不规则风浪影响下的船舶定航线航速优化

针对远洋船舶的航速优化问题,以48000DWT油船为研究对象,研究在给定时间窗口约束前提下,船舶在两个港口之间的固定航线上的航速优化问题。采用单航次成本减小量来衡量不同市场行情下在设计航速的基础上改变航速对船舶运营经济性的影响。建立了不规则风浪影响下,以最大成本减小量为目标函数的航速非线性优化数学与仿真模型,在验证航速优化模型的基础上,研究了不同市场行情和风浪对船舶单航次运营的最大成本减小量及其航速的影响。研究结果表明,在五种不同的市场行情下,经过航速优化后船舶单航次运营的成本减小量最大可达9.5万美元,全年成本减小量最大可达171.3万美元,显著提高船舶运营经济性,能够为海运公司提供决策支持。     

海况识别下的船舶航速动态优化方法

为实现在海况信息、航线信息已知的前提下,船舶能够根据不同的海况调整航速,达到降低整个航次船舶主机油耗的目的,本文以定航线船舶为对象,研究船舶航速动态优化方法。基于聚类和分类算法的海况识别方法建立航线分段模型,将航线分成航向单一、海况类似的航段。以总航程、航行时间、主机转速作为约束条件,基于遗传算法求解航速动态优化问题。结果表明：与优化前主机油耗相比较,从巴西圣路易斯到非洲好望角定航线的30万吨级散货船可减少消耗3.38%的燃油。本方法能够提高营运船舶的能效水平,为船舶航行航速的决策提供参考。     

基于改进遗传算法的零航速减摇鳍自适应控制系统设计

为了提高零航速减摇鳍在不同风浪强度下驱动能量的利用效率,对随机海浪的频谱特性进行了分析,在此基础上对系统状态方程进行扩展,设计了基于二次型指标的随机最优控制器.为实现能量消耗与减摇效果之间的最佳匹配,采用遗传算法对二次型指标的加权矩阵进行优化,优化过程中根据系统的特点对基本遗传算法进行了改进.为了在不同海况下实现随机最优控制,提出了加权矩阵的自适应准则.仿真结果表明,只要根据外部环境正确选择加权矩阵参数,就可以用尽可能少的能量达到预定减摇效果.     

基于径向基函数网络的船舶非线性参数模型建模

船舶在航行中受到各种随机扰动,为了实时控制船舶运动姿态,需建立一个基于航速、海情和航向角实时变化的三维智能化运动模型.文中以某水面舰艇为研究对象,利用典型航速、航向角、海情下水池实验测量的数据算得水动力参数,基于径向基函数神经网络(RBF)算法,逼近三维空间各水动力参数的非线性函数,从而得到随航速、海情和航向角自适应变化的船舶运动非线性参数模型.仿真结果表明,径向基函数神经网络学习算法可以快速、精确地建立非线性参数模型.所建模型误差小于2%,该模型可用于船舶控制,使LQG减横摇控制效果提高41.6%.     

基于多目标粒子群算法的泊位-岸桥分配研究

为得出合理且符合实际生产状况的泊位-岸桥分配,建立了船舶在港时间和码头运营成本最小的多目标优化模型,并使用了多目标粒子群算法进行求解。通过多目标粒子群算法分别求解30、40、50、60、70艘船舶的优化模型,得到的可行解使时间和成本这两个目标达到最优平衡,并证明了模型和算法的有效性。试验结果表明,多目标优化方法与单目标而言,可以使码头得到更大的运营效益。     

弯曲河段船舶下行控制航速计算方法探讨

为确定船舶下行过弯控制航速,针对内河弯曲航道通航水流条件及船舶在通过弯曲航道时的操纵特点,提出船舶下行过弯航行控制策略,构建了基于允许正常偏航条件下的弯曲河段船舶下行控制航速的计算模型,并以5 000 t级散货船为对象,计算得出了在不同水流条件下的下行过弯控制航速,计算结果与目前有关内河引航机构对船舶的航速控制符合度高。研究成果对提高弯曲航道通过能力、保障船舶过弯安全均具有积极作用,也可为船舶自主航行的航速控制提供参考。     

四桨船舶螺旋桨差异化设计

为了减小四桨船舶内外桨的负荷差,本文建立了一套螺旋桨差异化理论设计方法。基于螺旋桨的理论设计方法进行了内外桨的初始化设计,并采用CFD技术和等推力法,预报船桨一体的总推力减额分数和内外桨的伴流分数。结合螺旋桨理论设计方法和面元法,形成了一套螺旋桨差异化理论设计系统。并以某四桨船舶方案为例,在最大航速工况下,应用本文的方法开展内外桨的差异化设计,并对不同航速下的螺旋桨差异化设计效果进行分析。研究表明:在最大设计航速下,内外差异化设计桨的总推力满足设计要求,负荷差由初步设计时的11.9%减小为0.61%左右,而且在18节和25节航速下的负荷差也分别由初步设计时的13.8%与13.3%减少到5.65%与3.68%。应用本文方法可有效地减小内外桨的负荷差,为四桨船舶螺旋桨设计提供了新思路。     

基于相位匹配的零航速减摇鳍控制策略研究

零航速减摇鳍常规减摇和零航速减摇两种模式下生力机理不同而导致控制策略不尽相同。本文从两种模式下生力机理出发,分析海浪干扰、船舶横摇、鳍的动作及鳍上产生的减摇力之间的相位关系,分别得出两种模式下反馈控制策略。通过与常规减摇鳍控制方法对比,不仅验证了所得常规减摇模式下的控制策略的正确性,而且也验证了相位匹配分析方法的适用性;而零航速减摇模式下的控制策略则通过仿真和水池试验进行验证。结果表明:基于相位匹配得到的零航速减摇鳍的控制策略是有效且实用的,可为实际工程应用提供参考。     

喷水推进三体船推力减额计算及分析

为分析喷水推进船推力减额在不同航速下的变化规律,基于非定常雷诺时均方程及VOF模型求解船舶粘性流场,考虑船模纵倾角及升沉变化,采用体积力的方法代替泵的作用,数值模拟了三体船模喷水推进自航。自航时船模纵倾角及吃水增加,阻力增额恒为正值,动量减额恒为负值。三体船在较低航速时有较大的推力减额,随着航速提高推力减额变为负值。动量减额是高航速时推力减额为负的主要原因。低航速时艉板浸没在水中,喷口在水面以下喷射水流,此时有较大的正阻力增额和较大的负动量减额,喷水推进器流道及喷口的安装使船体几何面积有较大减小导致静压阻力增加,是低速时阻力增额的主要原因。高速时艉板由湿变干,喷口在水面以上喷射水流,阻力增额及动量减额的绝对值减小,船模姿态变化是高速时阻力增额的主要原因。随着航速的提高,出口阻力不断增大,构成了动量减额的主要成分。     

船舶双水舱减摇系统设计与仿真研究

为了使船舶在固有频率变化时也有好的减摇效果,研究了双水舱减摇系统.使用2个具有不同固有频率的被动式U型减摇水舱能给横稳心高变化范围很宽的船舶提供很好的减摇效果.在建立船舶—双水舱系统模型的基础上,介绍了一种设计双水舱系统的方法,并以一艘滚装船为例,分析设计了一套双水舱系统,并且对装备了单被动式水舱和双被动式水舱的船舶横摇响应进行了仿真分析,通过仿真结果验证双水舱系统相对单水舱系统具有更好的减摇效果.     

95000DWT散货船喷气减阻模型试验研究

为探讨气层减阻技术在大型低速运输船舶上的实施方法,在拖曳水池里开展了95000DWT散货船138模型喷气减阻试验,研究了气流量、航速、排水量、凹槽深度对喷气减阻效果的影响规律。试验结果表明:在95000DWT散货船模型底部设置凹槽并喷气,模型总阻力大幅度降低。随着气流量增加,阻力降低幅度增大,存在一个饱和气流量:当Fr=0.139~0.182时,随航速增加,减阻率呈降低趋势;凹槽深度增加,喷气减阻效果提高,但不喷气时凹槽会导致阻力增加,且阻力增加幅度随凹槽深度增加而增加,存在一个最佳凹槽深度(h/B=0.024);压载排水量减阻率高于设计排水量减阻率。凹槽深度20 mm,设计航速下,饱和喷气(Cq=0.210)时,设计排水量下绝对减阻率可达26.99%,压载排水量下绝对减阻率可达33.79%。     

考虑非设计工况的螺旋桨优化设计方法

为提高螺旋桨的性能,研究了考虑非设计工况时螺旋桨效率的优化设计方法。以母型桨设计进速周围多个进速点对应的敞水效率为目标函数,以螺距比的径向分布为优化变量,以推力、扭矩和空泡性能为约束条件建立优化数学模型。通过对不同工况的效率值设置权重并进行加权求和的方法,将多目标优化模型转变为单目标优化模型,利用面元法求解螺旋桨的水动力性能,应用柏利尔商船限界线表达空泡性能,基于简单遗传算法对模型进行求解,得到了优化后的螺旋桨螺距比的径向分布,将考虑非设计工况与考虑设计工况下的优化结果进行了对比。对比结果表明,由于船舶航行时航速的变化,仅考虑设计工况下进行螺旋桨优化往往达不到预期的节能效果,需要综合考虑设计航速周围多个工况点对应的效率。     

超大型集装箱船

具有世界最大运输能力的9000TEU级集装箱货轮在韩国开发成功,该货轮已经取得了美国船级协会(ABS)的相关认证,并开始对外接收订单。　　由韩国三星重工株式会社开发的这种超大型集装箱货轮长330米,宽45.6米,有10个大型货舱,一次可以装载标准20英尺集装箱9000只,满载排水量为15万吨。该货轮采用了9.35万马力的船舶发动机,有效解决了巨型货轮航速低的问题,使货轮可达5000TEU级货轮标准的26英里航速。为保护环境,防止发生意外时油料泄漏,燃油箱采用双层结构设计,并设在船底的中心位置。使用大型货轮运输有利于降低综合运输成本。…     

重大件货物海上运输的惯性力分析

为准确计算船舶上重大件货物惯性力,本文对集装箱船舶的惯性加速度规范经验公式进行研究,基于理论计算方法提出相应的规范修正公式.通过混合格林函数法对有航速船舶在规则波中的运动响应进行求解,利用谱分析法对一系列集装箱船进行在不同航速、不同海况及不同位置的加速度预报,在各机构规范经验公式基础上利用多元线性回归方法提出针对集装箱...     

基于近场动力学的破冰阻力预报方法研究

为了探究破冰航行过程中海冰破坏规律及船舶的破冰阻力,本文基于船-冰接触判别算法和近场动力学方法建立破冰阻力预报模型.并同模型试验结果进行对比,结果表明:预报模型能够有效地模拟船-冰相互作用下的海冰破碎过程,并实现3 kn航速下破冰阻力预报结果误差为10.08％.在此基础下,开展不同航速下破冰阻力预报工作,发现随着航速的...     

计及形变的滚塑船艇非线性横摇运动建模

以渔家乐滚塑休闲船为研究对象,结合船艇的典型尺度、载荷、风浪、航行区域的典型海况、回复力矩和阻尼力矩的非线性特征,并考虑船艇体的弹性形变、随机风速和波浪等非线性因素,根据力矩平衡原理,建立了零航速下滚塑船艇横摇的单自由度非线性运动方程,为控制或抑制船舶的横摇奠定了基础.仿真发现,当计及船体形变时横摇频率加快,船艇发生颤抖,角速度和角加速度均增大,船艇稳性和舒适感变差,而且不规则的风和浪对船艇横摇影响更大.本文的分析和计算思路同样可以应用于其他船舶.     

考虑安全和经济的发电权交易多目标优化

提出了一种新的发电机出力成本的计算方法,给出了较新的成本计算模型。在此基础上,建立了考虑碳排放约束下实现系统负荷裕度和发电机出力成本综合最优的发电权交易优化模型。所提模型以出力成本为枢纽,协调了系统在经济性和安全性方面的要求。引入法向量交叉投影法(NBI法)求解上述多目标优化模型,绘制帕累托曲线并求取发电机出力成本与系统负荷裕度之间的置换度。在IEEE118节点系统上验证该模型的有效性和正确性。仿真结果表明:所提模型能够满足系统交易时经济性和安全性方面的不同要求,为决策者提供判断依据。     

带货舱分配的化学品船航线规划问题研究

针对化学品船航线规划问题中为化学品货物分配合适的货舱的要求,考虑化学品船的船舶稳性、化学品货物的兼容性和货物在运输过程禁止更换货舱等货舱分配问题相关约束,构建混合整数线性规划(MILP)模型,对不同场景下的数学模型使用CPLEX优化求解器进行求解,实验结果表明,构建的数学模型弥补了以往研究在同时考虑化学品船的航线规划问题和货舱分配问题上的不足,为化学品船承运人提供了带有货舱分配的航线规划方案,使承运人在一个航次获得的利润最大。     

船舶能效营运指数预测的建模及仿真分析

为了研究船舶能量消耗的组成和EEOI的预测问题,以主机油耗作为研究重点,建立了船舶能效营运指数(ehip energy efficiency operational indicator,EEOI)分析预测仿真模型。建立了推进系统-船体运动-环境的联合数学模型,对船舶运动及推进系统状态进行迭代计算。采用欧洲中期天气预报中心(European Centre for MediumRange Weather Forecasts,ECMWF)的气象数据,结合目标船的设计、实验参数及航线进行了仿真。根据对目标船在不同转速、不同航线的EEOI进行仿真,结果表明:不同主机转速对推进系统的能量消耗组成有显著影响。模型能够对不同转速的时间及EEOI进行预测,为航速设计提供依据;同时还能对不同航线的EEOI进行对比,为基于能效的航线优化提供了研究基础。     

考虑满载率均衡的城市轨道交通直通运营开行方案优化

为了优化城市轨道交通直通运营的开行方案,分析了城市轨道交通直通运营的运营组织方法,划分了直通运营条件下乘客OD类型,提出了直通运营条件下的列车满载率不均衡系数的计算方法;加入了对列车多编组以及满载率不均衡性的考虑,以直通运营区间范围、不同列车发车频率、不同列车编组为决策变量,以最小化乘客出行成本、企业运营成本以及满载率不均衡系数为目标,构建了直通运营条件下城市轨道交通列车开行方案优化模型,设计了混合编码的遗传算法进行求解;以北京地铁房山线与9号线为例,研究了高峰时段和平峰时段最优的城市轨道交通直通运营开行方案,对比分析了直通运营与独立运营模式下的区间满载率等运营指标,探究了不同目标权重对最优解及优化结果的影响。结果表明：在高峰时段,与独立运营模式相比,直通运营模式在不改变列车编组的条件下,优化效果达到了12.85%;在平峰时段,开行多编组的列车可以有效地提高全线的满载率均衡性;最后通过权重分析发现随着乘客服务水平权重下降、运营企业成本权重上升,直通列车的发车频率下降,直通运营区段逐渐变小,开通直通运营列车的效果逐渐变差。