最近的两个事件突出了选择最佳海上航行路线的重要性。首先，在红海对船只的袭击导致航运公司选择更长的非洲航线，而不是通过苏伊士运河。有可能在非洲航线上找到一条最快、更省油的路线吗?其次，一个大浪导致Toconao船在西班牙西北海岸丢失了塑料颗粒货物，引发了人们对环境影响的担忧。在恶劣天气下，避免此类事故发生的最安全的航行路线是什么?数学优化技术可以为这些问题提供答案。
这些优化技术由欧拉、拉格朗日和伯努利兄弟等著名数学家研究，帮助我们根据速度、成本效益或安全等目标确定两点之间的最佳路线。最短的距离并不总是最好的选择。例如，走高速公路可能比走当地较短的公路更快。
在海上航行中，我们需要考虑洋流和不断变化的海浪和风。第一个解决这个问题的人是德国数学家恩斯特·策梅洛(Ernst Zermelo, 1871-1953)。考虑到风向和洋流的变化，他能够计算出以稳定速度航行的船只在两点之间的最快路线。
为了确保您的解决方案在实际导航中是实用的，可靠的导航条件预测是必不可少的。美国国家海洋和大气管理局(NOAA)和欧洲哥白尼中心提供详细的10天预报，具有很高的空间精度(小于10公里)。现代气象模式有了很大的进步，今天的5天预报比1980年的1天预报更可靠。这一进展是由于更多的大气观测。数学学科如统计学、用于数据同化的卡尔曼滤波(线性二次估计)、模拟大气动力学的偏微分方程和数值方法发挥着至关重要的作用。正如谷歌DeepMind研究人员所显示的那样，人工智能正在进一步增强结果。
此外，提供船舶运动的详细描述可以改进解决方案。这包括根据航行条件、洋流、波浪高度、风向和强度等因素，对每艘船的运动和燃料消耗进行建模。这个过程利用了海军工程和数据科学的知识。
有了这些信息，创新的数学优化算法被开发出来，如所谓的变分方法、图优化和进化算法。所有这些都被用来寻找有利的海上航线。
但所有的预测都有一定程度的不确定性，在优化导航路线时需要考虑到这一点。为了解决这个问题，需要新的优化算法-动态和随机-在各种大气条件下产生可靠的结果。这一点至关重要，尤其是在全球变暖、大气日益不稳定、极端天气事件更加频繁的情况下。
上面提到的所有数学技术最近都被用于实时优化海上航线(基于气象和海洋学预测)，并采用适合每艘船的模型。这个旨在成为海洋谷歌地图的工具，正在由一个来自不同国家的多学科团队开发，其中包括许多西班牙人。该工具可以在每次航行中节省5-10%的燃油，通过避开不利条件的区域来提高航行安全性，并减少二氧化碳的排放。所有这些都是至关重要的，因为世界上80%以上的贸易量是通过海上运输的，而海上运输占全球二氧化碳排放量的近3%。每年在燃料上的花费高达2700亿美元(2500亿欧元)，占海运运营成本的60%以上。
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我是王磊号的签约作者“访客”！
希望本篇文章《为海洋构建一款全新的地图导航系统》能对你有所帮助！
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