基于实时水情的船舶航行碳减排优化方法技术

本发明专利技术公开了一种基于实时水情的船舶航行碳减排优化方法，包括以下步骤：(1)获取区域内实测数据，建立水动力数值模型；(2)依据油耗指标，构建船舶油耗模型；(3)掌握不同出航时间下油耗随船速变化特征，建立船舶航速优化模型，针对不同水情得到相应最适航速优化方案。本发明专利技术主要基于由水动力模型计算所得到的实时航道水情，通过引入间接反映耗油大小的耗油指标，建立船舶航速优化模型，实现对不同出发时间下船舶航运速度的优化，以达到船舶航行碳减排的目标。减排的目标。减排的目标。

【技术实现步骤摘要】
基于实时水情的船舶航行碳减排优化方法


[0001]本专利技术涉及一种水运能源减排方法，尤其涉及一种基于实时水情的船舶航行碳减排优化方法。

技术介绍

[0002]水路运输，作为世界许多国家最重要的运输方式之一，具有载重量大、成本低、投资少、能耗小的特点，船舶独占鳌头，完成了世界上超过九成的货物运输。然而在污染气体排放方面，水运行业与其他行业相比占总有较大比重。目前全球航运业发展产生的二氧化碳气体排放正日益成为一个不可忽视的问题，再加上燃油成本的不断提高，航运业，包括船舶的减排问题正面临愈来愈多的挑战。这也就推动了为减少船舶油耗，对航运业能效技术进行提升优化的一系列研究发展。目前，国内外的研究主要是以船舶工况与水动力情况为指导，构建出船舶在不同的航道以及工况下的油耗模型，通过求解模型，选择最优的船舶航速、航道等参数来使船舶在经历航行后总油耗量最少。
[0003]但是在一些河口地区的航道由于受潮汐以及复杂地形等条件的影响，水动力情况变化复杂，使得船舶在调整航行参数来达到碳减排时无法达到预期。

技术实现思路

[0004]专利技术目的：针对以上问题，本专利技术提出一种基于实时水情的船舶航行碳减排优化方法，分析航道内实时水情来优化船舶航行以达到碳减排的目的。
[0005]技术方案：本专利技术所采用的技术方案是一种基于实时水情的船舶航行碳减排优化方法，包括以下步骤：
[0006](1)获取区域内实测数据，建立水动力数值模型；其中所述获取区域内实测数据，包括区域内地形，河道边界岸线，测站处水深信息；使用网格将区域剖分，根据区域地形建立不规则三角网格。
[0007]所述水动力数值模型，是利用平面二维水流模型进行区域水流模拟，计算完毕后选择模拟区域内部分测点的实测数据从水深、流速、流向的角度对模型进行验证。
[0008](2)将航道分为若干航段，依据油耗指标构建船舶油耗模型，油耗指标V
oil
的目标函数为：
[0009][0010]其中，n表示总航段数，i表示第i段航段，v
ci
为船舶在第i段航段的相对水的航速，t
i
为船舶航行完第i段航段所需要的时间；
[0011]上述目标函数的船速约束条件如下：
[0012][0013]v
ci
≤v
max
，i＝1，2，
…
，n
[0014]v
ci
≥v
min
，i＝1，2，
…
，n
[0015]式中：s
i
为第i段航段的长度；v
i
为船舶在第i段航段的绝对航速大小；T为船舶从起点航行至终点的限制时间；v
max
为船舶能行驶的最大相对水的航速；v
min
为船舶能行驶的最小相对水的航速。
[0016]步骤(2)中将航道分为若干航段后，使用下式计算航段距离：
[0017][0018]式中，d
i
为第i段航段的长度；x
i
，x
i+1
分别为第i段航段的始末两点的横坐标；y
i
，y
i+1
分别为第i段航段的始末两点的纵坐标；
[0019]水流流速投影至航线方向上，公式如下：
[0020]v＝v0·
cosθ
[0021]式中，v为沿航线方向上的水流流速，v0为水流流速的初始值，θ为水流流向与航线之间的夹角；
[0022]船舶行驶在某段航段时，水流的取值为航段始末流速大小的平均值，对任意时刻，有：
[0023][0024]式中：v
w
为船舶到达位置处的水流流速；为船舶航行路过的最后一个航线点的水流流速；为船舶即将要路过的下一个航线点的水流流速。
[0025](3)根据不同出航时间下油耗随船速变化特征，建立船舶航速优化模型，针对不同水情得到相应的最适航速优化方案。
[0026]所述的最适航速优化方案，在航速只有大值和小值两种选择时，方案具体为：
[0027]船舶航行在航程中多数时刻处于顺流状态的情况下，船速在顺流航行时在船速限制区间内取小值，逆流状态下在保证船舶在限制时间内到达终点的情况下，船速取小值；
[0028]当船舶处于顺流航行与逆流航行时间相近时，船舶船速取值在顺流和逆流时均取大值；所述时间相近是指时间差小于某阈值；
[0029]船舶在航程中多数时刻处于逆流航行的情况下，此时调整船速在顺流状态下的取值对航行时间与油耗的影响较小，选择在逆流时刻等待的方法尽管在时间上会有一定延长，但在节省油耗上更优，建议采用。此外使船舶在逆流状态下船速取大值，既可以保证运输效率也能降低油耗指标。
[0030]有益效果：相比于现有技术，本专利技术具有以下优点：本专利技术考虑了当前位置的水流流向、流速等条件，基于平面二维水流模型，提出了间接表现船舶油耗大小的油耗指标，成功构建起了基于航道实时水情的船舶油耗模型，以分析不同水流下船舶航速方案的耗油情况，从而实现在满足一定时间限制的情况下，降低船舶油耗的目的。技术上简单易操作，能够通过航速优化，最终明显减少船舶航行耗油量，实现船舶碳减排目标。
附图说明
[0031]图1是本专利技术所述的基于实时水情的船舶航行碳减排优化方法的流程图。
具体实施方式
[0032]下面以一条从上海至江阴的航线上的船舶航速优化为具体实例，结合附图和表格对本专利技术的技术方案作进一步的说明。
[0033]本专利技术所述的基于实时水情的船舶航行碳减排优化方法，包括如下步骤：
[0034]步骤1、获取研究区域内实测数据，建立水动力数值模型；
[0035]获取研究区域内实测数据信息，本例水动力模拟范围选取在长江流域，因此信息包括区域内地形，河道边界岸线，测站处水深等数据。将其用于区域网格剖分与建立，对地形图建立不规则三角网格，并对网格大小形状的优化调整。
[0036]水动力计算采取平面二维水流模型模型进行数值模拟，模拟时段定为2018年1月1日08：00：00至2018年1月16日08：00：00；时间间隔为1800秒(半小时)；时间步长为720秒。在生成的计算结果中根据两测站坐标提取两点的水深值与水流流速流向大小，并与实际观测数据进行对比验证。经验证，测点流速变化曲线的计算值和实测值之间存在差异较小，实际流速与模拟流速的整体增减趋势基本相同，总体看来，各测点误差较小且符合良好，能较为精确地反映模拟区域的水流运动情况。
[0037]步骤2、依据提出的油耗指标，构建船舶油耗模型；
[0038]本专利技术提出用一指标V
oil
间接表现总油耗量的大小：
[0039][0040]其中：V
oil
(m/s)为间接表现油耗量的指标，v
ci
(m/s)为船舶在第i段航段的(对水)航速大小，t
i
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于实时水情的船舶航行碳减排优化方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)获取区域内实测数据，建立水动力数值模型；(2)将航道分为若干航段，依据油耗指标构建船舶油耗模型，油耗指标V
oil
的目标函数为：其中，n表示总航段数，i表示第i段航段，v
ci
为船舶在第i段航段的相对水的航速，t
i
为船舶航行完第i段航段所需要的时间；(3)根据不同出航时间下油耗随船速变化特征，建立船舶航速优化模型，针对不同水情得到相应的最适航速优化方案。2.根据权利要求1所述的基于实时水情的船舶航行碳减排优化方法，其特征在于：步骤(1)中所述获取区域内实测数据，包括区域内地形，河道边界岸线，测站处水深信息；使用网格将区域剖分，根据区域地形建立不规则三角网格。3.根据权利要求1所述的基于实时水情的船舶航行碳减排优化方法，其特征在于：步骤(1)中所述水动力数值模型，是利用平面二维水流模型进行区域水流模拟，计算完毕后选择模拟区域内部分测点的实测数据从水深、流速、流向的角度对模型进行验证。4.根据权利要求1所述的基于实时水情的船舶航行碳减排优化方法，其特征在于：步骤(2)中目标函数的船速约束条件如下：v
ci
≤v
m
a
x
，i＝1，2，
…
，nv
ci
≥v
min
，i＝1，2，
…
，n式中：s
i
为第i段航段的长度；v
i
为船舶在第i段航段的绝对航速大小...

【专利技术属性】
技术研发人员：孔俊，周吕斌，荆立，王俊，高超，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：