基于風(fēng)險(xiǎn)的航行模擬器

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(lái)說(shuō)，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(wèn)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(kāi)船前與承租人或船舶經(jīng)理簽訂合同，通過(guò)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(guò)15天的長(zhǎng)期天氣情況，但針對(duì)船舶航線規(guī)劃來(lái)說(shuō)，對(duì)大型風(fēng)暴周?chē)L(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(guò)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(wàn)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(kāi)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(lái)估計(jì)超過(guò)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(lái)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(lái)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(kù)。

通過(guò)該模擬器，用戶只要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)瀏覽器就可在世界任何地方訪問(wèn)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(kāi)的頁(yè)面。接下來(lái)，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(lái)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(guò)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(shuō)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(guò)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(yè)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(guò)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(guò)指定橫搖角度閾值的小時(shí)數(shù)，通過(guò)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(guò)15度的閾值。

圖4航行中三種航線的橫搖角超過(guò)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(guò)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(yè)面以及其他服務(wù)。

B2B7CS通過(guò)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(kāi)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(wú)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。