无动力船舶适用拖轮搜索需求分析和搜索模式设计

杜晔

摘要：随着对海洋资源开发需求加快和航运事业的不断开发，无动力船舶的数量越来越多，无动力船舶的移动需要借助适用拖轮进行拖航。适用拖轮的搜索是无动力船舶拖航作业的前提。在对无动力船舶拖航作业需求和拖轮搜索现状分析的基础上，提出一种无动力船舶适用拖轮搜索系统方案，以求通过搜索系统的开发，为无动力船舶的准确高效的搜索符合拖航要求的拖轮。

关键词：无动力船舶；海上拖航；拖轮搜索；需求分析；模式设计

中图分类号：U675.93 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2016）04-0050-02

1.拖轮搜索需求

无动力船舶搜索适用拖轮的目的是开展海上拖航业务。海上拖航是指拖轮利用其动力和拖航设备将他船或他物从一港或水域经海路包括与海相通的可航水域拖至另一港或水域的海上服务方式，可分为海上拖驳运输、海难救助拖航和海上拖航业务。因拖驳运输一般有配套拖轮，海上救助拖航的指挥权一般移交到当地海事管理机构，本文主要针对海上拖航业务的搜索需求。

海上拖航是海上运输方式中的一种特殊形式，是一项风险性很大和专业性要求较高的业务。在非港内远距离拖航运输中，会受到风、浪、流等各种海洋环境条件的联合作用。拖航稳定性是拖航业务中需重点考虑的一个问题，拖轮必须具备较强的抗风浪能力、拖缆要有足够的强度，才能避免倾覆、沉船、断缆等事故的发生。拖轮适航必备条件是具有适拖的条件，包括拖轮（船体和船舶的附属设备）处于适航状态、拖轮的船长和船员的配备适航以及拖轮拖曳设备必须适航和适拖。

2.拖轮搜索原则

拖轮搜索一般涉及三个利益相关方：无动力船舶的船东（主要关心拖航业务的安全性、及时性与经济性）、拖轮船东（主要关心拖航业务安全性和多航次的综合经济性）、经纪人（主要关心拖航业务的经济性和安全性）。此外，搜索功能的提供者若不是以上三方之一的角色，作为第四方，其利益诉求在于用户黏性，即更多用户通过该搜索功能来寻找无动力船舶适用拖轮。

拖轮搜索功能的使用者相互协同涉及两大核心变量：目标和利益。各方目标是否一致，直接影响协同能否达成及产生的协同效果。各方目标不一致虽然会导致各方分离和冲突，但并不是实现协同的必备条件。很多情况下，即使各方地位不平等，也可达成协同。目标问题重要变量，目标的一致性与否，直接影响各方能够形成的协同机制。协同各方利益可能是相互依赖的，也可能相互之间并没有实质性利益交互关系。

利益和目标两个变量的组合可形成四种关系类型，分别对应四种协同形式：

（1）利益分离，目标冲突。需科层制协同，即至上而下的协同安排，通过超越各方利益的权力促使协同机制的形成；

（2）利益耦合，目标冲突。类似于市场买卖关系，买卖双方为各自利益交换，目标并不一致；

（3）利益分离，目标一致。需沟通性协同，即双方或多方关系一般具有临时性、沟通性和非制度化特征；

（4）利益耦合，目标一致。需战略性协同，容易形成持续的、制度化的协同关系，多方可达成制度化的协调合作机制。

在市场机制下，该搜索期望能够达成的最佳状态是利益耦合目标一致，但是通常状态下是利益分离，目标一致，少数情况下是利益分离目标一致。

3.拖轮搜索的信息来源与分类

随着互联网对船舶AIS系统信息的开发，众多专业网站上可对船舶基本信息进行查询，并对船舶位置进行查询。对于无动力船舶的调遣较早安排拖轮，则对拖轮使用期限限制较大。目前，市场情况一般分为三个阶段：①船舶拖航业务开始前50个工作日左右搜索合适的拖轮；②拖航前30个工作日开始进行商务谈判和证书手续办理；③具体拖航前10个工作日左右确定拖航船舶。本文的搜索是为拖航业务第一阶段提供相关信息。

拖轮搜索涉及多方面信息，其中静态信息包括船名（名称、呼号、IMO编号等）、船型（船长、船宽、吃水、拖缆机数量、缆绳配备情况、排水量等）、船舶能力（马力、拖力、操纵参数等）；动态信息则包括船舶位置、航向、船速、航线计划等数据；此外，还有环境信息：地理环境（水深、方位、助航设备、航道等）、水文气象（海浪、潮汐、风力等）。以上信息可分别从船舶资料数据库、AIS信息、ECDIS系统和气象系统等方面获得。

搜索信息可分为目标信息和利益信息，目标信息用来判断拖轮是否能够安全完成拖航业务的指标，利益信息用来估算拖航业务成本信息；部分信息即可作为目标信息也可作为利益信息。目标信息主要有拖轮主机马力、缆绳拖力、抗风能力等；利益信息主要有调遣距离、拖航速度、拖航油耗等。

4.拖轮搜索的有效性保证

无动力船舶的船东在船舶信息平台上通过该功能搜索到的备选拖轮中是否能涵盖最终选择的拖轮是搜索结果有效性的指标。同时，拖轮数据的完整性对搜索结果的有效性有很大影响，因此船舶信息平台需采用一定的激励措施确保拖轮数据完整和真实。

根据作者的工作经历，目前此类搜索多是依赖拖轮经纪人自身经验，其搜索范围多是曾使用过的拖轮。因此，建立拖轮搜索信息系统将大大提高无动力船舶船东搜索适合船舶的效率。

5.拖轮搜索模式设计

因搜索无动力船舶适用拖轮所需信息维度较多，且目标信息和利益信息间有多种组合方式，多目标情况的搜索需借助人工智能技术。一般，无动力船舶船东搜索得到的结果希望能收敛于5艘拖轮以内，且能按照利益目标权重因子进行排列。因此，拟用神经网络算法作为搜索算法来解决类似的搜索问题。

人工神经网络首先要以一定的学习准则进行学习，在学习或训练过程中改变突触权重值，以适应周围环境的要求。同一网络因学习方式及内容不同可具有不同功能。人工神经网络是具有学习能力的系统，考虑到拖轮搜索虽有目标和利益两个维度分析，但其中关键信息在两个方面都有影响，因此采用有一个隐含层的三层网络结构即可学习形成拖轮搜索的神经网络。

在神经网络第一个阶段输入已知学习样本时，通过设置的网络结构和前一次迭代的权值和阈值，从网络的第一层向后计算各神经元的输出。第二阶段是对权和阈值进行修改，从最后一层向前计算各权值和阈值对总误差的影响，据此对各权值和阈值进行修改。

根据拖轮业务的特点，将主机马力、系柱拖力、调遣距离、拖航速度、平均日变动成本、平均日固定成本和航线季节气象影响这7个变量作为输入量。因无动力船舶拖航可训练数据较多，确定隐含层节点数取20。对于输出结果则根据之前的目标和利益的原则分为可靠性和经济性2个输出节点。对隐含层节点和输出节点的激活函数可采用Sigmoid函数。

在网络结构和参数确定以后利用现有无动力船舶选择适用拖轮的实际结果作为神经网络的学习样本进行输入。期间需对点数据进行处理形成一系列有重叠区域的区间。例如对某拖轮主机功率为3980匹马力，可将该拖轮归入3900～4100匹马力和3800～4000匹马力两个区间。此外，调遣距离是随着不同查询时间或拖轮预计位置而随着时间变化的，拖航速度需对无动力船舶和拖轮进行计算，日变动成本和日固定成本需拖轮船东或使用过拖轮的船东或经纪人提供。

考虑到无动力船舶实际操作中最终选择过的拖轮可作为重要的学习材料进行学习，因此每次搜索可先从使用过的拖轮开始搜索，然后再逐步增加调遣距离来逐步搜索可用的拖轮。直到可靠性高、经济性好的拖轮达到5条拖轮以上。

以上流程为：①对无动力船舶的特性和所有拖轮对应的数据进行归一化处理；②系统中拖轮按照是否被无动力船舶使用过及其调遣距离形成搜索比较序列；③将序列中的拖轮数据逐个输入神经网络系统中；④获得输出节点数据；⑤输出节点数据和该无动力船舶期望的可靠性与经济性数据进行比较，判断结果是否符合要求；⑥找到合适的拖轮是否达到期望的数量，未达到则继续寻找；⑦对符合要求的拖轮作为搜索结果进行输出；⑧将搜索到的拖轮作为备选拖轮进行商务谈判。

6.结语

高效便捷的适用拖轮搜索有助于海上拖航业务的顺利开展，维护拖航作业安全，减少拖上作业利益相关方的利益分歧，实现利益耦合目标一致。适用拖轮搜索模式的提出可以为拖轮搜索提供决策参考，为拖轮搜索系统的实现提供有益借鉴。