灰箱操控在重载VLCC引航中的实际应用

汪运海

摘要：本文采用层次分析和实例验证的方法，简要介绍了灰色系统，通过对重载超大型油轮（Very Large Crude Carrier，VLCC）引航中灰色因素的分析，提出了重载VLCC引航采用灰箱操控方法，为重载VLCC安全引航提出了新的思路，希望引起航海界对灰色理论更多的重视和探讨，使之发挥更大的作用和价值。

关键词：超大型油轮 船舶操纵 引航 灰色理论 灰色系统 灰箱 灰箱操控

0 引言

灰色理论是我国邓聚龙教授在1982年提出的，这是一门研究信息部分清楚、部分不清楚并带有不确定性现象的应用数学学科。灰色理论已广泛应用在工业、农业、军事、经济、交通、体育和金融等众多领域，取得了许多让人惊喜的成果。在船舶交通领域，灰色理论也得到了一些实际应用，但在船舶操纵技术方面，对灰色理论进行研究和实际应用的很少。若能把灰色理论实际应用到高难度、高风险的重载VLCC引航操作上，则可能是一件有价值、有意义的尝试。

1 灰色系统概述

1.1 灰色系统

灰色理论把系统分为黑、灰、白三大类。白色系统为信息完全明确的系统，而黑色系统与白色系统正好相反，系统内部的信息我们毫无所知或基本不知。那么那些既含有已知信息又含有未知信息，或者信息部分明确、部分不明确的系统称为灰色系统。灰色系统理论则是从事物的内部，从系统内部结构和参数去研究系统，把随机量看作在一定范围内变化的灰色量，把看似模糊的问题具体化和量化，从不明显变化中找出规律，并通过规律去分析事物的变化和发展趋势。

1.2 灰色决策

灰色决策是指选定一个合适的对策，去对付某个事件的发生，以取得最佳效果。灰色决策中提出了灰靶思想。决策好比打靶，靶越大越容易击中。只要进入某个区域就可看作是满意的，这个区域称为灰靶。灰靶决策给决策执行人一定的自主权，为执行人提供了一个发挥智慧的机会，为科学的安全决策提供了有效的方法与手段。

1.3 灰色控制

灰色控制是指本征性灰色系统的控制，其基本方法是通过系统行为数据列，寻找系统行为发展变化的规律，按照已掌握的规律，预测系统未来的行为，根据未来行为的预测值采取控制决策进行控制，如图1-1所示。灰色预测控制不同于传统控制，是一种提前控制，可以做到防患于未然。

2 影响重载VLCC引航的灰色因素

重载VLCC引航是一个由人、船和环境组成的船舶交通安全系统，它本身就是一个灰色系统，人、船和环境都是影响这个系统的灰色因素。引航员、船长、驾驶员和其他船员及拖轮船员等的操作技能、健康状况和情绪等都是不能完全明确的灰色因素；重载VLCC的主机类型和功率、船龄、吃水及船体形状等不同从而引起船速、冲程、舵效、旋回性能等的不同，船舶机械如主机、舵机、锚机等由于制造商、使用年限和维修保养等不同而引起可靠性不同；富余水深的变化也会引起操纵性能的变化；海域的交通流流量、能见度、风、流、浪、潮高都是随时变化的，难以量化，预报和测量来的数据也是灰色的，它们有可能随机变化。

影响重载VLCC引航的灰色因素之间有存在不同程度的关联，影响程度也不同，可能随时变化。如一次引航中，有时风是主要影响因素，有时流是主要影响因素。所以影响重载VLCC引航的灰色因素是复杂多变的，细心观察分析这些灰色因素的变化是驾引人员引航重载VLCC时的一项重要工作。

3 灰箱操控

3.1灰箱操控的设计由来

重载VLCC惯性大、冲程大，操作性能差，受外界因素影响大，应急余地范围小，所以重载VLCC引航是一项高难度、高风险的操作，其操作过程是复杂、连续和多变的。影响重载VLCC引航灰色因素很多，各种灰色因素影响的程度及关联度也随着时间和空间变化，驾引人员在不同时间和地理位置运用良好的船艺，准确判断各种灰色因素影响、预判潜在风险、监控相关的船舶运动数据，采取相应操作措施，提前控制船舶才能安全顺利完成任务。

灰箱是指信息不完全或不确定的即部分可观测或明了的局部系统，在重载VLCC引航中就是综合运用灰色理论中的灰色预测控制和灰色决策控制来进行相关操纵的区域模块。灰箱中的“灰”的含义可以理解为目标非唯一但可约束，也可以理解为目标可接近、方案可完善、信息可补充、思维可多向、计划可调节。

把整个重载VLCC引航过程根据时间的连续性和空间的有序性可分为几个连续的、相关联的灰箱来操纵和控制，称为灰箱操控。每个灰箱内预设有船舶在对应时间和空间上一些参考运动数据，根据时间、空间、影响因素和已掌握的规律经验把这些本是动态的数据定格在相对的标准范围内，这个范围又分为可控范围和最佳范围，给驾引人员参考指导的同时又留给他们一定的自主权。

3.2灰箱操控的设计思路

根据重载VLCC的操纵特性，结合港口的风、流、潮汐等特点，我们可将整个引航操作按需航经的水域与泊位的距离分为三个灰箱，即远端灰箱、居间灰箱和入泊灰箱，每个灰箱具体位置划分可以根据港口、泊位及掉头操作与否等具体情况而定；每个灰箱对应一定的时间段，灰箱内装有预设在一定范围内的船舶运动参考数据，可用于现场驾引人员对照进行监控和船舶操纵。

重载VLCC的远端灰箱一般设置于离泊位8海里至4海里的区域，有些港口泊位距离远、航道长且复杂多变，远端灰箱起始位置可设置离泊位更远的位置。对远端灰箱相应的船舶操纵和控制称为远端灰箱操控，主要控制时间和航速，由于港口航道原因，操作的主要执行者可能是引航员，也可能是重载VLCC船长。灰箱内的参考数据为对应地理位置的时间段和航速区间。远端灰箱操控的目的就是使这些船舶即时运动的动态数据达到箱体内预设的参考数据范围，为顺利完成引航留下合理的操作空间和余地。

居间灰箱一般设置于离泊位4海里至1海里的区域，灰箱内的参考数据为对应地理位置的合理时间段、合理航速区间、合理横距区间和适宜的船首向等，灰箱内的操作参考数据主要根据时间、风、流、潮汐、船舶操作性能、主机状况和是否掉头操作等来设定，居间灰箱的目标就是使船舶运动的动态数据达到箱体内的参考数据范围，为顺利入泊和引航打好安全基础，使船舶在入泊时如遇主机失控、舵机失控或助泊拖轮故障等异常情况发生时，进行应急操作留有余地，可避免事故的发生。endprint

入泊灰箱一般放置于离泊位1海里至泊位的区域，有些港口泊位需要掉头引航，可能从泊位2～3海里的位置开始更合理，入泊灰箱对应的船舶操纵和控制称为入泊灰箱操控。通常先在泊位外档一定距离内控制航速，然后逐步调节横移速度和船首向，使重载VLCC平行缓慢地靠上泊位。入泊灰箱操控主要控制前进速度、横移速度和船首向，为了减小操控难度和引航风险应尽量使船舶运动的动态数据达到箱体内的参考数据范围内，这样可避免在此阶段用长时间的快速倒车来减小前进速度、拖轮用长时间的快速拖等手段来减小横移速度和快速大幅度调小靠拢角度。

4.重载VLCC引航靠泊舟山中化册子实华油库码头的灰箱操控的设计

4.1舟山中化册子实华油库码头简介

舟山中化册子实华油库码头位于宁波-舟山港的老塘山港区，属于30万吨级泊位，长506m、走向027°～207°、前沿水深23.8m。

4.2引航时机选择及要求

由于码头地理区域限制只能靠落水，而急落水和落末潮水有较大回流，所以重载VLCC靠泊时机只选定白天的初落潮水。当风力超过7级、能见度小于1海里和夜间时，不进行引航作业。初落潮水在大潮汛期间一般选在定海高潮后2个小时，小潮汛期间一般选在定海高潮后2.5个小时。30万吨级重载VLCC引航要求5艘港作拖轮助泊，拖轮总功率不得小于14 270kW，同时其中至少有1艘3 680kW的拖轮。

4.3三个灰箱划分

重载VLCC引航中化册子实华油库码头需经过虾峙门口外深水航槽和虾峙门航道，受船舶交通流和宁波VTS管制等因素影响，引航计划和实际操作对时间的限制一般很严格，引航员登轮后就得根据实际情况控制时间和航速，争取在定海高潮前半小时至高潮时的时间段到达洋小猫岛，这样对顺利实施灰箱操控比较有利。因为主要控制时间和航速的区域是船驶过螺头角后，所以我们将远端灰箱设置在螺头角到半洋礁之间的水域，居间灰箱设置在半洋礁到带缆艇工作码头之间的水域，入泊灰箱设置于带缆艇工作码头至泊位的水域，如图4-1所示。

4.4重载VLCC在三个灰箱的运动参考数据及对应的操纵

重载VLCC进入远端灰箱后，要根据现场情况逐步减车甚至停车淌航，使航速和时间在抵达半洋礁正横时分别至降5～10节（7～8节为最佳）、定海高潮后0.5～2h（定海高潮后1～1.5h为最佳抵达时间段）；在居间灰箱的带缆艇工作码头附近水域，航速为2～4节（2.5～3节为最佳）。重载VLCC在居间灰箱期间，要密切关注风、流等环境因素的变化，合理使用车、舵和拖轮对船首向、船位和航速进行相应控制使之达到最佳范围，为成功靠泊打下基础。重载VLCC在入泊灰箱水域，应根据即时的船首向、船位和航速情况，结合潮流的大小和变化趋势，及时停车淌航和倒车使船在泊位外档1至2链的横距水域时前进速度接近零，在此过程中使用前后拖轮控制船首的偏转速度和船的横移速度，然后继续利用拖轮和潮流，配合车、舵的使用，使船的横移速度和船首向与泊位走向之间的夹角（简称靠拢角）随着横距的缩小逐步减小，直至以小于5cm/s的横移速度平行靠上泊位。一般是横距2链时，靠拢角小于20度，横移速度1～1.5节；横距150m时，靠拢角小于5度，横移速度0.5～0.9节；横距50m时，靠拢角小于1度，横移速度5～12cm/s；横距小于10m时，靠拢角0度，横移速度小于5cm/s。

5 重载“GENMAR VISION”轮（简称G轮）灰箱操控引航介绍

5.1 G轮及当日水文气象介绍

该轮船长333.5m、船宽70m、吃水18.2m，载重吨312 689吨。2016年3月21日，定海高潮时9：35，计划初落潮水12：00左右靠泊中化册子实华油库码头。当日东风4～5级、能见度良好。

5.2 G轮灰箱操控过程实录

8：00，引航员在虾峙门口登G轮，与船长进行信息交流，了解船舶的实际情况，同时通报船舶的引航计划，便于灰箱操控方法的实施；

9：15，（定海高潮前20分钟）到达洋小猫岛正北；

9：42，G轮以约12节航速度进入远端灰箱起始端，然后逐步减车至微速进；

10：30，G轮正横半洋礁，速度8.1节，符合远端灰箱船舶运动数据中参考范围的时间和速度要求，通过交替使用停车淌航微速进，必要时以所带拖轮协助，逐步减速并调节船首向；

11：12，G轮以1.5链横距带缆艇工作码头，船首向003°、航速2.9节，符合居间灰箱在在此区域参考船舶运动数据的最佳范围；接着用车和舵调节船首向至355°，在进距约450m、航速2.1节时倒车，并利用拖轮控制船首向和横移速度，在泊位外档约1.8链的横距时将船倒停；然后继续利用拖轮、车和舵，在减小横距的同时逐步减小船舶的横移速度和靠拢角，在此过程中，充分利用船舶仪器、泊位引航显示仪等持续对相关船舶运动数据进行监控，并仔细观察分析风流等因素的变化和影响，根据这些信息相应地进行船舶引航操纵；

11：40，成功将G轮靠上泊位。G轮利用灰箱操控引航实时航行轨迹如图5-1。

6 结束语

引航员按照灰箱操控方法引领G轮，通过建立灰箱区，监控和对比相关的运动数据，使船舶在各个灰箱的即时运动数据在参考标准数据的最佳范围内。在整个引航过程中，可以根据当时的时间、船位和航速清楚地知道下一步操纵的内容、重点和难点，使得复杂的引航工作变得简单，引航安全变得可控。希望本文对不同港口、不同泊位、不同潮时和不同船舶的引航有借鉴作用。也希望本文能“抛砖引玉”，引起航海同仁们运用灰色理论在航海技术方面做更多的研究和实际应用工作。

参考文献：

[1]刘思峰.灰色系统理论及其应用[M].科学出版社，2010.

[2]洪碧光.船舶操纵原理与技术[M].大连：大连海事大学出版社，2007.

[3]李培年.谈VLCC油轮引航的速度控制[J].航海技术，2000（3）.

[4]陆悦铭，胡建国.船长与引航员间信息交流方式研究[J].中国航海，2006（4）.endprint