基于物資消耗模型的海上救援最大偏航半徑研究

文/陳楊

海上救援相比陸地救援具有反應(yīng)慢和航行環(huán)境不確定的特點(diǎn)。若某區(qū)域發(fā)生災(zāi)害，考慮海上救援航線必經(jīng)海域若出現(xiàn)極端天氣等突發(fā)情況，救援隊(duì)在繞行救援的同時(shí)，需要保證在受災(zāi)區(qū)域物資耗盡前到達(dá)受災(zāi)區(qū)域。本文根據(jù)受災(zāi)區(qū)域剩余物資和救援時(shí)間，以及突發(fā)狀況在航線上的大致方位，確定救援隊(duì)可以偏航的最大半徑，對(duì)確定救援策略選擇具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

1.引言。

為及時(shí)應(yīng)對(duì)海上突發(fā)情況，保障人員和物資安全，救援隊(duì)伍需要以最快的速度和選擇安全的路徑到達(dá)時(shí)間地點(diǎn)。若救援隊(duì)在救援途中再次遇到惡劣的海上天氣，可以選擇適當(dāng)偏航，在確保自身安全的情況下保證救援效率。因此，在突發(fā)事件下確定最大偏航半徑對(duì)于救援任務(wù)來(lái)說(shuō)尤為重要。

1.1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀。水上救援技術(shù)的研究一般集中于航空飛行器以及艦艇搜救的基地選址和路徑規(guī)劃。喻剛[1]針對(duì)不同應(yīng)急點(diǎn)的應(yīng)急救援時(shí)間需求，構(gòu)建了考慮時(shí)間滿意度函數(shù)的海上救援航空基地選址優(yōu)化模型。詹斌[2]等人以水上突發(fā)事件應(yīng)急資源儲(chǔ)備點(diǎn)選址布局方案以及其建設(shè)時(shí)序影響因素為基礎(chǔ)，構(gòu)建了基于TOPSIS方法的建設(shè)時(shí)序模型。張麗娜[3]依據(jù)海上應(yīng)急救援的特殊性，確定了應(yīng)急服務(wù)設(shè)施點(diǎn)空間布局優(yōu)化模型，利用ARGGIS中的空間分析與網(wǎng)絡(luò)分析模型模擬進(jìn)行了實(shí)例驗(yàn)證。海上救援路徑規(guī)劃方面，吳杰針[4]對(duì)海上突發(fā)事件使用鏈接圖法構(gòu)建了救援航行空間模型，并采用A*算法進(jìn)行求解，證明了提出的路徑規(guī)劃算法在搜索時(shí)間等性能方面表現(xiàn)更佳。余夢(mèng)珺[5]構(gòu)建了基于海冰密集度、海表溫度等指標(biāo)的西北航道海洋環(huán)境威脅場(chǎng)，并針對(duì)不同指標(biāo)在不同時(shí)段賦予不同的權(quán)重進(jìn)行路徑規(guī)劃，發(fā)現(xiàn)更符合實(shí)際救援需求。馬凱強(qiáng)等人[6]改進(jìn)了人工魚群算法，采用GIS多指標(biāo)決策構(gòu)建海洋環(huán)境威脅場(chǎng)，依據(jù)粒子群算法得到救援路徑規(guī)劃的最佳參數(shù)，使得救援路徑搜索效果更優(yōu)。朱小林[7]建立了基于事件類型的應(yīng)急物資與船舶分配的多目標(biāo)模型，以期優(yōu)化海上應(yīng)急資源調(diào)度計(jì)劃。以上研究一般只針對(duì)受災(zāi)區(qū)域的救援任務(wù)，對(duì)于救援隊(duì)伍在救援途中面對(duì)突發(fā)事件時(shí)繞行半徑計(jì)算缺少進(jìn)一步的研究。在本研究中，通過(guò)受災(zāi)區(qū)域剩余物資及消耗情況確定剩余救援時(shí)間，依據(jù)突發(fā)狀況在航線上的大致方位，可確定救援隊(duì)可以偏航的最大半徑，以期為海上救援任務(wù)的實(shí)施提供指導(dǎo)建議。

2.突發(fā)事件下的最大偏航半徑確定。

當(dāng)海上某區(qū)域發(fā)生災(zāi)害時(shí)，救援隊(duì)需要在受災(zāi)區(qū)域物資耗盡之前及時(shí)趕到受災(zāi)區(qū)域進(jìn)行救援?？紤]海上天氣較為復(fù)雜，救援途中可能遇到無(wú)法跨越的惡劣環(huán)境，需要繞行救援。雖然偏航可以減少救援隊(duì)受突發(fā)惡劣天氣的影響，但過(guò)大的偏航可能會(huì)使救援隊(duì)錯(cuò)過(guò)最后的救援的時(shí)間，造成無(wú)法挽回的損失。此外，隨意的偏航可能會(huì)使救援船隊(duì)進(jìn)入布滿暗礁的危險(xiǎn)海域，因此需要設(shè)置偏航限制半徑。通過(guò)受災(zāi)區(qū)域物資剩余時(shí)間、偏航限制半徑以及船隊(duì)航速等因素確定救援偏航限制區(qū)域，決策區(qū)以及無(wú)效區(qū)如圖1所示。

圖1救援區(qū)域示意圖

2.1 救援無(wú)效區(qū).如果救援隊(duì)出發(fā)時(shí)間較晚，且救援隊(duì)離受災(zāi)區(qū)域太遠(yuǎn)，即便救援途中沒(méi)有出現(xiàn)極端天氣按正常速度也到達(dá)不了受災(zāi)區(qū)域，由此便確定了“無(wú)效區(qū)域”，即“航程時(shí)長(zhǎng)＞物資消耗剩余時(shí)長(zhǎng)”。劃分無(wú)效區(qū)域與有效區(qū)域邊界線的計(jì)算方法如公式（1）所示。

其中，l1為無(wú)效區(qū)域與有效區(qū)域的劃分邊界的位置。d0為受災(zāi)區(qū)域的位置，可以設(shè)置d0=0，即以受災(zāi)區(qū)域?yàn)樵c(diǎn)，簡(jiǎn)化場(chǎng)景。v為航行速度。t為受災(zāi)區(qū)域剩余物資維持時(shí)間。

2.2 救援偏航限制區(qū)域.若救援船隊(duì)距離受災(zāi)區(qū)域較近，即使在航線上存在突發(fā)惡劣天氣，救援船隊(duì)也可以在偏航限制半徑內(nèi)繞行趕往救援區(qū)域?qū)嵤┚仍?，由此確定了“偏航限制區(qū)”，即“最大繞行半徑時(shí)長(zhǎng)+后續(xù)時(shí)長(zhǎng)＞物資消耗剩余時(shí)長(zhǎng)”。劃分偏航限制半徑和決策區(qū)域邊界線的計(jì)算方法如公式（2）所示。

其中，l2為偏航限制半徑與決策區(qū)域的劃分邊界的位置?！鱰為最大繞行半徑所耗時(shí)間，計(jì)算公式如（3）所示。R為最大繞行半徑。

2.3 救援決策區(qū).決策區(qū)域?yàn)楸仨氝M(jìn)行偏航半徑?jīng)Q策的區(qū)域，即若不進(jìn)行偏航半徑的決策，可能會(huì)因?yàn)槠桨霃竭x擇不合理導(dǎo)致繞行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)錯(cuò)過(guò)救援時(shí)間。若突發(fā)惡劣天氣出現(xiàn)在該區(qū)域，便可根據(jù)其所處位置確定允許最大的偏航半徑使救援隊(duì)可以在剩余救援時(shí)間內(nèi)到達(dá)受災(zāi)區(qū)域。最大允許偏航半徑的計(jì)算公式如公式（4）所示。

其中，x為突發(fā)惡劣天氣所處的位置。公式(4)可以通過(guò)公式（5）推導(dǎo)得到，即剩余救援時(shí)間應(yīng)為沿航線的航行時(shí)間與偏航時(shí)間之和。

2.4 考慮不確定性的最大繞行半徑確定.當(dāng)剩余物資估計(jì)不準(zhǔn)確或航行速度不穩(wěn)定時(shí)，計(jì)算的最大偏航半徑可能也會(huì)不準(zhǔn)確，進(jìn)而使安全救援的可靠性降低。因此，假定剩余救援時(shí)間以及救援船隊(duì)航行時(shí)間服從方差為1的正態(tài)分布，均值和方差可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)定和修正，并且選擇剩余救援時(shí)間和航行速度分布的下邊界，即合理的低估剩余救援時(shí)間和航行速度以保證救援成功率。

3.案例分析

本節(jié)給定某虛擬場(chǎng)景，并隨機(jī)給定突發(fā)惡劣天氣的位置，根據(jù)遇到突發(fā)惡劣天氣時(shí)剩余救援時(shí)間和惡劣天氣的位置計(jì)算最大偏航半徑。

3.1 參數(shù)設(shè)置.假定隨機(jī)場(chǎng)景參數(shù)如表1所示，通過(guò)章節(jié)2的最大偏航半徑計(jì)算原理確定不同突發(fā)惡劣天氣發(fā)生位置對(duì)應(yīng)的最大偏航半徑。3.2確定性場(chǎng)景偏航半徑計(jì)算.確定性場(chǎng)景下，即考慮可以準(zhǔn)確估計(jì)剩余救援時(shí)間和確定的航行時(shí)間，通過(guò)章節(jié)2和假定場(chǎng)景參數(shù)的設(shè)置計(jì)算突發(fā)惡劣天氣不同為對(duì)應(yīng)的決策區(qū)域邊界和偏航半徑如表2所示。

表1假定場(chǎng)景參數(shù)設(shè)置

表2確定性場(chǎng)景不同位置的突發(fā)惡劣天氣對(duì)應(yīng)的最大偏航半徑

通過(guò)表2可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)突發(fā)惡劣天氣位置位于無(wú)效區(qū)域時(shí)，如處于位置4的突發(fā)惡劣天氣，該場(chǎng)景不存在可以偏航的情況，即若偏航一定會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)過(guò)救援時(shí)間。當(dāng)突發(fā)惡劣天氣位置位于偏航限制區(qū)域時(shí)，如處于位置1和位置2的突發(fā)惡劣天氣，該場(chǎng)景救援船隊(duì)可以以偏航限制半徑進(jìn)行繞行，并且可以準(zhǔn)時(shí)到達(dá)受災(zāi)區(qū)域。當(dāng)突發(fā)惡劣天氣位置位于決策區(qū)域時(shí)，如處于位置3的突發(fā)惡劣天氣，該場(chǎng)景的救援船隊(duì)不能盲目的進(jìn)行偏航，因?yàn)檫^(guò)度的偏航會(huì)使救援船隊(duì)錯(cuò)過(guò)救援時(shí)間，只能在允許的偏航半徑下進(jìn)行繞行。

3.3 不確定場(chǎng)景偏航半徑計(jì)算.不確定場(chǎng)景，即無(wú)法準(zhǔn)確估計(jì)受災(zāi)區(qū)域剩余物資和航行速度，并且人為估計(jì)的剩余物資和航行速度服從正態(tài)分布，計(jì)算可靠性為90%的最大偏航半徑。計(jì)算不確定場(chǎng)景的決策區(qū)域邊界和偏航半徑如表3所示。

表3不確定性場(chǎng)景不同位置的突發(fā)惡劣天氣對(duì)應(yīng)的最大偏航半徑

通過(guò)表3發(fā)現(xiàn)，由于對(duì)剩余救援時(shí)間和航行速度估計(jì)相對(duì)保守，使兩個(gè)邊界均向受災(zāi)區(qū)域移動(dòng)。由于突發(fā)惡劣天氣2、3和4的位置均在無(wú)效區(qū)域，因此均不存在繞行的可能性。位于位置1的突發(fā)惡劣天氣由偏航限制區(qū)域移至決策區(qū)，最大偏航半徑由10海里縮小到7.29海里。通過(guò)以上確定性場(chǎng)景和非確定性場(chǎng)景的研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)受災(zāi)區(qū)域剩余救援時(shí)間確定時(shí)，惡劣天氣的位置對(duì)是否可以繞行保證有效救援非常重要。并且不確定性場(chǎng)景參數(shù)的保守估計(jì)使最大繞行半徑的計(jì)算也較為保守。

4.結(jié)語(yǔ)

本研究構(gòu)建了救援航線突發(fā)極端事件背景下基于物資消耗模型的最大偏航半徑計(jì)算方法，并進(jìn)行了算例分析。根據(jù)受災(zāi)區(qū)域物資消耗剩余時(shí)間（剩余救援時(shí)間）和突發(fā)狀況在航線上的大致方位，反推救援隊(duì)偏離救援航線的最大半徑。通過(guò)算例驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)救援隊(duì)距離受災(zāi)區(qū)域較遠(yuǎn)處遇到突發(fā)狀況時(shí)，允許救援隊(duì)偏航的半徑較小，隨著突發(fā)情況逼近受災(zāi)區(qū)域，救援隊(duì)可以偏航的半徑逐漸擴(kuò)大。本研究雖然考慮了90%的可靠性，但受災(zāi)區(qū)域準(zhǔn)確的物資剩余狀態(tài)可能受其他因素的影響較大，對(duì)實(shí)際場(chǎng)景應(yīng)用有一定的局限性。準(zhǔn)確的物資消耗速率和剩余物資預(yù)測(cè)對(duì)于救援策略的制定尤為重要。此外，本研究沒(méi)有考慮救援隊(duì)面對(duì)的災(zāi)害規(guī)模和不同救援艦艇的抗災(zāi)能力對(duì)偏航半徑的潛在影響，只根據(jù)救援區(qū)域剩余物資狀態(tài)反推得到偏航半徑，在下一步的研究中，可進(jìn)一步引入更多影響因素，進(jìn)而確定更符合實(shí)際場(chǎng)景的海上救援策略。