基于浮标漂移遥测的沉石移位估计方法研究

　　摘要：为了确定浮标沉石在极端条件下是否发生移位，需要结合浮标遥测定位信息和环境条件进行建模和分析。收集航标遥测数据，利用箱线图对数据进行处理;利用K-means算法求取聚类中心，作为计算浮标漂移量的基准点;分析相邻浮标在相同时间下的漂移运动特征，确定导致浮标漂移的主要原因并进行量化;通过BP神经网络对航标漂移进行预测，与极端条件发生后一段时间的浮标位置数据进行对比分析，判断沉石是否发生移位。实验结果表明，该方法能够较好地判断浮标沉石的移位情况，提高航标的管理效率。

　　关键词：浮标;沉石移位;K-means算法;BP神经网络;航海保障

　　0引言浮标是海上航行标志的一种，是标明航道方向、界限与碍航物以及帮助引导船舶航行、定位和避碰的人为设立的标志，其位置的准确性对保障海上航行安全具有重要意义。袁锦标[1]强调标位准确是航标工作人员的首要工作目标。吕英龙[2]提出要为助航标志立法，从法律层面改善航标漂移对水上航行安全的影响。郝志涛等[3]从航标的硬件出发，对浮标沉石、标体受力等情况进行深入分析并提出解决方案，从一定程度上减少了浮标漂移量。林秀明等[4]则对定位系统进行了升级，使浮标定位达到了更高的精度和准确度。

　　浮标沉石移位在很大程度上会影响浮标的位置准确性。但现阶段，浮标沉石移位方面的相关研究相对较少，没有可行的手段来判断浮标沉石是否发生移位。本文尝试利用航标遥测系统所提供的数据进行概率密度的沉石概位估计，能够判断出浮标沉石移位情况，有利于航标维护工作，确保浮标位置的准确性。

　　1浮标沉石移位原因分析

　　一处正常放置在水中的浮标由沉石、锚链和浮标标体构成，其中沉石依靠自重沉在海床，产生耙附力。锚链的长度通常按照几倍于水深配置，富余的锚链起到伸缩调节和增加海底附着力的作用。导致沉石移位的原因主要有以下两个方面：

　　(1)极端恶劣海况和天气影响。以我国东南沿海一带海域为例，每年5—10月，海上容易出现强台风、巨浪等极端恶劣天气和海况，浮标在受到风、浪、流等多种作用力合击下，连接浮标和沉石的锚链会完全离底，拉动沉石并可能使沉石发生移位，导致浮标发生异常漂移，影响浮标性能的正常发挥。

　　(2)船舶碰撞或拖带浮标。由于驾驶员疏于瞭望或操作不当等原因造成船舶偏离航道，碰撞浮标或从事捕鱼船舶作业时将渔网挂在了沉石或锚链上，直接带动了沉石的移位。本文主要研究在恶劣天气影响下浮标沉石移位的情况，船舶碰撞等人为因素导致的沉石移位暂时不予考虑。

　　2浮标漂移数据分析

　　本文以珠江口铜鼓航道T1、T5和T10号浮标为研究对象，采集一段时间内浮标GPS定位数据信息;利用箱线图对数据做预处理剔除离群点;通过Kmeans算法得出聚类中心，将该点作为沉石的概位，并以此为基准点建立浮标最大漂移距离模型，验证遥测数据的有效性;分析相邻浮标之间漂移运动的变化关系，判断一定范围海域内海况是否相似。

　　2.1浮标数据采集和预处理

　　浮标GPS数据信息每1h采集一次，通过GSM(全球移动通信系统)以短信息的形式进行数据传输。利用箱线图对采集到的数据进行预处理，剔除离群点。

　　箱线图(Box-plot)是一种用作显示一组数据分散情况的统计图。在数据分析工作中的第一步就是异常值检测，如果不加剔除地把异常值包括进数据的计算分析过程中，会对结果带来不良影响，箱线图可以提供有关数据位置和分散情况的关键信息。在箱线图中主要包含六个数据节点：将一组数据从大到小排列，分别得出它的上边缘、上四分位数

　　2.2浮标沉石位置的估计

　　根据浮标的观测位置，利用K-means聚类算法求取某一较长时间段内(一周或一月)浮标的点集中心位置，作为该浮标的沉石预估位置。K-means算法是很典型的基于距离的聚类算法，采用距离作为相似性的评价指标，即认为两个对象的距离越近，其相似度就越大。

　　2.3浮标漂移运动特征

　　选取珠江口铜鼓航道T1号、T5号和T10号浮标研究同一时间临近浮标漂移运动特征，T1号和T5号浮标间距1.74nm，T5号和T10号浮标间距1.64nm。以2020年4月15日至21日(共7天)的聚类中心为沉石概位，自22日0时至23日23时逐小时坐标与沉石概位之间的方位作对比。方位的判别方法是八方位角的任一方位角及其两侧各22.5°范围内均视为位于该方位，例如方位角为α，若22.5°≤α<67.5°，则视为α属于NE方位;若67.5°≤α<112.5°，则视为α属于E方位，以此类推。

　　3浮标沉石移位估计方法

　　3.1浮标漂移规律的假设

　　珠江口水域浮标标体可以看作是一种海面漂浮物，而海面漂浮物主要受风、流、波的影响。

　　(1)风对海面漂移物移动速度的影响主要有两个方面，一是风对物体上部的力即暴露于空气中的部分产生的拖曳力，二是风生流导致的海水流动。

　　(2)存在于海水中的流主要包括风生流、海流和潮流。当海水受风生流和海流的共同作用就会对漂移物产生拖曳力，波浪也会对漂移物有推动作用[5]。考虑到海流产生的条件是当浮标位于距海岸25nmile外或者当海水深度大于100m时，且表层海流是影响浮标漂移的主要因素[6]，而浮标所处水域均不满足上述两点，故不考虑海流对浮标的影响。潮流由于其潮涨潮落对浮标的反复拉动作用，会对浮标的漂移产生较大影响。

　　(3)根据研究，浮标露在海面的体积与波浪的波长比较起来要小很多，波浪不因浮体而散射或反射，几乎全部透过，此时波浪作用力很小，可以忽略[7]。 连接沉石和标体的锚链始终处于水中，其自身与水流的接触面积极小，所产生的拖曳力也可忽略。锚链的延展程度取决于标体的漂移距离，即取决于标体的受力情况，而锚链的作用是保持标体在一定的范围内漂移，锚链对标体的作用力是由沉石沉于海底所产生的耙附力给予的。

　　综合上述分析和本文2.4节结论，珠江口水域浮标的漂移主要受风、风生流和潮流的影响，且以风和潮流的影响为主导。假设台风等极端恶劣天气影响浮标所在水域时，沉石发生移位，由于历时较短，当该片海域重回正常状态后，认为浮标仍保持恶劣海况发生前的漂移规律。

　　3.2沉石移位仿真方法

　　海上漂移物体在风的作用下会沿着与风向成一定夹角的方向漂移，可以将风压漂移速度分为与风向一致和垂直于风向的两部分[8-9]。而当能够导致浮标沉石发生移位的强风和潮流等作用到浮标时，垂直于风向的浮标漂移距离要比与风向一致的浮标漂移距离要小得多，又沉石的自重较大，故可以认为沉石的移动方向和风向相同。

　　确定沉石在发生移位后的新位置，最直接的方法是在台风对浮标所在区域的影响结束后，通过一段时间的浮标遥测数据确定新的沉石概位，且得到的位置相对准确，缺点是耗时较长，一旦沉石发生较大移位，不能及时地出航维护。为了快速地得到新的沉石位置，本文提出一种利用BP神经网络预测浮标未来一段时间位置信息的方法：通过训练与浮标定位数据相同时间内的所处水域的水文气象信息，来预测未来一段时间内浮标的位置数据，然后与实际定位数据进行对比分析，验证预测数据的可靠性。

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　　4结论

　　针对目前缺少对浮标沉石移位判定方法的研究，提出了一套有效地解决方案。为了模拟浮标沉石在经历恶劣环境影响前后的位置变化情况，利用箱线图对一段时间的航标定位数据进行处理，结合Kmeans算法对沉石位置进行估计;据此分析了浮标漂移特征，之后基于BP神经网络对未来一段时间的浮标位置数据进行预测，与实际定位数据进行对比分析，取得了较好地效果，有助于提升航标管理工作效率。由于浮标漂移所受外界影响因素众多，本文未对所有影响因素以及因素所占权重进行分析，加之浮标定位精度所限，所得结果也会存在误差，未来还需要进一步研究。

　　参考文献：

　　[1]袁锦标.谈航标位置的维护管理[J].航海技术, 1996(1):14-17.

　　[2]吕英龙,王剑.浅析通航水域桥梁助航标志管理的立法保障[J].中国水运(下半月),2016,16(6):45-46.

　　[3]郝志涛,曾林林.浅谈在特殊水域环境下浮标移位的解决方案[J].珠江水运,2020(14):39-40.

　　[4]林秀明,郑佳春.航标遥测遥控系统升级改造技术[J].中国科技信息,2017(21):23-25.

　　[5]徐江玲,高松,葛勇,等.波浪对海上漂浮物漂移轨迹作用分析[J].防灾科技学院学报,2017,19(2):75-79.

　　[6]唐仲才.浅析影响海上救助时间和速度的因素[J].航海技术,1997(1):17-19.

　　作者：李政1,2，周春辉1,2*，陈刚1，刘宗杨1,2，赵俊男1,2