汪運(yùn)海

摘要：本文采用層次分析和實(shí)例驗(yàn)證的方法，簡(jiǎn)要介紹了灰色系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)重載超大型油輪（Very Large Crude Carrier，VLCC）引航中灰色因素的分析，提出了重載VLCC引航采用灰箱操控方法，為重載VLCC安全引航提出了新的思路，希望引起航海界對(duì)灰色理論更多的重視和探討，使之發(fā)揮更大的作用和價(jià)值。

關(guān)鍵詞：超大型油輪 船舶操縱 引航 灰色理論 灰色系統(tǒng) 灰箱 灰箱操控

0 引言

灰色理論是我國(guó)鄧聚龍教授在1982年提出的，這是一門研究信息部分清楚、部分不清楚并帶有不確定性現(xiàn)象的應(yīng)用數(shù)學(xué)學(xué)科?；疑碚撘褟V泛應(yīng)用在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、經(jīng)濟(jì)、交通、體育和金融等眾多領(lǐng)域，取得了許多讓人驚喜的成果。在船舶交通領(lǐng)域，灰色理論也得到了一些實(shí)際應(yīng)用，但在船舶操縱技術(shù)方面，對(duì)灰色理論進(jìn)行研究和實(shí)際應(yīng)用的很少。若能把灰色理論實(shí)際應(yīng)用到高難度、高風(fēng)險(xiǎn)的重載VLCC引航操作上，則可能是一件有價(jià)值、有意義的嘗試。

1 灰色系統(tǒng)概述

1.1 灰色系統(tǒng)

灰色理論把系統(tǒng)分為黑、灰、白三大類。白色系統(tǒng)為信息完全明確的系統(tǒng)，而黑色系統(tǒng)與白色系統(tǒng)正好相反，系統(tǒng)內(nèi)部的信息我們毫無(wú)所知或基本不知。那么那些既含有已知信息又含有未知信息，或者信息部分明確、部分不明確的系統(tǒng)稱為灰色系統(tǒng)?；疑到y(tǒng)理論則是從事物的內(nèi)部，從系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和參數(shù)去研究系統(tǒng)，把隨機(jī)量看作在一定范圍內(nèi)變化的灰色量，把看似模糊的問(wèn)題具體化和量化，從不明顯變化中找出規(guī)律，并通過(guò)規(guī)律去分析事物的變化和發(fā)展趨勢(shì)。

1.2 灰色決策

灰色決策是指選定一個(gè)合適的對(duì)策，去對(duì)付某個(gè)事件的發(fā)生，以取得最佳效果。灰色決策中提出了灰靶思想。決策好比打靶，靶越大越容易擊中。只要進(jìn)入某個(gè)區(qū)域就可看作是滿意的，這個(gè)區(qū)域稱為灰靶?；野袥Q策給決策執(zhí)行人一定的自主權(quán)，為執(zhí)行人提供了一個(gè)發(fā)揮智慧的機(jī)會(huì)，為科學(xué)的安全決策提供了有效的方法與手段。

1.3 灰色控制

灰色控制是指本征性灰色系統(tǒng)的控制，其基本方法是通過(guò)系統(tǒng)行為數(shù)據(jù)列，尋找系統(tǒng)行為發(fā)展變化的規(guī)律，按照已掌握的規(guī)律，預(yù)測(cè)系統(tǒng)未來(lái)的行為，根據(jù)未來(lái)行為的預(yù)測(cè)值采取控制決策進(jìn)行控制，如圖1-1所示?；疑A(yù)測(cè)控制不同于傳統(tǒng)控制，是一種提前控制，可以做到防患于未然。

2 影響重載VLCC引航的灰色因素

重載VLCC引航是一個(gè)由人、船和環(huán)境組成的船舶交通安全系統(tǒng)，它本身就是一個(gè)灰色系統(tǒng)，人、船和環(huán)境都是影響這個(gè)系統(tǒng)的灰色因素。引航員、船長(zhǎng)、駕駛員和其他船員及拖輪船員等的操作技能、健康狀況和情緒等都是不能完全明確的灰色因素；重載VLCC的主機(jī)類型和功率、船齡、吃水及船體形狀等不同從而引起船速、沖程、舵效、旋回性能等的不同，船舶機(jī)械如主機(jī)、舵機(jī)、錨機(jī)等由于制造商、使用年限和維修保養(yǎng)等不同而引起可靠性不同；富余水深的變化也會(huì)引起操縱性能的變化；海域的交通流流量、能見(jiàn)度、風(fēng)、流、浪、潮高都是隨時(shí)變化的，難以量化，預(yù)報(bào)和測(cè)量來(lái)的數(shù)據(jù)也是灰色的，它們有可能隨機(jī)變化。

影響重載VLCC引航的灰色因素之間有存在不同程度的關(guān)聯(lián)，影響程度也不同，可能隨時(shí)變化。如一次引航中，有時(shí)風(fēng)是主要影響因素，有時(shí)流是主要影響因素。所以影響重載VLCC引航的灰色因素是復(fù)雜多變的，細(xì)心觀察分析這些灰色因素的變化是駕引人員引航重載VLCC時(shí)的一項(xiàng)重要工作。

3 灰箱操控

3.1灰箱操控的設(shè)計(jì)由來(lái)

重載VLCC慣性大、沖程大，操作性能差，受外界因素影響大，應(yīng)急余地范圍小，所以重載VLCC引航是一項(xiàng)高難度、高風(fēng)險(xiǎn)的操作，其操作過(guò)程是復(fù)雜、連續(xù)和多變的。影響重載VLCC引航灰色因素很多，各種灰色因素影響的程度及關(guān)聯(lián)度也隨著時(shí)間和空間變化，駕引人員在不同時(shí)間和地理位置運(yùn)用良好的船藝，準(zhǔn)確判斷各種灰色因素影響、預(yù)判潛在風(fēng)險(xiǎn)、監(jiān)控相關(guān)的船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，采取相應(yīng)操作措施，提前控制船舶才能安全順利完成任務(wù)。

灰箱是指信息不完全或不確定的即部分可觀測(cè)或明了的局部系統(tǒng)，在重載VLCC引航中就是綜合運(yùn)用灰色理論中的灰色預(yù)測(cè)控制和灰色決策控制來(lái)進(jìn)行相關(guān)操縱的區(qū)域模塊?；蚁渲械摹盎摇钡暮x可以理解為目標(biāo)非唯一但可約束，也可以理解為目標(biāo)可接近、方案可完善、信息可補(bǔ)充、思維可多向、計(jì)劃可調(diào)節(jié)。

把整個(gè)重載VLCC引航過(guò)程根據(jù)時(shí)間的連續(xù)性和空間的有序性可分為幾個(gè)連續(xù)的、相關(guān)聯(lián)的灰箱來(lái)操縱和控制，稱為灰箱操控。每個(gè)灰箱內(nèi)預(yù)設(shè)有船舶在對(duì)應(yīng)時(shí)間和空間上一些參考運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，根據(jù)時(shí)間、空間、影響因素和已掌握的規(guī)律經(jīng)驗(yàn)把這些本是動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)定格在相對(duì)的標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，這個(gè)范圍又分為可控范圍和最佳范圍，給駕引人員參考指導(dǎo)的同時(shí)又留給他們一定的自主權(quán)。

3.2灰箱操控的設(shè)計(jì)思路

根據(jù)重載VLCC的操縱特性，結(jié)合港口的風(fēng)、流、潮汐等特點(diǎn)，我們可將整個(gè)引航操作按需航經(jīng)的水域與泊位的距離分為三個(gè)灰箱，即遠(yuǎn)端灰箱、居間灰箱和入泊灰箱，每個(gè)灰箱具體位置劃分可以根據(jù)港口、泊位及掉頭操作與否等具體情況而定；每個(gè)灰箱對(duì)應(yīng)一定的時(shí)間段，灰箱內(nèi)裝有預(yù)設(shè)在一定范圍內(nèi)的船舶運(yùn)動(dòng)參考數(shù)據(jù)，可用于現(xiàn)場(chǎng)駕引人員對(duì)照進(jìn)行監(jiān)控和船舶操縱。

重載VLCC的遠(yuǎn)端灰箱一般設(shè)置于離泊位8海里至4海里的區(qū)域，有些港口泊位距離遠(yuǎn)、航道長(zhǎng)且復(fù)雜多變，遠(yuǎn)端灰箱起始位置可設(shè)置離泊位更遠(yuǎn)的位置。對(duì)遠(yuǎn)端灰箱相應(yīng)的船舶操縱和控制稱為遠(yuǎn)端灰箱操控，主要控制時(shí)間和航速，由于港口航道原因，操作的主要執(zhí)行者可能是引航員，也可能是重載VLCC船長(zhǎng)?；蚁鋬?nèi)的參考數(shù)據(jù)為對(duì)應(yīng)地理位置的時(shí)間段和航速區(qū)間。遠(yuǎn)端灰箱操控的目的就是使這些船舶即時(shí)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)達(dá)到箱體內(nèi)預(yù)設(shè)的參考數(shù)據(jù)范圍，為順利完成引航留下合理的操作空間和余地。

居間灰箱一般設(shè)置于離泊位4海里至1海里的區(qū)域，灰箱內(nèi)的參考數(shù)據(jù)為對(duì)應(yīng)地理位置的合理時(shí)間段、合理航速區(qū)間、合理橫距區(qū)間和適宜的船首向等，灰箱內(nèi)的操作參考數(shù)據(jù)主要根據(jù)時(shí)間、風(fēng)、流、潮汐、船舶操作性能、主機(jī)狀況和是否掉頭操作等來(lái)設(shè)定，居間灰箱的目標(biāo)就是使船舶運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)達(dá)到箱體內(nèi)的參考數(shù)據(jù)范圍，為順利入泊和引航打好安全基礎(chǔ)，使船舶在入泊時(shí)如遇主機(jī)失控、舵機(jī)失控或助泊拖輪故障等異常情況發(fā)生時(shí)，進(jìn)行應(yīng)急操作留有余地，可避免事故的發(fā)生。endprint

入泊灰箱一般放置于離泊位1海里至泊位的區(qū)域，有些港口泊位需要掉頭引航，可能從泊位2～3海里的位置開(kāi)始更合理，入泊灰箱對(duì)應(yīng)的船舶操縱和控制稱為入泊灰箱操控。通常先在泊位外檔一定距離內(nèi)控制航速，然后逐步調(diào)節(jié)橫移速度和船首向，使重載VLCC平行緩慢地靠上泊位。入泊灰箱操控主要控制前進(jìn)速度、橫移速度和船首向，為了減小操控難度和引航風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)盡量使船舶運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)達(dá)到箱體內(nèi)的參考數(shù)據(jù)范圍內(nèi)，這樣可避免在此階段用長(zhǎng)時(shí)間的快速倒車來(lái)減小前進(jìn)速度、拖輪用長(zhǎng)時(shí)間的快速拖等手段來(lái)減小橫移速度和快速大幅度調(diào)小靠攏角度。

4.重載VLCC引航靠泊舟山中化冊(cè)子實(shí)華油庫(kù)碼頭的灰箱操控的設(shè)計(jì)

4.1舟山中化冊(cè)子實(shí)華油庫(kù)碼頭簡(jiǎn)介

舟山中化冊(cè)子實(shí)華油庫(kù)碼頭位于寧波-舟山港的老塘山港區(qū)，屬于30萬(wàn)噸級(jí)泊位，長(zhǎng)506m、走向027°～207°、前沿水深23.8m。

4.2引航時(shí)機(jī)選擇及要求

由于碼頭地理區(qū)域限制只能靠落水，而急落水和落末潮水有較大回流，所以重載VLCC靠泊時(shí)機(jī)只選定白天的初落潮水。當(dāng)風(fēng)力超過(guò)7級(jí)、能見(jiàn)度小于1海里和夜間時(shí)，不進(jìn)行引航作業(yè)。初落潮水在大潮汛期間一般選在定海高潮后2個(gè)小時(shí)，小潮汛期間一般選在定海高潮后2.5個(gè)小時(shí)。30萬(wàn)噸級(jí)重載VLCC引航要求5艘港作拖輪助泊，拖輪總功率不得小于14 270kW，同時(shí)其中至少有1艘3 680kW的拖輪。

4.3三個(gè)灰箱劃分

重載VLCC引航中化冊(cè)子實(shí)華油庫(kù)碼頭需經(jīng)過(guò)蝦峙門口外深水航槽和蝦峙門航道，受船舶交通流和寧波VTS管制等因素影響，引航計(jì)劃和實(shí)際操作對(duì)時(shí)間的限制一般很嚴(yán)格，引航員登輪后就得根據(jù)實(shí)際情況控制時(shí)間和航速，爭(zhēng)取在定海高潮前半小時(shí)至高潮時(shí)的時(shí)間段到達(dá)洋小貓島，這樣對(duì)順利實(shí)施灰箱操控比較有利。因?yàn)橹饕刂茣r(shí)間和航速的區(qū)域是船駛過(guò)螺頭角后，所以我們將遠(yuǎn)端灰箱設(shè)置在螺頭角到半洋礁之間的水域，居間灰箱設(shè)置在半洋礁到帶纜艇工作碼頭之間的水域，入泊灰箱設(shè)置于帶纜艇工作碼頭至泊位的水域，如圖4-1所示。

4.4重載VLCC在三個(gè)灰箱的運(yùn)動(dòng)參考數(shù)據(jù)及對(duì)應(yīng)的操縱

重載VLCC進(jìn)入遠(yuǎn)端灰箱后，要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況逐步減車甚至停車淌航，使航速和時(shí)間在抵達(dá)半洋礁正橫時(shí)分別至降5～10節(jié)（7～8節(jié)為最佳）、定海高潮后0.5～2h（定海高潮后1～1.5h為最佳抵達(dá)時(shí)間段）；在居間灰箱的帶纜艇工作碼頭附近水域，航速為2～4節(jié)（2.5～3節(jié)為最佳）。重載VLCC在居間灰箱期間，要密切關(guān)注風(fēng)、流等環(huán)境因素的變化，合理使用車、舵和拖輪對(duì)船首向、船位和航速進(jìn)行相應(yīng)控制使之達(dá)到最佳范圍，為成功靠泊打下基礎(chǔ)。重載VLCC在入泊灰箱水域，應(yīng)根據(jù)即時(shí)的船首向、船位和航速情況，結(jié)合潮流的大小和變化趨勢(shì)，及時(shí)停車淌航和倒車使船在泊位外檔1至2鏈的橫距水域時(shí)前進(jìn)速度接近零，在此過(guò)程中使用前后拖輪控制船首的偏轉(zhuǎn)速度和船的橫移速度，然后繼續(xù)利用拖輪和潮流，配合車、舵的使用，使船的橫移速度和船首向與泊位走向之間的夾角（簡(jiǎn)稱靠攏角）隨著橫距的縮小逐步減小，直至以小于5cm/s的橫移速度平行靠上泊位。一般是橫距2鏈時(shí)，靠攏角小于20度，橫移速度1～1.5節(jié)；橫距150m時(shí)，靠攏角小于5度，橫移速度0.5～0.9節(jié)；橫距50m時(shí)，靠攏角小于1度，橫移速度5～12cm/s；橫距小于10m時(shí)，靠攏角0度，橫移速度小于5cm/s。

5 重載“GENMAR VISION”輪（簡(jiǎn)稱G輪）灰箱操控引航介紹

5.1 G輪及當(dāng)日水文氣象介紹

該輪船長(zhǎng)333.5m、船寬70m、吃水18.2m，載重噸312 689噸。2016年3月21日，定海高潮時(shí)9：35，計(jì)劃初落潮水12：00左右靠泊中化冊(cè)子實(shí)華油庫(kù)碼頭。當(dāng)日東風(fēng)4～5級(jí)、能見(jiàn)度良好。

5.2 G輪灰箱操控過(guò)程實(shí)錄

8：00，引航員在蝦峙門口登G輪，與船長(zhǎng)進(jìn)行信息交流，了解船舶的實(shí)際情況，同時(shí)通報(bào)船舶的引航計(jì)劃，便于灰箱操控方法的實(shí)施；

9：15，（定海高潮前20分鐘）到達(dá)洋小貓島正北；

9：42，G輪以約12節(jié)航速度進(jìn)入遠(yuǎn)端灰箱起始端，然后逐步減車至微速進(jìn)；

10：30，G輪正橫半洋礁，速度8.1節(jié)，符合遠(yuǎn)端灰箱船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)中參考范圍的時(shí)間和速度要求，通過(guò)交替使用停車淌航微速進(jìn)，必要時(shí)以所帶拖輪協(xié)助，逐步減速并調(diào)節(jié)船首向；

11：12，G輪以1.5鏈橫距帶纜艇工作碼頭，船首向003°、航速2.9節(jié)，符合居間灰箱在在此區(qū)域參考船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的最佳范圍；接著用車和舵調(diào)節(jié)船首向至355°，在進(jìn)距約450m、航速2.1節(jié)時(shí)倒車，并利用拖輪控制船首向和橫移速度，在泊位外檔約1.8鏈的橫距時(shí)將船倒停；然后繼續(xù)利用拖輪、車和舵，在減小橫距的同時(shí)逐步減小船舶的橫移速度和靠攏角，在此過(guò)程中，充分利用船舶儀器、泊位引航顯示儀等持續(xù)對(duì)相關(guān)船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，并仔細(xì)觀察分析風(fēng)流等因素的變化和影響，根據(jù)這些信息相應(yīng)地進(jìn)行船舶引航操縱；

11：40，成功將G輪靠上泊位。G輪利用灰箱操控引航實(shí)時(shí)航行軌跡如圖5-1。

6 結(jié)束語(yǔ)

引航員按照灰箱操控方法引領(lǐng)G輪，通過(guò)建立灰箱區(qū)，監(jiān)控和對(duì)比相關(guān)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，使船舶在各個(gè)灰箱的即時(shí)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)在參考標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的最佳范圍內(nèi)。在整個(gè)引航過(guò)程中，可以根據(jù)當(dāng)時(shí)的時(shí)間、船位和航速清楚地知道下一步操縱的內(nèi)容、重點(diǎn)和難點(diǎn)，使得復(fù)雜的引航工作變得簡(jiǎn)單，引航安全變得可控。希望本文對(duì)不同港口、不同泊位、不同潮時(shí)和不同船舶的引航有借鑒作用。也希望本文能“拋磚引玉”，引起航海同仁們運(yùn)用灰色理論在航海技術(shù)方面做更多的研究和實(shí)際應(yīng)用工作。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉思峰.灰色系統(tǒng)理論及其應(yīng)用[M].科學(xué)出版社，2010.

[2]洪碧光.船舶操縱原理與技術(shù)[M].大連：大連海事大學(xué)出版社，2007.

[3]李培年.談VLCC油輪引航的速度控制[J].航海技術(shù)，2000（3）.

[4]陸悅銘，胡建國(guó).船長(zhǎng)與引航員間信息交流方式研究[J].中國(guó)航海，2006（4）.endprint