基于航速优化的船舶能耗研究

发布时间：2020-11-05 05:51

　　 全球环境问题,尤其是温室效应,在变得日益严重的当下,有必要对CO_2排放量大户的船舶航运业进行节能减排、能耗的研究。对我们而言,这不仅仅是造福全人类的举措,也符合我国节能减排、绿色低碳生活的号召,符合我国的相关政策以及科技发展趋势,对船运企业来说,也是一个能够降低航运成本的一大利好。本文从航速优化和高性能航迹控制设计这两个方面综合进行船舶能耗、节能减排的研究。首先,完成了对船舶航行时的受力情况分析以及对船舶运动的建模。按照力的产生原因,研究中将船舶所受到的力分为航行时的静水阻力和环境干扰力两个方面分别进行分析。根据各种力的产生与作用机理,建立了研究对象船舶的受力模型,并对干扰力模型进行了仿真。借助于这些受力分析,运用MMG分离建模的思想,搭建了用于仿真航行试验的船舶水平面三自由度运动模型。然后,对船舶推进系统进行了相关的研究并建立了船舶柴油机的油耗率模型。通过对船舶柴油机和螺旋桨工作原理的分析,总结出它们的工作特性。考虑到船舶航行时,船、桨之间会相互影响,对螺旋桨的推力模型进行了相关修正。此外,对船舶航行时船体、柴油机、螺旋桨之间的运动与平衡关系也进行了研究,并依据这些研究结果,建立了船舶柴油机主机的油耗率模型。接着,完成了对遗传算法的实现,并用实现的算法完成了对船舶航速的优化。出于对航速优化问题求解的需要,将研究中使用的船舶运营航线进行了分段处理,并把船舶在整个航程的燃油消耗量作为遗传算法的目标函数和隶属度函数。结合航速优化问题的实际要求,在算法中加入相应的限制条件,继而根据遗传算法的相关理论,依靠遗传算法与直接搜索工具箱GADST,完成遗传算法在matlab平台的实现。在此基础上,运用实现的遗传算法进行航速优化问题的求解,并对算法的优化结果进行了对比论证。最后,设计了用于船舶航行控制的航迹控制系统,并基于该系统对能耗优化算法进行了验证。在对航迹控制器进行设计时,重点放在模糊控制器的设计上,并采用条件切换的工作方式将所设计的PD控制器和模糊控制器组合在一起,使得两者互相取长补短,发挥各自的优异性能。另外,设计中还提出了一个航段跟踪决策算法,用以指示航迹控制器接下来要跟踪的目标航段。设计的最后,通过仿真试验和模拟航行,对所设计的航迹控制系统的控制性能和能耗优化算法的节能效果进行了仿真验证。
【学位单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：U676.3;TP18
【部分图文】：

带来的危害有许多，会使全球气温上升，导致南北极冰川融化，海的地方和城市会被淹没，其次还能引起物种的灭绝，气象灾害频发等业是全球经济联系的重要纽带，将近 90%的进出口商品通过海路运输各地。但是，航运业也是全球 CO2排放量大户，曾被欧洲环境署（E受管制的空气污染源之一”，以 2007 年的统计数据为例，其一年的 C46 亿吨，约占全球排放量的 3.3%，如果继续不管不顾，不对此采取相应年该数值将上升为 12%~18%[1]。因此，为了减缓温室效应，降低航运在必行，为此，国际海事组织（IMO）已制订了一系列强制性措施来耗，以达到节能减排的目的。例如，新造的船舶要满足能效设计指数运指数（EEOI），运营中的船舶要满足排放基线等等。IMO 组织在欧着手于全球船舶碳交易方案和技术指标的制订，为航运业以及造船业对相关技术落后的国家是及其不利的。相比于造船技术比较发达领先一领域有很大的不足，尤其是在船舶能效管理与相关节能技术研究这些举措势必会对我国产生一定的影响，因此，我国需要在船舶节能减度与资金投入，抢占技术先机。

哈尔滨工程大学硕士学位论文另一方面，不断上涨的国际油价也影响着船舶的运营成本，图 1.2 是一张 2017价的走势图，从中可以得出 2017 年的国际油价大体呈上升趋势。降低船舶的，不但能减少 CO2的排放量，还能够降低船舶航运企业的运营成本，这对我们重利好。除此之外，智能化船舶也成为近年来的一个发展方向。依据中国船CS）2015 年发布的《智能船舶规范》中的智能船舶的定义，其中一项就包括船智能管理。在我国，船舶作为一种重要的水上运输工具，对我国的经济建设起要的作用，约有 93%以上的货物都是通过水路运输完成的，目前来说，难以有方式能够将其取代；而且交通运输部为了实现交通运输业的节能减排和绿色低，也出台了相关的政策法规，以限制运营船舶的能源消耗和废气、废水等污染[1]。因此，研究船舶能耗与节能相关技术既符合技术发展的潮流也符合当下我要求。降低船舶的能源消耗既符合船舶营运企业的利润需求，也是船舶设计人目标。

图 1.3 某油轮能耗分布图国内外研究现状 IMO 的强制性标准要求下，各个国家纷纷开展了关于降低船舶能源消耗作，并且取得了一些相关的研究成果。于船舶燃油消耗量和航速有着直接的联系，相关的研究资料表明，航速每降 CO2排放就减少 13%[4]。因此，通过航速优化来降低燃油消耗也成为了国人员选择的一条研究途径。 国外研究现状国外，相关领域的研究主要集中在船舶航行规划优化以及营运经济性方面接将航速和油耗量结合起来进行研究的比较少。homas Hellstrom 教授通过将螺距优化、速度动态优化、航线规划优化结合，实现了船舶优化从机械传动部分到航线规划以及速度控制部分的自下而成了对船舶螺距、航速、油耗的优化控制[5]。
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本文编号：2871218