近日，哈尔滨工程大学船舶与海洋工程设计制造"兴海"学术团队联合葡萄牙里斯本大学海洋技术与海洋工程中心（CENTEC），在可靠性工程领域权威期刊《可靠性工程与系统安全》（《Reliability Engineering and System Safety》）（影响因子11.0，中科院一区TOP）发表最新研究成果，成功构建了一套综合考虑航行风险、航程时间与燃油消耗的极地航道多目标动态路径规划框架。该技术实现了航线对时变海冰环境的实时自适应优化，为船舶的安全、经济、高效航行提供了重要决策支持工具。论文第一作者为哈工程船舶学院博士生刘玥君，通讯作者为哈工程船舶学院教师鲁阳。
北极航道机遇与挑战并存
随着全球气候持续变暖，北极海冰加速消融，连接亚欧大陆的东北航道通航窗口期逐年延长，成为极具潜力的海上运输捷径。数据显示，与传统经苏伊士运河的航线相比，东北航道可缩短约40%的航程，能显著降低燃油消耗、温室气体排放与运输成本，被誉为"冰上丝绸之路"的核心走廊，战略价值日益凸显。
然而北极航行安全仍面临多重严峻挑战。与常规开放水域不同，北极航道受海冰分布高度不确定性、极端天气频发、航行保障设施匮乏、破冰船支援能力有限等复杂因素制约，船舶面临碰撞、冰困、搁浅甚至沉没等多重风险。高冰级船舶的建造成本与运营费用较常规船舶高出50%—100%，使得北极航线的经济可行性对路径规划的优化程度高度敏感。
此前的航线规划技术存在三方面局限：
一是多目标协同优化不足，早期研究多聚焦于单一目标优化，或仅将风险作为硬性约束而非优化目标，难以反映实际运营中安全、成本与效率之间的复杂关系；
二是对环境时变性的动态响应机制不完善，北极海冰呈显著的季节性演变与日尺度波动特征，而现有航线规划多基于静态环境地图，难以充分反映冰情的快速变化；
三是多目标权衡与动态演变的协同建模有限，同时考虑多目标帕累托最优解集与环境时变性的动态路径规划研究较少，导致现有方法难以在冰情剧变期实现安全与效率的自适应平衡。
打造动态自适应航线规划体系
针对上述行业痛点，研究团队提出了一套完整的北极航道多目标动态路径规划框架，实现了多项技术突破：
多目标成本统一建模：将航行风险（基于贝叶斯网络与GA-BP神经网络耦合预测）、燃油消耗（考虑静水阻力与碎冰阻力叠加模型）与航行时间纳入统一的成本函数，突破传统单一目标优化的局限，能更真实地反映船舶运营的实际需求。
静态最优航线生成：利用改进A*算法，基于2014—2023年夏季的月均环境数据，生成最小时间、最小风险与最小油耗三类基准航线，并通过遍历权重组合筛选出帕累托最优解集，在揭示三大目标间非线性权衡关系的基础上，获得兼顾航行风险、燃油消耗与航行时间的优化航线。
动态实时路径调整：引入LPA*算法，结合逐日更新的环境数据，实现航线对海冰浓度、冰厚、航速等时变条件的实时自适应调整，显著降低环境剧变期的重规划计算成本，大幅提升响应效率。
工程化适配优化：采用B样条曲线对规划路径进行平滑处理，消除网格化路径的折线效应，减少实际航行中的频繁转向，让规划结果更符合实际航行操作需求。
量化三大目标权衡关系
研究团队通过大量模拟计算，揭示了北极航行的重要规律：
目标量化权衡机制：通过三维帕累托前沿分析，首次量化揭示了航行风险、燃油消耗与航行时间之间的非线性权衡关系。研究表明，单纯追求航行效率可使航行时间较优化解缩短约10%，但风险值增加超过35%；而绝对安全导向虽能将风险控制在最低水平，却导致航程增加约10%、燃油消耗上升约15%。这一发现为不同运营需求下的权重决策提供了量化依据。
季节性航行规律：北极东北航道的通航条件呈现显著的季节性特征。7月因残冰较多，最优航线需紧贴南侧海岸线；8—9月海冰消退，航线可北移取直，9月达到最佳通航状态；10月新冰形成，航线再度南移。这一规律为船东规划年度航次提供了科学指引。
动态规划优势显著：基于LPA*算法与日尺度环境数据的动态路径规划，相比传统静态规划可进一步降低航行风险，同时减少燃油消耗。尤其在冰情剧变的7月和10月，动态规划能够实时响应环境变化，避免因环境突变导致的被动绕航或风险暴露，显著提升航行的安全性与经济性。
图1：东北航道网格地图构建
图2：东北航道夏季最小时间航线
图3：东北航道夏季最小风险航线
图4：东北航道夏季最小燃耗航线
图5：东北航道夏季帕累托最优航线
图6：东北航道夏季动态多目标航线
为北极航运提供智能决策支持
该研究具有重要的理论与应用价值：
在理论层面，将航行风险作为可量化优化的目标之一，构建了兼顾航行安全、经济性与航行效率的多目标协同优化框架，相较于传统单目标优化或风险阈值约束方法，能够更全面地反映实际运营需求。同时，研究首次将LPA*动态规划算法引入北极航线规划领域，实现了对时变环境条件的自适应响应，为多目标权衡与动态环境协同建模提供了新的解决思路。
在应用层面，该多目标动态路径规划框架可为航运企业在北极航线运营中提供辅助决策参考。根据不同船舶冰级、任务优先级及启航时间，框架可快速生成兼顾航行风险、燃油消耗与航行时间的优化航线方案，有效降低运营成本，提升航行安全性。
未来将进一步考虑极地航行法规、破冰船服务机制及环保限制等实际约束，拓展至更多船型与应用场景，逐步完善北极航线规划方法的适用性，为"冰上丝绸之路"的安全高效运营提供更有力的技术支撑。
团队及教师简介
船舶与海洋工程设计制造“兴海”学术团队拥有科技部中国-俄罗斯极地技术与装备联合实验室、工信部极地装备技术重点实验室、省协同创新中心等平台。团队获中国造船工程学会创新团队、省自然科学基金研究团队、省优秀研究生导学团队等称号。主持建设《船舶与海洋平台设计原理》、《海洋平台安装虚拟仿真实验》2门国家级一流本科课程，获国家级教学成果奖励3项，省级教学成果奖10余项，出版教材近20余部。主持和承担国家自然科学基金重大/重点、群体项目（B类）、科技部国家重点研发计划、国家科技重大专项课题、发改委国家重大基础设施论证、型号装备等科研项目共计100余项，研发了极地气垫破冰运输船、多栖无人艇、水产捕捞型水下机器人、深水海洋平台数字孪生系统、系列化海洋工程装备作业仿真平台、气垫船驾控训练模拟系统等标志性科研成果，获省部级科技进步特等奖1项、一等奖8项、二等奖6项，省专利奖金奖1项。
期刊简介
《RELIABILITY ENGINEERING & SYSTEM SAFETY》致力于复杂技术系统安全性与可靠性方法的开发与应用，如核电站、化工厂、危险废物处理设施、空间系统、海洋工程系统、运输系统、建筑基础设施和工业制造工厂等相关领域。发表的内容主要包括：可靠性和概率安全性评估、模型和参数的不确定性分析、敏感性分析、数据收集和分析、自然灾害对系统的影响分析、规范与标准、自动化故障检测与诊断技术、人机交互界面设计、安全文化建设以及事故调查与管理。
文章来源 | 船舶学院
排 版 | 郭启蒙
责 编 | 霍 萍
审 核 | 孙龙泉
信息来源：哈尔滨工程大学。
转载请注明信息来源及海洋知圈编排。
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