惡劣海況中軍用艦船航行決策模型

戴 冉， 郝慶龍， 顧祖旭

(1.大連海事大學，遼寧 大連 116026；2.中國海上武器試驗場，遼寧 葫蘆島 125000)

惡劣海況中軍用艦船航行決策模型

戴 冉1， 郝慶龍1， 顧祖旭2

(1.大連海事大學，遼寧 大連 116026；2.中國海上武器試驗場，遼寧 葫蘆島 125000)

軍用艦船指揮員面對惡劣海況時，需在艦船安全與使命任務間做出最為合理的決策。因此，應用模糊綜合評價的方法，在考慮軍用艦船特殊艦體結構和艦員構成的基礎上，提出一種可供軍用艦船指揮員在大風浪條件下進行航行決策的模型。在某測量船上運用該模型對不同航線的危險度進行實際估算，結果得到了隨艦出海指揮員的認可。實踐中，根據此結果做出了合理決策，使得測量船在付出一定代價后順利完成了任務。

船舶工程；軍用艦船；惡劣海況；模糊綜合評價；決策

近年來，雖然海上大風浪預報的準確率和新型艦船的抗風浪性能都有所提高,但對于噸位相對較小、甲板上層建筑較為特殊的常規軍用艦船而言，大風浪天氣引發的航行風險仍然很高。為幫助指揮員在艦船安全與使命任務間做出最為適當的決策,在大風浪來臨之前,預先根據大風浪的狀況、船員配置、船舶型號等因素,建立能對艦船航行的危險狀況進行客觀、定量估算[1]的決策模型是十分必要的。本文應用模糊綜合評價[2]的方法建立艦船的決策模型。

1 建立航行決策模型

1.1模型影響因素的選擇

由于不同艦員在專業技能、海上經驗和意志力等方面存在差異，同樣的艦船在惡劣海況中航行時，會因不同的艦員配置而出現不同的危險狀況。因此，模型在將自然因素(即大風和大浪)列入因素集的同時，也將艦員配置列入因素集中。

將艦員配置情況分為A,B和C 3類(見表1)，由艦船指揮員根據實際情況進行綜合評定。

1.2模型風險等級和標準的建立

出于用途的考慮，軍用艦船有著較多的甲板上層構造。當艦舶在惡劣海況中航行時，大浪對其甲板上層建筑的沖擊往往會導致受沖擊裝備遭到損害，從而降低該艦船繼續執行任務的能力。此外，惡例海況對船體和艦船動力系統造成的傷害同樣巨大，嚴重威脅著艦船的安全。軍用艦船由于噸位相對較小，且一般較為狹長，故在惡劣海況中搖擺較為劇烈，致使艦員身體反應較為明顯，部分艦員適應崗位的能力出現不同程度的下降。由于每名艦員都有其獨立的職責，故而由此造成的減員也會導致艦船完成任務的能力下降。

表1 艦員配置分類

在考慮上述惡劣海況對軍用艦船的主要危害的基礎上，建立本模型的風險等級和標準(見表2)，其中一級風險為最高級別風險。

表2 大風浪條件下船舶風險等級名稱及含義

1.3隸屬度函數的確立

由于同一單位的軍用艦船多以同型號為主，且一條艦船通常配備多名適任艦船長，故軍用艦船管理單位擁有足夠多的適任艦船長進行專家評價。

1.3.1對“自然因素”進行初級評價

模型考慮了海上航行時大風浪對艦船的作用時間，且對風浪向與船首向間的夾角也給予了考慮。

模型將大風浪對艦船的作用時間分為4個時段:≤4 h，4～8 h，8～12 h和≥12 h。

在大風浪條件下，風向與浪向幾乎一致，故將風向與浪向一起考慮，稱為風浪向。[3]風浪舷角即風浪向與船首向的夾角，模型將其分為5類(見表3)。

根據專家評定的方法，可給出特定船舶在不同的大風浪狀態下發生不同等級危險的分布情況。但是，氣象臺發布的大風浪預報的準確率不可能達到100%，因此必須對大風浪的預報準確率給予考慮。[4]設大風浪可能的狀態分別為

A1= (a11,a12,a13,…,a1n)

(1)

式(1)中：a1n為預報的大風浪等級出現的概率。

參照表4中各級事故的隸屬度值及含義，使用專家評定的方法，可得到不同船舶在不同風浪條件下航行時發生各等級事故的概率，由此可得到大風浪中航行艦船風險等級與自然因素之間的模糊關系。在t類風浪舷角情況下，不同等級的風浪情況的影響矩陣為

表3 風浪舷角分類

四 三 二 一

(2)

表4 各級事故隸屬度

當收到航行海區的風浪預報、確定了某一航行方案后，該船受自然因素的影響的危險度即可按式(3)求出。

=(x1，x2，x3，x4)

(3)

式(3)中：xi(i=1,2,3,4)為大風浪作用下艦船發生各等級事故的風險度。

1.3.2對“艦員配置”進行初級評價

通過專家調查法，得到關于艦船航行風險度與艦員配置間的風險矩陣為

四 三 二 一

(4)

由于艦船指揮員可能對于本船船員配置存在不同意見，模型按照決策者們的選擇比例得到本船船員配置對于3類情況的隸屬度為

A2=(a21，a22，a23)

(5)

根據主因素決定型評判模型M(∧，∨)，可得該船人員配置因素的風險評價為

(6)

式(6)中：yi(i=1,2,3,4)為在特定船員配置條件下發生各等級事故的風險度。

1.3.3對艦船航行進行總的評價

在模糊綜合評判中，評價指標權重系數的確定十分重要，直接影響綜合評判的結果。為使評價指標的權重能反映客觀實際，模型通過熵權法[5]計算客觀權重，以修正主觀權重的偏差，使之更加符合實際。得到的某型艦船在自然因素和人員配置上的權重為

A3=(a31，a32)

(7)

由上文可知，模型的總評價矩陣為

(8)

大風浪中，船舶危險度評估結果為

B1=A3°R=(z1，z2，z3，z4)

(9)

式(9)中：zi(i=1,2,3,4)為在大風浪的共同作用下軍用艦船出現各等級風險的隸屬度。

1.4建立決策依據表

在考慮艦船失速的情況下，計算完成各條航線航程所用的大概時間，結合不同航線的航行風險度，建立決策依據表(見表5)。表中所列航線風險度為航線中一級風險隸屬度最高的那段航線風險度。

表5 航行決策依據

2 測量船受惡劣海況影響的仿真實例

某測量船6月1日1200位于南沙群島赤瓜礁以北12 n mile的A處，接上級命令，要于6月2日1300前到達B點(16°00′.0 N，111°00′.0 E)，根據天氣預報，南沙群島以北海域6月1日白天有東北風，風力9級，浪高7～9 m，夜間風力逐漸減小至7～8級。該船航海軍官根據天氣情況，制定了3種不同的航行計劃(見圖1)，并根據模型做出了航行決策依據表，交由測量船長進行最后的決策。

圖1 航行計劃

2.1對測量船航行風險度進行評判

通過對該型測量船的多名指揮員進行調查了解到，該測量船受自然因素的影響，發生事故的可能性主要集中在海上風力達到5級以上或浪高2 m以上的情況。故本模型將大風浪條件分為以下幾種情況：風力6級以下或浪高2 m以下；風力6級或浪高2～3 m；風力7級或浪高3～4 m；風力8級或浪高5～7 m；風力9級或浪高7～9 m；風力9級以上或浪高9 m以上。

在不同風浪向和不同航行時間的情況下，可得到20個不同航行條件下的風險等級矩陣，由于篇幅限制，僅列有偏頂風浪條件下測量船航行8～12 h的風險等級矩陣(見表6)。

表6 風險等級矩陣

通過將該船航海部門多年來在該海區執行測控任務時對天氣情況的記錄與氣象部門預報的記錄進行比較分析，得到在風力9級或浪高7～9 m的情況下本模型所分析的6種大風浪天氣出現的概率：

A1=(0, 0, 0.1, 0.1, 0.7, 0.1)

僅以航線3的第1航段為例，由式(3)可得該船受自然因素的影響的危險度為

R1=(0.1, 0.5, 0.3, 0.1)

通過專家調查的方法，得到該船船員配置對于該船航行影響的風險矩陣情況(見表7)。

表7 船員配置對于航行影響的風險等級矩陣

通過對該船船長和多名副船長進行調查了解，可確定該船在本次任務中船員配置的隸屬度為

A2=(0.8, 0.2, 0)

由式(6)可得該船受船員配置因素影響的危險度為

R2=(0.8, 0.2, 0.1, 0)

通過專家調查法，結合熵權法，得到該型艦船的在自然因素和人員配置兩因素上的權重為

A3=(0.6, 0.4)

由模型可知，該船本次航行的總評價矩陣為

大風浪中，船舶危險度評估結果為

B1=(0.4, 0.5, 0.3, 0.1)

由結果可知，該船在風力9級、浪高7～9 m時，偏頂風浪航行8～12 h出現四級、三級、二級、一級風險的可能性分別為較小、臨界、很小、極小。

2.2不同航行計劃的比較分析

根據模型得到的決策依據表見表8。

表8 航行決策依據

可以看到，航線2所需航時最短，但需在9級風、7～9 m浪高的條件下橫風浪航行19.5 h，出現二級和一級風險的可能性分別為臨界和較大，故其航行風險太高。

航線1由于避開了橫風浪航行，航行風險較低，但其所需時間超過了上級限定25 h的時間，因此可作為最后的選擇。

航線3由于在第1航段偏頂風浪航行，會有1 kn的失速，盡管其航行時間長于航線2，但是由于避開了9級風條件下橫風浪航行，航行風險度大幅降低，出現四級和三級風險的可能性分別為較小和臨界，并且可以提前到達任務點。

通過以上比較分析可知，航線3是最好的選擇。經指揮員批準后，測量船按航線3航行。航行約8 h后，風力開始減弱，2100風力減弱至7級，浪高降至3 m左右，船長下令提前轉向。6月2日1000，測量船到達B點，在此期間3名水手因身體反應嚴重難以堅守崗位，備用測量天線受損，后甲板右舷纜車變形，損失在可接受范圍之內。

3 結 語

惡劣海況一直是威脅艦船安全航行的主要因素，尤其是職能相對特殊、必須兼顧艦船安全與使命任務的軍用艦船。建立所關注艦船在不同風浪條件下的風險等級和標準，進而建立惡劣海況中艦船航行的決策模型，為決策者提供科學的決策依據顯得十分重要。該決策模型可使指揮員充分、直觀地預知艦船在某等級大風浪海區中航行的危險程度，同時也可幫其直觀了解各種航行方案的優勢和劣勢。

所提出的模型和方法可用來進一步研發基于電子海圖平臺的可視化船舶風險控制與管理輔助決策系統。在氣象部門預報將出現大風浪時，艦船管理單位可利用該系統對艦船進行風險預評估，并將重點船舶即將遭遇的不同風險等級直觀地顯示在電子海圖平臺上，為上級領導進行決策提供有效參考。

[1] 劉大剛,鄭中義,吳兆麟.大風浪中航行船舶的風險體系分析[J].交通運輸工程學報,2004,4(2):100-102.

[2] 劉大剛，徐東華，吳兆麟．大風浪中航行船舶的危險估估算模型[J]．交通運輸工程學報，2005，5(3)：83-86．

[3] 湯淺通史,重見利幸,星乃泰之.荒天航行時の船舶の運航限界について[J].日本海事協會會誌,2002,258(1):49-61.

[4] 劉大剛,李志華.大風風力預報準確率的統計特征分析[J].大連海事大學學報,2003,29(4):47-49.

[5] HU Shenping，LI Wei，XI Yongtao，etal．Risk Assessment of Marine Traffic Environment Using Unascertained Quality[C].New York: IEEE International Conference on Systems Man and Cybernetics Conference Proceeding，2009.

SailingDecisionModelofMilitaryVesselsonRoughSea

DAIRan1,HAOQinglong1,GUZuxu2

(1. Dalian Maritime University, Dalian 116026, China; 2. Chinese Maritime Weapon Testing Ground, Huludao 125000, China)

When facing a rough sea, the commander of a military vessel on a mission have to make decision to accomplish the mission while keep the vessel safe. A decision making model is proposed to help the commanders make right decisions with comprehensive fuzzy evaluation of the hull structure and crew constitute. This model was used when a survey ship had been assigned a mission on rough sea. With the help of the model the survey ship made right decision and accomplished its mission with acceptable cost.

ship engineering; military vessel； rough sea； fuzzy comprehensive evaluation； decision making

2014-04-23

戴 冉(1964—)，男，浙江杭州人，教授，主要從事船舶航行信息系統研究。E-mail：dairan@sina.com

顧祖旭(1988—)，男，江蘇連云港人，碩士生，主要從事船舶航行信息系統研究。E-mail：xdguzuxu@163.com

1000-4653(2014)03-0068-04

U676.1

A