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(xué)，遼寧 大連 116026；2.中國海上武器試驗(yàn)場(chǎng)，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(xué)，遼寧 大連 116026；2.中國海上武器試驗(yàn)場(chǎng)，遼寧 葫蘆島 125000)

軍用艦船指揮員面對(duì)惡劣海況時(shí)，需在艦船安全與使命任務(wù)間做出最為合理的決策。因此，應(yīng)用模糊綜合評(píng)價(jià)的方法，在考慮軍用艦船特殊艦體結(jié)構(gòu)和艦員構(gòu)成的基礎(chǔ)上，提出一種可供軍用艦船指揮員在大風(fēng)浪條件下進(jìn)行航行決策的模型。在某測(cè)量船上運(yùn)用該模型對(duì)不同航線的危險(xiǎn)度進(jìn)行實(shí)際估算，結(jié)果得到了隨艦出海指揮員的認(rèn)可。實(shí)踐中，根據(jù)此結(jié)果做出了合理決策，使得測(cè)量船在付出一定代價(jià)后順利完成了任務(wù)。

船舶工程；軍用艦船；惡劣海況；模糊綜合評(píng)價(jià)；決策

近年來，雖然海上大風(fēng)浪預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率和新型艦船的抗風(fēng)浪性能都有所提高,但對(duì)于噸位相對(duì)較小、甲板上層建筑較為特殊的常規(guī)軍用艦船而言，大風(fēng)浪天氣引發(fā)的航行風(fēng)險(xiǎn)仍然很高。為幫助指揮員在艦船安全與使命任務(wù)間做出最為適當(dāng)?shù)臎Q策,在大風(fēng)浪來臨之前,預(yù)先根據(jù)大風(fēng)浪的狀況、船員配置、船舶型號(hào)等因素,建立能對(duì)艦船航行的危險(xiǎn)狀況進(jìn)行客觀、定量估算[1]的決策模型是十分必要的。本文應(yīng)用模糊綜合評(píng)價(jià)[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(yè)技能、海上經(jīng)驗(yàn)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(shí)，會(huì)因不同的艦員配置而出現(xiàn)不同的危險(xiǎn)狀況。因此，模型在將自然因素(即大風(fēng)和大浪)列入因素集的同時(shí)，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(jù)實(shí)際情況進(jìn)行綜合評(píng)定。

1.2模型風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)和標(biāo)準(zhǔn)的建立

出于用途的考慮，軍用艦船有著較多的甲板上層構(gòu)造。當(dāng)艦舶在惡劣海況中航行時(shí)，大浪對(duì)其甲板上層建筑的沖擊往往會(huì)導(dǎo)致受沖擊裝備遭到損害，從而降低該艦船繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)的能力。此外，惡例海況對(duì)船體和艦船動(dòng)力系統(tǒng)造成的傷害同樣巨大，嚴(yán)重威脅著艦船的安全。軍用艦船由于噸位相對(duì)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(yīng)較為明顯，部分艦員適應(yīng)崗位的能力出現(xiàn)不同程度的下降。由于每名艦員都有其獨(dú)立的職責(zé)，故而由此造成的減員也會(huì)導(dǎo)致艦船完成任務(wù)的能力下降。

表1 艦員配置分類

在考慮上述惡劣海況對(duì)軍用艦船的主要危害的基礎(chǔ)上，建立本模型的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)和標(biāo)準(zhǔn)(見表2)，其中一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)為最高級(jí)別風(fēng)險(xiǎn)。

表2 大風(fēng)浪條件下船舶風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)名稱及含義

1.3隸屬度函數(shù)的確立

由于同一單位的軍用艦船多以同型號(hào)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(jìn)行專家評(píng)價(jià)。

1.3.1對(duì)“自然因素”進(jìn)行初級(jí)評(píng)價(jià)

模型考慮了海上航行時(shí)大風(fēng)浪對(duì)艦船的作用時(shí)間，且對(duì)風(fēng)浪向與船首向間的夾角也給予了考慮。

模型將大風(fēng)浪對(duì)艦船的作用時(shí)間分為4個(gè)時(shí)段:≤4 h，4～8 h，8～12 h和≥12 h。

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

根據(jù)專家評(píng)定的方法，可給出特定船舶在不同的大風(fēng)浪狀態(tài)下發(fā)生不同等級(jí)危險(xiǎn)的分布情況。但是，氣象臺(tái)發(fā)布的大風(fēng)浪預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率不可能達(dá)到100%，因此必須對(duì)大風(fēng)浪的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率給予考慮。[4]設(shè)大風(fēng)浪可能的狀態(tài)分別為

A1= (a11,a12,a13,…,a1n)

(1)

式(1)中：a1n為預(yù)報(bào)的大風(fēng)浪等級(jí)出現(xiàn)的概率。

參照表4中各級(jí)事故的隸屬度值及含義，使用專家評(píng)定的方法，可得到不同船舶在不同風(fēng)浪條件下航行時(shí)發(fā)生各等級(jí)事故的概率，由此可得到大風(fēng)浪中航行艦船風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)與自然因素之間的模糊關(guān)系。在t類風(fēng)浪舷角情況下，不同等級(jí)的風(fēng)浪情況的影響矩陣為

表3 風(fēng)浪舷角分類

四 三 二 一

(2)

表4 各級(jí)事故隸屬度

當(dāng)收到航行海區(qū)的風(fēng)浪預(yù)報(bào)、確定了某一航行方案后，該船受自然因素的影響的危險(xiǎn)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(fēng)浪作用下艦船發(fā)生各等級(jí)事故的風(fēng)險(xiǎn)度。

1.3.2對(duì)“艦員配置”進(jìn)行初級(jí)評(píng)價(jià)

通過專家調(diào)查法，得到關(guān)于艦船航行風(fēng)險(xiǎn)度與艦員配置間的風(fēng)險(xiǎn)矩陣為

四 三 二 一

(4)

由于艦船指揮員可能對(duì)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(duì)于3類情況的隸屬度為

A2=(a21，a22，a23)

(5)

根據(jù)主因素決定型評(píng)判模型M(∧，∨)，可得該船人員配置因素的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)為

(6)

式(6)中：yi(i=1,2,3,4)為在特定船員配置條件下發(fā)生各等級(jí)事故的風(fēng)險(xiǎn)度。

1.3.3對(duì)艦船航行進(jìn)行總的評(píng)價(jià)

在模糊綜合評(píng)判中，評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重系數(shù)的確定十分重要，直接影響綜合評(píng)判的結(jié)果。為使評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重能反映客觀實(shí)際，模型通過熵權(quán)法[5]計(jì)算客觀權(quán)重，以修正主觀權(quán)重的偏差，使之更加符合實(shí)際。得到的某型艦船在自然因素和人員配置上的權(quán)重為

A3=(a31，a32)

(7)

由上文可知，模型的總評(píng)價(jià)矩陣為

(8)

大風(fēng)浪中，船舶危險(xiǎn)度評(píng)估結(jié)果為

B1=A3°R=(z1，z2，z3，z4)

(9)

式(9)中：zi(i=1,2,3,4)為在大風(fēng)浪的共同作用下軍用艦船出現(xiàn)各等級(jí)風(fēng)險(xiǎn)的隸屬度。

1.4建立決策依據(jù)表

在考慮艦船失速的情況下，計(jì)算完成各條航線航程所用的大概時(shí)間，結(jié)合不同航線的航行風(fēng)險(xiǎn)度，建立決策依據(jù)表(見表5)。表中所列航線風(fēng)險(xiǎn)度為航線中一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)隸屬度最高的那段航線風(fēng)險(xiǎn)度。

表5 航行決策依據(jù)

2 測(cè)量船受惡劣海況影響的仿真實(shí)例

某測(cè)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(jí)命令，要于6月2日1300前到達(dá)B點(diǎn)(16°00′.0 N，111°00′.0 E)，根據(jù)天氣預(yù)報(bào)，南沙群島以北海域6月1日白天有東北風(fēng)，風(fēng)力9級(jí)，浪高7～9 m，夜間風(fēng)力逐漸減小至7～8級(jí)。該船航海軍官根據(jù)天氣情況，制定了3種不同的航行計(jì)劃(見圖1)，并根據(jù)模型做出了航行決策依據(jù)表，交由測(cè)量船長進(jìn)行最后的決策。

圖1 航行計(jì)劃

2.1對(duì)測(cè)量船航行風(fēng)險(xiǎn)度進(jìn)行評(píng)判

通過對(duì)該型測(cè)量船的多名指揮員進(jìn)行調(diào)查了解到，該測(cè)量船受自然因素的影響，發(fā)生事故的可能性主要集中在海上風(fēng)力達(dá)到5級(jí)以上或浪高2 m以上的情況。故本模型將大風(fēng)浪條件分為以下幾種情況：風(fēng)力6級(jí)以下或浪高2 m以下；風(fēng)力6級(jí)或浪高2～3 m；風(fēng)力7級(jí)或浪高3～4 m；風(fēng)力8級(jí)或浪高5～7 m；風(fēng)力9級(jí)或浪高7～9 m；風(fēng)力9級(jí)以上或浪高9 m以上。

在不同風(fēng)浪向和不同航行時(shí)間的情況下，可得到20個(gè)不同航行條件下的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)矩陣，由于篇幅限制，僅列有偏頂風(fēng)浪條件下測(cè)量船航行8～12 h的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)矩陣(見表6)。

表6 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)矩陣

通過將該船航海部門多年來在該海區(qū)執(zhí)行測(cè)控任務(wù)時(shí)對(duì)天氣情況的記錄與氣象部門預(yù)報(bào)的記錄進(jìn)行比較分析，得到在風(fēng)力9級(jí)或浪高7～9 m的情況下本模型所分析的6種大風(fēng)浪天氣出現(xiàn)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(xiǎn)度為

R1=(0.1, 0.5, 0.3, 0.1)

通過專家調(diào)查的方法，得到該船船員配置對(duì)于該船航行影響的風(fēng)險(xiǎn)矩陣情況(見表7)。

表7 船員配置對(duì)于航行影響的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)矩陣

通過對(duì)該船船長和多名副船長進(jìn)行調(diào)查了解，可確定該船在本次任務(wù)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(xiǎn)度為

R2=(0.8, 0.2, 0.1, 0)

通過專家調(diào)查法，結(jié)合熵權(quán)法，得到該型艦船的在自然因素和人員配置兩因素上的權(quán)重為

A3=(0.6, 0.4)

由模型可知，該船本次航行的總評(píng)價(jià)矩陣為

大風(fēng)浪中，船舶危險(xiǎn)度評(píng)估結(jié)果為

B1=(0.4, 0.5, 0.3, 0.1)

由結(jié)果可知，該船在風(fēng)力9級(jí)、浪高7～9 m時(shí)，偏頂風(fēng)浪航行8～12 h出現(xiàn)四級(jí)、三級(jí)、二級(jí)、一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)的可能性分別為較小、臨界、很小、極小。

2.2不同航行計(jì)劃的比較分析

根據(jù)模型得到的決策依據(jù)表見表8。

表8 航行決策依據(jù)

可以看到，航線2所需航時(shí)最短，但需在9級(jí)風(fēng)、7～9 m浪高的條件下橫風(fēng)浪航行19.5 h，出現(xiàn)二級(jí)和一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)的可能性分別為臨界和較大，故其航行風(fēng)險(xiǎn)太高。

航線1由于避開了橫風(fēng)浪航行，航行風(fēng)險(xiǎn)較低，但其所需時(shí)間超過了上級(jí)限定25 h的時(shí)間，因此可作為最后的選擇。

航線3由于在第1航段偏頂風(fēng)浪航行，會(huì)有1 kn的失速，盡管其航行時(shí)間長于航線2，但是由于避開了9級(jí)風(fēng)條件下橫風(fēng)浪航行，航行風(fēng)險(xiǎn)度大幅降低，出現(xiàn)四級(jí)和三級(jí)風(fēng)險(xiǎn)的可能性分別為較小和臨界，并且可以提前到達(dá)任務(wù)點(diǎn)。

通過以上比較分析可知，航線3是最好的選擇。經(jīng)指揮員批準(zhǔn)后，測(cè)量船按航線3航行。航行約8 h后，風(fēng)力開始減弱，2100風(fēng)力減弱至7級(jí)，浪高降至3 m左右，船長下令提前轉(zhuǎn)向。6月2日1000，測(cè)量船到達(dá)B點(diǎn)，在此期間3名水手因身體反應(yīng)嚴(yán)重難以堅(jiān)守崗位，備用測(cè)量天線受損，后甲板右舷纜車變形，損失在可接受范圍之內(nèi)。

3 結(jié) 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(duì)特殊、必須兼顧艦船安全與使命任務(wù)的軍用艦船。建立所關(guān)注艦船在不同風(fēng)浪條件下的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)和標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)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(xué)的決策依據(jù)顯得十分重要。該決策模型可使指揮員充分、直觀地預(yù)知艦船在某等級(jí)大風(fēng)浪海區(qū)中航行的危險(xiǎn)程度，同時(shí)也可幫其直觀了解各種航行方案的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。

所提出的模型和方法可用來進(jìn)一步研發(fā)基于電子海圖平臺(tái)的可視化船舶風(fēng)險(xiǎn)控制與管理輔助決策系統(tǒng)。在氣象部門預(yù)報(bào)將出現(xiàn)大風(fēng)浪時(shí)，艦船管理單位可利用該系統(tǒng)對(duì)艦船進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)評(píng)估，并將重點(diǎn)船舶即將遭遇的不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)直觀地顯示在電子海圖平臺(tái)上，為上級(jí)領(lǐng)導(dǎo)進(jìn)行決策提供有效參考。

[1] 劉大剛,鄭中義,吳兆麟.大風(fēng)浪中航行船舶的風(fēng)險(xiǎn)體系分析[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào),2004,4(2):100-102.

[2] 劉大剛，徐東華，吳兆麟．大風(fēng)浪中航行船舶的危險(xiǎn)估估算模型[J]．交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2005，5(3)：83-86．

[3] 湯淺通史,重見利幸,星乃泰之.荒天航行時(shí)の船舶の運(yùn)航限界について[J].日本海事協(xié)會(huì)會(huì)誌,2002,258(1):49-61.

[4] 劉大剛,李志華.大風(fēng)風(fēng)力預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率的統(tǒng)計(jì)特征分析[J].大連海事大學(xué)學(xué)報(bào),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(tǒng)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(tǒng)研究。E-mail：xdguzuxu@163.com

1000-4653(2014)03-0068-04

U676.1

A