灰箱操控在重載VLCC引航中的實際應用

汪運海

摘要：本文采用層次分析和實例驗證的方法，簡要介紹了灰色系統(tǒng)，通過對重載超大型油輪（Very Large Crude Carrier，VLCC）引航中灰色因素的分析，提出了重載VLCC引航采用灰箱操控方法，為重載VLCC安全引航提出了新的思路，希望引起航海界對灰色理論更多的重視和探討，使之發(fā)揮更大的作用和價值。

關鍵詞：超大型油輪 船舶操縱 引航 灰色理論 灰色系統(tǒng) 灰箱 灰箱操控

0 引言

灰色理論是我國鄧聚龍教授在1982年提出的，這是一門研究信息部分清楚、部分不清楚并帶有不確定性現(xiàn)象的應用數(shù)學學科。灰色理論已廣泛應用在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、經(jīng)濟、交通、體育和金融等眾多領域，取得了許多讓人驚喜的成果。在船舶交通領域，灰色理論也得到了一些實際應用，但在船舶操縱技術方面，對灰色理論進行研究和實際應用的很少。若能把灰色理論實際應用到高難度、高風險的重載VLCC引航操作上，則可能是一件有價值、有意義的嘗試。

1 灰色系統(tǒng)概述

1.1 灰色系統(tǒng)

灰色理論把系統(tǒng)分為黑、灰、白三大類。白色系統(tǒng)為信息完全明確的系統(tǒng)，而黑色系統(tǒng)與白色系統(tǒng)正好相反，系統(tǒng)內(nèi)部的信息我們毫無所知或基本不知。那么那些既含有已知信息又含有未知信息，或者信息部分明確、部分不明確的系統(tǒng)稱為灰色系統(tǒng)?；疑到y(tǒng)理論則是從事物的內(nèi)部，從系統(tǒng)內(nèi)部結構和參數(shù)去研究系統(tǒng)，把隨機量看作在一定范圍內(nèi)變化的灰色量，把看似模糊的問題具體化和量化，從不明顯變化中找出規(guī)律，并通過規(guī)律去分析事物的變化和發(fā)展趨勢。

1.2 灰色決策

灰色決策是指選定一個合適的對策，去對付某個事件的發(fā)生，以取得最佳效果?；疑珱Q策中提出了灰靶思想。決策好比打靶，靶越大越容易擊中。只要進入某個區(qū)域就可看作是滿意的，這個區(qū)域稱為灰靶?；野袥Q策給決策執(zhí)行人一定的自主權，為執(zhí)行人提供了一個發(fā)揮智慧的機會，為科學的安全決策提供了有效的方法與手段。

1.3 灰色控制

灰色控制是指本征性灰色系統(tǒng)的控制，其基本方法是通過系統(tǒng)行為數(shù)據(jù)列，尋找系統(tǒng)行為發(fā)展變化的規(guī)律，按照已掌握的規(guī)律，預測系統(tǒng)未來的行為，根據(jù)未來行為的預測值采取控制決策進行控制，如圖1-1所示?；疑A測控制不同于傳統(tǒng)控制，是一種提前控制，可以做到防患于未然。

2 影響重載VLCC引航的灰色因素

重載VLCC引航是一個由人、船和環(huán)境組成的船舶交通安全系統(tǒng)，它本身就是一個灰色系統(tǒng)，人、船和環(huán)境都是影響這個系統(tǒng)的灰色因素。引航員、船長、駕駛員和其他船員及拖輪船員等的操作技能、健康狀況和情緒等都是不能完全明確的灰色因素；重載VLCC的主機類型和功率、船齡、吃水及船體形狀等不同從而引起船速、沖程、舵效、旋回性能等的不同，船舶機械如主機、舵機、錨機等由于制造商、使用年限和維修保養(yǎng)等不同而引起可靠性不同；富余水深的變化也會引起操縱性能的變化；海域的交通流流量、能見度、風、流、浪、潮高都是隨時變化的，難以量化，預報和測量來的數(shù)據(jù)也是灰色的，它們有可能隨機變化。

影響重載VLCC引航的灰色因素之間有存在不同程度的關聯(lián)，影響程度也不同，可能隨時變化。如一次引航中，有時風是主要影響因素，有時流是主要影響因素。所以影響重載VLCC引航的灰色因素是復雜多變的，細心觀察分析這些灰色因素的變化是駕引人員引航重載VLCC時的一項重要工作。

3 灰箱操控

3.1灰箱操控的設計由來

重載VLCC慣性大、沖程大，操作性能差，受外界因素影響大，應急余地范圍小，所以重載VLCC引航是一項高難度、高風險的操作，其操作過程是復雜、連續(xù)和多變的。影響重載VLCC引航灰色因素很多，各種灰色因素影響的程度及關聯(lián)度也隨著時間和空間變化，駕引人員在不同時間和地理位置運用良好的船藝，準確判斷各種灰色因素影響、預判潛在風險、監(jiān)控相關的船舶運動數(shù)據(jù)，采取相應操作措施，提前控制船舶才能安全順利完成任務。

灰箱是指信息不完全或不確定的即部分可觀測或明了的局部系統(tǒng)，在重載VLCC引航中就是綜合運用灰色理論中的灰色預測控制和灰色決策控制來進行相關操縱的區(qū)域模塊?；蚁渲械摹盎摇钡暮x可以理解為目標非唯一但可約束，也可以理解為目標可接近、方案可完善、信息可補充、思維可多向、計劃可調(diào)節(jié)。

把整個重載VLCC引航過程根據(jù)時間的連續(xù)性和空間的有序性可分為幾個連續(xù)的、相關聯(lián)的灰箱來操縱和控制，稱為灰箱操控。每個灰箱內(nèi)預設有船舶在對應時間和空間上一些參考運動數(shù)據(jù)，根據(jù)時間、空間、影響因素和已掌握的規(guī)律經(jīng)驗把這些本是動態(tài)的數(shù)據(jù)定格在相對的標準范圍內(nèi)，這個范圍又分為可控范圍和最佳范圍，給駕引人員參考指導的同時又留給他們一定的自主權。

3.2灰箱操控的設計思路

根據(jù)重載VLCC的操縱特性，結合港口的風、流、潮汐等特點，我們可將整個引航操作按需航經(jīng)的水域與泊位的距離分為三個灰箱，即遠端灰箱、居間灰箱和入泊灰箱，每個灰箱具體位置劃分可以根據(jù)港口、泊位及掉頭操作與否等具體情況而定；每個灰箱對應一定的時間段，灰箱內(nèi)裝有預設在一定范圍內(nèi)的船舶運動參考數(shù)據(jù)，可用于現(xiàn)場駕引人員對照進行監(jiān)控和船舶操縱。

重載VLCC的遠端灰箱一般設置于離泊位8海里至4海里的區(qū)域，有些港口泊位距離遠、航道長且復雜多變，遠端灰箱起始位置可設置離泊位更遠的位置。對遠端灰箱相應的船舶操縱和控制稱為遠端灰箱操控，主要控制時間和航速，由于港口航道原因，操作的主要執(zhí)行者可能是引航員，也可能是重載VLCC船長?；蚁鋬?nèi)的參考數(shù)據(jù)為對應地理位置的時間段和航速區(qū)間。遠端灰箱操控的目的就是使這些船舶即時運動的動態(tài)數(shù)據(jù)達到箱體內(nèi)預設的參考數(shù)據(jù)范圍，為順利完成引航留下合理的操作空間和余地。

居間灰箱一般設置于離泊位4海里至1海里的區(qū)域，灰箱內(nèi)的參考數(shù)據(jù)為對應地理位置的合理時間段、合理航速區(qū)間、合理橫距區(qū)間和適宜的船首向等，灰箱內(nèi)的操作參考數(shù)據(jù)主要根據(jù)時間、風、流、潮汐、船舶操作性能、主機狀況和是否掉頭操作等來設定，居間灰箱的目標就是使船舶運動的動態(tài)數(shù)據(jù)達到箱體內(nèi)的參考數(shù)據(jù)范圍，為順利入泊和引航打好安全基礎，使船舶在入泊時如遇主機失控、舵機失控或助泊拖輪故障等異常情況發(fā)生時，進行應急操作留有余地，可避免事故的發(fā)生。endprint

入泊灰箱一般放置于離泊位1海里至泊位的區(qū)域，有些港口泊位需要掉頭引航，可能從泊位2～3海里的位置開始更合理，入泊灰箱對應的船舶操縱和控制稱為入泊灰箱操控。通常先在泊位外檔一定距離內(nèi)控制航速，然后逐步調(diào)節(jié)橫移速度和船首向，使重載VLCC平行緩慢地靠上泊位。入泊灰箱操控主要控制前進速度、橫移速度和船首向，為了減小操控難度和引航風險應盡量使船舶運動的動態(tài)數(shù)據(jù)達到箱體內(nèi)的參考數(shù)據(jù)范圍內(nèi)，這樣可避免在此階段用長時間的快速倒車來減小前進速度、拖輪用長時間的快速拖等手段來減小橫移速度和快速大幅度調(diào)小靠攏角度。

4.重載VLCC引航靠泊舟山中化冊子實華油庫碼頭的灰箱操控的設計

4.1舟山中化冊子實華油庫碼頭簡介

舟山中化冊子實華油庫碼頭位于寧波-舟山港的老塘山港區(qū)，屬于30萬噸級泊位，長506m、走向027°～207°、前沿水深23.8m。

4.2引航時機選擇及要求

由于碼頭地理區(qū)域限制只能靠落水，而急落水和落末潮水有較大回流，所以重載VLCC靠泊時機只選定白天的初落潮水。當風力超過7級、能見度小于1海里和夜間時，不進行引航作業(yè)。初落潮水在大潮汛期間一般選在定海高潮后2個小時，小潮汛期間一般選在定海高潮后2.5個小時。30萬噸級重載VLCC引航要求5艘港作拖輪助泊，拖輪總功率不得小于14 270kW，同時其中至少有1艘3 680kW的拖輪。

4.3三個灰箱劃分

重載VLCC引航中化冊子實華油庫碼頭需經(jīng)過蝦峙門口外深水航槽和蝦峙門航道，受船舶交通流和寧波VTS管制等因素影響，引航計劃和實際操作對時間的限制一般很嚴格，引航員登輪后就得根據(jù)實際情況控制時間和航速，爭取在定海高潮前半小時至高潮時的時間段到達洋小貓島，這樣對順利實施灰箱操控比較有利。因為主要控制時間和航速的區(qū)域是船駛過螺頭角后，所以我們將遠端灰箱設置在螺頭角到半洋礁之間的水域，居間灰箱設置在半洋礁到帶纜艇工作碼頭之間的水域，入泊灰箱設置于帶纜艇工作碼頭至泊位的水域，如圖4-1所示。

4.4重載VLCC在三個灰箱的運動參考數(shù)據(jù)及對應的操縱

重載VLCC進入遠端灰箱后，要根據(jù)現(xiàn)場情況逐步減車甚至停車淌航，使航速和時間在抵達半洋礁正橫時分別至降5～10節(jié)（7～8節(jié)為最佳）、定海高潮后0.5～2h（定海高潮后1～1.5h為最佳抵達時間段）；在居間灰箱的帶纜艇工作碼頭附近水域，航速為2～4節(jié)（2.5～3節(jié)為最佳）。重載VLCC在居間灰箱期間，要密切關注風、流等環(huán)境因素的變化，合理使用車、舵和拖輪對船首向、船位和航速進行相應控制使之達到最佳范圍，為成功靠泊打下基礎。重載VLCC在入泊灰箱水域，應根據(jù)即時的船首向、船位和航速情況，結合潮流的大小和變化趨勢，及時停車淌航和倒車使船在泊位外檔1至2鏈的橫距水域時前進速度接近零，在此過程中使用前后拖輪控制船首的偏轉(zhuǎn)速度和船的橫移速度，然后繼續(xù)利用拖輪和潮流，配合車、舵的使用，使船的橫移速度和船首向與泊位走向之間的夾角（簡稱靠攏角）隨著橫距的縮小逐步減小，直至以小于5cm/s的橫移速度平行靠上泊位。一般是橫距2鏈時，靠攏角小于20度，橫移速度1～1.5節(jié)；橫距150m時，靠攏角小于5度，橫移速度0.5～0.9節(jié)；橫距50m時，靠攏角小于1度，橫移速度5～12cm/s；橫距小于10m時，靠攏角0度，橫移速度小于5cm/s。

5 重載“GENMAR VISION”輪（簡稱G輪）灰箱操控引航介紹

5.1 G輪及當日水文氣象介紹

該輪船長333.5m、船寬70m、吃水18.2m，載重噸312 689噸。2016年3月21日，定海高潮時9：35，計劃初落潮水12：00左右靠泊中化冊子實華油庫碼頭。當日東風4～5級、能見度良好。

5.2 G輪灰箱操控過程實錄

8：00，引航員在蝦峙門口登G輪，與船長進行信息交流，了解船舶的實際情況，同時通報船舶的引航計劃，便于灰箱操控方法的實施；

9：15，（定海高潮前20分鐘）到達洋小貓島正北；

9：42，G輪以約12節(jié)航速度進入遠端灰箱起始端，然后逐步減車至微速進；

10：30，G輪正橫半洋礁，速度8.1節(jié)，符合遠端灰箱船舶運動數(shù)據(jù)中參考范圍的時間和速度要求，通過交替使用停車淌航微速進，必要時以所帶拖輪協(xié)助，逐步減速并調(diào)節(jié)船首向；

11：12，G輪以1.5鏈橫距帶纜艇工作碼頭，船首向003°、航速2.9節(jié)，符合居間灰箱在在此區(qū)域參考船舶運動數(shù)據(jù)的最佳范圍；接著用車和舵調(diào)節(jié)船首向至355°，在進距約450m、航速2.1節(jié)時倒車，并利用拖輪控制船首向和橫移速度，在泊位外檔約1.8鏈的橫距時將船倒停；然后繼續(xù)利用拖輪、車和舵，在減小橫距的同時逐步減小船舶的橫移速度和靠攏角，在此過程中，充分利用船舶儀器、泊位引航顯示儀等持續(xù)對相關船舶運動數(shù)據(jù)進行監(jiān)控，并仔細觀察分析風流等因素的變化和影響，根據(jù)這些信息相應地進行船舶引航操縱；

11：40，成功將G輪靠上泊位。G輪利用灰箱操控引航實時航行軌跡如圖5-1。

6 結束語

引航員按照灰箱操控方法引領G輪，通過建立灰箱區(qū)，監(jiān)控和對比相關的運動數(shù)據(jù)，使船舶在各個灰箱的即時運動數(shù)據(jù)在參考標準數(shù)據(jù)的最佳范圍內(nèi)。在整個引航過程中，可以根據(jù)當時的時間、船位和航速清楚地知道下一步操縱的內(nèi)容、重點和難點，使得復雜的引航工作變得簡單，引航安全變得可控。希望本文對不同港口、不同泊位、不同潮時和不同船舶的引航有借鑒作用。也希望本文能“拋磚引玉”，引起航海同仁們運用灰色理論在航海技術方面做更多的研究和實際應用工作。

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