孟曉東　袁章新

摘要：

為提高單船營(yíng)運(yùn)能效，提出一種考慮不規(guī)則風(fēng)浪影響的最小油耗航速定量計(jì)算模型.首先進(jìn)行航段劃分，獲取海況數(shù)據(jù)；然后通過(guò)增加航行功率修正船舶失速的方法，構(gòu)建考慮風(fēng)浪影響的單位時(shí)間油耗模型；最后以每航段航速為決策變量，建立最小油耗航速非線(xiàn)性?xún)?yōu)化模型.考慮到實(shí)船應(yīng)用中最小油耗航速優(yōu)化算法需具有快速尋找全局最優(yōu)解的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)初始值算法.以實(shí)船某航次運(yùn)營(yíng)為例進(jìn)行了油耗及最小油耗航速計(jì)算，結(jié)果顯示：每海里油耗模型理論值與實(shí)測(cè)值相對(duì)誤差在可接受范圍內(nèi)；與不考慮不規(guī)則風(fēng)浪影響的計(jì)算模型（平均航速）相比較，采用這種方法計(jì)算出的油耗減少了1%，節(jié)能效果初見(jiàn)成效.

關(guān)鍵詞：

不規(guī)則風(fēng)浪； 油耗模型； 最小油耗航速； 數(shù)學(xué)模型

中圖分類(lèi)號(hào)： U692.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

0 引 言

最小油耗航速是考察單船營(yíng)運(yùn)能效的重要指標(biāo)，是航運(yùn)企業(yè)營(yíng)運(yùn)盈利的重要保證.隨著航運(yùn)市場(chǎng)的持續(xù)低迷以及溫室氣體排放的更嚴(yán)格限制，最小油耗航速研究變得更為迫切和重要.

以往固定航線(xiàn)上最小油耗航速研究一般假定兩相鄰港口間航速恒定[111]，與實(shí)際不符.每日在航油耗不考慮海況的影響[111]，對(duì)短航次營(yíng)運(yùn)燃油成本計(jì)算影響較大.每日在航油耗

f=A+B·Vn多采用A=0，n=3計(jì)算[16，910]，單船低航速航行時(shí)計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性不高（如V=0時(shí)，顯然f=0，但船舶實(shí)際零航速航行時(shí)也有燃油消耗；n=3對(duì)油船和散貨船一般會(huì)有較好的近似，但n需要取4或5甚至更高的自然數(shù)才能對(duì)集裝箱船有較好的近似）.為修正以上偏差，本文構(gòu)建考慮不規(guī)則風(fēng)浪非線(xiàn)性影響的最小油耗航速定量計(jì)算模型.

1 最小油耗航速定量計(jì)算模型

1.1 問(wèn)題描述

以某營(yíng)運(yùn)船舶為研究對(duì)象，為節(jié)能降耗，本文研究單船在兩個(gè)港口間固定航線(xiàn)上航行且船期固定時(shí)考慮不規(guī)則風(fēng)浪影響的最小油耗航速定量計(jì)算問(wèn)題.本文在研究過(guò)程中所提出的假設(shè)、模型構(gòu)建、實(shí)例分析均建立在假設(shè)兩個(gè)港口間已經(jīng)選出特定船舶的最佳航線(xiàn)的基礎(chǔ)上.最小油耗航速定量計(jì)算流程見(jiàn)圖1.

圖1

考慮不規(guī)則風(fēng)浪影響的最小油耗航速定量計(jì)算流程

1.2 氣象信息的獲取

1.2.1 航段劃分

航段劃分可采用數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)分析等技術(shù).抽取航行歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中大量業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)及對(duì)應(yīng)的風(fēng)浪等數(shù)據(jù)，依據(jù)以下原則進(jìn)行航段劃分.

（1）確定要考慮的海況影響因素.這里只考慮不規(guī)則風(fēng)浪的綜合影響.

（2）影響因素?cái)?shù)據(jù)相近的水域劃為同一航段.由于海況條件的復(fù)雜性，每航段航距不必相等.

1.2.2 海況數(shù)據(jù)的獲取

由于海況信息隨開(kāi)航后的時(shí)間變化，而船舶在固定航線(xiàn)上某一航段的位置也隨開(kāi)航后的時(shí)間變化，要得到船舶即將到達(dá)航段的具體海況信息，須將海況數(shù)據(jù)與船舶位置數(shù)據(jù)通過(guò)時(shí)間實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一.本文采用近似方法實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo).該方法雖非解析方法，但隨著模型的循環(huán)使用，精確性將不斷提高.具體方法如下：

（1）按完整航次平均航速計(jì)算單船到達(dá)每一航段中點(diǎn)的時(shí)刻.

（2）抽取該時(shí)刻的氣象海況預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)作為該航段的海況數(shù)據(jù)，從而將海況數(shù)據(jù)與固定航線(xiàn)按位置關(guān)系疊置，獲取單船在各個(gè)航段的海況信息.

（3）在下一航次開(kāi)航前，根據(jù)本航次的最小油耗航速預(yù)先計(jì)算下一航次到達(dá)每一航段的時(shí)刻，抽取各個(gè)時(shí)刻的海況預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)作為各個(gè)航段的海況數(shù)據(jù).循環(huán)多航次后，可使該模型更加精確.

1.3 考慮不規(guī)則風(fēng)浪影響的單位時(shí)間油耗計(jì)算模型

考慮不規(guī)則風(fēng)浪影響的每小時(shí)油耗計(jì)算可按如下思路進(jìn)行：首先計(jì)算在靜水中航行時(shí)每小時(shí)油耗F1，再計(jì)算有風(fēng)浪情況下為保持各航段航速不變而須增加的油耗

F2（附加油耗）.因此，風(fēng)浪影響下船舶單位時(shí)間油耗計(jì)算式可寫(xiě)成

1.3.1 每小時(shí)靜水油耗計(jì)算

特定船型的每小時(shí)靜水油耗計(jì)算式為

1.3.2 附加油耗計(jì)算

附加油耗計(jì)算通過(guò)計(jì)算有風(fēng)浪情況下的船舶失速的方法進(jìn)行.具體可先假定有風(fēng)浪情況下與靜水中的螺旋槳推進(jìn)系數(shù)、燃油消耗率相同，則

式中：n是一個(gè)具體常數(shù)，隨船型及裝載狀況的變化而變化（具體數(shù)值見(jiàn)表1）；Δv為船舶失速.計(jì)算船舶失速的方法主要有理論方法、經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)公式法等，經(jīng)過(guò)大量篩選實(shí)驗(yàn)后最終選取Kwon公式[14].該公式計(jì)算過(guò)程中不再區(qū)分風(fēng)、浪各自的作用，而是同時(shí)考慮風(fēng)浪的綜合影響.

1.4 最小油耗航速非線(xiàn)性?xún)?yōu)化模型

以完整航次油耗最小化為營(yíng)運(yùn)目標(biāo)，同時(shí)要求營(yíng)運(yùn)船舶在規(guī)定船期內(nèi)到達(dá)目的港，且船舶在實(shí)際航行過(guò)程中既不能無(wú)限制地增加航速也不能無(wú)限制地降低航速.基于以上因素可構(gòu)建如下目標(biāo)函數(shù)（式（10））及約束函數(shù)（式（11））.

2 計(jì)算實(shí)例

2.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

以某礦砂運(yùn)輸船“W”號(hào)為研究對(duì)象，該船航次計(jì)劃見(jiàn)表5. 根據(jù)“W”號(hào)2014年航行數(shù)據(jù)資料，依據(jù)航段劃分原則，將港口A與M之間劃分為12個(gè)航段（共13個(gè)節(jié)點(diǎn)），并采用平均航速預(yù)航行的方法，實(shí)現(xiàn)海況數(shù)據(jù)與航線(xiàn)數(shù)據(jù)的疊置.劃分情況見(jiàn)表6，各航段海況信息見(jiàn)圖3.

2.2 油耗函數(shù)的確定

2.2.1 靜水中油耗航速函數(shù)的確定

采用三因次船/模阻力換算方法計(jì)算靜水總阻力，根據(jù)上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所水池自航試驗(yàn)得到的螺旋槳實(shí)際功率預(yù)報(bào)結(jié)果（圖4），結(jié)合該船主機(jī)傳送效率以及燃油消耗率曲線(xiàn)，最終可得船舶在靜水中航行時(shí)的每小時(shí)油耗航速曲線(xiàn)（圖5）.

2.2.2 考慮風(fēng)（浪）影響后的油耗航速函數(shù)的確定及驗(yàn)證

利用增加航行功率修正船舶失速的方法可得到圖6所示的不同風(fēng)（浪）情況下的每小時(shí)油耗航速曲線(xiàn).為驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，將模型理論值與每海里油耗長(zhǎng)年統(tǒng)計(jì)值進(jìn)行了比較（見(jiàn)圖7），結(jié)果發(fā)現(xiàn)最大相對(duì)誤差不超過(guò)15%.考慮到本模型僅考慮了風(fēng)浪的影響，可認(rèn)為誤差在可接受范圍內(nèi).

2.3 優(yōu)化算法

實(shí)船應(yīng)用中最小油耗航速優(yōu)化算法應(yīng)具有快速尋找全局最優(yōu)解的特點(diǎn)，因此對(duì)初始值設(shè)置有較強(qiáng)的依賴(lài)性，本文提出首先利用割線(xiàn)法搜索

航速初始向量組

通過(guò)以上初始值算法得到接近最優(yōu)解的初始值后，再利用內(nèi)點(diǎn)罰函數(shù)法即可得到最優(yōu)解.

2.4 最小油耗航速曲線(xiàn)

根據(jù)第2.3節(jié)所述算法，可得最小油耗航速曲線(xiàn)，見(jiàn)圖8.

2.5 節(jié)能效果分析

根據(jù)恒速航行原理，在不考慮海況的條件下決策出的最小油耗航速為完整航次平均航速[15].將“W”號(hào)以考慮海況與不考慮海況時(shí)決策出的最小油耗航速航行時(shí)的油耗進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表7.

從優(yōu)化結(jié)果可以看出，單船以考慮海況時(shí)決策出的最小油耗航速航行時(shí)主機(jī)航次油耗為305.0 t，

比以不考慮海況時(shí)決策出的最小油耗航速航行時(shí)主

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)獲取復(fù)雜海況條件下的不規(guī)則風(fēng)浪數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)單船固定航線(xiàn)上的最小油耗航速定量計(jì)算模型和求解算法，最終得到考慮不規(guī)則風(fēng)浪影響的最小油耗航速曲線(xiàn)，可更好地指導(dǎo)船舶科學(xué)營(yíng)運(yùn)，達(dá)到節(jié)能降耗的目的.

本文的研究過(guò)程中仍存在一些不足，如：海況數(shù)據(jù)的獲取尚不夠精確，油耗模型只考慮風(fēng)浪的綜合影響等.今后的研究中，將著重解決海況數(shù)據(jù)的更精確獲取，考慮水流、水深等海況因素，船舶污底、螺旋槳工況等設(shè)備因素綜合影響的最小油耗航速計(jì)算模型.

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（編輯 賈裙平）