基于航行数据的船舶航行油耗模型建立方法

准确评估船舶的能效表现是研究船舶性能、优化船舶能效的基础。为准确评估船舶航行状态对船舶航行油耗的影响和船舶的能效表现,以某超大型散货船为研究对象,基于船舶智能能效综合管理系统获取大量船舶航行数据,通过数据处理和特征工程找出影响船舶航行油耗的因素,采用人工神经网络建立船舶航行油耗模型。采用该模型预估船舶在一段航程中的总油耗量,验证该模型在评估船舶航行状态对船舶航行油耗的影响方面的有效性。此外,采用该模型对航程和转速进行优化,验证该模型对能效优化的可行性。     

考虑船位预测不确定性的船舶碰撞危险度计算方法

[目的]船舶碰撞是威胁智能船舶航行安全的主要因素。船舶碰撞危险度计算模型应及时发现船舶航行中潜在的碰撞风险,为智能船舶的自主避让决策提供依据。[方法]首先,根据船舶领域侵入程度与侵入时间等参数,分析基于领域的碰撞危险参数计算模型,将航行场景划分为单船会遇局面和本船与船舶群组的会遇局面,给出一种新的多船会遇情况下的碰撞危险参数计算模型;其次,基于维纳过程对船位预测不确定性进行建模,根据卡方分布获取船位预测不确定性椭圆;最后,给出考虑船位预测不确定性的碰撞危险参数计算方法。[结果]该计算模型能够考虑船位预测不确定性对船舶碰撞危险的影响。[结论]可以进一步保障智能船舶的海上航行安全。     

基于多目标优化算法NSGA Ⅱ的极地穿梭油轮型线设计

[目的]随着北极丰富油气资源的不断开采,需要大量满足极地航行要求的船舶。[方法]将非支配排序遗传算法(NSGA Ⅱ)应用于船体型线优化设计,提出极地船舶多目标优化方法。以船舶无冰静水阻力以及冰区航行阻力为优化目标,通过极地船舶排水量以及船舶能效设计指数EEDI两项标准进行船型筛选,快速实现满足冰区船舶装载量与EEDI排放要求的船型优化。以常规6.5万吨穿梭油轮为研究对象,采用全参数化建模方式,通过极地船舶多目标优化方法分别对3种不同艏部形式的船型进行优化,[结果]优化后的船型均满足冰区IA级航行要求,其中无冰静水阻力最大减小约12.94%,冰区最小推进功率最大减小约27.36%,[结论]有效验证了基于NSGA Ⅱ的极地船舶多目标优化方法的可行性与合理性。     

基于BP神经网络的船舶主机能效状态评估

[目的]在船舶航行期间,需要通过分析船舶和主机的运行参数来客观判断主机当前的工作情况,从而准确评估主机的能效状态。[方法]以状态良好的船舶运行记录为样本,结合主成分分析法和BP神经网络算法,构建船舶的航行状态识别模型和主机油耗模型,并在船舶航行期间对船舶实时运行参数进行分析,得出船舶主机在当前工况下的油耗量正常值。以某30万吨级远洋散货船为例开展模型计算验证,将正常油耗值与实际油耗值进行对比,以二者的残差值为依据,进而评估当前的主机能效状态。[结果]计算结果显示,航行状态识别模型的正确率为98.05%,油耗模型的平均误差为3.47%,2种模型的可靠性均较高。[结论]研究成果可为智能船舶的能效管理提供一定的参考。     

基于CFD的双艉客船阻力特性分析

[目的]随着绿色船舶规范的实施及推进,船舶能效指数,特别是船舶航速功率指标越来越受到业界的关注。为了精确获得双艉船型的航速功率指标及船舶流场信息,[方法]基于计算流体动力学(CFD)理论,提出一种双艉船型航行阻力预报及流场捕捉的工程方法。采用粘性流计算软件FINE/MARINE,对某双艉客船的航行阻力进行计算,探讨船舶第1层网格节点高度、船舶航速以及附体对计算结果的影响,并将不同航速下的阻力预报及其结果与试验数据进行对比。[结果]结果显示,预报误差基本在3%以内。[结论]研究表明,所提方法计算效率高且易于实现,预报精度能满足工程需要,具有较强的工程实用性。     

典型工况下的燃料电池船舶复合储能系统设计

针对燃料电池船的电能质量品质不高、蓄电池使用寿命短等问题,设计了由超级电容、磷酸铁锂电池组成的复合储能系统,并提出了基于功率分流式的能量管理策略。在MATLAB/Simulink环境下建立系统仿真模型,并采用自适应粒子群算法调用仿真模型,对复合储能系统的容量配置与能量管理策略的参数进行联合优化。仿真结果表明：优化后的复合储能系统可以满足船舶典型工况需求,并且能够缓冲负载波动对燃料电池与磷酸铁锂电池的冲击,使燃料电池工作在高效率区间,机动工况下船舶能量效率提高了3.17%；磷酸铁锂电池的充放电过程得到优化,能延长其使用寿命；母线电压波动减小,提高了电能质量。     

燃料电池系统热能仿真与能效优化

针对燃料电池系统,从提高系统总能效的角度出发,建立系统辅助装置循环水温度仿真模型,优化系统散热方式,减小系统对外散热,增大回收利用热能,从而提升燃料电池系统效率。     

基于元胞自动机的船舶交通仿真模型及应用

为掌握琼州海峡中船舶的运动态势,提出一种基于元胞自动机的可模拟狭水道和繁忙水道船舶交通的仿真模型。基于元胞自动机模型,将琼州海峡通航分道网格化;结合船舶领域,制定船舶跟随规则和船舶穿越规则;采用离散事件模型产生不同类型、不同航速的船舶,模拟海员在各种航行环境下的反应并比较船舶实际通过海峡的航行时间和模拟通过海峡的时间。由于仿真模型没有完全考虑影响航行时间的细微因素,因此所有仿真模型中船舶的航行时间与船舶实际航行时间有一定差值,但都在可接受范围内。     

船舶航速优化原理研究

恒速航行原理是船舶航行节能的一个重要规律。将船舶航速的优化抽象为对目标函数求极值的数学问题,分别建立离散、连续时间模型,分析讨论了固定时间端点与滑动时间端点不同边界条件对模型求解的影响。结果表明,恒速航行船舶总耗功最小;优化航速不仅与航行要求如规定的路程、时间有关,还与推进功率系数及辅助功率有关。研究方法可为船舶航行降低功耗以及制定航行计划提供参考。     

基于船舶–流场耦合作用的内河航段船舶航行虚拟辅助驾引

[目的]为进一步提高船舶航行的安全性,对船舶辅助驾驶决策相关内容开展研究。[方法]针对选取的两段内河典型航段,基于实时数字航道流场信息,考虑航行规则约束,模拟船舶–流场耦合作用下的复杂流场航段虚拟辅助驾引。模拟南京和东流航段的虚拟辅助驾引,给出相应的安全驾驶方案,在航行过程中对船舶速度、位置和航向等信息进行实时追踪。[结果]仿真结果表明,基于Fluent二次开发的船舶–流场耦合作用的算法可有效解决船舶多自由度运动耦合和船舶–流场多物理场耦合的解耦问题;遇见弯道或分汊时,操小舵角长距离航行可以在避免降速和较大横移的同时实现船舶的安全航行。[结论]该算法可以有效对接数字航道流场信息,开展复杂流场环境下内河航段船舶航行的过程模拟,结果可为内河航段船舶智能航行决策提供数据支撑。     

混合粒子群优化算法求解船队规划非线性模型研究

船队规划是非常复杂的决策,会受到很多因素的影响,客观、科学的得到优化结果非常重要。本文在线性模型的基础上,考虑船舶航速,并将船舶航行时间、成本等因素作为约束条件建立船队规划非线性模型,然后通过混合粒子群优化算法进行模型求解,最后进行仿真实验。实验结果表明,本文算法能够合理的规划船舶发展,并且船舶的限制率低。     

串联式混合动力船舶能源系统运行模式切换策略

为了解决内河电力推进船舶混合动力能源系统运行模式的切换控制问题,以动力电池剩余电量、电池工作温度以及船舶电力推进需求功率作为特征因素,以混合动力能源系统运行模式作为决断输出,建立了基于模糊综合评判方法的船舶混合能源系统运行模式切换控制模型及其控制策略。以实验室的船舶航行工况数据作为试验仿真环境,结果表明,这种方法能够智能地自动切换运行模式,实现了电力推进船舶混合动力能源系统的优化管理,同时能够保证动力电池的工作性能,延长电池寿命。     

基于人工神经网络的船舶油耗模型

针对船舶能效管理计划SEEMP的实施需求,寻求建立油耗模型的通用方法,为航行优化提供决策基础。以丹麦籍客滚轮MS Smyril号作为研究案例,对船舶实测运行数据进行了分析和预处理,并采用人工神经网络构建了船舶油耗和航速的黑箱模型。基于实测数据与模型预测数据的对比,验证了上述油耗模型的准确性和实用性,对于提高船舶能效运行指数EEOI具有重要意义。     

氢燃料电池动力技术在船舶动力能效改进的应用

本文介绍氢燃料电池的基本结构和基本理论,开发一种结合氢燃料电池技术的船舶动力系统,针对新型船舶动力系统的电机选型、DC/DC转换器模块的电路设计等问题进行详细说明.为了验证氢燃料电池船舶动力系统的能效,在仿真软件Matlab中建立仿真模型,对比了 2种动力系统的能量消耗量.     

面向船舶智能航行测试的变稳船控制系统设计北大核心CSCD

[目的]智能航行控制系统作为智能船舶的大脑和中枢,其控制性能的好坏直接决定船舶航行的安全性和经济性,因此需要对船舶智能航行控制系统进行验证。面向智能船舶智能航行控制系统的验证问题,提出一种通用型验证平台——变稳船。[方法]首先,基于模型跟随原理提出一种变稳船系统架构,分析智能船舶三自由度上的运动特性,然后根据三自由度变稳目标定义位置变稳误差,采用滑模控制技术设计变稳控制器,最后,在Matlab软件中进行仿真验证。[结果]结果显示,提出的变稳控制方法能够有效跟踪模拟待模拟船,实现变稳性能。[结论]所做研究可为智能航行控制系统的验证提供新的思路。     

5000t散货船清洁推进系统配置论证与控制设计

近年来,随着燃油价格的攀升以及船舶节能减排的呼声越来越高,船舶能效提升方法研究显得尤为必要,目前其研究主要集中在设计与优化管理2个方面。本文针对5 000 t散货船设计了其清洁推进系统的配置形式,并分析其能效设计指数EEDI;此外,通过建立清洁推进系统主机及发电机综合经济性、排放性模型,给出船舶在特定工况下的最佳航速的确定方法。通过所设计的能效管理与控制的优化方法,可使整个系统运行在高效率区,降低主机与发电机的总能耗,从而大幅提高船舶能效。     

基于驾驶实践的无人船智能避碰决策方法

[目的]为实现沿海无人驾驶船舶自主航行,充分考虑无人驾驶船舶智能避碰决策的合理性和实时性后,提出并建立一种基于驾驶实践的无人船智能避碰决策方法。[方法]首先,以本体论为基础,设计无人驾驶船舶航行态势本体概念模型,并结合《国际海上避碰规则》及良好的船艺将船舶航行态势量化划分为12种会遇场景;然后,从驾驶实践的角度改进影响碰撞危险度因子的模糊隶属度函数,提出一种多元碰撞危险度评估模型,实现船舶碰撞危险度的精确计算;最后,以船舶避碰总路径最短为目标函数,提出一种基于驾驶员视角(BOP)的智能避碰决策模型,在船舶操纵性、舵角限幅等约束下求解最优避碰策略,并在典型的会遇场景下进行仿真实验。[结果]结果表明,该方法可以准确判断驾驶航行态势,给出合理的转向策略,实现典型会遇场景下的有效避碰。[结论]所做研究可为实现船舶自主航行提供理论基础和方法参考。     

动力定位船舶模糊解耦定速航行控制算法

[目的]在海洋石油开采、湖泊水质监测等领域,为了实现船舶自主定位及自主航行,需对动力定位船舶的航速予以控制。[方法]建立船舶三自由度(3-DOF)运动模型,提出基于模糊解耦控制的船舶定速航行控制算法。针对被控对象的建模误差,分别设计纵荡、横荡和艏摇回路模糊控制器。针对横荡与艏摇回路变量之间的耦合问题,采用前馈补偿解耦环节来消除控制量之间的相互影响。[结果]定速航行控制仿真平台的实验结果表明,该模糊解耦控制算法的动态性能好、稳态精度高,且具有一定的鲁棒性。[结论]研究成果可为船舶定速航行的精确控制提供参考。     

定航线下考虑ECA的船舶航速多目标优化模型

在考虑船舶排放控制区(Emission Control Area,ECA)的背景下,通过航速优化对船舶航行成本和航行时间进行有效折中,降低船舶营运成本。针对营运成本和航行时间2个互相冲突的关键因素建立一种多目标航速优化模型。分别建立船舶营运成本模型和航行时间模型,通过带精英策略的非支配排序遗传算法(Nondominated Sorting Genetic AlgorithmⅡ,NSGAⅡ)求得营运成本和航行时间的Pareto解集,采用模糊隶属度函数,从Pareto解集中筛选出最佳折中解。实际案例分析结果表明:在一定的时间约束下,船舶在ECA内适当减速,在ECA外加速可有效减少营运成本。当船舶以优化航速航行时,可有效减少船舶营运成本,节省船舶航行时间,为船公司提供一定的管理依据并带来可观的经济收益。     

串联型混合动力船舶能量控制策略研究

如何分配混合动力电动船舶中柴油发电机组与燃料电池之间的能量,对提高船舶经济性和减少能耗至关重要。为了解决这个问题,提出用动态规划方法优化两种动力源的输出功率。首先建立船舶组件的数学模型。然后,基于贝尔曼最优化原理,以最小燃油消耗为目标函数得到柴油发电机组的最优控制序列。仿真结果表明,与开关式控制策略相比,动态规划算法可以合理分配输出功率,使电池SOC保持稳定,有效降低船舶的耗油量。