北极冰覆盖区船舶航行带中途停留的时空路径规划算法

《Ocean Engineering》：A spatio-temporal route planning algorithm with stopovers for ship navigation in Arctic ice-covered regions

　　

时空路径规划可规避复杂多变海冰环境的潜在危害。中途停留策略使船舶在应对严重冰情时实现更低的累积代价。可达空间为北极路径规划提供了新颖的辅助视角。经冰阻力建模优化的船舶通航模型拓展了规划算法的适用场景。

研究背景方面，北极航行受海冰、地缘与作业经验制约，全球变暖下海冰覆盖与厚度下降使东北航道等北极航线可通达性提升，但现有自动化规划多采增量重规划，误差随船位推进累积，且速度优化与船?冰相互作用模型过于简化。为此，研究人员提出带冰约束的中途停留时空路径规划（STRPSI）算法，在已知全时段时变海冰预报前提下做全局搜索。该研究发表于《Ocean Engineering》。

关键技术方法上，研究人员构建由海冰密集度（AMSR?2/ASI）、海冰厚度与雪深（PIOMAS）、水深（IBCAO v4.2）组成的动态环境场，统一重采样至25 km极射投影网格，Sentinel?1 SAR用于障碍场景；将状态扩展为(x,y,t)三元组，提出时空A（Spatio?temporal A），以12 h时间层离散、标量加权代价单标签剪枝；引入中途停留（stopover）策略，解耦为“最大速破冰+静止等待”构成可达空间（reachable space），再在子段内均匀采样速度做局部细化；航向搜索采用32向运动模式；船舶通航模型按海冰密集度30%/70%分低、中、高三区，中区用Huang等浮冰阻力式，高区用Lindqvist半经验式（破碎R_c+弯曲R_b+潜没R_s）算冰阻力，结合Riska净推力式与POLARIS（RIO≥?10）给安全速度区间；最终用距离、航行时间、通航风险（基于POLARIS RIV反转）加权求和做多目标优化。

研究结果部分，障碍规避场景中：Case 1模拟浮冰断裂成水道，STRPSI相较A在时间、距离、风险目标分别改进19.48%、31.68%、31.58%，靠预测1 h后冰裂通道并中途等待实现；Case 2模拟浮冰漂移，STRPSI在距离/风险目标下较A改进约27%，借安全区等待漂移清场后近直线通过；Case 3基于东北航道Sentinel?1影像，距离/风险目标下STRPSI触发两次中途停留、多耗18.23 h但距离降5.26%、风险降5.26%。大尺度场景中：Case 4以“雪龙2号”于2024年6月东北航道起点被厚冰围困，STRPSI时间目标下238.89 h vs A* 242.82 h且距离风险各降6.4%，风险目标下多等20.4%时间换9.3%风险降幅；Case 5跨楚科奇海至巴伦支海边界15天窗口，风险目标下STRPSI等待使时间增至351 h但风险降8.4%、距离降5.9%；加权三目标各1/3时STRPSI总代价1153.55低于A的1160.51，并可绘出时间/距离/风险三类可达空间及其交集非空。讨论部分指出，加权规划在Case 5起点出现等3天再走、总代价降至1129.55（较A改进2.7%），说明灵活启航期本身即决策变量；算法依赖确定性冰预报，冰情慢变时优势衰减，时间层/空间网格粗细权衡计算量，中途停留无显式惩罚项系当前简化。结论部分翻译为：本文提出面向北极冰覆盖区航行的STRPSI算法，其一是引入时空搜索机制以利用预设时变环境数据；其二是通过环境感知自适应中途停留解耦速度建模为可达空间构造与速度矢量细优化两阶段；其三是按冰况分区精炼冰阻模型拓展船舶通航模型。多案例验证STRPSI在测试场景下较基线算法生出更高效安全、允许静待冰情好转的航线，加权多目标下兼顾路线、可达空间与启航时刻，在准确时变冰场预设前提下为动态冰区规划提供方法学贡献。