劉志晨，李穎，于文博，趙術(shù)林

(大連海事大學(xué) a.航海學(xué)院；b.環(huán)境信息研究所，遼寧 大連 116026)

針對海況的復(fù)雜多變，無法及時(shí)對大量事故的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效處理與空間分析，增加了搜救工作的開展難度。為了減少事故帶來的損失，亟須依靠一種可對空間數(shù)據(jù)進(jìn)行快速處理與空間分析的方法來提高海上應(yīng)急救助和保障能力。

目前，GIS是以空間數(shù)據(jù)處理與空間分析為核心的一項(xiàng)空間信息平臺，GIS技術(shù)已在海洋漁業(yè)[1]、海洋環(huán)境評價(jià)[2-3]，以及防災(zāi)減災(zāi)[4]等方面開展了相關(guān)研究并取得較好的應(yīng)用效果，而在海上搜救領(lǐng)域的研究相對較少。由于海上搜救決策的準(zhǔn)確性需要及時(shí)有效的空間信息分析支持，針對我國目前搜救信息分散尚未建立統(tǒng)一平臺的現(xiàn)狀，可利用GIS在多源空間數(shù)據(jù)分析與處理上的優(yōu)勢，可為海上遇難船舶空間信息進(jìn)行數(shù)值模擬、模型構(gòu)造與空間分析提供一整套基于GIS規(guī)范空間操作，以反映具有空間分布特性的船舶搜尋救助系統(tǒng)。國外有關(guān)研究機(jī)構(gòu)和公司對于海上搜救流程進(jìn)行了深入而細(xì)致的研究，開發(fā)出了一些具有實(shí)用價(jià)值的海上搜救輔助決策系統(tǒng)軟件[5-6]。這些軟件和方法中集成了大量的船只資料和險(xiǎn)情應(yīng)急處置模型，對于實(shí)際的海上搜救行動(dòng)具有很好的指導(dǎo)價(jià)值。近些年來，一些學(xué)者對搜救目標(biāo)的準(zhǔn)確探測與搜救區(qū)域計(jì)算分析進(jìn)行了研究[7-9]，但進(jìn)行搜救模型的計(jì)算仿真與空間數(shù)據(jù)的處理分別在不同平臺下完成，兼容性差，影響分析效率，且海上氣象水文、自然環(huán)境等海洋地理信息數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)類型復(fù)雜多變、搜救模型計(jì)算相對繁瑣等特點(diǎn)，影響海上搜救業(yè)務(wù)的迅速?zèng)Q策。針對該問題，本文提出在空間信息平臺下采用相對簡化的改進(jìn)緩沖區(qū)分析和疊置算法對搜救區(qū)域進(jìn)行空間分布特征的分析，獲取事故點(diǎn)對周圍海域影響范圍圖層與事故海域救援風(fēng)險(xiǎn)空間布局情況，提高海上搜救方案的科學(xué)合理性。

1 空間分析方法

1.1 改進(jìn)的緩沖區(qū)分析

本文使用緩沖區(qū)分析計(jì)算了海上遇險(xiǎn)船舶的事故影響范圍。數(shù)據(jù)點(diǎn)為遇險(xiǎn)船舶目標(biāo)點(diǎn)，以往的研究大多關(guān)注事故點(diǎn)的頻度，而實(shí)際上通過對不同事故點(diǎn)賦予不同的權(quán)重，可以更準(zhǔn)確分析的事故影響范圍情況。本文從數(shù)學(xué)角度把遇險(xiǎn)船舶看成一個(gè)空間集合，緩沖區(qū)則是集合的鄰域，而鄰域的大小由遇險(xiǎn)船舶的事故嚴(yán)重程度、事故周圍海洋環(huán)境等影響度來決定，設(shè)定相應(yīng)的指標(biāo)因素作為判別標(biāo)準(zhǔn)，不同等級賦予事故點(diǎn)影響值不同權(quán)重P，P=1,2，…，a，則事故g的影響值為Na(g)。對于給定的對象O，其緩沖區(qū)可定義為

Buffer={x|d(x,O)≤r}

(1)

式中：d為歐氏距離；r為影響范圍的鄰域半徑。圖1為風(fēng)浪流力矩合成示意圖，由于在海上遇險(xiǎn)目標(biāo)的影響范圍還受到風(fēng)、浪、流3種力的作用，在緩沖區(qū)分析中將風(fēng)浪流場作用力影響考慮其中，則假設(shè)不考慮垂向運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)情況下，這3種力運(yùn)動(dòng)方程[10]為

圖1 風(fēng)浪流力矩合成示意

式中：Cd為風(fēng)的拽力系數(shù),與目標(biāo)的形狀有關(guān)；ρa(bǔ)為空氣密度；Aα為目標(biāo)暴露于水面以上區(qū)域在受風(fēng)面上的投影面積；Wσ為海面風(fēng)速；Cw為波浪的反射系數(shù)；g為重力加速度；A為海浪的波幅；ρf為海水密度；Lt為目標(biāo)長度；Cl為流的拽力系數(shù)；Ai為目標(biāo)浸沒于水面以下區(qū)域的投影面積；Lb為目標(biāo)相對于周圍海水的漂移速度。根據(jù)牛頓第二定律，速度與力的數(shù)學(xué)關(guān)系為

kmidV/dt=Fwind+Fwave+Fflow

(4)

式中：V為事故點(diǎn)擴(kuò)散速度；k為質(zhì)量系數(shù)。根據(jù)力的分解與合成平行四邊形定則，由圖1進(jìn)行分析，由勾股定理公式在三角形△O′A′B′中求出海水的力矩值。

由余弦定理求合力的模值，如式(7)所示。假設(shè)風(fēng)浪流的合力為∑F，根據(jù)圖1分析，在平行四邊形OBCC′中進(jìn)行幾何分析，四邊形的內(nèi)角和是360°，∠OBC計(jì)算如下。

∠BOC′=∠BCC′=θ2

∠OBC=(360°-2θ2)/2

(6)

由于余弦函數(shù)在[0，π]區(qū)間上有負(fù)數(shù)值，因此，式中含有余弦部分應(yīng)取絕對值。合力∑F的表達(dá)式為

∑F=

圖2為海上事故點(diǎn)緩沖區(qū)受風(fēng)浪流合力后的改進(jìn)示意圖。

圖2 事故點(diǎn)緩沖區(qū)改進(jìn)示意

根據(jù)風(fēng)浪流3種合力的計(jì)算方法，將風(fēng)流壓差變量對緩沖區(qū)解算方法進(jìn)行改進(jìn)，假設(shè)Vcurrent為遇險(xiǎn)目標(biāo)周圍海流速度,Vwater為目標(biāo)對周圍海水速度。Vcurrent為表層海流，包括埃克曼漂移、斜壓運(yùn)動(dòng)、潮流和慣性流等。Vwater體現(xiàn)了風(fēng)和海浪對遇險(xiǎn)事故擴(kuò)散的影響。風(fēng)浪流速度的矢量V可表示為

∑V=Vcurrent+Vwater

(8)

通過式(8)可推導(dǎo)為

下一刻事故擴(kuò)展范圍Xi可表示為

(10)

根據(jù)正余弦定理將風(fēng)浪流影響參數(shù)代入緩沖區(qū)計(jì)算方法中，由于緩沖區(qū)面積不變，通過等積變換可知，

πr2=πab

(11)

a=r2/b

(12)

緩沖區(qū)受到風(fēng)浪流合力作用后，結(jié)合下一刻事故擴(kuò)散速度可表示為

緩沖區(qū)形狀變換后x、y坐標(biāo)軸的變換表示：

1.2 疊置分析

疊置分析是多圖層間提取空間隱含信息的方法之一[11]。本文應(yīng)用疊置算法分析海上搜救區(qū)域的險(xiǎn)情分級情況。疊置分析具體是以影響搜救業(yè)務(wù)開展信息因素為數(shù)據(jù)層，并轉(zhuǎn)換為柵格格式，進(jìn)而對多個(gè)柵格數(shù)據(jù)之間的多條件分析計(jì)算并各自乘以指定的權(quán)重，獲得新的圖形單元及相應(yīng)的屬性信息。疊置過程中通常可通過算術(shù)運(yùn)算和函數(shù)運(yùn)算的方法對圖像單元依次計(jì)算，見式(17)。

(17)

本文結(jié)合各個(gè)指標(biāo)圖層對搜救影響參數(shù)，可將疊置模型寫成

C風(fēng)(k)+D流(l)dt

(18)

2 數(shù)據(jù)處理

采用2018年1月6日長江口以東約160nmile處巴拿馬籍油船“桑吉(M/TSANCHI)”號碰撞事件為海上事故數(shù)據(jù)，通過相關(guān)部門調(diào)研獲取的事故記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。根據(jù)調(diào)查記錄國際船舶網(wǎng)獲得“桑吉”號油船數(shù)據(jù)：船長為274.18m，型寬為50m，事發(fā)時(shí)航速12.4kn，吃水13.4m，裝載約13.6萬t凝析油。而“長峰水晶”號散貨船：船長225m，事發(fā)時(shí)裝載約6.4萬t糧食，吃水14m，航速6.5kn。2船相向航行，且均處于較高載重狀態(tài)。利用GIS技術(shù)進(jìn)行事故分析的基礎(chǔ)工作是將事故點(diǎn)進(jìn)行GIS化，通過經(jīng)緯度確定事故發(fā)生點(diǎn)的位置，并對事故點(diǎn)進(jìn)行空間信息描述。碰撞事故發(fā)生位置(30°50′00″N，124°56′00″E)見圖3。

圖3 “桑吉”輪事故空間位置示意

3 搜救海域安全性分析

3.1 基于緩沖區(qū)分析的事故點(diǎn)影響范圍計(jì)算

衡量事故點(diǎn)對海區(qū)影響范圍的1個(gè)指標(biāo)是事故的嚴(yán)重程度。通過參考南海救助局應(yīng)急預(yù)案文件，獲得海上事故分級情況，分類按照海上事故發(fā)生特點(diǎn)及對人命安全、海洋環(huán)境的危害程度和事態(tài)發(fā)展趨勢等，分成特大海上事故、重大海上事故、較大海上事故、一般海上事故4個(gè)等級。通過海事部門和海洋氣象部門的調(diào)研，將海洋環(huán)境要素(風(fēng)、浪、流)作為事故點(diǎn)對海區(qū)影響范圍的衡量指標(biāo)。事故時(shí)風(fēng)浪流數(shù)據(jù)見表1。

表1 海風(fēng)、海流信息

首先對影響指標(biāo)圖層按緩沖區(qū)賦值。事故嚴(yán)重程度越高對海區(qū)影響面積越大，事故源本身取值為1；0～1 km緩沖區(qū)取值為0.7；1～3 km緩沖區(qū)取值為0.5；3～8 km緩沖區(qū)路取值0.3。其次是海洋環(huán)境要素(風(fēng)、浪、流)的影響，環(huán)境條件越惡劣，程度越大則事故對海區(qū)破壞越大。海風(fēng)按照等級大小來進(jìn)行賦值，0～4級海風(fēng)平均小于5.5～7.9 m/s，緩沖區(qū)取值為0.3；5～7級海風(fēng)平均小于13.9～17.1 m/s，緩沖區(qū)取值為0.5；8～9級海風(fēng)平均小于20.8～24.4 m/s，緩沖區(qū)取值為0.7；10～12級海風(fēng)平均小于32.7～36.9 m/s，緩沖區(qū)取值為1；海浪的浪高通常用波級來表示，波浪愈高則級別愈大，海浪通常是風(fēng)對海浪的作用。海風(fēng)按照等級大小來進(jìn)行賦值，0～3級海浪平均小于0.5～1.25 m，緩沖區(qū)取值為0.3；4～5級海浪平均小于2.5～4.0 m，緩沖區(qū)取值0.5；6～7級海風(fēng)平均小于6.0～9.0 m，緩沖區(qū)取值為0.7；大于8級稱為狂濤，浪高大于9 m，緩沖區(qū)取值為1；根據(jù)對應(yīng)指標(biāo)因素?cái)M定的緩沖區(qū)影響值在GIS軟件中分析。根據(jù)緩沖區(qū)賦值情況作為緩沖區(qū)分析中影響距離參數(shù)，不一樣的距離對應(yīng)影響程度也不同。

事故對海區(qū)影響范圍較大，事故點(diǎn)影響區(qū)域整體朝向西北方向，對長江口以北處造成一定影響，進(jìn)一步分析可知這一現(xiàn)象主要受到海面風(fēng)場和表層海流作用，而該海區(qū)海浪相對較小，對事故影響趨勢分布不大。事故海域的東南方向擴(kuò)散范圍相對較少。經(jīng)計(jì)算該事故對長江口海域共造成18 395.64 km2的影響范圍，其中嚴(yán)重影響海區(qū)面積達(dá)到4 332.96 km2，影響較嚴(yán)重海區(qū)面積為3 375.07 km2，影響一般海區(qū)面積為8 282.97 km2，輕微影響的海區(qū)面積為577.71 km2。可明顯看出該事故對海域影響程度較大。

3.2 搜救海域危險(xiǎn)度分析

“桑吉”輪碰撞事故發(fā)生后，對海洋造成嚴(yán)重影響區(qū)域位置約在東經(jīng)126.09°～126.24°北緯28.29°～28.40°。根據(jù)采集的海洋環(huán)境要素(風(fēng)、浪、流)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步提取事故區(qū)域。利用空間疊置分析方法，將海洋環(huán)境要素(風(fēng)、浪、流)、事故影響范圍信息進(jìn)行邏輯運(yùn)算，即對影響搜救業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)圖層進(jìn)行疊置分析得到新的數(shù)據(jù)層信息，其分析結(jié)果可綜合原來多個(gè)層面要素所具有的屬性，同時(shí)產(chǎn)生新的空間關(guān)系。圖4表示了疊置分析后得到海上事故區(qū)域的結(jié)果，選擇的特征字段為搜救過程危險(xiǎn)程度。

圖4 事故點(diǎn)海域危險(xiǎn)度分析結(jié)果

由圖4可見，事故源周圍區(qū)域基本呈現(xiàn)為高搜救危險(xiǎn)度。在該海區(qū)的西北方向?yàn)榈退丫任ｋU(xiǎn)度海域并呈現(xiàn)明顯空間聚類特征，這些區(qū)域風(fēng)速在11～12 m/s左右，浪高低于3 m，環(huán)境因素相對影響較小。在西南與東南處小范圍海域呈現(xiàn)安全搜救態(tài)勢，分布相對較為分散，伴隨著高-低值特征。事故對海區(qū)影響范圍較大，且呈現(xiàn)往西北偏移趨勢，東南方向擴(kuò)散范圍較少。搜救海域危險(xiǎn)度總體分布特征相對離散，該事故海區(qū)的西北方向外圍皆呈現(xiàn)低搜救危險(xiǎn)度，其次是西南與東南處小范圍海域也呈現(xiàn)安全搜救態(tài)勢。

4 結(jié)論

本文提出改進(jìn)的緩沖區(qū)分析和疊置分析兩類空間分析方法，通過引入海風(fēng)、海流、浪等信息進(jìn)行約束模型結(jié)果，從而提取事故海域影響度范圍程度與搜救危險(xiǎn)度空間分布特征，進(jìn)而成功分析安全搜救海區(qū)范圍。該方法增加了多目標(biāo)約束，可根據(jù)影響因素的變化而調(diào)整，模型具有一定靈活性和擴(kuò)展性，通過兩種空間分析方法所得結(jié)果可明確反映事故的基本影響情況，并直接輸出至空間信息平臺，適用性好，從而為更精細(xì)化的搜救工作提供信息支持。

本文采用的空間方法在分析事故點(diǎn)對海區(qū)影響范圍及搜救危險(xiǎn)度時(shí)空動(dòng)態(tài)特征方面仍顯不足，未來主要工作將結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等智能算法，對搜救業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)及海洋環(huán)境信息進(jìn)行訓(xùn)練，從而更有針對性指導(dǎo)海上搜救搜尋工作。