恶劣海况中军用舰船航行决策模型

戴 冉， 郝庆龙， 顾祖旭

(1.大连海事大学，辽宁 大连 116026；2.中国海上武器试验场，辽宁 葫芦岛 125000)

恶劣海况中军用舰船航行决策模型

戴 冉1， 郝庆龙1， 顾祖旭2

(1.大连海事大学，辽宁 大连 116026；2.中国海上武器试验场，辽宁 葫芦岛 125000)

军用舰船指挥员面对恶劣海况时，需在舰船安全与使命任务间做出最为合理的决策。因此，应用模糊综合评价的方法，在考虑军用舰船特殊舰体结构和舰员构成的基础上，提出一种可供军用舰船指挥员在大风浪条件下进行航行决策的模型。在某测量船上运用该模型对不同航线的危险度进行实际估算，结果得到了随舰出海指挥员的认可。实践中，根据此结果做出了合理决策，使得测量船在付出一定代价后顺利完成了任务。

船舶工程；军用舰船；恶劣海况；模糊综合评价；决策

近年来，虽然海上大风浪预报的准确率和新型舰船的抗风浪性能都有所提高,但对于吨位相对较小、甲板上层建筑较为特殊的常规军用舰船而言，大风浪天气引发的航行风险仍然很高。为帮助指挥员在舰船安全与使命任务间做出最为适当的决策,在大风浪来临之前,预先根据大风浪的状况、船员配置、船舶型号等因素,建立能对舰船航行的危险状况进行客观、定量估算[1]的决策模型是十分必要的。本文应用模糊综合评价[2]的方法建立舰船的决策模型。

1 建立航行决策模型

1.1模型影响因素的选择

由于不同舰员在专业技能、海上经验和意志力等方面存在差异，同样的舰船在恶劣海况中航行时，会因不同的舰员配置而出现不同的危险状况。因此，模型在将自然因素(即大风和大浪)列入因素集的同时，也将舰员配置列入因素集中。

将舰员配置情况分为A,B和C 3类(见表1)，由舰船指挥员根据实际情况进行综合评定。

1.2模型风险等级和标准的建立

出于用途的考虑，军用舰船有着较多的甲板上层构造。当舰舶在恶劣海况中航行时，大浪对其甲板上层建筑的冲击往往会导致受冲击装备遭到损害，从而降低该舰船继续执行任务的能力。此外，恶例海况对船体和舰船动力系统造成的伤害同样巨大，严重威胁着舰船的安全。军用舰船由于吨位相对较小，且一般较为狭长，故在恶劣海况中摇摆较为剧烈，致使舰员身体反应较为明显，部分舰员适应岗位的能力出现不同程度的下降。由于每名舰员都有其独立的职责，故而由此造成的减员也会导致舰船完成任务的能力下降。

表1 舰员配置分类

在考虑上述恶劣海况对军用舰船的主要危害的基础上，建立本模型的风险等级和标准(见表2)，其中一级风险为最高级别风险。

表2 大风浪条件下船舶风险等级名称及含义

1.3隶属度函数的确立

由于同一单位的军用舰船多以同型号为主，且一条舰船通常配备多名适任舰船长，故军用舰船管理单位拥有足够多的适任舰船长进行专家评价。

1.3.1对“自然因素”进行初级评价

模型考虑了海上航行时大风浪对舰船的作用时间，且对风浪向与船首向间的夹角也给予了考虑。

模型将大风浪对舰船的作用时间分为4个时段:≤4 h，4～8 h，8～12 h和≥12 h。

在大风浪条件下，风向与浪向几乎一致，故将风向与浪向一起考虑，称为风浪向。[3]风浪舷角即风浪向与船首向的夹角，模型将其分为5类(见表3)。

根据专家评定的方法，可给出特定船舶在不同的大风浪状态下发生不同等级危险的分布情况。但是，气象台发布的大风浪预报的准确率不可能达到100%，因此必须对大风浪的预报准确率给予考虑。[4]设大风浪可能的状态分别为

A1= (a11,a12,a13,…,a1n)

(1)

式(1)中：a1n为预报的大风浪等级出现的概率。

参照表4中各级事故的隶属度值及含义，使用专家评定的方法，可得到不同船舶在不同风浪条件下航行时发生各等级事故的概率，由此可得到大风浪中航行舰船风险等级与自然因素之间的模糊关系。在t类风浪舷角情况下，不同等级的风浪情况的影响矩阵为

表3 风浪舷角分类

四 三 二 一

(2)

表4 各级事故隶属度

当收到航行海区的风浪预报、确定了某一航行方案后，该船受自然因素的影响的危险度即可按式(3)求出。

=(x1，x2，x3，x4)

(3)

式(3)中：xi(i=1,2,3,4)为大风浪作用下舰船发生各等级事故的风险度。

1.3.2对“舰员配置”进行初级评价

通过专家调查法，得到关于舰船航行风险度与舰员配置间的风险矩阵为

四 三 二 一

(4)

由于舰船指挥员可能对于本船船员配置存在不同意见，模型按照决策者们的选择比例得到本船船员配置对于3类情况的隶属度为

A2=(a21，a22，a23)

(5)

根据主因素决定型评判模型M(∧，∨)，可得该船人员配置因素的风险评价为

(6)

式(6)中：yi(i=1,2,3,4)为在特定船员配置条件下发生各等级事故的风险度。

1.3.3对舰船航行进行总的评价

在模糊综合评判中，评价指标权重系数的确定十分重要，直接影响综合评判的结果。为使评价指标的权重能反映客观实际，模型通过熵权法[5]计算客观权重，以修正主观权重的偏差，使之更加符合实际。得到的某型舰船在自然因素和人员配置上的权重为

A3=(a31，a32)

(7)

由上文可知，模型的总评价矩阵为

(8)

大风浪中，船舶危险度评估结果为

B1=A3°R=(z1，z2，z3，z4)

(9)

式(9)中：zi(i=1,2,3,4)为在大风浪的共同作用下军用舰船出现各等级风险的隶属度。

1.4建立决策依据表

在考虑舰船失速的情况下，计算完成各条航线航程所用的大概时间，结合不同航线的航行风险度，建立决策依据表(见表5)。表中所列航线风险度为航线中一级风险隶属度最高的那段航线风险度。

表5 航行决策依据

2 测量船受恶劣海况影响的仿真实例

某测量船6月1日1200位于南沙群岛赤瓜礁以北12 n mile的A处，接上级命令，要于6月2日1300前到达B点(16°00′.0 N，111°00′.0 E)，根据天气预报，南沙群岛以北海域6月1日白天有东北风，风力9级，浪高7～9 m，夜间风力逐渐减小至7～8级。该船航海军官根据天气情况，制定了3种不同的航行计划(见图1)，并根据模型做出了航行决策依据表，交由测量船长进行最后的决策。

图1 航行计划

2.1对测量船航行风险度进行评判

通过对该型测量船的多名指挥员进行调查了解到，该测量船受自然因素的影响，发生事故的可能性主要集中在海上风力达到5级以上或浪高2 m以上的情况。故本模型将大风浪条件分为以下几种情况：风力6级以下或浪高2 m以下；风力6级或浪高2～3 m；风力7级或浪高3～4 m；风力8级或浪高5～7 m；风力9级或浪高7～9 m；风力9级以上或浪高9 m以上。

在不同风浪向和不同航行时间的情况下，可得到20个不同航行条件下的风险等级矩阵，由于篇幅限制，仅列有偏顶风浪条件下测量船航行8～12 h的风险等级矩阵(见表6)。

表6 风险等级矩阵

通过将该船航海部门多年来在该海区执行测控任务时对天气情况的记录与气象部门预报的记录进行比较分析，得到在风力9级或浪高7～9 m的情况下本模型所分析的6种大风浪天气出现的概率：

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

仅以航线3的第1航段为例，由式(3)可得该船受自然因素的影响的危险度为

R1=(0.1, 0.5, 0.3, 0.1)

通过专家调查的方法，得到该船船员配置对于该船航行影响的风险矩阵情况(见表7)。

表7 船员配置对于航行影响的风险等级矩阵

通过对该船船长和多名副船长进行调查了解，可确定该船在本次任务中船员配置的隶属度为

A2=(0.8, 0.2, 0)

由式(6)可得该船受船员配置因素影响的危险度为

R2=(0.8, 0.2, 0.1, 0)

通过专家调查法，结合熵权法，得到该型舰船的在自然因素和人员配置两因素上的权重为

A3=(0.6, 0.4)

由模型可知，该船本次航行的总评价矩阵为

大风浪中，船舶危险度评估结果为

B1=(0.4, 0.5, 0.3, 0.1)

由结果可知，该船在风力9级、浪高7～9 m时，偏顶风浪航行8～12 h出现四级、三级、二级、一级风险的可能性分别为较小、临界、很小、极小。

2.2不同航行计划的比较分析

根据模型得到的决策依据表见表8。

表8 航行决策依据

可以看到，航线2所需航时最短，但需在9级风、7～9 m浪高的条件下横风浪航行19.5 h，出现二级和一级风险的可能性分别为临界和较大，故其航行风险太高。

航线1由于避开了横风浪航行，航行风险较低，但其所需时间超过了上级限定25 h的时间，因此可作为最后的选择。

航线3由于在第1航段偏顶风浪航行，会有1 kn的失速，尽管其航行时间长于航线2，但是由于避开了9级风条件下横风浪航行，航行风险度大幅降低，出现四级和三级风险的可能性分别为较小和临界，并且可以提前到达任务点。

通过以上比较分析可知，航线3是最好的选择。经指挥员批准后，测量船按航线3航行。航行约8 h后，风力开始减弱，2100风力减弱至7级，浪高降至3 m左右，船长下令提前转向。6月2日1000，测量船到达B点，在此期间3名水手因身体反应严重难以坚守岗位，备用测量天线受损，后甲板右舷缆车变形，损失在可接受范围之内。

3 结 语

恶劣海况一直是威胁舰船安全航行的主要因素，尤其是职能相对特殊、必须兼顾舰船安全与使命任务的军用舰船。建立所关注舰船在不同风浪条件下的风险等级和标准，进而建立恶劣海况中舰船航行的决策模型，为决策者提供科学的决策依据显得十分重要。该决策模型可使指挥员充分、直观地预知舰船在某等级大风浪海区中航行的危险程度，同时也可帮其直观了解各种航行方案的优势和劣势。

所提出的模型和方法可用来进一步研发基于电子海图平台的可视化船舶风险控制与管理辅助决策系统。在气象部门预报将出现大风浪时，舰船管理单位可利用该系统对舰船进行风险预评估，并将重点船舶即将遭遇的不同风险等级直观地显示在电子海图平台上，为上级领导进行决策提供有效参考。

[1] 刘大刚,郑中义,吴兆麟.大风浪中航行船舶的风险体系分析[J].交通运输工程学报,2004,4(2):100-102.

[2] 刘大刚，徐东华，吴兆麟．大风浪中航行船舶的危险估估算模型[J]．交通运输工程学报，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].日本海事協会会誌,2002,258(1):49-61.

[4] 刘大刚,李志华.大风风力预报准确率的统计特征分析[J].大连海事大学学报,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，主要从事船舶航行信息系统研究。E-mail：dairan@sina.com

顾祖旭(1988—)，男，江苏连云港人，硕士生，主要从事船舶航行信息系统研究。E-mail：xdguzuxu@163.com

1000-4653(2014)03-0068-04

U676.1

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