不同冰情影响下的北极航线航速优化
发布时间：2021-07-23 05:21
近年来,随着北极海冰的日渐消融以及“冰上丝绸之路”建设的逐步推进,各大航运公司争相试航北极航线,以期收集航运数据,促进北极航运活动向规模化、常态化进行转变。但是,由于受到北极航线中海冰的影响,北极航运呈现出不确定状态。为了便于北极航运的运营决策,探究不同冰情对北极航运的影响,本文在考虑航线海况条件的基础上,以航次成本最小化为目标,以船舶安全、船舶运营时间为约束,建立不同冰情影响下的北极船舶航速优化模型。由于在航速优化模型中引入了受干扰力影响的静水航速模型,使得与航速有关的NLP问题在求解时的子问题增加,同时北极航运与冰区通航有严格的时间窗约束,因此依照北极航线的航速优化模型特性,构建离散时间元法。通过时间窗离散,将子问题赋予时间路径内进行求解,在确保准确的同时提升求解效率。通过对算例的优化结果分析发现:在冰区航段中,由于破冰船的引入,静水航速由于冰阻力的减小而呈现出先增加再减小再增加的趋势,冰区成本由于冰区燃油成本的降低与破冰船费用的增加而呈现出先加速再平缓再加速的增长趋势;在航次全程中,除冰区航段外的静水航速随冰密集度的增加而增加;航次总成本由于非冰区航段的静水航速增加以及冰区成本的...
【文章来源】：大连海事大学辽宁省 211工程院校
【文章页数】：63 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．?３研究框架??Ｆｉｇ．?１．３?Ｔｈｅ?ｆｒａｍｅｗｏｒｋ?ｏｆ?ｔｈｉｓ?ｐａｐｅｒ??
?大连海事大学专业学位硕士学位论文???Ｎ??／??—??／ｙ＾?Ｙ?ｍｉＡ?ｕ，??／?－．．?＇??／??图３．?２相对风的合成原理??Ｆｉｇ．?３．２?Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ?ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ?ｏｆ?ａｐｐａｒｅｎｔ?ｗｉｎｄ??（２）风干扰力模型??通常将船舶受到的风干扰力分解到船舶艏艉向与横向进行表示，以分析船舶运动状??态。船舶艏艉方向、横向的干扰力分别如式（３－８）和（３－９）所示。??ＦＴｄ?＝?Ｃ：Ｍ（ａａ）－ｌ－ｐａＡｆＶｉ?（３－８）??ＦＴ?＝Ｃ；ｉｎｄ｛ａａ）Ｘ－ｐａＡｓＶｌ?．?（３－９）??其中，瓦Ｔｗ表示船舶在艏艉方向上的平均风压力；表示船舶在横向方向上的??平均风压力；ＣＴｗ（ａＪ为船舶艏艉方向上的风压力系数；Ｃ；ｗ（ｃ〇为船舶横向方向上??的风压力系数；凡为空气密度；＋为船舶水线以上的正投影面积；次为船舶水线以上??的侧投影面积；＾为相对风速。??在实际应用中，也常使用平均风压合力来描述在艏艉和横向方向上对船舶共同作用??的合力，如式（３－１０）所示［４９］。??Ｖｍｄ?＝?ＣＴｄ（ａａ）ｊ?ｐａＶｉ?（４?ｓｉｎ２（？ａ）?＋?Ａｆ?ｃｏｓ２（ａａ））?（３－１０）??－２０?－??
?不同冰情影响下的北极船舶航速优化???４北极航线船舶航速优化模型??本章将以航运公司己试航的北极航线为基础，按照航次租船运输模式，综合考虑航??线沿线的海况，令航次成本为１目标，建立北极航线船舶航速优化模型，并设计求解算法，??分航段对航速进行优化，在保证船舶冰区安全性的基础之上，使航次成本最校??４．１问题描述??？??（１）由于不定期船的运输模式是以航次为基础的，因此本章在建立航速优化模型??时将航次作为基本研宄对象。如图４．１所示，将货物装卸港口、补给港口、锚地作为关??键节点，并考虑各节点的时间窗限制。同时，将按照海况近似原则，对各关键节点内的??航线进行航段划分，分别对每一段进行航速优化。??〇，Ａ?歡?％?．ｒＯ，？??起始港?补给港?锚地?终止港??图４．１航次及航段示意图Ｉ??Ｆｉｇ、４．１?Ｔｈｅ?ｅｘａｍｐｌｅ?ｏｆ?ｖｏｙａｇｅ?ａｎｄ?ｌｅｇ??（２）本文在对航次的航速进行优化时，主要目标为成本最小，因此需考虑成本的??组成成分。本文将船舶的成本分为４类：１）船舶主机燃油费用。其与船舶航速有直接??关系，在一定范围内，降低航速可以有效减小燃油消耗量；２）船舶每日固定费用，包??括船舶折旧费、船员工资等。其与船舶航速间接相关，当船舶航速增加，航次所需时间??减少，．则可使航次内船舶固定费用消耗变少；３）航道附加费，船舶在北极航线通航时??即考虑为破冰船引航费用，在传统航线通航时，则考虑为沿线国际航道通航费用，如苏??伊士运河、巴拿马运河等。部分航道附加费与船舶航速间接相关，如北极航线破冰引航??费用，当航速增加使得船舶在北极航线冰区航行时间减少时，会使得破冰引航费用适当??
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于海冰影响的北极航线亚欧集装箱运输经济性研究[J]. 骆巧云,刘伟,寿建敏. 极地研究. 2019(04)
[2]“冰上丝绸之路”——北极航线船舶航行安全的跟驰模型[J]. 李振福,孙悦,韦博文. 大连海事大学学报. 2018(03)
[3]“冰上丝绸之路”与北极航线开发[J]. 李振福. 人民论坛·学术前沿. 2018(11)
[4]基于“永盛轮”航线冰情分析的北极东北航线通航性研究[J]. 马龙,李振华,陈冠文,李伊琳. 极地研究. 2018(02)
[5]基于负指数网络配流的东北航道发展潜力分析[J]. 王丹,张浩. 国际经贸探索. 2017(09)
[6]北极东北航线对全球经济潜在影响的CGE分析及战略启示[J]. 丛晓男,王谋. 中国软科学. 2017(08)
[7]波浪-浮冰作用下冰区船舶阻力性能试验[J]. 郭春雨,王帅,田太平,徐佩. 哈尔滨工程大学学报. 2017(10)
[8]基于CFD与三因次法结合的低速多用途船的阻力预报[J]. 苏绍娟,介推,王天霖,刘波. 舰船科学技术. 2017(07)
[9]基于实船油耗与排放的拖轮航速优化[J]. 楼狄明,包松杰,胡志远,谭丕强. 交通运输工程学报. 2017(01)
[10]北极东北航道LNG运输经济性与前景分析[J]. 骆巧云,寿建敏. 大连海事大学学报. 2016(03)
硕士论文
[1]考虑北极融冰的集装箱航运网络货流分配研究[D]. 丛双.大连海事大学 2018
[2]船舶航速优化节能性研究[D]. 霍得利.大连海事大学 2017
[3]基于冰情分析的北极东北航道通航条件研究[D]. 李振华.大连海事大学 2017
[4]天气及海况不确定情况下的北极班轮航线规划[D]. 杜欣玥.上海交通大学 2017
[5]船舶营运中经济航速的研究[D]. 魏鹏.大连海事大学 2016
[6]考虑干扰的北极集装箱航线营运成本模型研究[D]. 郑冰雷.上海交通大学 2016
[7]北极东北航线集装箱运输经济性的仿真研究[D]. 尤雪.大连海事大学 2015
[8]北极航线航行经济性的模型仿真研究[D]. 金海勤.大连海事大学 2012
本文编号：3298684
【文章来源】：大连海事大学辽宁省 211工程院校
【文章页数】：63 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．?３研究框架??Ｆｉｇ．?１．３?Ｔｈｅ?ｆｒａｍｅｗｏｒｋ?ｏｆ?ｔｈｉｓ?ｐａｐｅｒ??
?大连海事大学专业学位硕士学位论文???Ｎ??／??—??／ｙ＾?Ｙ?ｍｉＡ?ｕ，??／?－．．?＇??／??图３．?２相对风的合成原理??Ｆｉｇ．?３．２?Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ?ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ?ｏｆ?ａｐｐａｒｅｎｔ?ｗｉｎｄ??（２）风干扰力模型??通常将船舶受到的风干扰力分解到船舶艏艉向与横向进行表示，以分析船舶运动状??态。船舶艏艉方向、横向的干扰力分别如式（３－８）和（３－９）所示。??ＦＴｄ?＝?Ｃ：Ｍ（ａａ）－ｌ－ｐａＡｆＶｉ?（３－８）??ＦＴ?＝Ｃ；ｉｎｄ｛ａａ）Ｘ－ｐａＡｓＶｌ?．?（３－９）??其中，瓦Ｔｗ表示船舶在艏艉方向上的平均风压力；表示船舶在横向方向上的??平均风压力；ＣＴｗ（ａＪ为船舶艏艉方向上的风压力系数；Ｃ；ｗ（ｃ〇为船舶横向方向上??的风压力系数；凡为空气密度；＋为船舶水线以上的正投影面积；次为船舶水线以上??的侧投影面积；＾为相对风速。??在实际应用中，也常使用平均风压合力来描述在艏艉和横向方向上对船舶共同作用??的合力，如式（３－１０）所示［４９］。??Ｖｍｄ?＝?ＣＴｄ（ａａ）ｊ?ｐａＶｉ?（４?ｓｉｎ２（？ａ）?＋?Ａｆ?ｃｏｓ２（ａａ））?（３－１０）??－２０?－??
?不同冰情影响下的北极船舶航速优化???４北极航线船舶航速优化模型??本章将以航运公司己试航的北极航线为基础，按照航次租船运输模式，综合考虑航??线沿线的海况，令航次成本为１目标，建立北极航线船舶航速优化模型，并设计求解算法，??分航段对航速进行优化，在保证船舶冰区安全性的基础之上，使航次成本最校??４．１问题描述??？??（１）由于不定期船的运输模式是以航次为基础的，因此本章在建立航速优化模型??时将航次作为基本研宄对象。如图４．１所示，将货物装卸港口、补给港口、锚地作为关??键节点，并考虑各节点的时间窗限制。同时，将按照海况近似原则，对各关键节点内的??航线进行航段划分，分别对每一段进行航速优化。??〇，Ａ?歡?％?．ｒＯ，？??起始港?补给港?锚地?终止港??图４．１航次及航段示意图Ｉ??Ｆｉｇ、４．１?Ｔｈｅ?ｅｘａｍｐｌｅ?ｏｆ?ｖｏｙａｇｅ?ａｎｄ?ｌｅｇ??（２）本文在对航次的航速进行优化时，主要目标为成本最小，因此需考虑成本的??组成成分。本文将船舶的成本分为４类：１）船舶主机燃油费用。其与船舶航速有直接??关系，在一定范围内，降低航速可以有效减小燃油消耗量；２）船舶每日固定费用，包??括船舶折旧费、船员工资等。其与船舶航速间接相关，当船舶航速增加，航次所需时间??减少，．则可使航次内船舶固定费用消耗变少；３）航道附加费，船舶在北极航线通航时??即考虑为破冰船引航费用，在传统航线通航时，则考虑为沿线国际航道通航费用，如苏??伊士运河、巴拿马运河等。部分航道附加费与船舶航速间接相关，如北极航线破冰引航??费用，当航速增加使得船舶在北极航线冰区航行时间减少时，会使得破冰引航费用适当??
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于海冰影响的北极航线亚欧集装箱运输经济性研究[J]. 骆巧云,刘伟,寿建敏. 极地研究. 2019(04)
[2]“冰上丝绸之路”——北极航线船舶航行安全的跟驰模型[J]. 李振福,孙悦,韦博文. 大连海事大学学报. 2018(03)
[3]“冰上丝绸之路”与北极航线开发[J]. 李振福. 人民论坛·学术前沿. 2018(11)
[4]基于“永盛轮”航线冰情分析的北极东北航线通航性研究[J]. 马龙,李振华,陈冠文,李伊琳. 极地研究. 2018(02)
[5]基于负指数网络配流的东北航道发展潜力分析[J]. 王丹,张浩. 国际经贸探索. 2017(09)
[6]北极东北航线对全球经济潜在影响的CGE分析及战略启示[J]. 丛晓男,王谋. 中国软科学. 2017(08)
[7]波浪-浮冰作用下冰区船舶阻力性能试验[J]. 郭春雨,王帅,田太平,徐佩. 哈尔滨工程大学学报. 2017(10)
[8]基于CFD与三因次法结合的低速多用途船的阻力预报[J]. 苏绍娟,介推,王天霖,刘波. 舰船科学技术. 2017(07)
[9]基于实船油耗与排放的拖轮航速优化[J]. 楼狄明,包松杰,胡志远,谭丕强. 交通运输工程学报. 2017(01)
[10]北极东北航道LNG运输经济性与前景分析[J]. 骆巧云,寿建敏. 大连海事大学学报. 2016(03)
硕士论文
[1]考虑北极融冰的集装箱航运网络货流分配研究[D]. 丛双.大连海事大学 2018
[2]船舶航速优化节能性研究[D]. 霍得利.大连海事大学 2017
[3]基于冰情分析的北极东北航道通航条件研究[D]. 李振华.大连海事大学 2017
[4]天气及海况不确定情况下的北极班轮航线规划[D]. 杜欣玥.上海交通大学 2017
[5]船舶营运中经济航速的研究[D]. 魏鹏.大连海事大学 2016
[6]考虑干扰的北极集装箱航线营运成本模型研究[D]. 郑冰雷.上海交通大学 2016
[7]北极东北航线集装箱运输经济性的仿真研究[D]. 尤雪.大连海事大学 2015
[8]北极航线航行经济性的模型仿真研究[D]. 金海勤.大连海事大学 2012
本文编号：3298684
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