無動力船舶適用拖輪搜索需求分析和搜索模式設(shè)計

杜曄

摘要：隨著對海洋資源開發(fā)需求加快和航運事業(yè)的不斷開發(fā)，無動力船舶的數(shù)量越來越多，無動力船舶的移動需要借助適用拖輪進(jìn)行拖航。適用拖輪的搜索是無動力船舶拖航作業(yè)的前提。在對無動力船舶拖航作業(yè)需求和拖輪搜索現(xiàn)狀分析的基礎(chǔ)上，提出一種無動力船舶適用拖輪搜索系統(tǒng)方案，以求通過搜索系統(tǒng)的開發(fā)，為無動力船舶的準(zhǔn)確高效的搜索符合拖航要求的拖輪。

關(guān)鍵詞：無動力船舶；海上拖航；拖輪搜索；需求分析；模式設(shè)計

中圖分類號：U675.93 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-7973（2016）04-0050-02

1.拖輪搜索需求

無動力船舶搜索適用拖輪的目的是開展海上拖航業(yè)務(wù)。海上拖航是指拖輪利用其動力和拖航設(shè)備將他船或他物從一港或水域經(jīng)海路包括與海相通的可航水域拖至另一港或水域的海上服務(wù)方式，可分為海上拖駁運輸、海難救助拖航和海上拖航業(yè)務(wù)。因拖駁運輸一般有配套拖輪，海上救助拖航的指揮權(quán)一般移交到當(dāng)?shù)睾Ｊ鹿芾頇C(jī)構(gòu)，本文主要針對海上拖航業(yè)務(wù)的搜索需求。

海上拖航是海上運輸方式中的一種特殊形式，是一項風(fēng)險性很大和專業(yè)性要求較高的業(yè)務(wù)。在非港內(nèi)遠(yuǎn)距離拖航運輸中，會受到風(fēng)、浪、流等各種海洋環(huán)境條件的聯(lián)合作用。拖航穩(wěn)定性是拖航業(yè)務(wù)中需重點考慮的一個問題，拖輪必須具備較強的抗風(fēng)浪能力、拖纜要有足夠的強度，才能避免傾覆、沉船、斷纜等事故的發(fā)生。拖輪適航必備條件是具有適拖的條件，包括拖輪（船體和船舶的附屬設(shè)備）處于適航狀態(tài)、拖輪的船長和船員的配備適航以及拖輪拖曳設(shè)備必須適航和適拖。

2.拖輪搜索原則

拖輪搜索一般涉及三個利益相關(guān)方：無動力船舶的船東（主要關(guān)心拖航業(yè)務(wù)的安全性、及時性與經(jīng)濟(jì)性）、拖輪船東（主要關(guān)心拖航業(yè)務(wù)安全性和多航次的綜合經(jīng)濟(jì)性）、經(jīng)紀(jì)人（主要關(guān)心拖航業(yè)務(wù)的經(jīng)濟(jì)性和安全性）。此外，搜索功能的提供者若不是以上三方之一的角色，作為第四方，其利益訴求在于用戶黏性，即更多用戶通過該搜索功能來尋找無動力船舶適用拖輪。

拖輪搜索功能的使用者相互協(xié)同涉及兩大核心變量：目標(biāo)和利益。各方目標(biāo)是否一致，直接影響協(xié)同能否達(dá)成及產(chǎn)生的協(xié)同效果。各方目標(biāo)不一致雖然會導(dǎo)致各方分離和沖突，但并不是實現(xiàn)協(xié)同的必備條件。很多情況下，即使各方地位不平等，也可達(dá)成協(xié)同。目標(biāo)問題重要變量，目標(biāo)的一致性與否，直接影響各方能夠形成的協(xié)同機(jī)制。協(xié)同各方利益可能是相互依賴的，也可能相互之間并沒有實質(zhì)性利益交互關(guān)系。

利益和目標(biāo)兩個變量的組合可形成四種關(guān)系類型，分別對應(yīng)四種協(xié)同形式：

（1）利益分離，目標(biāo)沖突。需科層制協(xié)同，即至上而下的協(xié)同安排，通過超越各方利益的權(quán)力促使協(xié)同機(jī)制的形成；

（2）利益耦合，目標(biāo)沖突。類似于市場買賣關(guān)系，買賣雙方為各自利益交換，目標(biāo)并不一致；

（3）利益分離，目標(biāo)一致。需溝通性協(xié)同，即雙方或多方關(guān)系一般具有臨時性、溝通性和非制度化特征；

（4）利益耦合，目標(biāo)一致。需戰(zhàn)略性協(xié)同，容易形成持續(xù)的、制度化的協(xié)同關(guān)系，多方可達(dá)成制度化的協(xié)調(diào)合作機(jī)制。

在市場機(jī)制下，該搜索期望能夠達(dá)成的最佳狀態(tài)是利益耦合目標(biāo)一致，但是通常狀態(tài)下是利益分離，目標(biāo)一致，少數(shù)情況下是利益分離目標(biāo)一致。

3.拖輪搜索的信息來源與分類

隨著互聯(lián)網(wǎng)對船舶AIS系統(tǒng)信息的開發(fā)，眾多專業(yè)網(wǎng)站上可對船舶基本信息進(jìn)行查詢，并對船舶位置進(jìn)行查詢。對于無動力船舶的調(diào)遣較早安排拖輪，則對拖輪使用期限限制較大。目前，市場情況一般分為三個階段：①船舶拖航業(yè)務(wù)開始前50個工作日左右搜索合適的拖輪；②拖航前30個工作日開始進(jìn)行商務(wù)談判和證書手續(xù)辦理；③具體拖航前10個工作日左右確定拖航船舶。本文的搜索是為拖航業(yè)務(wù)第一階段提供相關(guān)信息。

拖輪搜索涉及多方面信息，其中靜態(tài)信息包括船名（名稱、呼號、IMO編號等）、船型（船長、船寬、吃水、拖纜機(jī)數(shù)量、纜繩配備情況、排水量等）、船舶能力（馬力、拖力、操縱參數(shù)等）；動態(tài)信息則包括船舶位置、航向、船速、航線計劃等數(shù)據(jù)；此外，還有環(huán)境信息：地理環(huán)境（水深、方位、助航設(shè)備、航道等）、水文氣象（海浪、潮汐、風(fēng)力等）。以上信息可分別從船舶資料數(shù)據(jù)庫、AIS信息、ECDIS系統(tǒng)和氣象系統(tǒng)等方面獲得。

搜索信息可分為目標(biāo)信息和利益信息，目標(biāo)信息用來判斷拖輪是否能夠安全完成拖航業(yè)務(wù)的指標(biāo)，利益信息用來估算拖航業(yè)務(wù)成本信息；部分信息即可作為目標(biāo)信息也可作為利益信息。目標(biāo)信息主要有拖輪主機(jī)馬力、纜繩拖力、抗風(fēng)能力等；利益信息主要有調(diào)遣距離、拖航速度、拖航油耗等。

4.拖輪搜索的有效性保證

無動力船舶的船東在船舶信息平臺上通過該功能搜索到的備選拖輪中是否能涵蓋最終選擇的拖輪是搜索結(jié)果有效性的指標(biāo)。同時，拖輪數(shù)據(jù)的完整性對搜索結(jié)果的有效性有很大影響，因此船舶信息平臺需采用一定的激勵措施確保拖輪數(shù)據(jù)完整和真實。

根據(jù)作者的工作經(jīng)歷，目前此類搜索多是依賴拖輪經(jīng)紀(jì)人自身經(jīng)驗，其搜索范圍多是曾使用過的拖輪。因此，建立拖輪搜索信息系統(tǒng)將大大提高無動力船舶船東搜索適合船舶的效率。

5.拖輪搜索模式設(shè)計

因搜索無動力船舶適用拖輪所需信息維度較多，且目標(biāo)信息和利益信息間有多種組合方式，多目標(biāo)情況的搜索需借助人工智能技術(shù)。一般，無動力船舶船東搜索得到的結(jié)果希望能收斂于5艘拖輪以內(nèi)，且能按照利益目標(biāo)權(quán)重因子進(jìn)行排列。因此，擬用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法作為搜索算法來解決類似的搜索問題。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)首先要以一定的學(xué)習(xí)準(zhǔn)則進(jìn)行學(xué)習(xí)，在學(xué)習(xí)或訓(xùn)練過程中改變突觸權(quán)重值，以適應(yīng)周圍環(huán)境的要求。同一網(wǎng)絡(luò)因?qū)W習(xí)方式及內(nèi)容不同可具有不同功能。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是具有學(xué)習(xí)能力的系統(tǒng)，考慮到拖輪搜索雖有目標(biāo)和利益兩個維度分析，但其中關(guān)鍵信息在兩個方面都有影響，因此采用有一個隱含層的三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)即可學(xué)習(xí)形成拖輪搜索的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)第一個階段輸入已知學(xué)習(xí)樣本時，通過設(shè)置的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和前一次迭代的權(quán)值和閾值，從網(wǎng)絡(luò)的第一層向后計算各神經(jīng)元的輸出。第二階段是對權(quán)和閾值進(jìn)行修改，從最后一層向前計算各權(quán)值和閾值對總誤差的影響，據(jù)此對各權(quán)值和閾值進(jìn)行修改。

根據(jù)拖輪業(yè)務(wù)的特點，將主機(jī)馬力、系柱拖力、調(diào)遣距離、拖航速度、平均日變動成本、平均日固定成本和航線季節(jié)氣象影響這7個變量作為輸入量。因無動力船舶拖航可訓(xùn)練數(shù)據(jù)較多，確定隱含層節(jié)點數(shù)取20。對于輸出結(jié)果則根據(jù)之前的目標(biāo)和利益的原則分為可靠性和經(jīng)濟(jì)性2個輸出節(jié)點。對隱含層節(jié)點和輸出節(jié)點的激活函數(shù)可采用Sigmoid函數(shù)。

在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和參數(shù)確定以后利用現(xiàn)有無動力船舶選擇適用拖輪的實際結(jié)果作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)樣本進(jìn)行輸入。期間需對點數(shù)據(jù)進(jìn)行處理形成一系列有重疊區(qū)域的區(qū)間。例如對某拖輪主機(jī)功率為3980匹馬力，可將該拖輪歸入3900～4100匹馬力和3800～4000匹馬力兩個區(qū)間。此外，調(diào)遣距離是隨著不同查詢時間或拖輪預(yù)計位置而隨著時間變化的，拖航速度需對無動力船舶和拖輪進(jìn)行計算，日變動成本和日固定成本需拖輪船東或使用過拖輪的船東或經(jīng)紀(jì)人提供。

考慮到無動力船舶實際操作中最終選擇過的拖輪可作為重要的學(xué)習(xí)材料進(jìn)行學(xué)習(xí)，因此每次搜索可先從使用過的拖輪開始搜索，然后再逐步增加調(diào)遣距離來逐步搜索可用的拖輪。直到可靠性高、經(jīng)濟(jì)性好的拖輪達(dá)到5條拖輪以上。

以上流程為：①對無動力船舶的特性和所有拖輪對應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理；②系統(tǒng)中拖輪按照是否被無動力船舶使用過及其調(diào)遣距離形成搜索比較序列；③將序列中的拖輪數(shù)據(jù)逐個輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中；④獲得輸出節(jié)點數(shù)據(jù)；⑤輸出節(jié)點數(shù)據(jù)和該無動力船舶期望的可靠性與經(jīng)濟(jì)性數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，判斷結(jié)果是否符合要求；⑥找到合適的拖輪是否達(dá)到期望的數(shù)量，未達(dá)到則繼續(xù)尋找；⑦對符合要求的拖輪作為搜索結(jié)果進(jìn)行輸出；⑧將搜索到的拖輪作為備選拖輪進(jìn)行商務(wù)談判。

6.結(jié)語

高效便捷的適用拖輪搜索有助于海上拖航業(yè)務(wù)的順利開展，維護(hù)拖航作業(yè)安全，減少拖上作業(yè)利益相關(guān)方的利益分歧，實現(xiàn)利益耦合目標(biāo)一致。適用拖輪搜索模式的提出可以為拖輪搜索提供決策參考，為拖輪搜索系統(tǒng)的實現(xiàn)提供有益借鑒。