航行最短路径和航道最大利用率的原则，航标布设应在减少船舶转弯的同时，尽可能在航道水深较浅的一边航行，以便更大吃水深度的船舶通行。

同时结合船舶航行的最大吃水深度和布设宽度的分析，针对内河航道季节性的丰水和枯水期情况，结合图2 具体地分析航标布设的一般性方法。

图2 航标水深与布设宽度关系图

对于丰水期内河航道，在保证维护水深ΔH的情况下，根据安全航行水深，获取航道可以航行的宽度，然后依据布设宽度的标准得到航道的宽度L，划分出不同航向的航道。对于虚线标识的枯水期水面，在保证安全水深的前提下，将航标布设位置向水面中心移动ΔLi(ΔLi≥0)，为保证航道的通行能力，设置航标之间的距离L保持不变。需满足通过减少相应的航道个数，保证航行的通行能力。

由于虚拟航标不存在具体实物，主要通过岸基的天线发射器进行信号通信，对于布设点A到航道岸线信号发射点M垂直距离D(D＞0)应尽可能满足信号通信的要求。设一般通信标准距离为D1，则距离必须满足min{D1-D}≥0。

结合对水深、航道宽度、布设点位置等因素的分析，可以得到一个关于虚拟航标布设的多目标优化的数学模型，如式(2)和式(3)所示：

其中：h为航道水深;b为桥墩之间的距离;W为整个航道可通行宽度。通过该模型可得出虚拟航标的布设涉及到一个多目标优化处理。针对该目标模型，采用线性加权法将多目标模型转化为单目标求解。根据模型中有P个目标fi(x)(i=1，2，…，p)并且有不同的重要程度，对每个目标根据其重要程度予以一个权重wi(i=1，2，…，p)，若多目标的模型是各个目标最小化或最大化的规划问题［9］，则通过将各个目标和与之对应的权重相乘后求总和即可构造出一个具有单目标优化函数的模型，如式(4)所示：

针对该模型中的水深H、布设宽度B和信号接收距离D等因素，综合考虑实际航标布设重要性的优先级和对各因素权值的设定，笔者采取一种利用最优传递矩阵对传统层次分析法进行改进的方法。传统层次分析法的基本原理是将待评价的各因素两两比较其相对重要性，然后进行排序。由于主观判断约束性，两两比较的结果不一定具有客观一致性，因此通常需要进行一致性检验。笔者提出改进的层次分析法求得的判断矩阵能够自然地满足一致性要求，可直接求得各因素的权值［10］。其具体的构造方法如下：

(1)由标度法构造判断矩阵A=(aij)n×n，该矩阵满足aii=1，aij=1/aji，aij＞0;

(2)由得到的矩阵A，进一步得到矩阵B=(bij)n×n，其中B=lgA;

(3)最后得到构造矩阵A*= 10Cij，(Cij=其中A*是A的拟优传递矩阵，并且其是一致的，即可通过方根法求得A*的最大特征值所对应的向量即为各指标的权重W' =(，…，)，归一化后可得标准权重Wi =即得到各个因素的标准权重。

结合虚拟航标布设涉及到的水深H、布设宽度B和信号接收距离D这3 个因素，采用三标度法两两比较指标的相对重要性，得到判断矩阵M=(Mij)n×n和重要程度排序指数Ri，Rj，其中Ri，Rj如表2 所示。

表2 各因素相对重要性表

针对M中指标H、B、D，设横向取值为Mi，纵向取值为Mj，取值满足：

Ri的值满足的值满足：Rj =

将根据计算得到的Ri，Rj值代入到式(5)中：

得到判断矩阵A。根据上述构造方法，依次进行代入计算，最终得到水深H、布设宽度B、信号接收距离D因素的权重值w1=0.28、w2=0.29、w3=0.43，代入到模型中，得到一个一般虚拟航标布设的模型图，如图3 所示。

4 虚拟航标布设模型结果分析

基于上述桥区布设模型，针对武汉长江大桥桥区的实际布设要求，将武汉长江大桥桥长W=1 155.5 m、桥孔跨度b=128 m、平均航道水深h=16.5 m、AIS 信号覆盖半径D=5 km 的参数代入到多目标模型中，在长江电子航道图上进行模拟布设的试验，得到的虚拟航标布设图如图4 所示。武汉长江大桥实际航标布设图如图5 所示，通过对比可以发现模型得到的布设方案航行安全性更高，导航准确性也有一定提高，模型得到的结果是比较理想的。

图3 桥区虚拟航标布设模型图

图4 虚拟航标布设图

图5 实际航标布设图

5 结论

随着AIS 技术的广泛应用和不断发展，基于AIS 的虚拟航标将在标识通航分道、划分不同水深航路等方面发挥巨大作用。针对桥区航段虚拟航标的布设，笔者从航标的布设原则、影响航标布设水深、航道宽度、间距等因素进行分析，建立了一个关于虚拟航标布设的多目标优化模型，利用虚拟航标布设规划航道进行了一次有益的探索。

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［6］吴建华，李红祥，周鹏.虚拟航标系统的开发与仿真［J］.中国航海，2007(4)：54 -57.

［7］周家铭.基于AIS 的数字航标设计［D］.福州：福建师范大学图书馆，2013.

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［9］肖晓伟，肖迪.多目标优化问题的研究概述［J］. 计算机应用研究，2011，3(3)：806 -808.

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