基于海洋气象的船舶主动变速航路优化.pdf

航海技术第4 5卷第8 期2 0 2 3年8 月水运管理基于海洋气象的船舶主动变速航路优化王军,周扬刚（大连海事大学交通运输工程学院，辽宁大连1 1 6 0 2 6）【摘要】当今船舶航路优化系统被广泛应用在远洋运输船舶中。以船舶航向和风浪变化顶点处的航速为优化对象，并考虑到船舶的航行状况、安全及成本情况，将Dijkstra 算法与遗传算法相结合，提出一种带时间约束的航路优化算法，通过该算法可以得出船舶航线的全局最优解。比较仅变向航线、变向变速航线的计算结果与实船（大圆航线）实测结果，证明基于海洋气象的船舶主动变向变速航路优化算法的航行节油效果显著。【关键词】航路优化；Dijkstra算法；气象导航法来搜索给定航程的最佳轨迹（由经度和纬度组(1)引言D在海上运输中，船舶安全和能源利用效率是提高船舶运营竞争力和航运企业可持续发展的2个重要方面。气象导航系统被航运业界认为是确保船舶安全、获得更大经济效益、减少对环境负面影响的有效手段。在船舶航行过程中，船长需要结合海上环境与气象因素的实际情况，分析船舶运行状态，在做好对气象环境评估的同时对原有航线进行优化，以保证船舶航线科学合理。灵活运用气象导航系统可以保障船舶航行安全，减少船体浪损，降低灾难性事故的发生概率，节省燃油，提升航行的安全性，保证船舶整体性能的提升2。船舶采用气象导航系统后，船舶的航行可能会出现以下几种情形：航行距离和航行时间增加；气象条件对航行的影响较大；航行较自由、约束少；经过海域的天气条件较差。传统的航程规划方法通常是采用二维优化算收稿日期：2 0 2 3-0 2-0 6基金项目：国家社会科学基金资助项目（1 3BGJ045）作者简介：王军(1 9 6 3一）,男，教授、博士,研究方向为航运管理、工程项目物流、海运风险工程；周扬刚（1 9 9 8 一）,男,硕士研究生,研究方向为交通运输规划与理论32http:/成的航点）。二维优化算法一般可分为基于静态网格的方法和基于动态网格的方法。Dijkstra算法是一种基于网格的算法，为精确求解离散优化问题提供了一种方法。该方法具有应用简便、灵活的特点，因此被广泛地应用在气象导航中。笔者针对现有航线优化方法存在的问题，提出一种具有时间约束的变向变速的航线优化方法。该方法以船舶航向和风浪变化顶点处的航速为优化对象，以预计到达时间为约束条件；以航行燃油消耗为优化目标，整合遗传算法与Dijsktra算法，从而得出最优航线轨迹。船舶航路建模1.1船舶速度计算对于大圆线和仅变向线，船的速度被设定为DVf=t式中：D,为大圆距离；t为测得的整个航路的航行水运管理第4 5卷第8 期2 0 2 3年8 月航海技术时间。采用可变速航路规划方法的航速变化可以克服大圆航线与仅变向航路规划方法的局限性，能实现灵活的航次优化。变速航线的速度p为Vp=vi,V2,.,Vi,vi式中:v,E0.5 vr,1.2vr,i=1,2,n。1.2构建航路优化模型1.2.1航行环境模型在船舶航行的区域周围生成一个航点网格，网格的生成往往是基于航行起点与目的地之间的大圆参考路径。从出发点开始，在大圆航线上每隔相同距离d（d 为天气预报的空间分辨率)设置一个参考点，再以每个参考点为垂足，生成垂直于当前大圆路线方向的其他路径点（航路点）。航路点应只覆盖在船舶可能行驶的区域内。为了避免船舶大幅度转弯和前往无效的航路点而造成不必要的燃油消耗，需要在系统中构建连接关系来保证船舶只能在指定的2 个相邻的航路点间移动。同时，规定船舶的航行方向可分为直行、左转和右转。因此，系统中从任意一个路径点出发均有可能到达下一阶段的3个不同航路点。1.2.2目标函数的设计用于建模的船舶是一艘350 0 TEU的集装箱船。将给定海况下的总阻力定义为静水阻力、波浪阻力和风阻力之和，并通过实施一套适航标准来确保船员和货物的安全。从横摇、相对垂直加速度、砰击概率和甲板湿度概率等方面计算船舶的耐波性能；通过谱分析计算波浪和船舶响应的平均附加阻力。其中，有效波高和峰值周期是谱参数。通过网络优化来解决路由问题。在2 个端口之间构造了一个由节点和弧组成的网络。该网络定义了船舶的可行区域，即所有可能的船舶位置；节点是经纬度交点，弧线是节点之间的行走路径。每个节点包含有重要波高、平均波周期、平均波向及风对航行中船舶推力的横向分力和纵向分力等信息。每个弧线（航段)被分配一个成本额度，表示两个节点之间的燃料消耗。目标函数是反映航线是否合理的性能指标，也是优化的最终目的。以船舶预定的航行时间作（2）为约束，以燃油消耗为优化目标，建立单目标优化函数如下：t：min F=ZF,D;-1式中：t 为每一恒速航段的航行时间;D 为每一恒速航段的航行距离；n为航路点数量，即航段总数为n-1；D i、F:分别为船舶在第i阶段的航行距离和主机有效推力。在船舶动力不变的情况下，由于风浪的干扰，船舶实际航行速度较海面静止状态下有所下降。1.3算法改进在变向航路基础上，在保证航路安全的前提下，拟通过变向航路风浪图来选择变速航路点，如图1 所示。首先，以波高大于4 m的所有顶点构建初始种群，通过遗传算法选择两处变速航路点。其次，通过Dijsktra算法进行计算，适应度值就是目标函数的燃油消耗最小值，不断淘汰与更新变速航路点，加快遗传算法的收敛速度。最后，得到在给定的到达时间内，消耗燃油最少的航线。5.5(15,5.300)(21,5.267)5.0184.703)4.54.03.53.02.52.01.500510152025303540455055606570758085图1 航路的风浪变化图与顶点2仿真实验与分析仿真实验设定的航线起点为横滨附近E-mail:SYGL33DVpn-11(37,4.760)49,4.163V(64,4.036)航路点(3）(4)(57,4.300)/(60,4.348)航海技术第4 5卷第8 期2 0 2 3年8 月水运管理（35.2 5N，1 4 1.7 5E），终点为旧金山附近（37.0 0 N，122.00W），选择标准排水量为4 7 2 0 2.4 8 t的350 0TEU集装箱船进行仿真。初始大圆航线的航行时间为1 6 9 h，燃油消耗为8 0 7 t，但由于大圆航线所经过区域的气象条件有大于8 级的风浪，超过设定的船舶耐受等级，所以大圆航线是不安全的。基于大圆航线，设定预计航线时间为1 6 9 h,通过Dijkstra算法得到的变向航线，与大圆航线进行比较，并得到航路的风浪变化，如图2 所示。图2 仅变向航线与大圆航线比较根据变向航线的海洋气象条件，得到风浪图的变化顶点，结合遗传算法与Dijkstra算法，得到的一条在风浪变化顶点1 5航路点与6 0 航路点进行主动变速的最优的变向变速航线，新航线与大圆航线进行比较，如图3所示。图3变向变速航线与大圆航线比较与航行时间1 6 9 h情况下的计算结果进行了对比（见表1）。变向变速航线的航行速度变化为先慢速，再主动加快，最后再主动减速，较好地满足了到达时间的要求，做到安全运输。通过对比可知，变向变速航线的燃油消耗相对于仅变向航线节省了7 8 t（约1 0%）的燃油，证明了该方法在满足预定到达时间要求下的节油效果。表1航行时间1 6 9 h下的航线计算结果对比船舶发动机转速/是否航行时间/燃油消耗/航线类型(r/min)大圆航线恒定1 1 5变向航线恒定1 1 9变向变速航线111-115-1133 结语在变向航路基础上，在航路安全的前提下，通过航路风浪变化图中的浪高顶点选择变速航路点，采用择选的可变速航路点构建初始种群，运用Dijsktra算法进行计算，加快遗传算法的收敛速度。以太平洋航线为例，通过大圆航线与仅变向航线的对比,验证了变向变速航线算法的节油效果。当仅变向航线航行时间与给定的时间有一定差距时，对船舶进行主动变速操作能得到明显的优化结果。尤其是对于班轮运输这种高度依赖航行时刻表航行的船舶来说，可以固定好到达时间，从而得到一个成本最小的航行路线。相比于所有航段都进行变速变向的航线，选择更高效的变速航路点，不仅可以加快航路的计算速度，而且实用性也更强。水参考文献：1徐康.船舶承租人与船舶所有人关注气象导航的不同价值取向J.水运管理，2 0 1 8（6)：7-8.2张彦，黄靖晨，李慧媛.船舶清洁能源利用与航线优化的协同性.中国航海，2 0 1 8（1):1 0 9-1 1 2.安全否169是160是168ht805854769（上接第31 页）重要意义，目前受到世界各国以及整个国际航运业的支持。由于智能无人船舶在法律适用以及风险规制方面均存在空白，所以加强制定智能无人船舶的海上保险规制十分重要。因此，保险公司需要及时跟踪、分析和评估智能无人34http:/船舶技术发展情况，着手建立智能无人船舶海上保险条款。水参考文献：1韩立新，姜亚迪.无人船舶责任保险制度研究.大连海事大学学报：社会科学版，2 0 2 1 1):1-6.