Bezpiecznie i na czas przez oceany - ship routing

Polscy naukowcy biorą udział w opracowaniu metody planowania trasy statku odpowiadającej potrzebom użytkownika. Uwzględni ona nie tylko prognozowane warunki meteorologiczne, ale również weźmie pod uwagę niepewność przetwarzanych danych.

Na Morzu Północnym tonie cementowiec z ośmioma marynarzami na pokładzie. Jednostka regularnie przechodziła kontrole, była w dobrym stanie technicznym i nic nie wskazywało na jakiekolwiek usterki. Wśród najbardziej prawdopodobnych przyczyn eksperci wymieniają połączenie ryzykownych warunków pogodowych i stanu morza. Podobny los spotkał kilka lat wcześniej część pasażerów promu, który zatonął niedaleko wybrzeży Sumatry podczas szalejącego sztormu. Fale osiągały wysokość sześciu metrów. W tym samym mniej więcej czasie doszło w Rosji do katastrofy statku wycieczkowego, który zaczął tonąć po tym, gdy nagle popsuła się pogoda, zerwał się silny wiatr i spadł ulewny deszcz.

Od Gdyni po Lizbonę

ROUTING to akronim międzynarodowego projektu kryjącego się pod nazwą "Ship Routing Accounting for Changeable Sea Conditions" (Routing statków uwzględniający zmienne warunki morskie). Oprócz UMG biorą w nim udział Uniwersytet w Lizbonie (lider), Politechnika Gdańska oraz firma NavSim. Gdyńska uczelnia koordynuje prace polskich partnerów.

"Chcemy opracować metodę planowania trasy statku odpowiadającą potrzebom użytkownika. Uwzględni ona nie tylko prognozowane warunki meteorologiczne, ale również weźmie pod uwagę niepewność przetwarzanych danych. Ta druga kwestia pojawiła się w opracowaniach naukowych dopiero kilka lat temu, dlatego wciąż nie ma uniwersalnej metody modelowania i, o ile wiemy, nikt nie próbował dotąd opomiarowania statku w celu minimalizacji niepewności" - mówi dr hab. Joanna Szłapczyńska, prof. UMG, z Katedry Nawigacji Wydziału Nawigacyjnego Uniwersytetu Morskiego w Gdyni.

Do planowania tras statków, także długodystansowych, używa się dziś aplikacji komputerowych. Jeszcze do niedawna weather routing opierał się na wykreślno-obliczeniowej metodzie izochron, dzięki której możliwe było zminimalizowanie czasu podróży lub zużycia paliwa dla konkretnego modelu statku.
Istotne ograniczenia tego klasycznego podejścia spowodowały rozwój innych metod optymalizacji tras, m.in. z wykorzystaniem programowania dynamicznego lub rachunku wariacyjnego.

Jak zauważa prof. Szłapczyńska, większość tych metod, mimo dostępnej już mocy obliczeniowej, nie nadaje się do skutecznego rozwiązania problemu routingu statków, bo np. na trasie transatlantyckiej ich użycie wymagałoby długotrwałych obliczeń. Sprostać temu zadaniu mogą za to metody sztucznej inteligencji wykorzystujące podejście metaheurystyczne. Ich zastosowaniem do routingu statków, po to by szybciej znaleźć rozwiązanie optymalne lub zbliżone do niego, naukowcy zajmują się od mniej więcej półtorej dekady. Swój wkład w te badania wniesie również polsko-portugalskie konsorcjum.

"Postawiliśmy na wielokryterialne algorytmy ewolucyjne, które rozwijamy już od dłuższego czasu. Uważamy, że nasze rozwiązanie będzie lepsze od innych pod względem zastosowanych metod optymalizacji oraz sposobu modelowania i uwzględniania niepewności danych" - zapowiada prof. Szłapczyńska.

Dodaje, że prototyp będzie się składał z oprogramowania do planowania trasy oraz zestawu urządzeń pomiarowych i komunikacyjnych zainstalowanych na statku.

Falowanie, wiatr i prądy

Podobnie jak w większości stosowanych już systemów, w projekcie ROUTING brane pod uwagę będą parametry prognozy związane z falowaniem, wiatrem oraz prądami morskimi. To czynniki mające w warunkach oceanicznych największy wpływ na bezpieczeństwo oraz eksploatację statków. Opisywane mogą być m.in. przez zestawy prognoz meteorologicznych (ensemble forecast), które powstają np. poprzez quasi-losowe modyfikacje modelu numerycznego służącego do ich generowania. Każdy taki zestaw to zbiór prognoz (w tym przypadku 21-elementowy) dostarczanych przez amerykańską agencję NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) w ramach modelu GWES (Global Wave Ensemble System). Jego atutem jest możliwość pobierania danych w postaci klasycznych prognoz lub w postaci wspomnianych wcześniej zestawów prognoz. Z tej drugiej opcji korzystają właśnie polscy naukowcy przy pobieraniu kluczowego z siedmiu parametrów - wysokości fali znacznej (significant wave height). Pozostałe to: okres fali (pomiędzy szczytami), średni kierunek fali, prędkość i kierunek wiatru oraz prędkość i kierunek prądów. Prognozy dla prądów morskich i oceanicznych pozyskiwane będą z Copernicus Marine Service w ramach modelu MetO-GLO-PHYS.

"Danymi wejściowymi dla jądra systemu będą z jednej strony prognozy pogody, a z drugiej - zagregowane pomiary z czujników zamontowanych na statku. Wyniki pomiarów, zarówno aktualnych warunków pogodowych, jak również zachowania statku, regularnie gromadzone i wysyłane na ląd, pozwolą na kalibrację modelu odpowiedzi statku na warunki hydrometeorologiczne" - wyjaśnia prof. Szłapczyńska i podkreśla, że z perspektywy użytkownika obsługa systemu nie sprawi najmniejszych problemów.

Najpierw użytkownik (najczęściej kapitan statku) wskaże w aplikacji punkt początkowy i docelowy trasy oraz poda planowany termin wypłynięcia i swoje preferencje odnośnie do zużycia paliwa, czasu dotarcia do celu i bezpieczeństwa. Po zatwierdzeniu tych danych na serwerze uruchomiony zostanie proces wyszukiwania, a propozycje tras pojawią się na ekranie, dzięki czemu użytkownik będzie mógł je przeglądać i wybrać najbardziej korzystną z jego punktu widzenia. Co więcej, trasy będą cyklicznie aktualizowane.

Niezależnie od tego na pokładzie statku w sposób niemal ciągły (periodycznie, ale z dużą częstotliwością) realizowane będą pomiary dotyczące aktualnych parametrów statku (np. pozycja GPS, prędkość itp.) oraz bieżących warunków meteorologicznych.

Po odpowiednim przetworzeniu i zagregowaniu informacje te będą co pewien czas trafiały na serwer, co pomoże dostroić model zachowania się statku, z którego korzysta proces optymalizacji tras, ale pozwoli też zareagować na zmieniające się warunki meteorologiczne.

Jak podkreśla badaczka z UMG, system wprawdzie nie będzie sygnalizował statkowi nagłego załamania pogody, ale w przypadku, gdy realne warunki albo rzeczywista na nie odpowiedź statku będą odbiegały od przyjętych wcześniej założeń, ich korekta będzie możliwa właśnie po przesłaniu na serwer zagregowanych danych, które zostaną naniesione podczas cyklicznego uaktualniania rekomendowanych tras.

O ile aplikacja kliencka, moduł optymalizacyjny i moduł obsługi danych pogodowych będą uniwersalne, o tyle czwarty element - model odpowiedzi statku - opracowywany jest pod kątem konkretnej jednostki pływającej. Uczestnicy projektu myślą też o opracowaniu w przyszłości metamodelu, który byłby dostrajany na podstawie wyników pomiarów prowadzonych na bieżąco na statku. Wtedy proponowany system byłby w pełni uniwersalny, a przeniesienie go z jednej jednostki na drugą nie stanowiłoby problemu.

Dostawcy prognoz

Do sprawnego działania całego systemu niezbędne jest spełnienie kilku podstawowych warunków. Z odpowiednim skalibrowaniem wszystkich urządzeń pomiarowych oraz zapewnieniem niezawodnej internetowej komunikacji między statkiem a lądem inżynierowie sobie poradzą, ale problem stanowi sprawdzalność prognoz. Ponieważ znaczenie tego czynnika dla funkcjonalności proponowanego rozwiązania jest niezwykle ważne, starano się wybrać takich dostawców, którzy gwarantują sprawdzalność na wystarczająco wysokim poziomie.

"Mamy nadzieję, że nasz system, po ewentualnym wdrożeniu, przyczyni się do redukcji zużycia paliwa przez statki i w konsekwencji wpłynie również na zmniejszenie emisji zanieczyszczeń. Dodatkowo opracowane oprogramowanie powinno zwiększyć bezpieczeństwo statków oraz ich załóg. Dzięki niemu będzie można uniknąć niekorzystnych warunków atmosferycznych na trasie, stanowiących zagrożenie dla bezpieczeństwa statku i załogi" - zaznacza prof. Szłapczyńska, która zagadnieniami wielokryterialnej optymalizacji tras statków zajmuje się od blisko piętnastu lat.

Już myśli o kolejnym projekcie, który dotyczyłby procesu planowania tras dla statków autonomicznych. Ten, który obecnie realizuje, będzie jednym z kilku systemów zainstalowanych na statku, wspierających podejmowanie decyzji. Projekt stanowi kontynuację jej badań z zakresu weather routingu prowadzonych w ramach rozprawy doktorskiej (obronionej w 2009 r.) oraz dotychczasowej współpracy naukowej Uniwersytetu Morskiego w Gdyni ze spółką NavSim.
Firma ta udostępnia swoje aplikacje do budowy części klienckiej oprogramowania ROUTING, obsługuje proces zbierania i scalania prognoz pogody, a także dostarcza inteligentny system dostępu do internetu na pokładzie statku.

Z kolei w Politechnice Gdańskiej implementuje się zaprojektowaną i testowaną w UMG część kliencką oprogramowania. Obie uczelnie współdzielą także tworzenie kodu związanego z jądrem optymalizacyjnym systemu oraz wdrażanie modelu odpowiedzi statku, przygotowywanego przez Uniwersytet w Lizbonie. Portugalski zespół zajmuje się także opomiarowaniem statku.

Budżet trzyletniego projektu ROUTING, realizowanego w ramach programu ERA-NET Cofund MarTERA-1, wynosi 415 tys. euro. Polską część, w wysokości 1 095 844 zł, sfinansowało Narodowe Centrum Badań i Rozwoju. Zakończenie prac planowane jest na przyszły rok.

z mediów (Mariusz Karwowski / "Forum Akademickie")

Fot.: Hapag Lloyd; rys.: UMG