Repository - Scientific Journals of the Maritime University of Szczecin - Ocean Ship Routeing Using Dynamical...

(1)

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 ewo-lucyjne.

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 in-to 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.

(2)

Wstęp

Pomimo ciągłego postępu technicznego w budowie statków oraz nowocze-snych 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 opraco-wanie rekomendacji dla podróży statku, gdy prognozowane jest wystąpienie cyklonu tropikalnego. W artykule zaprezentowano ważniejsze wyniki i opis podróży, będące przykładem dynamicznego programowania trasy z uwzględnie-niem 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 Angielskie-go na Florydę od 26.09.2004 r. do 6.10.2004 r. (falowanie, wiatr), w tym jedno-czesne wystąpienie na tym akwenie dwóch cyklonów tropikalnych. Cyklon „Je-anne” 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, wskaźni-ka oceny nawigacyjnej trasy oraz wswskaźni-kaźniwskaźni-ka zbliżenia do cyklonu tropiwskaźni-kalnego [9]:

WOT = Ot · Onaw · OCPA (1)

gdzie:

Ot – wskaźnik oceny czasu podróży statku,

Onaw – wskaźnik oceny nawigacyjnej trasy,

(3)

Rys. 1. Cyklon tropikalny „Jeanne” [NHC] Fig. 1. ‘Jeanne’ tropical cyclone [NHC]

Istotą obliczeń jest, aby porównywać czasy realizacji danej trasy z trasą se-zonową, 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 zmia-ny kursu i prędkości statku na danej trasie. Szczegółowo wskaźnik ocezmia-ny trasy opublikowano w pracy [9].

W rozważaniach nad obszarem zagrożenia dla statku cyklonem tropikalnym oraz obszarem, który należałoby ominąć, przyjmuje się domenę rozmytą cyklo-nu, gdzie wyróżniamy następujące elementy [6, 7] (rys. 2):

 strefa zabroniona: obszar, w którym nie może pojawić się punkt obli-czeniowy 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.

(4)

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 zagro-żenia 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 tropi-kalnego, założono różne możliwe warianty postępowania. Do testowań przyjęto trzy manewry strategiczne statku: normalny, asekuracyjny i dynamiczny. W przy-padku przyjęcia manewru o charakterze normalnym ((typowość prognoz) = 0,5), statek

może planować swą trasę przez strefę przejściową domeny cyklonu, ze stopnio-wo pogarszającymi się warunkami pogodowymi, aż do granicy strefy zabronio-nej. W manewrze asekuracyjnym ((typowość prognoz) = 0,3; granica wewnętrzna

przesunięta do wartości medialnej strefy przejściowej) granica strefy zabronio-nej rozszerzona jest do wartości medialzabronio-nej strefy przejściowej domeny cyklonu i jej przekroczenie jest zabronione. Charakter dynamiczny manewru ((typowość prognoz) = 0,368 (e–1)) zakłada, że dla zwiększających się przedziałów czasowych

prognoz ich sprawdzalność maleje w mniejszym stopniu niż w przypadku cha-rakteru normalnego manewru i im dalej od cyklonu znajduje się statek, tym bar-dziej może planować trasę przez strefę przejściową cyklonu [7, 8, 9].

(5)

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 uwi-dacznia się korektą pierwszej trasy zbliżonej do ortodromy z godziny 0300 UTC. Od godziny 0900 UTC 26.09.2004 r. statek zmienia kurs na połu-dniowy-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 omi-jającą cyklon „Lisa” od strony północnej (rys. 4a), a następnie na skutek zmiany prognoz od godziny 1500 UTC rozpoczyna omijanie cyklonu od strony połu-dniowej (rys. 4b,c).

Wyniki programowania trasy z 29.09.2004 r. wskazują na trafność podję-tych 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 przej-ściowej (wyniki testowania z godz. 0300UTC 29.09.2004 r. – rys. 5a). Testowa-nia z godziny 0900 UTC i 1500 UTC 29.09.2004 r. oparte na następnych, bieżą-cych 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.

(6)

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

(7)

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

(8)

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

(9)

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 0 h +12 h +24 h +36 h +48 h +72 h +96 h +120 h Pozycja centrum 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 42.0W 43.5N 32.0W Maksymalna prędkość wiatru [kt] 55 55 60 65 60 60 55 50 Promień strefy 34 w [Mm] (NE/SE/SW/NW) 90/75/25 /60 90/80/30 /60 100/100/ 60/100 100/100/ 60/100 100/100/ 75/100 100/100/ 75/100 – –

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 obliczo-nymi czasami realizacji całej podróży z Kanału Angielskiego na Florydę. Trasa testowana była dla 3 różnych charakterów manewru statku (normalny, asekura-cyjny, dynamiczny). Porównywalne czasy realizacji podróży, jak i obraz prze-biegu tras świadczą, że o trasie decydują warunki określane przez cyklon tropi-kalny i dokładność jego prognoz.

manewr normalny – 11 d 5 h 18 m manewr dynamiczny – 11 d 4 h 24 m manewr asekuracyjny – 11 d 7 h 54 m

(10)

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 cyklo-nów „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 do-tychczas stosowany w polskiej flocie handlowej [1]. Szczegółowe wyniki testo-wania trasy z użyciem zasad zawartych w algorytmach programu „Cyklon” po-dano 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 tropi-kalnych do 120 godzin istotne jest, aby wykorzystywać te dane z pewnym po-ziomem zaufania dla bieżącej i operacyjnej procedury wyznaczania bezpiecznej i najdogodniejszej trasy statku, biorąc pod uwagę założone kryteria [2, 3]. Te-stowania trasy statku m/v „Daszyński” na Atlantyku Północnym z uwzględnie-niem występujących w tym okresie cyklonów tropikalnych „Jeanne” i „Lisa”

(11)

(26.09.2004 r. – 6.10.2006 r.) potwierdziły dostateczną dla potrzeb żeglugi adaptowalność danych z komunikatów o cyklonach (forecast/advisory) w auto-matyzacji obliczeń wyboru trasy oceanicznej.

Tabela 2 Wybrane wyniki testowania trasy z użyciem „nakresu omijania”

Chosen data obtained with the use of ”anticollision algorithm”

Data  [N]  [W] V [kt] Kdd TC „Jeanne” TC „Lisa” Kdd (realiz.) hmax [m] Dmin Tmin Sektor Dmin Tmin Sektor

26.09.04 03 UTC 49 006 14,5 249 2709 227 283 – 286 470 173 258,5-264,5 249 1,1 26.09.04 15 UTC 47 58’ 010 03’ 14,5 249 2203 203 283,5 – 287,5 399 143 258 – 265,5 249 0,0 27.09.04 03 UTC 46 56’ 014 04’ 14,5 249 1853 133 297 – 305 64 134 247 – 255,5 246 0,5 27.09.04 15 UTC 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’ 03200’  14,5 250 – 101 53 241,5 – 276 240 0,4 30.09.04 03 UTC 39 41’ 03520’  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

(12)

Literatura

1. Wiśniewski B., Grzelak Z., Mapy faksymilowe w nawigacji morskiej (wyd. II), Wydawnictwo Morskie, Gdańsk 1984.

2. Wiśniewski B., Medyna P., Ocena informacji o cyklonach tropikalnych uzyskiwanych dla celów żeglugi, VIII Konferencja Naukowo-Techniczna Inżynierii Ruchu Morskiego, WSM Szczecin 1999.

3. Wiśniewski B., Medyna P., Drozd A., Analysis of exactitude of tropical cyclone position center prognosis on Northern Atlantic for weather naviga-tion of the ship, XII Międzynarodowa Konferencja Naukowo-Techniczna ‘Rola nawigacji w zabezpieczeniu działalności ludzkiej na morzu’, Akade-mia Marynarki Wojennej, Gdynia 2000.

4. Wiśniewski B., Chomski J., Drozd A., Medyna P., Omijanie cyklonów tro-pikalnych w żegludze oceanicznej, Inżynieria Morska i Geotechnika nr 5/2001, s. 296-300.

5. Wiśniewski B., Chomski J., Nowakowski M., Computation of minimum-time vessel ocean routes using genetic algorithms, Third International Confer-ence “Navy and Shipbuilding Nowadays”, St. Petersburg 2003, str. 139-145. 6. Wiśniewski B., Medyna P., Prognozowany zasięg pola sztormowego

cyklo-nu jako domena rozmyta cyklocyklo-nu, Konferencja Explo-Ship 2004, Zeszyty Naukowe nr 2 (74) Akademii Morskiej w Szczecinie, str. 419-430.

7. 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. 8. Medyna P., Wiśniewski B., Algorytmizacja obliczeń omijania cyklonu

tro-pikalnego, VI Międzynarodowe Sympozjum Nawigacyjne, Gdynia 2005. 9. 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