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原文传递船舶油耗预测与能效提升研究

论文题名：	船舶油耗预测与能效提升研究
关键词：	船舶;油耗预测;能效提升;航速优化;气象导航;螺旋桨
摘要：	作为国际贸易中最主要的运输方式，海洋运输对国际贸易的繁荣和全球经济的发展至关重要;同时，海洋运输也是我国对外贸易中的主要运输方式，是推动我国外向型经济发展、促进“一带一路”建设的基础支撑和重要保障。尽管海洋运输是最为节能的运输方式，航运业仍是温室气体排放量最多的行业之一。为了有效降低航运业的温室气体排放量，国际海事组织出台了一系列的船舶减排条例，同时也提出了具体的减排目标。我国政府也高度重视航运业的温室气体减排问题，出台了相应的工作方案并提出了明确的减排目标。这些减排条例和方案的出台以及减排目标的提出给航运业带来了巨大的温室气体减排压力。另一方面，近年来燃油价格的不断上涨显著地增加了船舶的营运成本，从而给航运业带来了降本方面的压力。面对来自减排方面和降本方面的双重压力，航运业迫切需要提升船舶能效以在保证产出的前提下减少船舶的温室气体排放量并降低船舶的营运成本。与船舶设计阶段的能效提升方法相比，船舶营运阶段的能效提升方法既适用于新建船舶又适用于现有船舶，且有着投入较少、效果显著和简单易行的优点，因而备受航运业青睐。实施船舶营运阶段的能效提升方法的前提是准确预测船舶在不同航行条件下的油耗。因而，开展船舶油耗预测建模方面的研究，并以构建的油耗预测模型为基础进一步研究如何改进现有的船舶能效提升方法，对促进航运业的节能减排和可持续发展具有重要的理论和实践意义。鉴于此，本文对船舶油耗预测与能效提升这两个密切相关、相互依存的科学问题进行了深入研究，主要研究内容如下: 　　(1)基于“概念界定——理论基础——运行机制——框架构建”的一般性分析逻辑，界定了本文研究所涉及的重要概念，阐述了本文研究所依据的理论基础，阐释了船舶油耗预测与能效提升之间的关系，并在上述研究的基础上构建了船舶油耗预测与能效提升研究的理论框架。　　(2)以识别船舶油耗的主要影响因素为目的，首先分析了船舶油耗的产生机理，然后基于船舶油耗的产生机理全面分析了船舶油耗的影响因素，最终结合航运业的实际需求确定出了船舶油耗的主要影响因素，从而为船舶油耗预测模型的构建提供了理论依据。　　(3)在确定出了船舶油耗的主要影响因素之后，进一步研究了如何构建船舶油耗预测模型。首先，对比分析了白箱、黑箱和灰箱三种系统建模方法的优劣势，并结合船舶油耗预测的实际需求阐释了选择灰箱建模方法的原因;其次，以灰箱建模的步骤为基础，设计了船舶油耗预测灰箱建模的逻辑框架;然后，依据建模的逻辑框架依次深入研究了模型结构构建、参数估计以及模型分析与评价等三个问题;最终构建出了同时考虑静水阻力、风浪流影响以及船体和螺旋桨状况变化增阻的船舶油耗预测灰箱模型，从而为船舶能效提升方法的研究提供了模型基础。　　(4)以本文构建的船舶油耗预测灰箱模型为基础，进一步研究了如何采用一定的方法来提升船舶能效。首先，全面分析了船舶营运阶段的能效提升方法;然后，结合这些方法的节能效果和所需投入从中选出航速优化和气象导航这两种方法进行了深入研究。具体而言，就是以本文构建的船舶油耗预测灰箱模型为基础，分别构建了考虑洋流影响的船舶航速优化模型和改进的可变航速下的船舶气象导航模型，并设计了相应的求解算法，从而对航速优化和气象导航这两种船舶能效提升方法进行了改进和完善。　　(5)对本文所构建的船舶油耗预测灰箱模型和所提出的两个船舶能效提升方法（即考虑洋流影响的船舶航速优化和改进的可变航速下的船舶气象导航）进行了实例分析，验证了它们的准确性和有效性;基于实例分析的结果，提出了六点切实可行的船舶能效提升对策，为航运业的节能减排和可持续发展提供了决策参考。　　本文的理论贡献主要体现在以下四个方面:(1)构建了船舶油耗预测与能效提升研究的理论框架，丰富和完善了船舶节能减排理论体系;(2)识别了船舶油耗的主要影响因素，为船舶油耗预测模型的构建提供了理论依据，同时也在一定程度上拓展了船舶油耗主要影响因素的识别方法;(3)构建了同时考虑静水阻力、风浪流影响以及船体和螺旋桨状况变化增阻的船舶油耗预测灰箱模型，弥补了现有相关研究的不足;(4)对航速优化和气象导航这两种船舶能效提升方法进行了改进和完善，弥补了现有相关研究的不足。同时，本文也具有重要的实践价值，即本文在船舶油耗预测模型、船舶能效提升方法和船舶能效提升对策等方面的研究成果能够为航运业的节能减排和可持续发展提供模型基础、方法支撑和决策参考。因而，本研究的开展对促进航运业的节能减排和可持续发展具有重要的理论和实践意义。
作者：	杨立乾
专业：	管理科学与工程
导师：	赵金楼
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2021