- Scientific Journals of the Maritime University of Szczecin

- Scientific Journals of the Maritime University of Szczecin

ISSN 1733-8670
ZESZYTY NAUKOWE NR 11(83)
AKADEMII MORSKIEJ
W SZCZECINIE
IV MIĘDZYNARODOWA KONFERENCJA NAUKOWO-TECHNICZNA
E X P L O-S H I P 2 0 0 6
Piotr Medyna,
Bernard Wiśniewski,
Jarosław Chomski
Dynamiczne programowanie trasy statku
z uwzględnieniem omijania cyklonów tropikalnych
Słowa kluczowe: optymalizacja wielokryterialna, cyklony tropikalne, algorytmy
ewolucyjne
Zaprezentowano obliczenia wyboru najkorzystniejszej trasy statku na oceanie
z uwzględnieniem omijania cyklonów tropikalnych na Północnym Atlantyku. Testowania
wykonano dla podróży statku m/v „Daszyński” w rzeczywistych warunkach pogodowych
od 26.09.2004 r. do 6.10.2004 r., gdy na Atlantyku Północnym wystąpiły cyklony
„Jeanne” i „Lisa”. Zastosowano program obliczeniowy wykorzystujący algorytmy ewolucyjne.
Ocean Ship Routeing Using Dynamical Programming
with Tropical Cyclone Avoidance
Key words: multicriterial optimization, tropical cyclones, evolutionary algorithms
The most beneficial ship’s route calculations on the ocean are presented, taking into consideration tropical cyclone avoidance. Tests were made for the m/v “Daszynski”
voyage using real weather data during 26.IX.04 - 06.X.04, when the North Atlantic was
haunted by the tropical cyclons “Jeanne” and “Lisa”. A computational program based
on evolutional algorithms was used.
211
Piotr Medyna, Bernard Wiśniewski, Jarosław Chomski
Wstęp
Pomimo ciągłego postępu technicznego w budowie statków oraz nowoczesnych metod nawigacyjnych, w żegludze cały czas bardzo ważną rolę odgrywają
warunki pogodowe. Odnalezienie jak najbardziej korzystnej trasy jest celem
nawigacji pogodowej [5, 6]. Podstawowym kryterium branym pod uwagę przy
wyborze trasy jest zawsze bezpieczeństwo statku, ludzi i ładunku, ale poszukuje
się również korzyści ekonomicznej, jak skrócenie czasu podróży i oszczędności
paliwa. Zwiększył się przedział dostępnych dla statków prognoz pogody do
5 dni, w tym również prognoz dotyczących cyklonów tropikalnych. Celowe
więc jest wykonanie obliczeń różnych wariantów tras, ich porównanie i opracowanie rekomendacji dla podróży statku, gdy prognozowane jest wystąpienie
cyklonu tropikalnego. W artykule zaprezentowano ważniejsze wyniki i opis
podróży, będące przykładem dynamicznego programowania trasy z uwzględnieniem omijania dwóch cyklonów tropikalnych na Północnym Atlantyku.
1. Metodyka i założenia
W założeniach do obliczeń przyjęto prognozowaną sytuację pogodową na
Północnym Atlantyku w dniach podróży m/v „Daszyński” z Kanału Angielskiego na Florydę od 26.09.2004 r. do 6.10.2004 r. (falowanie, wiatr), w tym jednoczesne wystąpienie na tym akwenie dwóch cyklonów tropikalnych. Cyklon „Jeanne” od 26 września był prognozowany torem parabolicznym od Florydy
wzdłuż wybrzeży Stanów Zjednoczonych, drugi cyklon „Lisa” przemieszczał się
na północ w centralnej części Atlantyku Północnego wzdłuż 045°W (rys. 1).
W przypadku wyboru trasy omijającej cyklon tropikalny, kryterium czasu
nie jest jedynym kryterium podlegającym ocenie [6, 9]. Do weryfikacji tras w
procesie optymalizacji omijania cyklonu tropikalnego przyjęto wskaźnik oceny
trasy (WOT) (1), składający się z trzech elementów: wskaźnika czasu, wskaźnika oceny nawigacyjnej trasy oraz wskaźnika zbliżenia do cyklonu tropikalnego
[9]:
WOT = Ot · Onaw · OCPA
gdzie:
Ot
– wskaźnik oceny czasu podróży statku,
Onaw – wskaźnik oceny nawigacyjnej trasy,
OCPA – wskaźnik zbliżenia statku do cyklonu tropikalnego.
212
(1)
Dynamiczne programowanie trasy statku z uwzględnieniem omijania cyklonów tropikalnych
Rys. 1. Cyklon tropikalny „Jeanne” [NHC]
Fig. 1. ‘Jeanne’ tropical cyclone [NHC]
Istotą obliczeń jest, aby porównywać czasy realizacji danej trasy z trasą sezonową, loksodromą lub ortodromą. Każda z tych tras musi uwzględniać strefę
zabronioną cyklonu, czas przebywania statku w strefie przejściowej cyklonu,
a zwłaszcza w jego niekorzystnej połówce oraz liczbę i zakres manewrów zmiany kursu i prędkości statku na danej trasie. Szczegółowo wskaźnik oceny trasy
opublikowano w pracy [9].
W rozważaniach nad obszarem zagrożenia dla statku cyklonem tropikalnym
oraz obszarem, który należałoby ominąć, przyjmuje się domenę rozmytą cyklonu, gdzie wyróżniamy następujące elementy [6, 7] (rys. 2):
 strefa zabroniona: obszar, w którym nie może pojawić się punkt obliczeniowy trasy;
 strefa przejściowa: obszar, w którym punkt obliczeniowy może znaleźć
się pod pewnymi warunkami;
 strefa zewnętrzna poza cyklonem dostępna dla żeglugi bez ograniczeń
ze względu na cyklon tropikalny.
213
Piotr Medyna, Bernard Wiśniewski, Jarosław Chomski
Rys. 2. Elementy domeny rozmytej cyklonu tropikalnego (odległości od centrum cyklonu w Mm)
Fig. 2. Tropical cyclone fuzzy domain elements (distance from the cyclone center in Nm)
Kierując się doświadczeniami nawigatorów co do określania strefy zagrożenia cyklonem, w tym uwzględnienia błędu pozycji centrum cyklonu i błędu
zasięgu prognozowanej strefy sztormowej, tak dla zwiększającego się przedziału
czasowego prognoz, jak i niepewności co do stadium rozwoju zaburzenia tropikalnego, założono różne możliwe warianty postępowania. Do testowań przyjęto
trzy manewry strategiczne statku: normalny, asekuracyjny i dynamiczny. W przypadku przyjęcia manewru o charakterze normalnym ((typowość prognoz) = 0,5), statek
może planować swą trasę przez strefę przejściową domeny cyklonu, ze stopniowo pogarszającymi się warunkami pogodowymi, aż do granicy strefy zabronionej. W manewrze asekuracyjnym ((typowość prognoz) = 0,3; granica wewnętrzna
przesunięta do wartości medialnej strefy przejściowej) granica strefy zabronionej rozszerzona jest do wartości medialnej strefy przejściowej domeny cyklonu
i jej przekroczenie jest zabronione. Charakter dynamiczny manewru ((typowość
–1
prognoz) = 0,368 (e )) zakłada, że dla zwiększających się przedziałów czasowych
prognoz ich sprawdzalność maleje w mniejszym stopniu niż w przypadku charakteru normalnego manewru i im dalej od cyklonu znajduje się statek, tym bardziej może planować trasę przez strefę przejściową cyklonu [7, 8, 9].
214
Dynamiczne programowanie trasy statku z uwzględnieniem omijania cyklonów tropikalnych
2. Analiza programowania trasy statku
W dniu 26.09.2004 r. o godzinie 0300 UTC m/v „Daszyński” żegluje na
wyjściu z Kanału Angielskiego i pozyskał informacje o cyklonach tropikalnych
„Jeanne” i „Lisa” i ich prognozowanych torach. Statek znajduje się zbyt daleko
od zaburzeń cyklonalnych i w obliczeniach trasy do 120 godzin nie napotyka
ograniczeń wynikających ze strefy sztormowej cyklonów (rys. 3a).
Rozpoczynając obliczenia od godziny 0900 UTC, analizowane trasy
uwzględniają obszary zabronione i przejściowe cyklonu tropikalnego, co uwidacznia się korektą pierwszej trasy zbliżonej do ortodromy z godziny
0300 UTC. Od godziny 0900 UTC 26.09.2004 r. statek zmienia kurs na południowy-zachód (rys. 3b,c).
Analiza pogody pozyskana 28.09.2004 r. nie notuje występowania cyklonu
„Jeanne” i tym samym przyznaje, że błędne były jego prognozy z dni 26 i 27
września 2004 r.
W dniu 28.09.2004 r. o godzinie 0900 UTC statek będąc w odległości ok.
1000 Mm od aktualnej pozycji centrum cyklonu początkowo wybiera trasę omijającą cyklon „Lisa” od strony północnej (rys. 4a), a następnie na skutek zmiany
prognoz od godziny 1500 UTC rozpoczyna omijanie cyklonu od strony południowej (rys. 4b,c).
Wyniki programowania trasy z 29.09.2004 r. wskazują na trafność podjętych decyzji omijania cyklonu od strony południowej (rys. 5). O godzinie
0300 UTC statek znajduje się na pozycji 42°25’N/27°56’W a cyklon na pozycji
27°N/46°30’W. Cyklon prognozowany na 24 i 48 godzin podążać ma kursem
350° z rozszerzającą się strefa przejściową a następnie na 72, 96 i 120 godzin
kieruje się na NE (tab. 1, rys. 5a). Znacząca zmiana kierunku przemieszczania
się cyklonu z pozycji 34,0N/48.7W (dla prognozy 48 h) na pozycję 38N/047W
(dla prognozy 72 h) i dalej 43.5N/32.0W (dla prognozy 120 h) powoduje, że
statek przez okres 11 godzin pomiędzy 51 h a 62 h znajdzie się w strefie przejściowej (wyniki testowania z godz. 0300UTC 29.09.2004 r. – rys. 5a). Testowania z godziny 0900 UTC i 1500 UTC 29.09.2004 r. oparte na następnych, bieżących prognozach cyklonu, potwierdzają słuszność wyboru kursu statku, który
całkowicie omija strefę zabronioną i nie zwiększa czasu przebywania w strefie
przejściowej. Praktycznie statek wychodzi ze strefy przejściowej cyklonu
01.10.2004 r. o godz. 1700 UTC.
215
Piotr Medyna, Bernard Wiśniewski, Jarosław Chomski
Rys. 3. Testowania trasy z dnia 26.09.2004 r. (A – 0300 UTC; B – 0900 UTC; C – 1500 UTC)
Oznaczenia: obszar zaciemniony – strefa zabroniona, obszar zewnętrzny – strefa przejściowa
Fig 3. Routes tested 26.09.2004. (A – 0300 UTC; B – 0900 UTC; C – 1500 UTC)
Marking: shaded area – prohibited area, outer area – transitional area
216
Dynamiczne programowanie trasy statku z uwzględnieniem omijania cyklonów tropikalnych
Rys. 4. Testowania trasy z dnia 28.09.2004 r. (A – 0900 UTC; B – 1500 UTC; C – 2100 UTC)
Oznaczenia jak na rysunku 3
Fig. 4. Routes tested 28.09.2004. (A – 0900 UTC; B – 1500 UTC; C – 2100 UTC)
Marking as in fig. 3
217
Piotr Medyna, Bernard Wiśniewski, Jarosław Chomski
Rys. 5. Testowania trasy z dnia 29.09.2004 r. (A – 0300 UTC; B – 0900 UTC; C – 1500 UTC)
Oznaczenia jak na rysunku 3
Fig. 5. Routes tested 29.09.2004. (A – 0300 UTC; B – 0900 UTC; C – 1500 UTC)
Marking as in fig. 3
218
Dynamiczne programowanie trasy statku z uwzględnieniem omijania cyklonów tropikalnych
Tabela 1
Dane z komunikatu o cyklonie „Lisa” z 29.09.2004 r. 0300 UTC
Data fromTC ”Lisa” forecast/advisory from 29.09.2004. 0300 UTC
Prognoza
Pozycja centrum
Maksymalna
prędkość wiatru
[kt]
Promień strefy
34 w [Mm]
(NE/SE/SW/NW)
0h
+12 h
+24 h
+36 h
+48 h
+72 h
+96 h +120 h
27.0N
46.5W
28.7N
46.7W
30.5N
47.3W
32.3N
48.2W
34.0N
48.7W
38.0N
47.0W
41.0N 43.5N
42.0W 32.0W
55
55
60
65
60
60
90/75/25 90/80/30 100/100/ 100/100/ 100/100/ 100/100/
/60
/60
60/100 60/100 75/100 75/100
manewr normalny
55
50
–
–
– 11 d 5 h 18 m
manewr dynamiczny – 11 d 4 h 24 m
manewr asekuracyjny – 11 d 7 h 54 m
Rys. 6. Złożenie tras obliczeniowych
Fig. 6. Composition of the calculated routes
Na rysunku 6 zaprezentowano zbiorcze syntetyczne wyniki graficzne trasy
statku m/v „Daszyński”, testowanej od 26.09.2004 r. do 1.10.2004 r. z obliczonymi czasami realizacji całej podróży z Kanału Angielskiego na Florydę. Trasa
testowana była dla 3 różnych charakterów manewru statku (normalny, asekuracyjny, dynamiczny). Porównywalne czasy realizacji podróży, jak i obraz przebiegu tras świadczą, że o trasie decydują warunki określane przez cyklon tropikalny i dokładność jego prognoz.
219
Piotr Medyna, Bernard Wiśniewski, Jarosław Chomski
Rys. 7. Złożenie tras obliczeniowych oraz trasa „nakresem omijania cyklonu”
Fig. 7. Composition of the calculated routes and the route determined by ‘anticollision algorithm’
Na rysunku 7 powtórzono graficzny obraz przemieszczających się cyklonów „Jeanne” i „Lisa”, wariantów tras z rysunku 6 oraz dodano trasę statku,
który wykonywałby obliczenia i manewry stosując tylko program „Cyklon”,
wykorzystujący algorytm „nakresu omijania” opublikowany w 1984 roku i dotychczas stosowany w polskiej flocie handlowej [1]. Szczegółowe wyniki testowania trasy z użyciem zasad zawartych w algorytmach programu „Cyklon” podano w tabeli 2. Należy zauważyć fakt, że dotychczasowa metoda [1, 4] jest
poprawną reakcją statku w bezpośredniej bliskości pola sztormowego cyklonu
tropikalnego, natomiast pozbawiona jest „płynności” wyznaczania trasy, tak jak
czyni zintegrowany, komputerowy program obliczeń oparty na algorytmach
ewolucyjnych, prezentowany w niniejszej publikacji.
Podsumowanie
Na przebieg tras oceanicznych statków bardzo duży wpływ mają cyklony
tropikalne. Ze względu na przedłużenie prognoz dotyczących zasięgu strefy
sztormowej do 72 godzin i współrzędnych położenia centrum cyklonów tropikalnych do 120 godzin istotne jest, aby wykorzystywać te dane z pewnym poziomem zaufania dla bieżącej i operacyjnej procedury wyznaczania bezpiecznej
i najdogodniejszej trasy statku, biorąc pod uwagę założone kryteria [2, 3]. Testowania trasy statku m/v „Daszyński” na Atlantyku Północnym z uwzględnieniem występujących w tym okresie cyklonów tropikalnych „Jeanne” i „Lisa”
220
Dynamiczne programowanie trasy statku z uwzględnieniem omijania cyklonów tropikalnych
(26.09.2004 r. – 6.10.2006 r.) potwierdziły dostateczną dla potrzeb żeglugi
adaptowalność danych z komunikatów o cyklonach (forecast/advisory) w automatyzacji obliczeń wyboru trasy oceanicznej.
Tabela 2
Wybrane wyniki testowania trasy z użyciem „nakresu omijania”
Chosen data obtained with the use of ”anticollision algorithm”


V
[N]
[W]
[kt]
26.09.04
03 UTC
49
006
14,5
26.09.04
15 UTC
47
58’
010
03’
27.09.04
03 UTC
46
56’
27.09.04
15 UTC
Data
TC „Jeanne”
TC „Lisa”
Kdd
hmax
Kdd
Dmin
Tmin
Sektor
Dmin
Tmin
Sektor
(realiz.)
[m]
249
2709
227
283 –
286
470
173
258,5264,5
249
1,1
14,5
249
2203
203
283,5 –
287,5
399
143
258 –
265,5
249
0,0
014
04’
14,5
249
1853
133
297 –
305
64
134
247 –
255,5
246
0,5
45
57’
017
55’
14,5
249
1388
137
282 –
291,5
76
131
247,5 –
256,5
246
0,5
28.09.04
03 UTC
44
39’
021
42’
14,5
249
–
43
107
243,5 –
252,5
242
2,1
28.09.04
15 UTC
43
20’
025
04’
14,5
250
–
200
79
255 –
269,5
250
1,9
29.09.04
03 UTC
42
22’
028
38’
14,5
250
–
152
63
252,5 –
270,5
250
1,2
29.09.04
15 UTC
41
04’
032
00’
14,5
250
–
101
53
241,5 –
276
240
0,4
30.09.04
03 UTC
39
41’
035
20’
14,5
251
–
159
44
246 –
286,5
245
1,1
30.09.04
15 UTC
38
20’
038
36’
14,5
252
–
115
29
233 –
298,5
232
0,8
01.10.04
03 UTC
36
41’
041
34’
14,5
253
–
119
14
211,5 –
345,5
210
3,0
01.10.04
15 UTC
34
16’
042
41’
14,5
257
–
236
2
269,5 –
30,5
257
3,7
02.10.04
03 UTC
33
41’
045
46’
14,5
257
–
–
–
–
–
1,5
07.10.04
08 UTC
27
080
Razem 11 dni 5 godzin
221
Piotr Medyna, Bernard Wiśniewski, Jarosław Chomski
Literatura
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Wiśniewski B., Grzelak Z., Mapy faksymilowe w nawigacji morskiej (wyd.
II), Wydawnictwo Morskie, Gdańsk 1984.
Wiśniewski B., Medyna P., Ocena informacji o cyklonach tropikalnych
uzyskiwanych dla celów żeglugi, VIII Konferencja Naukowo-Techniczna
Inżynierii Ruchu Morskiego, WSM Szczecin 1999.
Wiśniewski B., Medyna P., Drozd A., Analysis of exactitude of tropical
cyclone position center prognosis on Northern Atlantic for weather navigation of the ship, XII Międzynarodowa Konferencja Naukowo-Techniczna
‘Rola nawigacji w zabezpieczeniu działalności ludzkiej na morzu’, Akademia Marynarki Wojennej, Gdynia 2000.
Wiśniewski B., Chomski J., Drozd A., Medyna P., Omijanie cyklonów tropikalnych w żegludze oceanicznej, Inżynieria Morska i Geotechnika nr
5/2001, s. 296-300.
Wiśniewski B., Chomski J., Nowakowski M., Computation of minimum-time
vessel ocean routes using genetic algorithms, Third International Conference “Navy and Shipbuilding Nowadays”, St. Petersburg 2003, str. 139-145.
Wiśniewski B., Medyna P., Prognozowany zasięg pola sztormowego cyklonu jako domena rozmyta cyklonu, Konferencja Explo-Ship 2004, Zeszyty
Naukowe nr 2 (74) Akademii Morskiej w Szczecinie, str. 419-430.
Wiśniewski B., Medyna P., Tropical cyclone fuzzy domain as a danger area
for nawigation, IVX Konferencja Naukowo-Techniczna „Rola nawigacji
w zabezpieczeniu działalności ludzkiej na morzu”, Gdynia 2004, str. 90-96.
Medyna P., Wiśniewski B., Algorytmizacja obliczeń omijania cyklonu tropikalnego, VI Międzynarodowe Sympozjum Nawigacyjne, Gdynia 2005.
Medyna P., Chomski J., Wiśniewski B., Wskaźnik oceny trasy oceanicznej
jako narzędzie w procesie optymalizacji trasy statku, Zeszyty Naukowe nr
6(78) Akademii Morskiej w Szczecinie, Inżynieria Ruchu Morskiego 2005.
Wpłynęło do redakcji w lutym 2006 r.
Recenzent
prof. dr hab. inż. Tadeusz Szelangiewicz
Adresy Autorów
prof. dr hab. inż. Bernard Wiśniewski,
mgr Piotr Medyna, mgr inż. Jarosław Chomski
Akademia Morska w Szczecinie, Instytut Nawigacji Morskiej
Wały Chrobrego 1-2, 70-500 Szczecin
222