基于風(fēng)險(xiǎn)的航行模擬器(RBVS)

考慮天氣預(yù)報(bào)不確定性和船舶響應(yīng)的決策支持工具

(B2B7CS, LLC的Web應(yīng)用程序)

對(duì)于每一個(gè)船長(zhǎng)來說，制定一個(gè)同時(shí)兼顧安全、高效、準(zhǔn)時(shí)、節(jié)省燃料四個(gè)方面的航行計(jì)劃是非常困難的。船長(zhǎng)往往要考慮很多因素，例如：租船合同中的要求、航行中可能遇到的風(fēng)險(xiǎn)、環(huán)境/監(jiān)管要求以及天氣預(yù)報(bào)的不確定性，這些都增加了問題的復(fù)雜性。海洋氣象導(dǎo)航服務(wù)的提供商通常會(huì)在開船前與承租人或船舶經(jīng)理簽訂合同，通過電子郵件向船長(zhǎng)提供所謂的“最佳航線”，而不是其他“標(biāo)準(zhǔn)路線”。在航行期間，會(huì)利用岸上或船上氣象導(dǎo)航軟件依據(jù)最新的天氣預(yù)報(bào)和船舶位置，對(duì)這個(gè)“最佳航線”進(jìn)行實(shí)時(shí)更新。

大多數(shù)提供海洋氣象導(dǎo)航服務(wù)的公司在進(jìn)行船舶的氣象定線時(shí)，用的是對(duì)風(fēng)浪的某一確定性的預(yù)報(bào)作為其算法的輸入值。雖然世界各地大多數(shù)的天氣預(yù)報(bào)中心會(huì)預(yù)測(cè)出超過15天的長(zhǎng)期天氣情況，但針對(duì)船舶航線規(guī)劃來說，對(duì)大型風(fēng)暴周圍風(fēng)浪情況的預(yù)報(bào)的可接受精度通常為3至5天，對(duì)于熱帶風(fēng)暴而言，天數(shù)甚至更短。由于地球大氣層固有的復(fù)雜性質(zhì)，再加上對(duì)這種狀態(tài)的描述可能不甚完善，所以要求的精度會(huì)高一些。一個(gè)被忽略的小擾動(dòng)可能在幾天后發(fā)展成一場(chǎng)大風(fēng)暴。風(fēng)暴軌跡和強(qiáng)度的突然變化會(huì)極大地影響船舶航行的安全性和預(yù)期燃料消耗量，以及船舶的預(yù)計(jì)到達(dá)時(shí)間。

另一個(gè)挑戰(zhàn)是如何將這些不斷變化的風(fēng)浪情況轉(zhuǎn)化為船舶的響應(yīng)和適航能力，從而實(shí)現(xiàn)船舶的安全操作。如果只是簡(jiǎn)單地躲避?暴，?不對(duì)特定船舶裝載條件下船舶的縱搖/橫搖情況和加速度進(jìn)行預(yù)測(cè)，可能會(huì)導(dǎo)致危險(xiǎn)的發(fā)生，例如造成參數(shù)橫搖等情況的發(fā)生。艏傾過大可能導(dǎo)致推進(jìn)器空轉(zhuǎn)，在遇到風(fēng)浪時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)容易停擺。每年都有成千上萬的集裝箱因船舶在惡劣天氣中航行而受到損壞或者直接丟失。

我們開發(fā)了一種基于風(fēng)險(xiǎn)的航行模擬器(RBVS)，結(jié)合了船舶響應(yīng)模型和綜合預(yù)報(bào)系統(tǒng)來估計(jì)超過用戶指定安全限度的風(fēng)險(xiǎn)，在目前的船舶氣象定線方法基礎(chǔ)上繼續(xù)加以完善。該模擬器使用的是多個(gè)風(fēng)浪預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)來對(duì)船舶航次的情況進(jìn)行預(yù)測(cè)。

該軟件由以下部分組成：

1. 基于美國(guó)國(guó)家海洋與大氣管理局(NOAA)全球集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)(GEFS)的綜合預(yù)報(bào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)會(huì)生成1個(gè)總體上的預(yù)報(bào)以及包含30個(gè)點(diǎn)位的集合預(yù)報(bào)；

2. 預(yù)測(cè)船舶運(yùn)動(dòng)和耐波性的程序；

3. 船舶推進(jìn)模型，預(yù)測(cè)船舶阻力、發(fā)動(dòng)機(jī)馬力和轉(zhuǎn)速，從而保持合適的航速和航向；

4. 船舶性能數(shù)據(jù)記錄儀，收集船舶實(shí)時(shí)作業(yè)數(shù)據(jù)；

5. 基于歷史航次數(shù)據(jù)更新船舶性能模型的??智能算法。

利用高速多處理器的云計(jì)算設(shè)備下載和處理天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，進(jìn)行船舶預(yù)報(bào)并更新船舶模型。該模擬器需要大量的云存儲(chǔ)空間來容納31個(gè)點(diǎn)位上的數(shù)據(jù)，包含長(zhǎng)達(dá)15天的全球風(fēng)浪預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)、船舶歷史性能數(shù)據(jù)，以及不斷更新的船舶性能和運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)模型庫。

通過該模擬器，用戶只要通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽器就可在世界任何地方訪問這項(xiàng)服務(wù)。用戶可以導(dǎo)入航線進(jìn)行仿真，也可以在PC端上創(chuàng)建/修改/保存航線。圖1顯示了該程序在瀏覽器上打開的頁面。接下來，用戶可以輸入船舶航行的相關(guān)信息，然后單擊“SIMULATE”就可以利用綜合預(yù)報(bào)功能來模擬這些航線。

圖1對(duì)三條航線的仿真示例

仿真完成后，系統(tǒng)將結(jié)果傳輸給用戶。在此基礎(chǔ)上，用戶能夠測(cè)試許多假定的場(chǎng)景。在系統(tǒng)中，這些假定的情景使用各變量超過指定閾值的小時(shí)數(shù)表示，如圖2所示。推導(dǎo)的理論依據(jù)在附錄中有所說明。

圖2 利用綜合預(yù)報(bào)手段對(duì)特定航段和航次進(jìn)行仿真的詳細(xì)信息

點(diǎn)擊航線部分可以顯示仿真的細(xì)節(jié)。任何超過指定閾值的參數(shù)將顯示為紅色。同時(shí)，預(yù)測(cè)中還包括了橫搖和縱搖的周期。參數(shù)橫搖一般會(huì)發(fā)生在船舶橫搖周期約為縱搖周期的兩倍時(shí)。

用戶還可以快速瀏覽31個(gè)點(diǎn)位上的具體情況，查看航線上超出了安全閾值的部分，如圖2頁面底部所示。單擊“SERIES”可以顯示每個(gè)點(diǎn)位預(yù)測(cè)值的大體情況。點(diǎn)擊“HISTOGRAM”可以顯示某一變量值在31個(gè)點(diǎn)位上的概率分布以及均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

圖3 波高超限的仿真統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖3中的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差反映的是模型預(yù)測(cè)出的結(jié)果超過用戶指定波高限制的情況。圖4則顯示的是船舶航行中超過指定橫搖角度閾值的小時(shí)數(shù)，通過比較圖中的三個(gè)路線可知，第二種航線Rt 2的橫搖角度始終不會(huì)超過15度的閾值。

圖4航行中三種航線的橫搖角超過設(shè)定閾值的小時(shí)數(shù)

單擊“FUEL”和“DURATION“顯示的是平均值和標(biāo)準(zhǔn)差的分布情況，如圖5所示。這些指標(biāo)為用戶在選擇航線時(shí)提供了可靠的參考。例如，第三條航線Rt 3基本是最佳選擇，燃料消耗最少。因?yàn)镽t 3既避免了沿北線(Rt 2)可能會(huì)遇到的風(fēng)暴，同時(shí)也比走南線(Rt 1)要更近一些，到達(dá)時(shí)間也大致相同。

圖5 31個(gè)點(diǎn)位的航行時(shí)間和燃料消耗量的直方圖

該航行模擬器是通過B2B模式提供軟件服務(wù)的，提供定制的船舶響應(yīng)模型。每艘船按月收取訂閱費(fèi)。同時(shí)，還提供了系統(tǒng)集成的API，從而進(jìn)一步為用戶提供定制化的圖表和船隊(duì)管理頁面以及其他服務(wù)。

B2B7CS通過整合準(zhǔn)確、最新的船舶響應(yīng)模型、綜合預(yù)報(bào)和復(fù)雜的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估系統(tǒng)，開發(fā)了這一前所未有的最先進(jìn)的氣象導(dǎo)航模擬工具。無論是船長(zhǎng)還是船隊(duì)操作中心的管理人員，都可以利用該工具對(duì)船舶在各種航線上航行的安全性和效率有一個(gè)大致的了解。隨著進(jìn)一步的完善，該工具將成為能夠兼顧航行安全和商業(yè)價(jià)值的得力工具，基于計(jì)算而得的風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)，幫助用戶實(shí)現(xiàn)對(duì)航行進(jìn)行整體的合理優(yōu)化，而不是盲目的決策。