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原文传递内河船舶不同营运阶段能效优化方法研究

论文题名：	内河船舶不同营运阶段能效优化方法研究
关键词：	内河船舶;航行过程;能效控制;航速优化
摘要：	内河船舶在推动我国经济发展的同时也带来了非常严重的污染排放问题，对内河航道周边环境造成了危害。提升船舶能效水平可有效改善内河船舶污染排放问题。然而目前内河船舶能效方面的建模及能效优化方法研究主要是针对船舶整个营运期建立能效仿真模型并进行能效优化，忽略了实际营运过程中船舶设备运行性能变化引起的不同营运时期下能效特征的差异性，针对船舶不同营运阶段下的能效建模和能效优化方法的研究较少。因此，进行内河船舶不同营运阶段能效建模和能效优化方法方面研究，提升其整体能效水平，对内河船舶的节能减排具有重要意义。　　本文以内河船舶为研究对象，开展了内河船舶不同营运阶段划分方法、各营运阶段下适用的能效建模方法以及能效优化方法等方面的研究，并应用于内河一艘营运的轴带发电机双燃料船舶上。论文的主要研究工作如下：　　（1）提出了内河船舶不同营运阶段的划分方法。对船舶不同营运时期特点和采集数据特征进行了分析，提出以数据综合覆盖率与仿真模型精度两者相结合为依据进行不同营运阶段划分方法：将船舶处于完成第一个完整航次航行前划分为营运前期；当能效相关数据的综合覆盖率达到85%及以上，同时，同一航线内连续三个航次下基于数据分析建模方法的模型精度均高于基于机理与数据分析相结合建模方法的模型精度时，将该阶段划分为营运后期；介于前期和后期之间的营运期为营运中期。　　（2）提出了内河船舶不同营运阶段的能效建模方法。首先针对机理建模、机理与数据分析相结合建模及数据分析建模三种能效建模方法进行了研究，并分析各建模方法的适用范围，然后结合不同营运阶段特点，提出各阶段的适用建模方法，即营运前期阶段采用机理建模，营运中期阶段采用机理与数据分析相结合建模，营运后期阶段采用纯数据分析建模。　　（3）研究了内河船舶不同营运阶段的航速优化方法。针对内河船舶进行了航速优化研究，首先提出了内河船舶航速优化思路；然后分析了不同营运阶段下航速优化方法的区别。研究结果表明：进行内河船舶航速优化时首先需要进行航段划分，然后构建以主机转速为优化变量的航速优化模型，最后优化各航段内主机转速从而实现航速优化；船舶不同营运阶段航速优化方法基本相似，区别在于用于航段划分的相关通航环境数据的获取途径不同，其中营运前期阶段航段划分的相关通航环境数据通过其他船舶或通过水文局、气象局和航道局获取，营运中期和后期阶段航段划分的相关通航环境数据通过船舶自身能效采集系统采集的数据获取。　　（4）基于实例船舶进行了不同营运阶段能效建模方法准确性验证及能效优化方法的应用研究。以一艘内河营运的轴带发电机双燃料船舶为研究目标，首先分别利用不同能效建模方法构建了不同营运阶段的能效仿真模型，并进行仿真模型精度验证及对比；然后分别构建基于航行区域、通航环境数据的航段划分下的单航次燃料消耗最低航速优化模型并利用PSO（Particle swarm optimization）算法完成模型优化求解。研究结果表明：营运前期阶段建模时，基于机理建模方法构建的仿真模型精度较高，油耗、气耗平均相对误差分别为3.25%、4.96%；营运中期阶段建模时，基于机理与数据分析相结合建模方法构建的模型精度整体较基于数据分析建模方法构建的模型精度更高，模型油耗及气耗仿真误差均在3.2%以内；而在营运后期阶段建模时结论与中期阶段相反，且数据分析建模方法模型油耗及气耗仿真误差均在2.5%以内；基于两种不同航段划分方法构建的航次燃料消耗航速优化模型经优化后航次当量油耗分别降低了3.06%和3.81%。
作者：	陈兴
专业：	轮机工程
导师：	尹奇志
授予学位：	硕士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2021