戴 冉, 郝慶龍, 顧祖旭
(1.大連海事大學(xué),遼寧 大連 116026;2.中國海上武器試驗場,遼寧 葫蘆島 125000)
惡劣海況中軍用艦船航行決策模型
戴 冉1, 郝慶龍1, 顧祖旭2
(1.大連海事大學(xué),遼寧 大連 116026;2.中國海上武器試驗場,遼寧 葫蘆島 125000)
軍用艦船指揮員面對惡劣海況時,需在艦船安全與使命任務(wù)間做出最為合理的決策。因此,應(yīng)用模糊綜合評價的方法,在考慮軍用艦船特殊艦體結(jié)構(gòu)和艦員構(gòu)成的基礎(chǔ)上,提出一種可供軍用艦船指揮員在大風(fēng)浪條件下進(jìn)行航行決策的模型。在某測量船上運用該模型對不同航線的危險度進(jìn)行實際估算,結(jié)果得到了隨艦出海指揮員的認(rèn)可。實踐中,根據(jù)此結(jié)果做出了合理決策,使得測量船在付出一定代價后順利完成了任務(wù)。
船舶工程;軍用艦船;惡劣海況;模糊綜合評價;決策
近年來,雖然海上大風(fēng)浪預(yù)報的準(zhǔn)確率和新型艦船的抗風(fēng)浪性能都有所提高,但對于噸位相對較小、甲板上層建筑較為特殊的常規(guī)軍用艦船而言,大風(fēng)浪天氣引發(fā)的航行風(fēng)險仍然很高。為幫助指揮員在艦船安全與使命任務(wù)間做出最為適當(dāng)?shù)臎Q策,在大風(fēng)浪來臨之前,預(yù)先根據(jù)大風(fēng)浪的狀況、船員配置、船舶型號等因素,建立能對艦船航行的危險狀況進(jìn)行客觀、定量估算[1]的決策模型是十分必要的。本文應(yīng)用模糊綜合評價[2]的方法建立艦船的決策模型。
1.1模型影響因素的選擇
由于不同艦員在專業(yè)技能、海上經(jīng)驗和意志力等方面存在差異,同樣的艦船在惡劣海況中航行時,會因不同的艦員配置而出現(xiàn)不同的危險狀況。因此,模型在將自然因素(即大風(fēng)和大浪)列入因素集的同時,也將艦員配置列入因素集中。
將艦員配置情況分為A,B和C 3類(見表1),由艦船指揮員根據(jù)實際情況進(jìn)行綜合評定。
1.2模型風(fēng)險等級和標(biāo)準(zhǔn)的建立
出于用途的考慮,軍用艦船有著較多的甲板上層構(gòu)造。當(dāng)艦舶在惡劣海況中航行時,大浪對其甲板上層建筑的沖擊往往會導(dǎo)致受沖擊裝備遭到損害,從而降低該艦船繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)的能力。此外,惡例海況對船體和艦船動力系統(tǒng)造成的傷害同樣巨大,嚴(yán)重威脅著艦船的安全。軍用艦船由于噸位相對較小,且一般較為狹長,故在惡劣海況中搖擺較為劇烈,致使艦員身體反應(yīng)較為明顯,部分艦員適應(yīng)崗位的能力出現(xiàn)不同程度的下降。由于每名艦員都有其獨立的職責(zé),故而由此造成的減員也會導(dǎo)致艦船完成任務(wù)的能力下降。
表1 艦員配置分類
在考慮上述惡劣海況對軍用艦船的主要危害的基礎(chǔ)上,建立本模型的風(fēng)險等級和標(biāo)準(zhǔn)(見表2),其中一級風(fēng)險為最高級別風(fēng)險。
表2 大風(fēng)浪條件下船舶風(fēng)險等級名稱及含義
1.3隸屬度函數(shù)的確立
由于同一單位的軍用艦船多以同型號為主,且一條艦船通常配備多名適任艦船長,故軍用艦船管理單位擁有足夠多的適任艦船長進(jìn)行專家評價。
1.3.1對“自然因素”進(jìn)行初級評價
模型考慮了海上航行時大風(fēng)浪對艦船的作用時間,且對風(fēng)浪向與船首向間的夾角也給予了考慮。
模型將大風(fēng)浪對艦船的作用時間分為4個時段:≤4 h,4~8 h,8~12 h和≥12 h。
在大風(fēng)浪條件下,風(fēng)向與浪向幾乎一致,故將風(fēng)向與浪向一起考慮,稱為風(fēng)浪向。[3]風(fēng)浪舷角即風(fēng)浪向與船首向的夾角,模型將其分為5類(見表3)。
根據(jù)專家評定的方法,可給出特定船舶在不同的大風(fēng)浪狀態(tài)下發(fā)生不同等級危險的分布情況。但是,氣象臺發(fā)布的大風(fēng)浪預(yù)報的準(zhǔn)確率不可能達(dá)到100%,因此必須對大風(fēng)浪的預(yù)報準(zhǔn)確率給予考慮。[4]設(shè)大風(fēng)浪可能的狀態(tài)分別為
A1= (a11,a12,a13,…,a1n)
(1)
式(1)中:a1n為預(yù)報的大風(fēng)浪等級出現(xiàn)的概率。
參照表4中各級事故的隸屬度值及含義,使用專家評定的方法,可得到不同船舶在不同風(fēng)浪條件下航行時發(fā)生各等級事故的概率,由此可得到大風(fēng)浪中航行艦船風(fēng)險等級與自然因素之間的模糊關(guān)系。在t類風(fēng)浪舷角情況下,不同等級的風(fēng)浪情況的影響矩陣為
表3 風(fēng)浪舷角分類
四 三 二 一
(2)
表4 各級事故隸屬度
當(dāng)收到航行海區(qū)的風(fēng)浪預(yù)報、確定了某一航行方案后,該船受自然因素的影響的危險度即可按式(3)求出。
=(x1,x2,x3,x4)
(3)
式(3)中:xi(i=1,2,3,4)為大風(fēng)浪作用下艦船發(fā)生各等級事故的風(fēng)險度。
1.3.2對“艦員配置”進(jìn)行初級評價
通過專家調(diào)查法,得到關(guān)于艦船航行風(fēng)險度與艦員配置間的風(fēng)險矩陣為
四 三 二 一
(4)
由于艦船指揮員可能對于本船船員配置存在不同意見,模型按照決策者們的選擇比例得到本船船員配置對于3類情況的隸屬度為
A2=(a21,a22,a23)
(5)
根據(jù)主因素決定型評判模型M(∧,∨),可得該船人員配置因素的風(fēng)險評價為
(6)
式(6)中:yi(i=1,2,3,4)為在特定船員配置條件下發(fā)生各等級事故的風(fēng)險度。
1.3.3對艦船航行進(jìn)行總的評價
在模糊綜合評判中,評價指標(biāo)權(quán)重系數(shù)的確定十分重要,直接影響綜合評判的結(jié)果。為使評價指標(biāo)的權(quán)重能反映客觀實際,模型通過熵權(quán)法[5]計算客觀權(quán)重,以修正主觀權(quán)重的偏差,使之更加符合實際。得到的某型艦船在自然因素和人員配置上的權(quán)重為
A3=(a31,a32)
(7)
由上文可知,模型的總評價矩陣為
(8)
大風(fēng)浪中,船舶危險度評估結(jié)果為
B1=A3°R=(z1,z2,z3,z4)
(9)
式(9)中:zi(i=1,2,3,4)為在大風(fēng)浪的共同作用下軍用艦船出現(xiàn)各等級風(fēng)險的隸屬度。
1.4建立決策依據(jù)表
在考慮艦船失速的情況下,計算完成各條航線航程所用的大概時間,結(jié)合不同航線的航行風(fēng)險度,建立決策依據(jù)表(見表5)。表中所列航線風(fēng)險度為航線中一級風(fēng)險隸屬度最高的那段航線風(fēng)險度。
表5 航行決策依據(jù)
某測量船6月1日1200位于南沙群島赤瓜礁以北12 n mile的A處,接上級命令,要于6月2日1300前到達(dá)B點(16°00′.0 N,111°00′.0 E),根據(jù)天氣預(yù)報,南沙群島以北海域6月1日白天有東北風(fēng),風(fēng)力9級,浪高7~9 m,夜間風(fēng)力逐漸減小至7~8級。該船航海軍官根據(jù)天氣情況,制定了3種不同的航行計劃(見圖1),并根據(jù)模型做出了航行決策依據(jù)表,交由測量船長進(jìn)行最后的決策。
圖1 航行計劃
2.1對測量船航行風(fēng)險度進(jìn)行評判
通過對該型測量船的多名指揮員進(jìn)行調(diào)查了解到,該測量船受自然因素的影響,發(fā)生事故的可能性主要集中在海上風(fēng)力達(dá)到5級以上或浪高2 m以上的情況。故本模型將大風(fēng)浪條件分為以下幾種情況:風(fēng)力6級以下或浪高2 m以下;風(fēng)力6級或浪高2~3 m;風(fēng)力7級或浪高3~4 m;風(fēng)力8級或浪高5~7 m;風(fēng)力9級或浪高7~9 m;風(fēng)力9級以上或浪高9 m以上。
在不同風(fēng)浪向和不同航行時間的情況下,可得到20個不同航行條件下的風(fēng)險等級矩陣,由于篇幅限制,僅列有偏頂風(fēng)浪條件下測量船航行8~12 h的風(fēng)險等級矩陣(見表6)。
表6 風(fēng)險等級矩陣
通過將該船航海部門多年來在該海區(qū)執(zhí)行測控任務(wù)時對天氣情況的記錄與氣象部門預(yù)報的記錄進(jìn)行比較分析,得到在風(fēng)力9級或浪高7~9 m的情況下本模型所分析的6種大風(fēng)浪天氣出現(xiàn)的概率:
A1=(0, 0, 0.1, 0.1, 0.7, 0.1)
僅以航線3的第1航段為例,由式(3)可得該船受自然因素的影響的危險度為
R1=(0.1, 0.5, 0.3, 0.1)
通過專家調(diào)查的方法,得到該船船員配置對于該船航行影響的風(fēng)險矩陣情況(見表7)。
表7 船員配置對于航行影響的風(fēng)險等級矩陣
通過對該船船長和多名副船長進(jìn)行調(diào)查了解,可確定該船在本次任務(wù)中船員配置的隸屬度為
A2=(0.8, 0.2, 0)
由式(6)可得該船受船員配置因素影響的危險度為
R2=(0.8, 0.2, 0.1, 0)
通過專家調(diào)查法,結(jié)合熵權(quán)法,得到該型艦船的在自然因素和人員配置兩因素上的權(quán)重為
A3=(0.6, 0.4)
由模型可知,該船本次航行的總評價矩陣為
大風(fēng)浪中,船舶危險度評估結(jié)果為
B1=(0.4, 0.5, 0.3, 0.1)
由結(jié)果可知,該船在風(fēng)力9級、浪高7~9 m時,偏頂風(fēng)浪航行8~12 h出現(xiàn)四級、三級、二級、一級風(fēng)險的可能性分別為較小、臨界、很小、極小。
2.2不同航行計劃的比較分析
根據(jù)模型得到的決策依據(jù)表見表8。
表8 航行決策依據(jù)
可以看到,航線2所需航時最短,但需在9級風(fēng)、7~9 m浪高的條件下橫風(fēng)浪航行19.5 h,出現(xiàn)二級和一級風(fēng)險的可能性分別為臨界和較大,故其航行風(fēng)險太高。
航線1由于避開了橫風(fēng)浪航行,航行風(fēng)險較低,但其所需時間超過了上級限定25 h的時間,因此可作為最后的選擇。
航線3由于在第1航段偏頂風(fēng)浪航行,會有1 kn的失速,盡管其航行時間長于航線2,但是由于避開了9級風(fēng)條件下橫風(fēng)浪航行,航行風(fēng)險度大幅降低,出現(xiàn)四級和三級風(fēng)險的可能性分別為較小和臨界,并且可以提前到達(dá)任務(wù)點。
通過以上比較分析可知,航線3是最好的選擇。經(jīng)指揮員批準(zhǔn)后,測量船按航線3航行。航行約8 h后,風(fēng)力開始減弱,2100風(fēng)力減弱至7級,浪高降至3 m左右,船長下令提前轉(zhuǎn)向。6月2日1000,測量船到達(dá)B點,在此期間3名水手因身體反應(yīng)嚴(yán)重難以堅守崗位,備用測量天線受損,后甲板右舷纜車變形,損失在可接受范圍之內(nèi)。
惡劣海況一直是威脅艦船安全航行的主要因素,尤其是職能相對特殊、必須兼顧艦船安全與使命任務(wù)的軍用艦船。建立所關(guān)注艦船在不同風(fēng)浪條件下的風(fēng)險等級和標(biāo)準(zhǔn),進(jìn)而建立惡劣海況中艦船航行的決策模型,為決策者提供科學(xué)的決策依據(jù)顯得十分重要。該決策模型可使指揮員充分、直觀地預(yù)知艦船在某等級大風(fēng)浪海區(qū)中航行的危險程度,同時也可幫其直觀了解各種航行方案的優(yōu)勢和劣勢。
所提出的模型和方法可用來進(jìn)一步研發(fā)基于電子海圖平臺的可視化船舶風(fēng)險控制與管理輔助決策系統(tǒng)。在氣象部門預(yù)報將出現(xiàn)大風(fēng)浪時,艦船管理單位可利用該系統(tǒng)對艦船進(jìn)行風(fēng)險預(yù)評估,并將重點船舶即將遭遇的不同風(fēng)險等級直觀地顯示在電子海圖平臺上,為上級領(lǐng)導(dǎo)進(jìn)行決策提供有效參考。
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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,主要從事船舶航行信息系統(tǒng)研究。E-mail:dairan@sina.com
顧祖旭(1988—),男,江蘇連云港人,碩士生,主要從事船舶航行信息系統(tǒng)研究。E-mail:xdguzuxu@163.com
1000-4653(2014)03-0068-04
U676.1
A