Лёд это новый космос. Почему ледовый роутинг – сложнейшая математическая задача современности

Навигация в Арктических льдах гораздо сложнее простого прогноза погоды. На самом деле, она представляет собой безумно сложный и комплексный процесс, решение для которого нигде в мире еще не разработано. Над решением этой задачки работают специалисты Sitronics Group.

Публикуем материал одного из инженеров Sitronics Group.

Фото: DALL-E

В ноябре 2021 года сразу 24 судна оказались заблокированы во льдах в акватории Северного морского пути. Беды ничего не предвещало. Гидрометцентр прогнозировал "легкие ледовые условия", и капитаны решили отправиться в путь без сопровождения ледоколов. Но синоптики не предусмотрели резкого изменения погоды, и того, что ледообразование в этом году началось на две недели раньше срока.

Заказать сопровождение ледокола – недешевое удовольствие, плавать без них гораздо выгоднее. Но, как оказалось, скупой платит дважды. Вызволять суда пришлось усилиями атомного ледокольного флота, за аренду которого заплатили владельцы попавших в ледяной плен судов.

Эксперты тогда сошлись во мнении, что Севморпути не хватает ледоколов, приняв за данность главную проблему: неточный прогноз, основанный на исторических данных.

Что кроме льда нужно учитывать, плавая по СМП?

Для того, чтобы спланировать рентабельный и безопасный маршрут по Севморпути, нужно учесть просто колоссальное количество данных. Их нужно собрать, оцифровать и регулярно обновлять. Что это за данные, помимо собственно ледового покрова?

Плавание должно быть не только безопасным, но еще и приносить прибыль. Например, если отправиться в путь в сопровождении ледокола, еще и выбирая самые дорогие для прохождения каналы, то плавание и вовсе может не окупиться. Таким образом, система, которую мы разрабатываем, рассчитывает не только самый легкий маршрут, но и самый экономически целесообразный.

Другой аспект навигации – так называемый "углеродный роутинг". Он определяет, где можно, а где нельзя идти на высокосернистом топливе. Для прохождения каналов необходимо иметь запас определенного типа топлива, иначе на них просто не пустят. Или повесят огромный штраф, если попытаться проскочить на высокосернистом топливе там, где это запрещено. Система должна учесть и это, заранее рассчитав, каким топливом и в каком порту можно заправиться.

Корабль "Николай Зубов" собрался плыть на СПГ. Экологично, но требует криогенику для хранения / Фото: Sitronics

Допустим, эти показатели относительно неизменны. Но есть множество динамических параметров маршрута, которые обновляются, буквально, каждый день. Постоянно присутствует риск появления новых навигационных опасностей и закрытия для мореходства целых зон прямо во время плавания. Судну необходимо постоянно иметь на борту обновленные навигационные карты, актуализацией которых занимается наша система.
Погода также постоянно меняется. У больших судов есть такой параметр, как парусность – это влияние ветра на способность удерживать курс. И ее тоже нужно не забыть учесть в расчетах.

На маршрут нужно наложить ареалы обитания и зоны миграции морских животных. Полностью полагаться на сезонную статистику здесь нельзя: изменения климата влияют на привычки животных, так что данные необходимо обновлять в реальном времени.
Собрать одну только эту информацию в единую, обновляющуюся в реальном времени систему, крайне нетривиальная задача. А что будет, если добавить в это уравнение еще одну
переменную? Встречайте – ЛЁД!

А теперь прибавьте к этому еще и лёд!

Что нужно знать про лед? Если коротко, он очень коварен. Вспомните историю про 24 застрявших во льду судов из начала статьи. У льда помимо толщины есть такие важные параметры, как сжатие и сплоченность.

У льда помимо толщины есть такие важные параметры, как сжатие и сплоченность / Фото: Sitronics

Сжатие является одной из важнейших, хотя и малоизвестных, характеристик льда. Если коротко, она определяет, как лед будет себя вести после того, как его разбивает ледокол. Ледоколы необходимы для прохождения через "тяжелый" лед. Они забираются на него, раздавливая ледовый покров своим весом.

Такому льду присуща опасность сжатия, когда после прохода ледокола канал быстро закрывается за ним следом, как молния на одежде, зажимая идущее следом судно в тиски. Караван судов тогда не сможет пройти за ледоколом. Проскочить иногда успевает только одно судно, а следующее за ним зажимает сходящийся лед. Ледоколу приходится за ним возвращаться, а за это время во льду намертво встает первое судно. И так по кругу...
Дальше больше. Соленость и толщина влияют на прочность ледового покрова. Чтобы определить толщину льда, изучают его цвет на спутниковых снимках. Зная цвет льда и условия его формирования можно установить его возраст, а следовательно, его толщину.
Температура влияет на сжатие ледового поля за счёт расширения ледовой массы. Также нужно не забывать про айсберги и стамухи. Они могут доставить неудобства даже ледоколу.

Лед / Фото: Sitronics

К тому же, ледовый покров крайне неоднороден. Сейчас ты движешься по тонкому льду, который может без посторонней помощи разбивать твое судно, а уже через несколько километров натыкаешься на стоящие непреодолимой стеной торосистые поля. Отправляться в плавание без актуальных данных со спутника – все равно, что идти в глухой лес без карты и компаса.

Как будто всего перечисленного недостаточно, ледовые поля еще и дрейфуют. На дрейф льда влияют ветра и течения. Скорость дрейфа может достигать 40 миль в сутки. В связи с
этим очень важны регулярно обновляемые спутниковые данные. Если коротко, то у России с ними сейчас большие трудности.

Про суда

Система динамически рассчитывает маршрут, учитывая помимо окружающей среды еще и класс судна, а также тип сопровождающего его ледокола. У судов есть ледовый класс. В некоторых местах суда ледового класса могут пройти самостоятельно, если лед там тоньше 140 сантиметров. В тяжелой ситуации такое судно может развернуться кормой вперед, и двигаясь таким образом рубить лед винтами.

Переход на движение кормой вперед также нужно предусмотреть, ведь просто развернуться на месте корабль не может: нужно пространство, определенная скорость и свободная от льда зона. Такой маневр нужно планировать за несколько километров до появления "сложного" льда.

В связи с этим остро встает проблема дефицита ледоколов – и кадров для них. Интересный факт: в мире живут с нами всего 10 капитанов атомных ледоколов. Возможно, это самая редкая в мире профессия. Их точно меньше, чем космонавтов. При этом есть задача от правительства, сделать навигацию по Северному морскому пути круглогодичной. Это потребует, в том числе, ввода в эксплуатацию новых ледоколов.

Тепловая карта трафика судов / Фото: Sitronics

Все суда априори не могут ходить в сопровождении ледоколов. Их просто не хватит на всех желающих. Каждый ледокол привязан к области акватории, в которой он сдается в аренду грузовым судам. К тому же, это недешевая услуга. Как правило, услуги колки льда покупает целая колонна кораблей, так как стоимость проходки может достигать 6 миллионов рублей в сутки.

А где взять данные?

Сейчас, когда я пишу этот текст, на дворе еще только осень. Как ситуация обернется в марте, когда навигация становится по-настоящему тяжелой, представить сейчас просто невозможно.
Раньше данные поступали от зарубежных спутников (в основном, канадских). Снимки делались во время случайных прохождений спутников над СМП. Специально для Севморпути спутниковые группировки никогда до этого не создавались.

Собственно, спутник. Готовится бороздить.

Спутник / Фото: Sitronics

Наша компания разработала и уже презентовала спутниковую платформу, способную делать субметровые снимки поверхности Земли. Их основное назначение – мониторинг СМП. Как раз сейчас готовится материал с одним из разработчиков спутников на эту тему.

Блог компании Sitronics Group Глобальные системы позиционирования