基于大数据的质量智能管控模型的探索与实践

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　　摘要：文章提出一种基于蒙特卡洛仿真的锚地锚泊容量计算方法，并以某锚地进行了验证，结果表明，该方法可行具有很好的适用性，能够用于锚地锚泊容量的估算，为锚地的科学管理提供参考。
　　关键词：蒙特卡洛;锚地;锚泊容量
　　中图分类号：U691 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2020）08-0108-03
　　0 引言
　　锚地是港口和航运发展的重要资源，也是港口生产的基本条件和重要的公用基础设施。“十二五”期间，江苏沿海大开发和沿江经济带建设上升为国家战略，江苏沿海和沿江地区开发建设如火如荼，水上交通运输日益繁忙，2016年7月5日长江南京以下12.5m深水航道二期工程全线贯通，长江黄金水道海港化趋势日益明显。长江干线港口吞吐量、来港船舶数量持续大幅攀升，港口锚地总面积不能满足锚泊船舶数量需求，“大港口、小锚地”的矛盾日益突出。为充分发挥和有效利用有限的锚地资源，推动港口锚地的规划、建设与港口码头泊位同步发展，对锚地使用效率和锚地船舶容量的研究已迫在眉睫。
　　开展锚地锚泊容量的研究，一方面可以为规划、建设新锚地提供必要的参考，另一方面通过对锚地最大容量的研究，可有助于管理部门加强对进出港船舶总量的宏观控制，维护港口良好的通航秩序，防止过量船舶在锚地锚泊，避免因船舶间距离过小而引发的水上交通事故或险情，为加强锚泊船科学管理提供理论依据，进而保障船舶与港口水上交通安全。
　　1 研究现状
　　关于锚地的容量和使用方面的研究，目前常用的方法主要包括统计法、计算机模拟法和经验公式法。统计方法比较有代表性的如日本学者神岛昭等，其研究的思路主要为通过对某一水域锚泊船的进出及锚泊时间等数据进行长时间的观测和统计，进而得出大量的数据样本，根据统计样本在进一步归纳分析。统计的对象一般包括：锚泊船的船型和数量、锚泊船进出锚地的时间分布、锚泊持续时间、不同时刻锚地中船舶的锚泊数量以及锚地周边的交通流情况等。
　　计算机模拟法通过设定相关的情景，通过计算机大量模拟得出锚地容量数据，对于锚地中不同船型混抛的锚泊方式，通常以标准船型进行折算，进而得出锚地的容量。经验公式法是目前我国计算锚地容量的最常用和便捷方法，一般根据《海港总体设计规范》提供的经验公式计算船舶占用水域面积，然后根据锚地的面积、水深等情况分配锚位[1-2]。
　　2 基于蒙特卡洛方法计算锚地容量的设计
　　2.1 蒙特卡洛算法
　　蒙特卡洛算法是一种应用随机数来进行计算机模拟的方法，此方法对研究的系统进行随机观察抽样，通过对样本值的观察统计，求得所研究系统的某些参数。其基本思想是：假设要求解的x是随机变量ζ的数学期望E（ζ），则可通过以下方法对想进行近似求解，对ζ进行多次重复抽样，产生相互独立的ζ值ζ1，ζ2，ζ3，…，ζN，计算其算术平均值=ζi，然后根据大数定理，当N充分大时，≈E（ζ）=x以概率1成立，即可用作为x的估计值。
　　2.2 蒙特卡洛算法求取锚地容量的设计
　　2.2.1 设计思路
　　将计算锚地容量问题抽象为数学模型，通过计算锚地边界范围内的任意两点的距离，并统计符合两点间的距离大于锚泊船直径的点，符合条件的点的数量即为锚地的容量。
　　2.2.2 计算步骤
　　通过MATLAB计算步骤如图1。
　　（1）用MATLAB随机产生服从（0，1）均匀分布的随机数，将随机产生的数值点限定在锚地边界范围内。
　　（2）设置判断标准，根据锚地内已有的锚位点检验随机产生锚位点是否可用，即判断两点间的距离是否大于锚泊船直径，若满足条件，则将该点储存起来;若不满足条件，则再次产生一个随机锚位点，再一次进行判断，当系统連续产生多个（一般不少于100个）不可用的锚位点，则认为锚地已被全部占用，系统记录的符合条件的点的数量即为锚地的容量。
　　（3）利用计算机大量重复模拟，将获得数据进行统计分析，得出最终的计算结果。
　　3 算例
　　以南通港某锚地为例验证模型的适用性，锚地布置在长江北支口上游端的西南侧、北茆沙北水道的NO9黑浮与NO10黑浮连线的北侧，锚地长度为3000m，宽度为960m，锚地主要供3000吨级及以下船舶锚泊。
　　3.1 问题的描述和假设
　　首先，建立一个坐标系，X轴对应锚地的长度，Y轴对应锚地的宽度，单位为米，x的取值小于3000，y的取值小于960;将锚地容量的计算转化成在给定的矩形空间中填充圆形的问题，圆形的半径即为锚泊船的旋回半径，在满足规则的前提下，所能填充的圆形最大数量即为锚地的锚泊容量。
　　利用蒙特卡洛方法计算时，由于随机产生锚位点，模拟计算的结果并不是一个定值，而在一定范围内波动，因此需要多次计算求取平均值作为锚地的容量。
　　3.2 锚泊半径的计算
　　根据《海港总体设计规范》相关规定，普通船采用单锚泊系泊时，每个锚位所占水域为一圆形面积，其半径可按下式计算：
　　风力≤7级时   R=L+3h+90
　　式中：R-单锚泊水域系泊半径（m）;L-设计船长（m）;h-锚地水深（m）;
　　锚泊船型的主尺度如表1所示，经计算3000吨级的船舶每个锚位所占水域圆形半径约为195m，1000吨级的船舶每个锚位所占水域圆形半径约为168m[3-4]。
　　3.3 模拟仿真计算
　　通过MATLAB编程可完成蒙特卡洛算法模拟，主要的代码如下：
　　（1）数据判断的代码。
　　通过模拟计算，以1000吨级船舶为对象，通过模拟计算其均值为13.2;以3000吨级船舶为对象，通过模拟计算其均值为10.4;考虑到以标准船型进行换算的情况，1000吨级和3000吨级船舶尺度相差不大，锚泊船的半径差别也不大，故通过模拟计算可知，理想状态下，该锚地的锚泊容量应该在11～13艘。结合实际情况，由于锚地水下地形并不是均一的，3000吨级船舶和1000吨级船舶所需锚地水深不同，船舶实际抛锚的位置还需从水深和锚泊半径两方面综合考虑，该锚地实际营运中锚泊能力为，3艘3000吨级船舶和9艘10000吨级船，即锚泊容量为12艘船舶[4]。
　　4 结论
　　实例证明，将蒙特卡洛方法应用于锚地锚泊容量的计算，方法可行，计算的结果与实际情况基本吻合，本文选取的研究对象为一规则的矩形锚地，实际中锚地多为不规则形状，且多种类型的锚泊船混抛，针对此种情况，后续还需继续研究，完善计算模型。
　　参考文献
　　[1] 杨小军.基于随机模拟的动态锚地容量研究[D].上海：上海海事大学，2009.
　　[2] 李伟，于洋，刘贤朋.基于锚链状态监测的锚泊安全评估[J].大连海事大学海报，2004，30（1）：55-57.
　　[3] 王才星.锚地及锚泊船安全管理对策初探[J].交通科技，2010（4）：108-110.
　　[4] 南通港沿江公共锚地基础信息技术咨询报告[R].2016.
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