基于風險的航行模擬器(RBVS)

考慮天氣預報不確定性和船舶響應的決策支持工具

(B2B7CS, LLC的Web應用程序)

對于每一個船長來說，制定一個同時兼顧安全、高效、準時、節(jié)省燃料四個方面的航行計劃是非常困難的。船長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險、環(huán)境/監(jiān)管要求以及天氣預報的不確定性，這些都增加了問題的復雜性。海洋氣象導航服務的提供商通常會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提供所謂的“最佳航線”，而不是其他“標準路線”。在航行期間，會利用岸上或船上氣象導航軟件依據(jù)最新的天氣預報和船舶位置，對這個“最佳航線”進行實時更新。

大多數(shù)提供海洋氣象導航服務的公司在進行船舶的氣象定線時，用的是對風浪的某一確定性的預報作為其算法的輸入值。雖然世界各地大多數(shù)的天氣預報中心會預測出超過15天的長期天氣情況，但針對船舶航線規(guī)劃來說，對大型風暴周圍風浪情況的預報的可接受精度通常為3至5天，對于熱帶風暴而言，天數(shù)甚至更短。由于地球大氣層固有的復雜性質(zhì)，再加上對這種狀態(tài)的描述可能不甚完善，所以要求的精度會高一些。一個被忽略的小擾動可能在幾天后發(fā)展成一場大風暴。風暴軌跡和強度的突然變化會極大地影響船舶航行的安全性和預期燃料消耗量，以及船舶的預計到達時間。

另一個挑戰(zhàn)是如何將這些不斷變化的風浪情況轉(zhuǎn)化為船舶的響應和適航能力，從而實現(xiàn)船舶的安全操作。如果只是簡單地躲避?暴，?不對特定船舶裝載條件下船舶的縱搖/橫搖情況和加速度進行預測，可能會導致危險的發(fā)生，例如造成參數(shù)橫搖等情況的發(fā)生。艏傾過大可能導致推進器空轉(zhuǎn)，在遇到風浪時發(fā)動機容易停擺。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)了一種基于風險的航行模擬器(RBVS)，結合了船舶響應模型和綜合預報系統(tǒng)來估計超過用戶指定安全限度的風險，在目前的船舶氣象定線方法基礎上繼續(xù)加以完善。該模擬器使用的是多個風浪預報數(shù)據(jù)來對船舶航次的情況進行預測。

該軟件由以下部分組成：

1. 基于美國國家海洋與大氣管理局(NOAA)全球集合預報系統(tǒng)(GEFS)的綜合預報系統(tǒng)，該系統(tǒng)會生成1個總體上的預報以及包含30個點位的集合預報；

2. 預測船舶運動和耐波性的程序；

3. 船舶推進模型，預測船舶阻力、發(fā)動機馬力和轉(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，收集船舶實時作業(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算設備下載和處理天氣預報數(shù)據(jù)，進行船舶預報并更新船舶模型。該模擬器需要大量的云存儲空間來容納31個點位上的數(shù)據(jù)，包含長達15天的全球風浪預測數(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動預測模型庫。

通過該模擬器，用戶只要通過網(wǎng)絡瀏覽器就可在世界任何地方訪問這項服務。用戶可以導入航線進行仿真，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信息，然后單擊“SIMULATE”就可以利用綜合預報功能來模擬這些航線。

圖1對三條航線的仿真示例

仿真完成后，系統(tǒng)將結果傳輸給用戶。在此基礎上，用戶能夠測試許多假定的場景。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數(shù)表示，如圖2所示。推導的理論依據(jù)在附錄中有所說明。

圖2 利用綜合預報手段對特定航段和航次進行仿真的詳細信息

點擊航線部分可以顯示仿真的細節(jié)。任何超過指定閾值的參數(shù)將顯示為紅色。同時，預測中還包括了橫搖和縱搖的周期。參數(shù)橫搖一般會發(fā)生在船舶橫搖周期約為縱搖周期的兩倍時。

用戶還可以快速瀏覽31個點位上的具體情況，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”可以顯示每個點位預測值的大體情況。點擊“HISTOGRAM”可以顯示某一變量值在31個點位上的概率分布以及均值和標準差。

圖3 波高超限的仿真統(tǒng)計結果

圖3中的平均值和標準差反映的是模型預測出的結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數(shù)，通過比較圖中的三個路線可知，第二種航線Rt 2的橫搖角度始終不會超過15度的閾值。

圖4航行中三種航線的橫搖角超過設定閾值的小時數(shù)

單擊“FUEL”和“DURATION“顯示的是平均值和標準差的分布情況，如圖5所示。這些指標為用戶在選擇航線時提供了可靠的參考。例如，第三條航線Rt 3基本是最佳選擇，燃料消耗最少。因為Rt 3既避免了沿北線(Rt 2)可能會遇到的風暴，同時也比走南線(Rt 1)要更近一些，到達時間也大致相同。

圖5 31個點位的航行時間和燃料消耗量的直方圖

該航行模擬器是通過B2B模式提供軟件服務的，提供定制的船舶響應模型。每艘船按月收取訂閱費。同時，還提供了系統(tǒng)集成的API，從而進一步為用戶提供定制化的圖表和船隊管理頁面以及其他服務。

B2B7CS通過整合準確、最新的船舶響應模型、綜合預報和復雜的風險評估系統(tǒng)，開發(fā)了這一前所未有的最先進的氣象導航模擬工具。無論是船長還是船隊操作中心的管理人員，都可以利用該工具對船舶在各種航線上航行的安全性和效率有一個大致的了解。隨著進一步的完善，該工具將成為能夠兼顧航行安全和商業(yè)價值的得力工具，基于計算而得的風險數(shù)據(jù)，幫助用戶實現(xiàn)對航行進行整體的合理優(yōu)化，而不是盲目的決策。