北极水域船舶航行冰困风险预警机制及灰色突变模型研究

The ice-trapped risk is a chief bottle-neck of restricting the expatiation of the arctic waters. Obtaining the spatial-temporal evolutionary regularity of ship navigation status as well as building models to predict the catastrophe node of ship’s ice load, which is the key method to realize the early warning of ice-trapped risk for ship navigation in arctic waters. According to the characteristics of grey information of the system, We will research the early warning mechanism of ice-trapped risk for ship navigation in arctic waters and the modeling theory of the grey catastrophe model of ice load. Firstly, we propose, using conditional entropy technology and association rules technology, a new sensor fusion algorithm under the framework of grey information processing, in order to extract comprehensively the information characteristics of ship navigation in arctic waters. Secondly, we construct the grey potential function of ship’s ice load by the technology of system’s structure evolution, and get the manifold structure of potential function by diffeomorphism, as well as analyze the structure characteristics of the status evolution, to excavate the early warning of ice-trapped risk for ship navigation. Then we establish the single variable ice load grey catastrophe model and the multi variable ice load grey catastrophe model which are based on temporal and spatial characteristics of ice-trapped accident for ships by causation mechanism, also use matrix analysis method to study the modeling theory. Finally, our research will be verified on the early warning of ice-trapped risk in the Arctic northeast passage of the “Yongsheng” ship. In conclusion, the research of this project will have an important implication for the development and improvement of grey catastrophe model theory and is also significant in promoting the ice-trapped risk management for ship navigation in arctic waters.

冰困风险是制约北极水域航道开发的首要瓶颈，掌握船舶通航状态的时空演化规律，建立模型预测船舶冰载荷的突变节点，是实现北极水域船舶航行冰困风险预警的关键。本项目针对该系统的灰信息特征，重点研究北极水域船舶冰困风险预警机制及冰载荷灰色突变建模理论。首先利用条件熵技术和关联规则技术，提出灰信息处理框架下的多源异构灰信息融合算子，提取北极水域船舶通航的信息特征；其次通过系统结构演化驱动技术建立船舶冰载荷灰色势函数，通过微分同胚得到势函数流形结构，分析船舶冰困状态演化的结构特征，挖掘北极水域船舶冰困风险的预警机制；然后根据船舶冰困事故致因时序的时间域和空间域特征，分别建立单变量冰载荷灰色突变模型和多变量冰载荷灰色突变模型，并用矩阵分析技术研究新模型的建模机理；最后对“永盛”轮北极东北航道冰困风险预警进行实证研究。项目研究成果对建立灰色突变模型理论，推动北极水域船舶航行冰困风险管理具有重要意义。

冰困风险是制约北极水域航道开发的首要瓶颈，掌握船舶通航状态的时空演化规律，建立模型预测船舶冰载荷的突变节点，是实现北极水域船舶航行冰困风险预警的关键。本项目主要完成三方面的工作：第一，为解决具有异质评价信息的多属性决策问题，我们提出一种基于二元语义信息处理、指标权重未知的混合型多属性决策方法。通过将不同类型不同级数的指标数据转化到一致的二元语义，充分利用二元语义的优点，有效地避免了语言信息处理过程中信息的丢失与扭曲，用离差最大化确定属性的指标权重，并用灰色关联方法进行排序。由此既可以较清晰的呈现决策者的主观认识程度，又能客观的分辨各个方案的差异。同时应用本方法，决策者可以依照自身的主观判断对个别方案的实际了解程度，自由选择最合适的决策语义，以避免固定评估语义造成决策者难以评估的困扰。我们所提出的方法，坚固主观与客观的需要，并且计算简单易行，便于推广。第二，重点对系统运行的演化规律和结构特征进行理论分析，建立系统的结构框架。首先针对系统进行定量分析，建立系统灰色势函数结构模型，表征系统的演化模式。再对势函数的结构稳定性进行分析，研究系统非线性及分叉现象时，流形提供一种高位系统的降维方法，通过分离复杂的系统行为，用低维流形上系统的特征来研究高维系统的分叉特性。先对系统灰色势函数关于状态变量进行一次差分，可得到系统灰色势函数的变化趋势，分析控制变量不同取值范围下系统结构的变化。我们基于系统控制变量和状态变量的作用规律建立系统灰势函数，分析系统的稳定性及突变奇点和分叉集，为建立科学合理的预测模型提供结构基础。第三：为进一步提高灰色模型的预测精度，引入灰狼算法对模型参数进行优化，针对原始灰狼算法种群多样性差、后期收敛速度慢以及易陷入局部最优等现状,我们从理论上对灰狼优化算法进行改进。该项研究为预测预警问题中涉及参数优化提供了一种新的方法。