船舶最佳气象航线的设计.docx

船舶最佳气象航线的设计李远林陈宏彬(华南理工大学交通学院 广州 510641)摘 要 本文介绍了气象导航技术在船舶最佳航线设计中的应用 ,论述其所使用的一般方法 、原理及其系统构成 。用船舶失速数值方法替代经验公式 ,并用 C 语言编程提供了最短时间航线模拟 算例 。关键词气象导航 ; 最佳航线 ; 失速数值方法中图资料分类号U 666 . 135随着国际贸易的迅速增长 ,跨洋船舶运输业变得日益繁忙 ;同时 ,由于燃油价格不断上扬 ,海洋运输成本大幅度上涨 。如何提高船舶的运输效率 ,降低营运成本 ,以适应当前贸易发展的 要求 ,已成为各船务公司和船长们非常关注的问题 。因此 ,广泛使用气象导航技术 ,优化设计 船舶最佳航线 ,已成为当务之急 。据报道 ,80 年代初期 ,英 、美利用气象导航技术优化设计船 舶最佳航线 ,每横跨太平洋一个航次平均可节省 9 . 4 小时 ,由此 ,仅美国每年可以节约数百万美元的运输成本 。继英 、美之后 ,法国 ,挪威 、日本等国都先后开发了自己的最佳航线优化设计系统1 ～5,大大地降低了船损和货损的危险程度 ,减少了燃油消耗量和提高了船舶的到港准时率 ;我国也有学者致力于这方面的研究6 、7 ,取得了一些可喜的成果 。但是一般的航线优化算法采用经验方法计算船舶失速 ,难以真实地体现具体船舶的特征和性能 。本文在论述气象 导航技术的系统构成和一般方法的基础上 ,提出了以船舶失速理论 ( 数值) 方法替代经验方法计算船速的改进措施 ,采用恒向线等时性算法 ,提供了一个最短时间航线模拟试验算例 。1概述在船舶航线设计中 ,航线的安全性和经济性是衡量航线优劣的两个重要指标 。因此 ,最佳航线就是 :在保证船舶航行安全的前提下 ,使航线达到某种意义上的最佳经济性和舒适性 ,即航行距离最短 、航行时间最短 、航行燃耗量最省 、船损和货损最小 ,以降低营运成本 ,提高运输 效率 。气象导航就是充分利用船舶航行过程中的海洋水文气象条件 ,结合船舶的性能特征及 船主的要求 ,确定如上述意义最佳航线的决策过程 。由于它们之间存在着相互联系 、相互作用 的辩证关系 ,所以 ,航线优化设计是一个复杂的决策过程 ,通常采用数学模型进行模拟 。最佳航线的数学模型用框图表示 ,如图 1 所示 。可以看出 ,船舶航线优化设计可以分为 三个相对独立的组成部分 :来稿日期 :1996 - 08 - 06 修改稿收到日期 :1997 - 06 - 10李远林 ,男 ,1942 年生 ,副教授 ;主要研究方向 :船舶水动力学 ,海洋工程 。66华 南 理 工 大 学 学 报第 25 卷图 1 最佳航线优化设计模型Fig. 1 The model of a ship routing op timizatio n algorit hm环境数据1 . 1航线计算模型中的基本环境因素是风 、浪 、流 ,这些数据直接关系到航线计算的速度和精确性 。航线设计的第一步是接收 、储存 、处理环境数据 ,使得航线计算能够便捷地得到航线所 经航区的环境数据 。用于航线优化设计的环境因素主要有 :a . 风速 、风向 ; b. 基本波高 、波周期 、波向 ;c. 海流流速 、流向 ,等 。这些数据一般接收自世界各大气象预报中心 ,其中表面压力和波浪预报都是在一定的预报期内 ,以一定的时间间隔对每个海域给出的 。如美国国家气象 中心 ( N MC) 在 72 小时内 ,每 12 小时以 2 . 5°×2 . 5°海域给出一次海洋气象预报 。航线设计时要先把所接收到的环境数据以相应的时间间隔和空间方格储存在数据库中 ,建立一个以经度 、纬度为序的索引文件 。在跨北太平洋的航线中 ,航行时间一般需要 10 天～14 天 ,而气象中心提供的气象预报数 据一般不超过 120 小时 ,因此 ,需要建立相应的算法 ,对现有的数据进行分析研究 ,拓展超出 预报期所需的环境数据 。目前 ,有几个方法可用于拓展生成预报期外所需的环境数据 ,包括曲 线修正 法 和 从 风 场 外 插 波 浪 数 据 法 , 其 中 风 场 可 以 由 数 学 模 型 或 欧 洲 气 象 预 报 中 心 ( ECM W F) 的表面压力资料拓展得到 。1 . 2船舶运动性能算法在风浪中航行的船舶对环境的响应是气象导航技术中的一个关键问题 ,它给出船舶在风浪中的运动状态 ,提供航行时间 、燃料消耗量的计算依据 。因此 ,船舶运动性能算法的精确度 直接影响到气象导航的有效性 。目前采用得最为普遍的是对航海资料进行分析研究 ,归纳出航速与所遭遇风及波浪之间的关系 ,表示为船舶失速曲线 ,如 J ames 失速曲线 ,用于反映航速与有义波高之间的关系3 。 类似地 ,前苏联中