基于ECDIS的锚泊船安全监控和预警技术研究

张建宝

摘 要：目前，锚泊船安全越来越受到关注，但现有的安全监控技术落后，且不能提供预警，只有在发生走锚之后才能报警，不利于船舶安全。本文针对这种现状，结合ECDIS，对锚泊船安全监控和预警技术进行研究。

关键词：ECDIS 锚泊船 安全监控

1.引言

船舶无论在候潮、等泊、检疫、避风，还是在锚地装卸作业，均需要在锚地锚泊。锚泊船在风、浪、流等外力和锚链力的作用下，将产生围绕锚泊点的周期性偏荡运动。偏荡运动使锚链水平方向增加了额外动力。这种额外的动力是船舶走锚的主要原因之一。走锚可能会导致断链、碰撞、搁浅和溢油等事故，严重威胁船舶和港口的安全。

目前，在水上运输领域，对在航船舶的航行动态（船位、航速、航向等）的监测预警技术以及安全信息服务技术的研究已经比较成熟。但是，国内外对锚泊船安全状态监测预警技术的研究还十分有限。无论是海上运输领域还是内河运输领域，主要靠管理制度来规范锚泊作业的各个环节，驾驶人员依靠个人经验对锚泊船安全状态进行判断，例如听锚链声，看锚链方向，利用岸上固定物标测定锚位。此外，GPS具有锚位报警功能，但是，这些方法都是在船舶已经走锚相当距离后才能被发现的，可能由此耽误采取措施的时机而酿成事故。因此，目前锚泊船安全监测预警方面，缺乏相应的技术保障手段，无法做到风险预警和事前防范。此外，随着航运业的发展，船舶吨位和数量不断增大，各国港口明显出现了泊位不足、锚地水域不够等一系列问题，导致锚泊周期增长和锚地船舶密度增大。

船舶锚泊后，通常关闭主机。驾驶员一旦发现船舶走锚，需要一段时间开启主机，使得船舶可操纵。在这段时间内，船舶几乎处于不可控状态，极度危险。尤其对于满载大型船舶或VLCC，由于载重量大，富余水深小，受流影响大，船舶操纵起来比较困难，一旦走锚，对人员、环境、港口、船舶的安全造成重大威胁，可能造成巨大经济损失。如走锚造成搁浅、碰撞事故中发生溢油，将给港口环境带来灾难性的破坏。通过分析由走锚引起的事故，发现最根本的问题是不能及时发现走锚，迅速采取有效措施所致。因此，无论是从船舶安全保障还是从港口环境保障的角度考虑，都急需对锚泊船安全状态监测预警技术开展研究。ECIDS是综合驾驶台的核心，海图显示基础对于锚泊监控是十分必要的，因而，如何利用现有的ECDIS平台来实现锚泊船监控和预警是值得研究的。

2.研究现状

关于锚泊船安全性问题一直是人们关注的重要课题。国内外专家、学着进行了大量的理论和实验研究，取得了许多定性和定量的研究成果。参考文献[1]提出了通过建立风动力处理器、水动力处理器、波浪力处理器、锚泊力处理器和与报警处理器的方式实现锚泊船的实时动态监测，并提出一种累计计算拖锚距离的方法对走锚进行预测，即通过计算锚在冲击性张力的作用下被拖动的距离，当拖锚距离达到6倍锚长时，发出预报警。文献[2]指出，无论任何原因引起的走锚，走锚前和走锚时锚链的受力是不一样的。提出通过测定锚链的张力与锚的抓力进行比较判断走锚的方法。文献[3]通过对锚泊船进行受力分析和受力计算，应用船舶操纵基本方程，建立了风流浪等外力作用下，锚泊船在浅水、低速、大漂角中的运动方程。通过对船舶运动与锚链受力及锚链受力与锚抓力之间的关系进行研究，提出了一般运输船在设定的海况下进行走锚预报的数学模型。文献[4]分析了走锚的判断方法，船位测量法，包括利用GPS测位法和雷达测位法，船舶运动观察法，锚链受力判断法。文献[5]分析了偏荡运动过程中最有可能发生走锚的位置，即当船舶风舷角达到最大时，船舶承受的干扰力最大，加之船舶自身运动的惯性力，锚链会受到较大的冲击张力。文献[6]通过分析船舶受力与船舶运动模型，开发了一套预报走锚的支持系统，包括模型估计系统和仿真系统。在这套系统中，驾驶员通过查找船舶资料来对船舶模型进行估计，并且将锚泊情况和外界环境情况输入到仿真系统中对锚泊进行监测，其对走锚的预报原理基于锚链张力与锚抓力的比较。

3.主要问题

锚抛入海底之后，出链长度由卧底链长和悬链长组成，目前，在商船上，尚没有办法获得两部分的具体长度。卧底链长提供一部分锚力，对于保证锚泊安全十分重要，如何获得卧底链是值得研究的。

目前的锚位是由驾驶员在锚抛入水时，记录GPS船位获得，但是，为使锚抓地，船舶在拖锚后退的过程中，锚会有一个移动的距离，如何准确获得最终锚的位置对于后续的锚泊监控十分重要。

锚泊船的偏荡运动（图1）具有周期性，偏荡运动具有特征参数。例如：偏荡幅度、周期、角速度、锚链张力、锚链方位、船首方向。目前，驾驶员无法获得大部分偏荡特征参数，只能依靠经验估计。如何准确实时获取偏荡运动参数是锚泊船安全监控和预警的前提。

随着捷联航姿系统的应用，实现了实时获取船舶姿态数据。偏荡运动中，船舶姿态直接影响船舶受风、流和浪的影响，此外，在判断船舶走锚的经验中，有这样一条“如果偏荡运动突然停止，船舶变成一舷受风，且风舷角在一段时间内保持不变，则可断定发生了走锚”，因此，分析偏荡运动中船舶姿态的变化十分有意义。

如何将大量的数据提供给驾驶员使用将直接影响驾驶员的判断。设计直观的可视化界面是很必要的，ECDIS平台是显示界面的基础。

4.问题解决思路

通过对主要问题的分析，得出以下解决思路：锚泊船安全监控和预警的前提是准确获取偏荡运动的特征参数，先分析各个参数获取方法，传统的锚泊监控中将锚位手工绘制在纸质海图上，隔一段时间，驾驶员将GPS船位标注在纸海图上，查看锚位。ECDIS具有显示海图的功能，可在ECDIS上标注锚位，通过锚位与实际船舶位置实时计算船舶与锚位之间距离，并绘制锚泊过程中，船舶轨迹，通过轨迹分析偏荡周期等参数。

参考文献：

[1]杨林家杨佐昌，于洋. 船舶走锚预警系统[J].大连海事大学学报.2005（2）.Vol.31，No.1：29-32.

[2]廖河树，张晓敏.走锚预报方法的研究[J].集美大学学报.1996.1（1）：58-62.

[3]廖河树，蒋维清，叶宝聪.走锚预报数学模型[J].中国航海.1995.1（36）：1-8.

[4]廖河树.走锚的原因及判断方法[J].天津航海.1997.2：2-3.

[5]孙大铭，洪碧光，李强，高孝日.单锚泊船舶走锚预警系统的研究[J].航海技术.2010.5：1-4.

[6]Tadatsugi Okazaki，Yurie Hirai. Development of a Support System to Predict Dragging Anchor Phenomenon for Mariner[C]，the 2011.6th International Conference on System of Systems Engineering，Albuquerque，New Mexico，USA- June 27-30，2011：185-190.endprint