哈爾濱工程大學(xué)為"冰上絲綢之路"提供技術(shù)支撐！

近日，哈爾濱工程大學(xué)船舶與海洋工程設(shè)計制造"興海"學(xué)術(shù)團(tuán)隊聯(lián)合葡萄牙里斯本大學(xué)海洋技術(shù)與海洋工程中心（CENTEC），在可靠性工程領(lǐng)域權(quán)威期刊《可靠性工程與系統(tǒng)安全》（《Reliability Engineering and System Safety》）（影響因子11.0，中科院一區(qū)TOP）發(fā)表最新研究成果，成功構(gòu)建了一套綜合考慮航行風(fēng)險、航程時間與燃油消耗的極地航道多目標(biāo)動態(tài)路徑規(guī)劃框架。該技術(shù)實現(xiàn)了航線對時變海冰環(huán)境的實時自適應(yīng)優(yōu)化，為船舶的安全、經(jīng)濟(jì)、高效航行提供了重要決策支持工具。論文第一作者為哈工程船舶學(xué)院博士生劉玥君，通訊作者為哈工程船舶學(xué)院教師魯陽。

北極航道機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存

隨著全球氣候持續(xù)變暖，北極海冰加速消融，連接亞歐大陸的東北航道通航窗口期逐年延長，成為極具潛力的海上運輸捷徑。數(shù)據(jù)顯示，與傳統(tǒng)經(jīng)蘇伊士運河的航線相比，東北航道可縮短約40%的航程，能顯著降低燃油消耗、溫室氣體排放與運輸成本，被譽(yù)為"冰上絲綢之路"的核心走廊，戰(zhàn)略價值日益凸顯。

然而北極航行安全仍面臨多重嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。與常規(guī)開放水域不同，北極航道受海冰分布高度不確定性、極端天氣頻發(fā)、航行保障設(shè)施匱乏、破冰船支援能力有限等復(fù)雜因素制約，船舶面臨碰撞、冰困、擱淺甚至沉沒等多重風(fēng)險。高冰級船舶的建造成本與運營費用較常規(guī)船舶高出50%—100%，使得北極航線的經(jīng)濟(jì)可行性對路徑規(guī)劃的優(yōu)化程度高度敏感。

此前的航線規(guī)劃技術(shù)存在三方面局限：

• 一是多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化不足，早期研究多聚焦于單一目標(biāo)優(yōu)化，或僅將風(fēng)險作為硬性約束而非優(yōu)化目標(biāo)，難以反映實際運營中安全、成本與效率之間的復(fù)雜關(guān)系；

• 二是對環(huán)境時變性的動態(tài)響應(yīng)機(jī)制不完善，北極海冰呈顯著的季節(jié)性演變與日尺度波動特征，而現(xiàn)有航線規(guī)劃多基于靜態(tài)環(huán)境地圖，難以充分反映冰情的快速變化；

• 三是多目標(biāo)權(quán)衡與動態(tài)演變的協(xié)同建模有限，同時考慮多目標(biāo)帕累托最優(yōu)解集與環(huán)境時變性的動態(tài)路徑規(guī)劃研究較少，導(dǎo)致現(xiàn)有方法難以在冰情劇變期實現(xiàn)安全與效率的自適應(yīng)平衡。

打造動態(tài)自適應(yīng)航線規(guī)劃體系

針對上述行業(yè)痛點，研究團(tuán)隊提出了一套完整的北極航道多目標(biāo)動態(tài)路徑規(guī)劃框架，實現(xiàn)了多項技術(shù)突破：

多目標(biāo)成本統(tǒng)一建模：將航行風(fēng)險（基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)與GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)耦合預(yù)測）、燃油消耗（考慮靜水阻力與碎冰阻力疊加模型）與航行時間納入統(tǒng)一的成本函數(shù)，突破傳統(tǒng)單一目標(biāo)優(yōu)化的局限，能更真實地反映船舶運營的實際需求。

靜態(tài)最優(yōu)航線生成：利用改進(jìn)A*算法，基于2014—2023年夏季的月均環(huán)境數(shù)據(jù)，生成最小時間、最小風(fēng)險與最小油耗三類基準(zhǔn)航線，并通過遍歷權(quán)重組合篩選出帕累托最優(yōu)解集，在揭示三大目標(biāo)間非線性權(quán)衡關(guān)系的基礎(chǔ)上，獲得兼顧航行風(fēng)險、燃油消耗與航行時間的優(yōu)化航線。

動態(tài)實時路徑調(diào)整：引入LPA*算法，結(jié)合逐日更新的環(huán)境數(shù)據(jù)，實現(xiàn)航線對海冰濃度、冰厚、航速等時變條件的實時自適應(yīng)調(diào)整，顯著降低環(huán)境劇變期的重規(guī)劃計算成本，大幅提升響應(yīng)效率。

工程化適配優(yōu)化：采用B樣條曲線對規(guī)劃路徑進(jìn)行平滑處理，消除網(wǎng)格化路徑的折線效應(yīng)，減少實際航行中的頻繁轉(zhuǎn)向，讓規(guī)劃結(jié)果更符合實際航行操作需求。

量化三大目標(biāo)權(quán)衡關(guān)系

研究團(tuán)隊通過大量模擬計算，揭示了北極航行的重要規(guī)律：

目標(biāo)量化權(quán)衡機(jī)制：通過三維帕累托前沿分析，首次量化揭示了航行風(fēng)險、燃油消耗與航行時間之間的非線性權(quán)衡關(guān)系。研究表明，單純追求航行效率可使航行時間較優(yōu)化解縮短約10%，但風(fēng)險值增加超過35%；而絕對安全導(dǎo)向雖能將風(fēng)險控制在最低水平，卻導(dǎo)致航程增加約10%、燃油消耗上升約15%。這一發(fā)現(xiàn)為不同運營需求下的權(quán)重決策提供了量化依據(jù)。

季節(jié)性航行規(guī)律：北極東北航道的通航條件呈現(xiàn)顯著的季節(jié)性特征。7月因殘冰較多，最優(yōu)航線需緊貼南側(cè)海岸線；8—9月海冰消退，航線可北移取直，9月達(dá)到最佳通航狀態(tài)；10月新冰形成，航線再度南移。這一規(guī)律為船東規(guī)劃年度航次提供了科學(xué)指引。

動態(tài)規(guī)劃優(yōu)勢顯著：基于LPA*算法與日尺度環(huán)境數(shù)據(jù)的動態(tài)路徑規(guī)劃，相比傳統(tǒng)靜態(tài)規(guī)劃可進(jìn)一步降低航行風(fēng)險，同時減少燃油消耗。尤其在冰情劇變的7月和10月，動態(tài)規(guī)劃能夠?qū)崟r響應(yīng)環(huán)境變化，避免因環(huán)境突變導(dǎo)致的被動繞航或風(fēng)險暴露，顯著提升航行的安全性與經(jīng)濟(jì)性。

圖1：東北航道網(wǎng)格地圖構(gòu)建

圖2：東北航道夏季最小時間航線

圖3：東北航道夏季最小風(fēng)險航線

圖4：東北航道夏季最小燃耗航線

圖5：東北航道夏季帕累托最優(yōu)航線

圖6：東北航道夏季動態(tài)多目標(biāo)航線

為北極航運提供智能決策支持

該研究具有重要的理論與應(yīng)用價值：

在理論層面，將航行風(fēng)險作為可量化優(yōu)化的目標(biāo)之一，構(gòu)建了兼顧航行安全、經(jīng)濟(jì)性與航行效率的多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化框架，相較于傳統(tǒng)單目標(biāo)優(yōu)化或風(fēng)險閾值約束方法，能夠更全面地反映實際運營需求。同時，研究首次將LPA*動態(tài)規(guī)劃算法引入北極航線規(guī)劃領(lǐng)域，實現(xiàn)了對時變環(huán)境條件的自適應(yīng)響應(yīng)，為多目標(biāo)權(quán)衡與動態(tài)環(huán)境協(xié)同建模提供了新的解決思路。

在應(yīng)用層面，該多目標(biāo)動態(tài)路徑規(guī)劃框架可為航運企業(yè)在北極航線運營中提供輔助決策參考。根據(jù)不同船舶冰級、任務(wù)優(yōu)先級及啟航時間，框架可快速生成兼顧航行風(fēng)險、燃油消耗與航行時間的優(yōu)化航線方案，有效降低運營成本，提升航行安全性。

未來將進(jìn)一步考慮極地航行法規(guī)、破冰船服務(wù)機(jī)制及環(huán)保限制等實際約束，拓展至更多船型與應(yīng)用場景，逐步完善北極航線規(guī)劃方法的適用性，為"冰上絲綢之路"的安全高效運營提供更有力的技術(shù)支撐。

團(tuán)隊及教師簡介

船舶與海洋工程設(shè)計制造“興海”學(xué)術(shù)團(tuán)隊擁有科技部中國-俄羅斯極地技術(shù)與裝備聯(lián)合實驗室、工信部極地裝備技術(shù)重點實驗室、省協(xié)同創(chuàng)新中心等平臺。團(tuán)隊獲中國造船工程學(xué)會創(chuàng)新團(tuán)隊、省自然科學(xué)基金研究團(tuán)隊、省優(yōu)秀研究生導(dǎo)學(xué)團(tuán)隊等稱號。主持建設(shè)《船舶與海洋平臺設(shè)計原理》、《海洋平臺安裝虛擬仿真實驗》2門國家級一流本科課程，獲國家級教學(xué)成果獎勵3項，省級教學(xué)成果獎10余項，出版教材近20余部。主持和承擔(dān)國家自然科學(xué)基金重大/重點、群體項目（B類）、科技部國家重點研發(fā)計劃、國家科技重大專項課題、發(fā)改委國家重大基礎(chǔ)設(shè)施論證、型號裝備等科研項目共計100余項，研發(fā)了極地氣墊破冰運輸船、多棲無人艇、水產(chǎn)捕撈型水下機(jī)器人、深水海洋平臺數(shù)字孿生系統(tǒng)、系列化海洋工程裝備作業(yè)仿真平臺、氣墊船駕控訓(xùn)練模擬系統(tǒng)等標(biāo)志性科研成果，獲省部級科技進(jìn)步特等獎1項、一等獎8項、二等獎6項，省專利獎金獎1項。

期刊簡介

《RELIABILITY ENGINEERING & SYSTEM SAFETY》致力于復(fù)雜技術(shù)系統(tǒng)安全性與可靠性方法的開發(fā)與應(yīng)用，如核電站、化工廠、危險廢物處理設(shè)施、空間系統(tǒng)、海洋工程系統(tǒng)、運輸系統(tǒng)、建筑基礎(chǔ)設(shè)施和工業(yè)制造工廠等相關(guān)領(lǐng)域。發(fā)表的內(nèi)容主要包括：可靠性和概率安全性評估、模型和參數(shù)的不確定性分析、敏感性分析、數(shù)據(jù)收集和分析、自然災(zāi)害對系統(tǒng)的影響分析、規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)、自動化故障檢測與診斷技術(shù)、人機(jī)交互界面設(shè)計、安全文化建設(shè)以及事故調(diào)查與管理。

文章來源 | 船舶學(xué)院

排 版 | 郭啟蒙

責(zé) 編 | 霍 萍

審 核 | 孫龍泉

• 信息來源：哈爾濱工程大學(xué)。

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