ZESZYTY NAUKOWE NR 11(83) AKADEMII MORSKIEJ W SZCZECINIE. Dynamiczne programowanie trasy statku z uwzględnieniem omijania cyklonów tropikalnych

Transkrypt

1 ISSN ZESZYTY NAUKOWE NR 11(83) AKADEMII MORSKIEJ W SZCZECINIE IV MIĘDZYNARODOWA KONFERENCJA NAUKOWO-TECHNICZNA E X P L O - S H I P 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 r. do 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 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

2 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 r. do 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 = O t O naw O CPA (1) gdzie: O t wskaźnik oceny czasu podróży statku, O naw wskaźnik oceny nawigacyjnej trasy, O CPA wskaźnik zbliżenia statku do cyklonu tropikalnego. 212

3 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

4 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 prognoz) = 0,368 (e 1 )) 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

5 Dynamiczne programowanie trasy statku z uwzględnieniem omijania cyklonów tropikalnych 2. Analiza programowania trasy statku W dniu 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 r. statek zmienia kurs na południowy-zachód (rys. 3b,c). Analiza pogody pozyskana 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 r. o godzinie 0900 UTC statek będąc w odległości ok 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 r. wskazują na trafność podjętych decyzji omijania cyklonu od strony południowej (rys. 5). O godzinie 0300 UTC statek znajduje się na pozycji 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 r. rys. 5a). Testowania z godziny 0900 UTC i 1500 UTC 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 r. o godz UTC. 215

6 Piotr Medyna, Bernard Wiśniewski, Jarosław Chomski Rys. 3. Testowania trasy z dnia r. (A 0300 UTC; B 0900 UTC; C 1500 UTC) Oznaczenia: obszar zaciemniony strefa zabroniona, obszar zewnętrzny strefa przejściowa Fig 3. Routes tested (A 0300 UTC; B 0900 UTC; C 1500 UTC) Marking: shaded area prohibited area, outer area transitional area 216

7 Dynamiczne programowanie trasy statku z uwzględnieniem omijania cyklonów tropikalnych Rys. 4. Testowania trasy z dnia r. (A 0900 UTC; B 1500 UTC; C 2100 UTC) Oznaczenia jak na rysunku 3 Fig. 4. Routes tested (A 0900 UTC; B 1500 UTC; C 2100 UTC) Marking as in fig

8 Piotr Medyna, Bernard Wiśniewski, Jarosław Chomski Rys. 5. Testowania trasy z dnia r. (A 0300 UTC; B 0900 UTC; C 1500 UTC) Oznaczenia jak na rysunku 3 Fig. 5. Routes tested (A 0300 UTC; B 0900 UTC; C 1500 UTC) Marking as in fig

9 Dynamiczne programowanie trasy statku z uwzględnieniem omijania cyklonów tropikalnych Dane z komunikatu o cyklonie Lisa z r UTC Data fromtc Lisa forecast/advisory from UTC Tabela 1 Pozycja centrum Maksymalna prędkość wiatru [kt] Promień strefy 34 w [Mm] (NE/SE/SW/NW) Prognoza 0 h +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 42.0W 43.5N 32.0W /75/25 /60 90/80/30 /60 100/100/ 60/ /100/ 60/ /100/ 75/ /100/ 75/100 manewr normalny 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 r. do 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

10 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

11 Dynamiczne programowanie trasy statku z uwzględnieniem omijania cyklonów tropikalnych ( r r.) potwierdziły dostateczną dla potrzeb żeglugi adaptowalność danych z komunikatów o cyklonach (forecast/advisory) w automatyzacji obliczeń wyboru trasy oceanicznej. Wybrane wyniki testowania trasy z użyciem nakresu omijania Chosen data obtained with the use of anticollision algorithm Tabela 2 Data [N] [W] V [kt] Kdd , TC Jeanne TC Lisa Kdd Dmin Tmin Sektor Dmin Tmin Sektor ,5-264,5 (realiz.) hmax [m] 249 1, UTC , ,5 287, , , , , , UTC , , ,5 256, , , ,5 252, , UTC , , , , ,5 270, , UTC , , , , , , UTC , , , , ,5 345, , UTC , ,5 30, , , , UTC Razem 11 dni 5 godzin 221

12 Piotr Medyna, Bernard Wiśniewski, Jarosław Chomski Literatura 1. Wiśniewski B., Grzelak Z., Mapy faksymilowe w nawigacji morskiej (wyd. II), Wydawnictwo Morskie, Gdańsk Wiśniewski B., Medyna P., Ocena informacji o cyklonach tropikalnych uzyskiwanych dla celów żeglugi, VIII Konferencja Naukowo-Techniczna Inżynierii Ruchu Morskiego, WSM Szczecin 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 Wiśniewski B., Chomski J., Drozd A., Medyna P., Omijanie cyklonów tropikalnych w żegludze oceanicznej, Inżynieria Morska i Geotechnika nr 5/2001, s 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 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 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 Medyna P., Wiśniewski B., Algorytmizacja obliczeń omijania cyklonu tropikalnego, VI Międzynarodowe Sympozjum Nawigacyjne, Gdynia 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 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, Szczecin 222 Wpłynęło do redakcji w lutym 2006 r.