發(fā)布時(shí)間：2020-11-05 05:51

　　 全球環(huán)境問題,尤其是溫室效應(yīng),在變得日益嚴(yán)重的當(dāng)下,有必要對(duì)CO_2排放量大戶的船舶航運(yùn)業(yè)進(jìn)行節(jié)能減排、能耗的研究。對(duì)我們而言,這不僅僅是造福全人類的舉措,也符合我國節(jié)能減排、綠色低碳生活的號(hào)召,符合我國的相關(guān)政策以及科技發(fā)展趨勢(shì),對(duì)船運(yùn)企業(yè)來說,也是一個(gè)能夠降低航運(yùn)成本的一大利好。本文從航速優(yōu)化和高性能航跡控制設(shè)計(jì)這兩個(gè)方面綜合進(jìn)行船舶能耗、節(jié)能減排的研究。首先,完成了對(duì)船舶航行時(shí)的受力情況分析以及對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)的建模。按照力的產(chǎn)生原因,研究中將船舶所受到的力分為航行時(shí)的靜水阻力和環(huán)境干擾力兩個(gè)方面分別進(jìn)行分析。根據(jù)各種力的產(chǎn)生與作用機(jī)理,建立了研究對(duì)象船舶的受力模型,并對(duì)干擾力模型進(jìn)行了仿真。借助于這些受力分析,運(yùn)用MMG分離建模的思想,搭建了用于仿真航行試驗(yàn)的船舶水平面三自由度運(yùn)動(dòng)模型。然后,對(duì)船舶推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)的研究并建立了船舶柴油機(jī)的油耗率模型。通過對(duì)船舶柴油機(jī)和螺旋槳工作原理的分析,總結(jié)出它們的工作特性�？紤]到船舶航行時(shí),船、槳之間會(huì)相互影響,對(duì)螺旋槳的推力模型進(jìn)行了相關(guān)修正。此外,對(duì)船舶航行時(shí)船體、柴油機(jī)、螺旋槳之間的運(yùn)動(dòng)與平衡關(guān)系也進(jìn)行了研究,并依據(jù)這些研究結(jié)果,建立了船舶柴油機(jī)主機(jī)的油耗率模型。接著,完成了對(duì)遺傳算法的實(shí)現(xiàn),并用實(shí)現(xiàn)的算法完成了對(duì)船舶航速的優(yōu)化。出于對(duì)航速優(yōu)化問題求解的需要,將研究中使用的船舶運(yùn)營航線進(jìn)行了分段處理,并把船舶在整個(gè)航程的燃油消耗量作為遺傳算法的目標(biāo)函數(shù)和隸屬度函數(shù)。結(jié)合航速優(yōu)化問題的實(shí)際要求,在算法中加入相應(yīng)的限制條件,繼而根據(jù)遺傳算法的相關(guān)理論,依靠遺傳算法與直接搜索工具箱GADST,完成遺傳算法在matlab平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)。在此基礎(chǔ)上,運(yùn)用實(shí)現(xiàn)的遺傳算法進(jìn)行航速優(yōu)化問題的求解,并對(duì)算法的優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比論證。最后,設(shè)計(jì)了用于船舶航行控制的航跡控制系統(tǒng),并基于該系統(tǒng)對(duì)能耗優(yōu)化算法進(jìn)行了驗(yàn)證。在對(duì)航跡控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),重點(diǎn)放在模糊控制器的設(shè)計(jì)上,并采用條件切換的工作方式將所設(shè)計(jì)的PD控制器和模糊控制器組合在一起,使得兩者互相取長補(bǔ)短,發(fā)揮各自的優(yōu)異性能。另外,設(shè)計(jì)中還提出了一個(gè)航段跟蹤決策算法,用以指示航跡控制器接下來要跟蹤的目標(biāo)航段。設(shè)計(jì)的最后,通過仿真試驗(yàn)和模擬航行,對(duì)所設(shè)計(jì)的航跡控制系統(tǒng)的控制性能和能耗優(yōu)化算法的節(jié)能效果進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：U676.3;TP18
【部分圖文】：

帶來的危害有許多，會(huì)使全球氣溫上升，導(dǎo)致南北極冰川融化，海的地方和城市會(huì)被淹沒，其次還能引起物種的滅絕，氣象災(zāi)害頻發(fā)等業(yè)是全球經(jīng)濟(jì)聯(lián)系的重要紐帶，將近 90%的進(jìn)出口商品通過海路運(yùn)輸各地。但是，航運(yùn)業(yè)也是全球 CO2排放量大戶，曾被歐洲環(huán)境署（E受管制的空氣污染源之一”，以 2007 年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為例，其一年的 C46 億噸，約占全球排放量的 3.3%，如果繼續(xù)不管不顧，不對(duì)此采取相應(yīng)年該數(shù)值將上升為 12%~18%[1]。因此，為了減緩溫室效應(yīng)，降低航運(yùn)在必行，為此，國際海事組織（IMO）已制訂了一系列強(qiáng)制性措施來耗，以達(dá)到節(jié)能減排的目的。例如，新造的船舶要滿足能效設(shè)計(jì)指數(shù)運(yùn)指數(shù)（EEOI），運(yùn)營中的船舶要滿足排放基線等等。IMO 組織在歐著手于全球船舶碳交易方案和技術(shù)指標(biāo)的制訂，為航運(yùn)業(yè)以及造船業(yè)對(duì)相關(guān)技術(shù)落后的國家是及其不利的。相比于造船技術(shù)比較發(fā)達(dá)領(lǐng)先一領(lǐng)域有很大的不足，尤其是在船舶能效管理與相關(guān)節(jié)能技術(shù)研究這些舉措勢(shì)必會(huì)對(duì)我國產(chǎn)生一定的影響，因此，我國需要在船舶節(jié)能減度與資金投入，搶占技術(shù)先機(jī)。

哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文另一方面，不斷上漲的國際油價(jià)也影響著船舶的運(yùn)營成本，圖 1.2 是一張 2017價(jià)的走勢(shì)圖，從中可以得出 2017 年的國際油價(jià)大體呈上升趨勢(shì)。降低船舶的，不但能減少 CO2的排放量，還能夠降低船舶航運(yùn)企業(yè)的運(yùn)營成本，這對(duì)我們重利好。除此之外，智能化船舶也成為近年來的一個(gè)發(fā)展方向。依據(jù)中國船CS）2015 年發(fā)布的《智能船舶規(guī)范》中的智能船舶的定義，其中一項(xiàng)就包括船智能管理。在我國，船舶作為一種重要的水上運(yùn)輸工具，對(duì)我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)起要的作用，約有 93%以上的貨物都是通過水路運(yùn)輸完成的，目前來說，難以有方式能夠?qū)⑵淙〈�；而且交通運(yùn)輸部為了實(shí)現(xiàn)交通運(yùn)輸業(yè)的節(jié)能減排和綠色低，也出臺(tái)了相關(guān)的政策法規(guī)，以限制運(yùn)營船舶的能源消耗和廢氣、廢水等污染[1]。因此，研究船舶能耗與節(jié)能相關(guān)技術(shù)既符合技術(shù)發(fā)展的潮流也符合當(dāng)下我要求。降低船舶的能源消耗既符合船舶營運(yùn)企業(yè)的利潤需求，也是船舶設(shè)計(jì)人目標(biāo)。

圖 1.3 某油輪能耗分布圖國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 IMO 的強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)要求下，各個(gè)國家紛紛開展了關(guān)于降低船舶能源消耗作，并且取得了一些相關(guān)的研究成果。于船舶燃油消耗量和航速有著直接的聯(lián)系，相關(guān)的研究資料表明，航速每降 CO2排放就減少 13%[4]。因此，通過航速優(yōu)化來降低燃油消耗也成為了國人員選擇的一條研究途徑。 國外研究現(xiàn)狀國外，相關(guān)領(lǐng)域的研究主要集中在船舶航行規(guī)劃優(yōu)化以及營運(yùn)經(jīng)濟(jì)性方面接將航速和油耗量結(jié)合起來進(jìn)行研究的比較少。homas Hellstrom 教授通過將螺距優(yōu)化、速度動(dòng)態(tài)優(yōu)化、航線規(guī)劃優(yōu)化結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了船舶優(yōu)化從機(jī)械傳動(dòng)部分到航線規(guī)劃以及速度控制部分的自下而成了對(duì)船舶螺距、航速、油耗的優(yōu)化控制[5]。
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