威尼斯泻湖海上信号系统的优化外文翻译资料

 2022-07-31 21:32:50

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威尼斯泻湖海上信号系统的优化

摘要:航标(AtoN)是支持海上航行的辅助设备。包括传统航标(如：浮标和灯标)和电子航标，例如通过自动识别系统传输到船上的航标。在这两种情况下，国际组织与地方当局共同制定了其使用的技术规范和标准。威尼斯泻湖具有重要作用，因此，有必要对现有的信号系统进行评估以提高水道的安全水平。考虑到泻湖经常受恶劣的大气条件和水深测量的限制，而影响航行安全，意大利首次正式提出了新的助航系统。它基于电子和识别设备，形成虚拟化的航标，该航标没有实际存在于海上，但能通过编码信息进行远程识别，从而使港口运营不受能见度所限。本文介绍了符合航标系统安全性和效率标准的解决方案所遵循的程序，在第一种情况下考虑了物理信号的位置和发光特性，在第二种情况下考虑了虚拟AIS航标放置的理论和统计研究 。

关键词：虚拟航标； AIS； 航标； ECDIS； 电子导航； 安全; 航线设计； 能见度

1、介绍

国际海事组织（IMO）发布有关海上航行安全、环境保护的标准，以鼓励创新和提高效率。国际海事组织（IMO）与国际航标协会（IALA）等机构合作，后者是一个非营利性技术组织，旨在在全球范围内考虑航海人员和当局的需求，协调全球海上助航系统的技术发展。 为确保海上航行安全和效率，IALA出版了有关使用辅助设备的建议和指南，这些辅助设备可改善海上作业，例如：船舶交通管理系统（VTS），自动识别系统（AIS）和海上航标信号灯[ 1]。

港口和航道以及技术的最新发展和对导航服务日益增长的需求，使得动态地优化航标系统成为必要。航标位置的可靠性将直接影响海上交通的安全，因此应充分考虑《避碰规则》（COLREG）和当地交通规则。

了解现有航标系统的缺陷和问题对于提高提供服务质量至关重要，对此，Chen等[2]提出了成功度-模糊综合评估方法，对现有的航标系统进行再评估，以明确需求并指出其优化内容。该模型使用一系列索引，这些索引是根据航标系统特性得出的，并在考虑用户的基础上加以完善以保证其准确性。最终算法允许对系统的总体评分进行评估，评分范围为0到100。

我们团队进行的分析来自于威尼斯机构和当地海员的迫切需要，重新设计航标系统以确保威尼斯泻湖的最高安全水平。实际上，在泻湖入口处安装了实验性机电模块（MOSE）导致了航行区域的一系列变化（例如丽都新的人工岛），对当地交通产生了显著影响 。

因此，我们没有对海上交通安全进行事前研究来评估总体上有发生碰撞或事故的风险，因为无需进行优化系统。我们直接针对用户表达的问题，在最短的时间内：首先，我们分析了泻湖中航标的物理分布，然后我们寻找一种更灵活的解决方案来解决可见度受限的问题，以确保在任何情况下都可以进行导航。

我们采用了启发式方法，将IALA，IMO和本地规范与实际需求相结合，以达到最佳的航标配置：实际上，系统的迭代和不断更新一直是该过程的关键点之一。

之后，使用IALA建议E-200-2 [3]给出的理论考虑，验证了信号的有效可见性。 所得数据表明，尽管符合安全要求，但每个航标的灯光不能始终确保其可见性。

基于电子导航解决方案，已经开发了新的航标系统。根据IMO，电子导航可定义为海洋信息的统一分析和交流。通过电子手段，增强航行的安全性和保护海洋环境。

2014年，海上安全委员会（MSC）批准了《电子导航策略实施计划》（SIP），以在2019年前完成任务清单。这些任务主要涉及通信系统的改进（尤其是船舶交通服务组合，不仅限于岸上站）以及网桥设计及其设备，以增强其可靠性和弹性，并使界面更加人性化[4]。 此外，该计划的基础是估计电子导航应用程序对减少航行事故的影响，包括属于《国际海上人命安全公约》（SOLAS）[5]的船舶的碰撞和搁浅。

在这种情况下，值得强调的是电子导航在海上自主水面舰艇（MASS）的发展中所扮演的角色，无人驾驶系统在很多领域（监视，研究，监控，防雷等）中广泛使用。在这种情况下，导航信息的收集在决策过程中起着重要作用，可以通过与AIS等系统的协作来实现[6]。 特别是，受限水域中的危险场景（主要与避免碰撞有关）被确定为自主导航系统的主要挑战性任务之一，预计该导航系统将与常规船舶一起运行，因此也遵循COLREG [7]。

在IMO开展工作之后，我们确定了前期的电子导航解决方案：该方法为使用AIS通过传输包含所需信息的编码消息来将航标虚拟化，航标不必真实存在于海上，因为它将显示在适当的电子设备上，通常是电子海图显示和信息系统（ECDIS）。

已对虚拟航标的使用进行了测试，以标记分道通航制（TSS）的入口，提供应急沉船标和障碍物标记以及标记其他海上设施。 2012年，灯标总局（GLA）在猫岛以南的里格银行（Rigg Bank）的贝尔法斯特湖（Belfast Lough）入口处建立了港口码头虚拟浮标，以警告附近深度为8.4 m的沙洲。管理局在2012年第03号《爱尔兰灯光通告》中强调，船员获得的信息取决于他们的显示系统，并且可能不会显示所有传输的信息，因此始终鼓励用户使系统保持最新状态。此外,要求水手就他们的AIS经验提供反馈，以帮助管理局判断是否可用航标数据的服务检查[8]。

此外，赖特和巴尔道夫提议在世界上许多人迹罕至，偏远和对生态敏感的地区，用虚拟航标来补充实体航标，例如在北极，冰可以碰撞并从可能放置航标的热带地区破坏航标。 破坏珊瑚礁和其他没有导航基础设施的地区[9]。

在我们的案例中，参考IALA准则1081和1062，我们决定使用虚拟的安全水域标来给出安全的路线指示。这些航标定位在船舶转向点或航点（WP）上。路线上的此信息已被数字化，因此可以根据需要进行修改和发送，从而使此类航标成为导航的重要支持。这种方法首先在意大利的威尼斯泻湖进行了测试，为船员在操作中提供指示。在这里，能见度受限的情况通常导致当局关闭港口，以总体上预防危险和风险。这种电子导航解决方案将理论与环礁湖中导航的实际特征相结合，以提高安全级别，即使在受限的能见度条件下也能正确导通。实际上，如此获得的虚拟航标可以在机载ECDIS上设置为航点，以识别到达停泊点的安全路线，并在任何可能阻止正常航行的情况下给出指示。

本文概述了在威尼斯泻湖中建立最佳航标系统的过程，并根据IALA准则对其有效能见度进行了研究。 它概述了AIS，然后介绍了在威尼斯泻湖中建立虚拟航标所采用的程序。 第一种理论方法是基于在泻湖内适时地与船舶的操纵特性相关的安全要求。 然后，通过对海岸警卫队AIS系统记录的进入泻湖的船舶的AIS航迹进行统计分析，来确定系统的最终设置。

该系统仍在测试中：用户的反馈将有助于改善和增强服务，并且基于模型或模拟的未来研究将使这项工作能够扩展到具有相同需求的任何沿海地区，并针对每种情况将其推广。

2.传统航标系统

为了研究最佳的航标配置，我们对它们的特性进行了初步概述：如上所述，这些规范已在所有IALA成员中标准化。海上浮标系统提供的唯一区别适用于与IALA A或IALA B系统中的每个国家成员有关的横向信号：A区国家使用红色表示左舷，使用绿色表示右舷，而那些B区国家与之相反。其他信号根据目的地、形状、颜色和发光特性进行了标准化。例如，安全水域标表示该水域可以安全导航。这个航标系统具有白色和红色的垂直条纹，一个红色的球形海市蜃楼（如果有较小浮标）和12秒的白光以及10秒的闪光。

发光信号最重要的特征之一是其范围，它表示可感知到的最大距离。在导航中，灯标射程以海里为单位；考虑到气象可见度v和观察者眼睛或阈值ET所需的照度，将其定义为保证光束检测的最远距离（并非光源，光源由于地面曲率仍然隐藏）。为了确定照度，必须引入一些光度数量。

从量子的角度来看，光的特征在于以瓦特为单位的功率W，它是其自身波长lambda;的函数：能见度函数Vfnof;的功率乘积，表示人眼对光的实际感知，得出如公式（1）所示的光通量Phi;：

发光强度I是在特定方向上测得的flux的量，并且如等式（2）中那样计算为发光fluxPhi;与发射的立体角omega;之比。

照度E是光通量Phi;与它所撞见的表面A的面积之比，请参见等式（3）。单位为流明，单位为平方米或勒克斯：

照度E可以表示为气象能见度v和通过阿拉德定律得到的到观察者的距离d的函数，如公式（4）所示：

从等式（5）可以估计信号D的发光范围，这也可以通过IALA给出的图表（图1）[3,11,12]获得：

图1.夜间的发光和射程范围

考虑到IALA和当地法规以及海员的需求，我们提出了一种海上信号系统，该系统将结构效率与威尼斯泻湖的最高航行安全性相结合。

为了达到这一解决方案，我们的团队对航标的实际布置进行了准确的调查，以检查海上功能性与官方制图所报告的航标之间的对应关系。根据IALA标准，这样就可以编译一个更新的数据库，其中包含所有现有信号及其位置和特征。

我们没有进行正式的安全诊断检查来识别潜在的会影响自初始设计阶段开始的导航的安全隐患，如海上交通安全诊断计划（MTSDS）所述。在这种情况下，程序方案从项目分析开始，然后由一个有经验的审核小组进行调查，以审查海上运输。在评估阶段之后，审核团队将描述所有潜在的安全问题，并提出所有可能的措施以消除或缓解这些问题。MTSDS的最重要部分是风险评估过程，其中可以采用几种模型。主要包括环境压力（ES）模型，IALA水路风险评估计划（IWRAP），潜在风险评估模型（PARK）。首先是基于船员对安全的认识得出的应力值的接受标准，评估由于交通拥堵而限制机动水域所引起的困难。使用三个指标：根据与任意障碍物的碰撞时间（TTC）计算的ESL（土地环境值），前两者之间的组合得出的基于船舶TTC的船舶环境应力值（ESS）和聚合的环境应力值（ESA）。但是，此模型反映了用户对风险的感知，因此无法纠正某些问题。

IALA IWRAP通过计算特定位置的年度碰撞和着陆次数来量化特定地理区域中与船舶交通有关的风险，结果类似于ES模型[13]。PARK模型是根据韩国水手的风险感知开发的，并通过内部因素（船舶特征）和外部因素（例如，每艘船的接近位置、速度和船之间的距离）计算风险[14]。

由于解决方案的紧迫性，我们决定通过基本模拟直接评估泻湖中信号系统的现状。

杨智敏等研究了包括集成系统设计在内的航标数据库的实现，以开发航标模拟器系统[15]。 以相同的方式，我们使用Google Earth Pro（v。7.3.2.5491）作为支持工具来设置基本的仿真过程。 除其他功能外，该软件还允许Lagoon官方测深数据和地图数据与卫星图像重叠。 然后，我们可以从数据库中导入所有航标，以获取该区域的整体视图，从而可以更直观地检测当前问题，并由此对整个航标系统进行优化。

我们从对该区域的理论分析开始，并在考虑运河形态的情况下寻求符合IALA标准的最佳解决方案。 在向当局提交了该计划之后，我们将海员的实际需求与相关机构的需求结合在一起，试图在收益和成本之间进行权衡。

一些领域需要特别注意。 主要的例子是泻湖的入口，在这里必须标出MOSE的存在。如前所述，在丽都港的特定情况下，人工岛支撑着闸门，然后需要在功能上放置航标系统以防止发生险情。我们建议在港口入口灯塔上安装黄色闪烁灯，同时用以激活MOSE的闸门。在岛上，可以在其角上放置四个黄色装置。右舷和岛屿左舷的灯分别为红色和绿色（正确显示了主航道的右舷侧和次级航道的左舷），并且当障碍物升起时，它们会呈黄色闪烁灯闪烁， 提醒进入和离开泻湖的部队。由于横向航标应该成对放置以更好地指示航道，因此我们向岛上的航标保证了对应的一条运河旁的通道，以识别主要和次要运河（图2）。

图2.人工岛（丽都港）的视图。 SketchUp模型可模拟预期的情景

我们还提出了一些可选的改进措施，例如位于人工岛之前的“首选频道”信号，以区分左舷（圣尼古洛运河）的主航道与右舷侧的第二个航道（“特雷波尔蒂运河”）。在马拉莫科地区也提出了同样的建议，该地区的主要航道在圣莱昂纳多运河的右侧。这些浮标被修改为横向信号：在第一种情况下，它将是水平条纹的绿色红绿色浮标，并带有绿色的闪烁灯，而在第二种情况下，条纹将是红绿色-红色，并带有红色的闪烁灯。

根据产生的建议，我们使用SketchUp 2018为每个航标创建3D模型；然后，我们将它们导入谷歌地球，以模拟环礁湖中的预期情况（图2）。为了即使在可见度差的情况下也能验证拟议的航标（其范围已根据已经存在的范围给出）的功效，我们基于IALA标准进行了纯粹的理论分析。每个航标d与射程范围DN之间的平均距离是已知的，因此我们可以使用IALA [3]要求的照度值，如公式（5）所示，计算每个信号产生的强度。

在夜间

在白天

我们使用了10海里的标准能见度，因为它与标称范围有关。 从强度的结果数据中，我们得出方程式（4）中每个航标在三种不同的可见性条件下的实际照度（从放置在马拉莫科运河中的示波计记录的数据中获得）：完美，中等和较差的可见性。 然后，我们可以使用公式（6）检查有效的航标可见性：

如我们所料，结果显示了该提案在所有情况下的有效性，但能见度极差的情况除外，因此使该系统不足以保证在这些情况下的最大安全水平。

我们正在寻找一种与现有航标系统互补的创新工具，以解决在浓雾情况下泻湖中的导航禁令的问题：这种情况在冬季和秋季经常发生在泻湖中（图3），不能保证达到当局的要求安全等级，迫使他们封锁该区域并关闭港口。

图3：2017年11月在马拉莫科运河中记录的能见度。

电子导航概念及其相关技术的不断发展使我们的团队分析了所有不同的工具，以找到可以解决此问题的解决方案。 我们认为AIS是向工作区域中的所有单

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