哈爾濱工程大學為"冰上絲綢之路"提供技術支撐！

近日，哈爾濱工程大學船舶與海洋工程設計制造"興海"學術團隊聯合葡萄牙里斯本大學海洋技術與海洋工程中心（CENTEC），在可靠性工程領域權威期刊《可靠性工程與系統安全》（《Reliability Engineering and System Safety》）（影響因子11.0，中科院一區TOP）發表最新研究成果，成功構建了一套綜合考慮航行風險、航程時間與燃油消耗的極地航道多目標動態路徑規劃框架。該技術實現了航線對時變海冰環境的實時自適應優化，為船舶的安全、經濟、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院博士生劉玥君，通訊作者為哈工程船舶學院教師魯陽。

北極航道機遇與挑戰并存

隨著全球氣候持續變暖，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。數據顯示，與傳統經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，被譽為"冰上絲綢之路"的核心走廊，戰略價值日益凸顯。

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

此前的航線規劃技術存在三方面局限：

• 一是多目標協同優化不足，早期研究多聚焦于單一目標優化，或僅將風險作為硬性約束而非優化目標，難以反映實際運營中安全、成本與效率之間的復雜關系；

• 二是對環境時變性的動態響應機制不完善，北極海冰呈顯著的季節性演變與日尺度波動特征，而現有航線規劃多基于靜態環境地圖，難以充分反映冰情的快速變化；

• 三是多目標權衡與動態演變的協同建模有限，同時考慮多目標帕累托最優解集與環境時變性的動態路徑規劃研究較少，導致現有方法難以在冰情劇變期實現安全與效率的自適應平衡。

打造動態自適應航線規劃體系

針對上述行業痛點，研究團隊提出了一套完整的北極航道多目標動態路徑規劃框架，實現了多項技術突破：

多目標成本統一建模：將航行風險（基于貝葉斯網絡與GA-BP神經網絡耦合預測）、燃油消耗（考慮靜水阻力與碎冰阻力疊加模型）與航行時間納入統一的成本函數，突破傳統單一目標優化的局限，能更真實地反映船舶運營的實際需求。

靜態最優航線生成：利用改進A*算法，基于2014—2023年夏季的月均環境數據，生成最小時間、最小風險與最小油耗三類基準航線，并通過遍歷權重組合篩選出帕累托最優解集，在揭示三大目標間非線性權衡關系的基礎上，獲得兼顧航行風險、燃油消耗與航行時間的優化航線。

動態實時路徑調整：引入LPA*算法，結合逐日更新的環境數據，實現航線對海冰濃度、冰厚、航速等時變條件的實時自適應調整，顯著降低環境劇變期的重規劃計算成本，大幅提升響應效率。

工程化適配優化：采用B樣條曲線對規劃路徑進行平滑處理，消除網格化路徑的折線效應，減少實際航行中的頻繁轉向，讓規劃結果更符合實際航行操作需求。

量化三大目標權衡關系

研究團隊通過大量模擬計算，揭示了北極航行的重要規律：

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

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

動態規劃優勢顯著：基于LPA*算法與日尺度環境數據的動態路徑規劃，相比傳統靜態規劃可進一步降低航行風險，同時減少燃油消耗。尤其在冰情劇變的7月和10月，動態規劃能夠實時響應環境變化，避免因環境突變導致的被動繞航或風險暴露，顯著提升航行的安全性與經濟性。

圖1：東北航道網格地圖構建

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航線

圖6：東北航道夏季動態多目標航線

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用價值：

在理論層面，將航行風險作為可量化優化的目標之一，構建了兼顧航行安全、經濟性與航行效率的多目標協同優化框架，相較于傳統單目標優化或風險閾值約束方法，能夠更全面地反映實際運營需求。同時，研究首次將LPA*動態規劃算法引入北極航線規劃領域，實現了對時變環境條件的自適應響應，為多目標權衡與動態環境協同建模提供了新的解決思路。

在應用層面，該多目標動態路徑規劃框架可為航運企業在北極航線運營中提供輔助決策參考。根據不同船舶冰級、任務優先級及啟航時間，框架可快速生成兼顧航行風險、燃油消耗與航行時間的優化航線方案，有效降低運營成本，提升航行安全性。

未來將進一步考慮極地航行法規、破冰船服務機制及環保限制等實際約束，拓展至更多船型與應用場景，逐步完善北極航線規劃方法的適用性，為"冰上絲綢之路"的安全高效運營提供更有力的技術支撐。

團隊及教師簡介

船舶與海洋工程設計制造“興海”學術團隊擁有科技部中國-俄羅斯極地技術與裝備聯合實驗室、工信部極地裝備技術重點實驗室、省協同創新中心等平臺。團隊獲中國造船工程學會創新團隊、省自然科學基金研究團隊、省優秀研究生導學團隊等稱號。主持建設《船舶與海洋平臺設計原理》、《海洋平臺安裝虛擬仿真實驗》2門國家級一流本科課程，獲國家級教學成果獎勵3項，省級教學成果獎10余項，出版教材近20余部。主持和承擔國家自然科學基金重大/重點、群體項目（B類）、科技部國家重點研發計劃、國家科技重大專項課題、發改委國家重大基礎設施論證、型號裝備等科研項目共計100余項，研發了極地氣墊破冰運輸船、多棲無人艇、水產捕撈型水下機器人、深水海洋平臺數字孿生系統、系列化海洋工程裝備作業仿真平臺、氣墊船駕控訓練模擬系統等標志性科研成果，獲省部級科技進步特等獎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》致力于復雜技術系統安全性與可靠性方法的開發與應用，如核電站、化工廠、危險廢物處理設施、空間系統、海洋工程系統、運輸系統、建筑基礎設施和工業制造工廠等相關領域。發表的內容主要包括：可靠性和概率安全性評估、模型和參數的不確定性分析、敏感性分析、數據收集和分析、自然災害對系統的影響分析、規范與標準、自動化故障檢測與診斷技術、人機交互界面設計、安全文化建設以及事故調查與管理。

文章來源 | 船舶學院

排 版 | 郭啟蒙

責 編 | 霍 萍

審 核 | 孫龍泉

• 信息來源：哈爾濱工程大學。

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