本發(fā)明涉及船舶性能優(yōu)化，具體涉及一種考慮不確定性變量的船舶航行性能優(yōu)化方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、在船舶整體設(shè)計(jì)中，其優(yōu)化設(shè)計(jì)是最關(guān)鍵的部分，目前國(guó)內(nèi)外在船舶整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的研究大多是以簡(jiǎn)單的外部環(huán)境為基礎(chǔ)，并將船舶的速度等重要參數(shù)當(dāng)作是固定已知的。然而，在船舶的實(shí)際航行過程中，許多因素都存在著不確定性，若仍然把其當(dāng)作一個(gè)固定數(shù)值來分析的話，勢(shì)必會(huì)造成很大的誤差。因而，忽視各種不確定因素的影響，將給船舶的航行帶來巨大的潛在的風(fēng)險(xiǎn)。

2、近年來，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)船舶的不確定性設(shè)計(jì)進(jìn)行了大量的研究。但是，目前關(guān)于船舶不確定優(yōu)化設(shè)計(jì)中的主要問題是不確定性模型的建立，這方面的研究尚處在開始階段。目前國(guó)內(nèi)外的船舶優(yōu)化設(shè)計(jì)中絕大多部分都是在理想情況下將變量作為確定參數(shù)來進(jìn)行設(shè)計(jì)。所以幾乎所有的船舶優(yōu)化設(shè)計(jì)模型也是在確定性優(yōu)化理論的背景下完成的，這類優(yōu)化模型沒有考慮實(shí)際航行中的不確定性因素對(duì)船舶性能的影響，并在優(yōu)化計(jì)算時(shí)把不確定性因素作為確定量。但是，在船舶實(shí)際航行過程中，難免會(huì)碰到海況很惡劣的情況，同時(shí)會(huì)誘發(fā)很多不確定性因素，比如風(fēng)和浪，這些不確定性因素都會(huì)成為船舶設(shè)計(jì)達(dá)不到預(yù)計(jì)目標(biāo)性能要求或者船舶航行失控的原因。因此，為了確保我們通過優(yōu)化設(shè)計(jì)得到的結(jié)果能適應(yīng)相關(guān)不確定性數(shù)據(jù)的波動(dòng)，我們?cè)诖翱傮w設(shè)計(jì)前期就需要充分考慮各類不確定性因素的影響。

3、至今關(guān)于船舶不確定性優(yōu)化設(shè)計(jì)方法還是很少。第一，沒有一個(gè)簡(jiǎn)單省時(shí)的方法，能把隨機(jī)不確定性中的不確定量化、分析等；第二，缺乏對(duì)與不確定性相關(guān)因素的深入研究，也沒有對(duì)不確定性因素的特性進(jìn)行一些必要的分類。而由于缺乏不確定性優(yōu)化相關(guān)的的方法、數(shù)據(jù)和信息，從而導(dǎo)致不確定性的建模及持續(xù)優(yōu)化有局限性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決目前船舶不確定性優(yōu)化過程中存在的缺乏對(duì)與不確定性相關(guān)因素的深入研究以及持續(xù)優(yōu)化存在局限性等問題，本發(fā)明提供了一種考慮不確定性變量的船舶航行性能優(yōu)化方法，通過考慮營(yíng)運(yùn)場(chǎng)景導(dǎo)致的航速不確定性，以最小化船舶的油耗及船舶能效營(yíng)運(yùn)指數(shù)為目標(biāo)，并以航速取值區(qū)間為約束建立目標(biāo)函數(shù)，同時(shí)考慮船舶實(shí)際航行過程中的天氣情況，并設(shè)計(jì)定制化的模擬退火算法獲取目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解，能夠有效提高船舶的航行性能。本發(fā)明還涉及一種考慮不確定性變量的船舶航行性能優(yōu)化系統(tǒng)。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

3、一種考慮不確定性變量的船舶航行性能優(yōu)化方法，其特征在于，包括以下步驟：

4、參數(shù)獲取步驟：獲取船舶運(yùn)行參數(shù)和港口參數(shù)，所述船舶運(yùn)行參數(shù)包括實(shí)際航速、航行總里程、船舶靜水阻力、浪阻、風(fēng)阻、船體效率、螺旋槳敞水效率、相對(duì)旋轉(zhuǎn)效率和軸系效率，根據(jù)船舶靜水阻力、浪阻和風(fēng)阻計(jì)算出船舶總阻力；所述港口參數(shù)包括初始離港時(shí)間和最終到港時(shí)間；

5、船舶油耗及能效營(yíng)運(yùn)指數(shù)計(jì)算步驟：根據(jù)船舶總阻力、航行總里程、船體效率、螺旋槳敞水效率、相對(duì)旋轉(zhuǎn)效率和軸系效率計(jì)算出船舶油耗；再根據(jù)船舶油耗、航行總里程以及貨物總載荷計(jì)算出船舶能效營(yíng)運(yùn)指數(shù)；

6、航速取值區(qū)間及目標(biāo)函數(shù)建立步驟：基于預(yù)設(shè)的期望航速并采用3sigma準(zhǔn)則分別計(jì)算出實(shí)際航速最大值和實(shí)際航速最小值，根據(jù)實(shí)際航速、實(shí)際航速最大值和實(shí)際航速最小值構(gòu)建實(shí)際航速取值區(qū)間；再以實(shí)際航速取值區(qū)間為約束條件，基于預(yù)設(shè)的權(quán)重系數(shù)、計(jì)算出的船舶油耗以及船舶能效營(yíng)運(yùn)指數(shù)建立目標(biāo)函數(shù)；

7、總航行區(qū)間與總天氣數(shù)組對(duì)應(yīng)及計(jì)算步驟：基于時(shí)間維度設(shè)定航行區(qū)間和天氣區(qū)間，根據(jù)初始離港時(shí)間、最終到港時(shí)間以及設(shè)定的天氣區(qū)間計(jì)算出總天氣數(shù)組，并根據(jù)初始離港時(shí)間、最終到港時(shí)間以及設(shè)定的航行區(qū)間計(jì)算出總航行區(qū)間數(shù)量；并分別在航行區(qū)間與天氣區(qū)間大小不同的情況下，基于初始離港時(shí)間、航行區(qū)間和總航行區(qū)間數(shù)量構(gòu)建航行區(qū)間矩陣，并將初始離港時(shí)間和天氣區(qū)間，與航行區(qū)間、總天氣數(shù)組以及總航行區(qū)間數(shù)量中的至少一種相結(jié)合構(gòu)建天氣區(qū)間矩陣，根據(jù)航行區(qū)間矩陣和天氣區(qū)間矩陣計(jì)算出每個(gè)航行區(qū)間對(duì)應(yīng)的天氣數(shù)組；

8、參數(shù)初始化步驟：在實(shí)際航速取值區(qū)間內(nèi)設(shè)定某個(gè)航行區(qū)間的初始實(shí)際航速，并將初始實(shí)際航速和該航行區(qū)間對(duì)應(yīng)的天氣數(shù)組作為模擬退火算法的初始解，根據(jù)初始解計(jì)算出該航行區(qū)間的初始目標(biāo)函數(shù)值；

9、模擬退火計(jì)算步驟：根據(jù)初始解并通過模擬退火算法計(jì)算出目標(biāo)函數(shù)的候選解，并判斷候選解是否處于實(shí)際航速取值區(qū)間內(nèi)，若是，則根據(jù)候選解計(jì)算出當(dāng)前目標(biāo)函數(shù)值，并將當(dāng)前目標(biāo)函數(shù)值與初始目標(biāo)函數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，若當(dāng)前目標(biāo)函數(shù)值小于初始目標(biāo)函數(shù)值，則使用候選解替換初始解，并將候選解作為新初始解；若當(dāng)前目標(biāo)函數(shù)值大于等于初始目標(biāo)函數(shù)值，則初始解保持不變并作為下一輪迭代的新初始解；

10、最優(yōu)解選取及船舶航行性能優(yōu)化步驟：重復(fù)模擬退火計(jì)算步驟，直至達(dá)到預(yù)設(shè)迭代次數(shù)時(shí)為止，將達(dá)到預(yù)設(shè)迭代次數(shù)時(shí)的新初始解作為目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解，并將最優(yōu)解對(duì)應(yīng)的實(shí)際航速作為該航行區(qū)間的最優(yōu)航速，進(jìn)而得到每個(gè)航行區(qū)間的最優(yōu)航速，根據(jù)每個(gè)航行區(qū)間的最優(yōu)航速實(shí)現(xiàn)船舶航行性能的優(yōu)化。

11、優(yōu)選地，所述總航行區(qū)間與總天氣數(shù)組對(duì)應(yīng)及計(jì)算步驟中，將初始離港時(shí)間和天氣區(qū)間，與航行區(qū)間、總天氣數(shù)組以及總航行區(qū)間數(shù)量中的至少一種相結(jié)合構(gòu)建天氣區(qū)間矩陣具體包括：

12、若航行區(qū)間與天氣區(qū)間相等，則基于初始離港時(shí)間、天氣區(qū)間和總天氣數(shù)組構(gòu)建天氣區(qū)間矩陣；若航行區(qū)間大于天氣區(qū)間，則基于初始離港時(shí)間、天氣區(qū)間、航行區(qū)間和總航行區(qū)間數(shù)量構(gòu)建天氣區(qū)間矩陣；若航行區(qū)間小于天氣區(qū)間，則基于初始離港時(shí)間、天氣區(qū)間、航行區(qū)間和總天氣數(shù)組構(gòu)建天氣區(qū)間矩陣。

13、優(yōu)選地，所述船舶運(yùn)行參數(shù)還包括螺旋槳伴流分?jǐn)?shù)、推力減額分?jǐn)?shù)，以及待修正的螺旋槳推力系數(shù)和扭矩系數(shù)。

14、優(yōu)選地，采用雷諾數(shù)和粗糙度分別對(duì)推力系數(shù)和扭矩系數(shù)進(jìn)行修正，分別得到推力系數(shù)修正值和扭矩系數(shù)修正值；并根據(jù)推力系數(shù)修正值、扭矩系數(shù)修正值、待修正的螺旋槳推力系數(shù)和扭矩系數(shù)計(jì)算出螺旋槳的實(shí)際推力系數(shù)和實(shí)際扭矩系數(shù)，根據(jù)實(shí)際推力系數(shù)和實(shí)際扭矩系數(shù)計(jì)算出螺旋槳敞水效率。

15、優(yōu)選地，采用泰勒方法計(jì)算出螺旋槳伴流分?jǐn)?shù)，并采用heckscher方法計(jì)算出推力減額分?jǐn)?shù)，根據(jù)螺旋槳伴流分?jǐn)?shù)和推力減額分?jǐn)?shù)計(jì)算出船體效率。

16、一種考慮不確定性變量的船舶航行性能優(yōu)化系統(tǒng)，其特征在于，包括依次連接的參數(shù)獲取模塊、船舶油耗及能效營(yíng)運(yùn)指數(shù)計(jì)算模塊、航速取值區(qū)間及目標(biāo)函數(shù)建立模塊、總航行區(qū)間與總天氣數(shù)組對(duì)應(yīng)及計(jì)算模塊、參數(shù)初始化模塊、模擬退火計(jì)算模以及最優(yōu)解選取及船舶航行性能優(yōu)化模塊，

17、所述參數(shù)獲取模塊，獲取船舶運(yùn)行參數(shù)和港口參數(shù)，所述船舶運(yùn)行參數(shù)包括實(shí)際航速、航行總里程、船舶靜水阻力、浪阻、風(fēng)阻、船體效率、螺旋槳敞水效率、相對(duì)旋轉(zhuǎn)效率和軸系效率，根據(jù)船舶靜水阻力、浪阻和風(fēng)阻計(jì)算出船舶總阻力；所述港口參數(shù)包括初始離港時(shí)間和最終到港時(shí)間；

18、所述船舶油耗及能效營(yíng)運(yùn)指數(shù)計(jì)算模塊，根據(jù)船舶總阻力、航行總里程、船體效率、螺旋槳敞水效率、相對(duì)旋轉(zhuǎn)效率和軸系效率計(jì)算出船舶油耗；再根據(jù)船舶油耗、航行總里程以及貨物總載荷計(jì)算出船舶能效營(yíng)運(yùn)指數(shù)；

19、所述航速取值區(qū)間及目標(biāo)函數(shù)建立模塊，基于預(yù)設(shè)的期望航速并采用3sigma準(zhǔn)則分別計(jì)算出實(shí)際航速最大值和實(shí)際航速最小值，根據(jù)實(shí)際航速、實(shí)際航速最大值和實(shí)際航速最小值構(gòu)建實(shí)際航速取值區(qū)間；再以實(shí)際航速取值區(qū)間為約束條件，基于預(yù)設(shè)的權(quán)重系數(shù)、計(jì)算出的船舶油耗以及船舶能效營(yíng)運(yùn)指數(shù)建立目標(biāo)函數(shù)；

20、所述總航行區(qū)間與總天氣數(shù)組對(duì)應(yīng)及計(jì)算模塊，基于時(shí)間維度設(shè)定航行區(qū)間和天氣區(qū)間，根據(jù)初始離港時(shí)間、最終到港時(shí)間以及設(shè)定的天氣區(qū)間計(jì)算出總天氣數(shù)組，并根據(jù)初始離港時(shí)間、最終到港時(shí)間以及設(shè)定的航行區(qū)間計(jì)算出總航行區(qū)間數(shù)量；并分別在航行區(qū)間與天氣區(qū)間大小不同的情況下，基于初始離港時(shí)間、航行區(qū)間和總航行區(qū)間數(shù)量構(gòu)建航行區(qū)間矩陣，并將初始離港時(shí)間和天氣區(qū)間，與航行區(qū)間、總天氣數(shù)組以及總航行區(qū)間數(shù)量中的至少一種相結(jié)合構(gòu)建天氣區(qū)間矩陣，根據(jù)航行區(qū)間矩陣和天氣區(qū)間矩陣計(jì)算出每個(gè)航行區(qū)間對(duì)應(yīng)的天氣數(shù)組；

21、所述參數(shù)初始化模塊，在實(shí)際航速取值區(qū)間內(nèi)設(shè)定某個(gè)航行區(qū)間的初始實(shí)際航速，并將初始實(shí)際航速和該航行區(qū)間對(duì)應(yīng)的天氣數(shù)組作為模擬退火算法的初始解，根據(jù)初始解計(jì)算出該航行區(qū)間的初始目標(biāo)函數(shù)值；

22、所述模擬退火計(jì)算模塊，根據(jù)初始解并通過模擬退火算法計(jì)算出目標(biāo)函數(shù)的候選解，并判斷候選解是否處于實(shí)際航速取值區(qū)間內(nèi)，若是，則根據(jù)候選解計(jì)算出當(dāng)前目標(biāo)函數(shù)值，并將當(dāng)前目標(biāo)函數(shù)值與初始目標(biāo)函數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，若當(dāng)前目標(biāo)函數(shù)值小于初始目標(biāo)函數(shù)值，則使用候選解替換初始解，并將候選解作為新初始解；若當(dāng)前目標(biāo)函數(shù)值大于等于初始目標(biāo)函數(shù)值，則初始解保持不變并作為下一輪迭代的新初始解；

23、所述最優(yōu)解選取及船舶航行性能優(yōu)化模塊，重復(fù)模擬退火計(jì)算模塊的工作，直至達(dá)到預(yù)設(shè)迭代次數(shù)時(shí)為止，將達(dá)到預(yù)設(shè)迭代次數(shù)時(shí)的新初始解作為目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解，并將最優(yōu)解對(duì)應(yīng)的實(shí)際航速作為該航行區(qū)間的最優(yōu)航速，進(jìn)而得到每個(gè)航行區(qū)間的最優(yōu)航速，根據(jù)每個(gè)航行區(qū)間的最優(yōu)航速實(shí)現(xiàn)船舶航行性能的優(yōu)化。

24、優(yōu)選地，所述總航行區(qū)間與總天氣數(shù)組對(duì)應(yīng)及計(jì)算模塊中，將初始離港時(shí)間和天氣區(qū)間，與航行區(qū)間、總天氣數(shù)組以及總航行區(qū)間數(shù)量中的至少一種相結(jié)合構(gòu)建天氣區(qū)間矩陣具體包括：

25、若航行區(qū)間與天氣區(qū)間相等，則基于初始離港時(shí)間、天氣區(qū)間和總天氣數(shù)組構(gòu)建天氣區(qū)間矩陣；若航行區(qū)間大于天氣區(qū)間，則基于初始離港時(shí)間、天氣區(qū)間、航行區(qū)間和總航行區(qū)間數(shù)量構(gòu)建天氣區(qū)間矩陣；若航行區(qū)間小于天氣區(qū)間，則基于初始離港時(shí)間、天氣區(qū)間、航行區(qū)間和總天氣數(shù)組構(gòu)建天氣區(qū)間矩陣。

26、優(yōu)選地，所述船舶運(yùn)行參數(shù)還包括螺旋槳伴流分?jǐn)?shù)、推力減額分?jǐn)?shù)，以及待修正的螺旋槳推力系數(shù)和扭矩系數(shù)。

27、優(yōu)選地，采用雷諾數(shù)和粗糙度分別對(duì)推力系數(shù)和扭矩系數(shù)進(jìn)行修正，分別得到推力系數(shù)修正值和扭矩系數(shù)修正值；并根據(jù)推力系數(shù)修正值、扭矩系數(shù)修正值、待修正的螺旋槳推力系數(shù)和扭矩系數(shù)計(jì)算出螺旋槳的實(shí)際推力系數(shù)和實(shí)際扭矩系數(shù)，根據(jù)實(shí)際推力系數(shù)和實(shí)際扭矩系數(shù)計(jì)算出螺旋槳敞水效率。

28、優(yōu)選地，采用泰勒方法計(jì)算出螺旋槳伴流分?jǐn)?shù)，并采用heckscher方法計(jì)算出推力減額分?jǐn)?shù)，根據(jù)螺旋槳伴流分?jǐn)?shù)和推力減額分?jǐn)?shù)計(jì)算出船體效率。

29、本發(fā)明的有益效果為：

30、本發(fā)明提供的一種考慮不確定性變量的船舶航行性能優(yōu)化方法，先基于獲取的船舶運(yùn)行參數(shù)和港口參數(shù)計(jì)算出船舶油耗和船舶能效營(yíng)運(yùn)指數(shù)，基于預(yù)設(shè)的期望航速并采用3sigma準(zhǔn)則分別計(jì)算出航速最大值和航速最小值，根據(jù)實(shí)際航速、航速最大值和航速最小值構(gòu)建航速取值區(qū)間；再以航速取值區(qū)間為約束條件，基于預(yù)設(shè)的權(quán)重系數(shù)、船舶油耗以及船舶能效營(yíng)運(yùn)指數(shù)建立目標(biāo)函數(shù)；然后基于時(shí)間維度設(shè)定航行區(qū)間和天氣區(qū)間，并計(jì)算出每個(gè)航行區(qū)間對(duì)應(yīng)的天氣數(shù)組；再在航速取值區(qū)間內(nèi)設(shè)定某個(gè)航行區(qū)間的初始實(shí)際航速，并將初始實(shí)際航速和該航行區(qū)間對(duì)應(yīng)的天氣數(shù)組作為模擬退火算法的初始解，根據(jù)初始解計(jì)算出該航行區(qū)間的初始目標(biāo)函數(shù)值；然后通過模擬退火算法計(jì)算出最優(yōu)解，并將最優(yōu)解對(duì)應(yīng)的實(shí)際航速作為該航行區(qū)間的最優(yōu)航速，進(jìn)而得到每個(gè)航行區(qū)間的最優(yōu)航速，根據(jù)每個(gè)航行區(qū)間的最優(yōu)航速實(shí)現(xiàn)船舶航行性能的優(yōu)化。

31、本發(fā)明考慮多種船舶運(yùn)行參數(shù)和港口參數(shù)等要素，借助基于3sigma準(zhǔn)則的正態(tài)模型量化出船速的不確定性，通過在考慮船舶航速不確定性變量因素下對(duì)其性能進(jìn)行優(yōu)化，減小船舶的燃油消耗及船舶能效營(yíng)運(yùn)指數(shù)eeoi，使船隊(duì)可以實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)營(yíng)和整體運(yùn)輸效率的提高，這將帶來許多好處，包括降低運(yùn)營(yíng)成本、提高干散貨轉(zhuǎn)運(yùn)量、減少空載行駛和等待時(shí)間，以及減少能源消耗和環(huán)境污染，同時(shí)還可以幫助船隊(duì)實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)營(yíng)，最大化利益并達(dá)到運(yùn)輸效率的提升。

32、本發(fā)明還涉及一種考慮不確定性變量的船舶航行性能優(yōu)化系統(tǒng)，該系統(tǒng)與上述的考慮不確定性變量的船舶航行性能優(yōu)化方法相對(duì)應(yīng)，可理解為是一種實(shí)現(xiàn)上述考慮不確定性變量的船舶航行性能優(yōu)化方法的系統(tǒng)，包括依次連接的參數(shù)獲取模塊、船舶油耗及能效營(yíng)運(yùn)指數(shù)計(jì)算模塊、航速取值區(qū)間及目標(biāo)函數(shù)建立模塊、總航行區(qū)間與總天氣數(shù)組對(duì)應(yīng)及計(jì)算模塊、參數(shù)初始化模塊、模擬退火計(jì)算模以及最優(yōu)解選取及船舶航行性能優(yōu)化模塊，各模塊相互協(xié)同工作，通過考慮營(yíng)運(yùn)場(chǎng)景導(dǎo)致的航速這一不確定性變量，以最小化船舶的油耗及船舶能效營(yíng)運(yùn)指數(shù)為目標(biāo)，并以航速取值區(qū)間為約束建立目標(biāo)函數(shù)，同時(shí)考慮船舶實(shí)際航行過程中的天氣情況，并設(shè)計(jì)定制化的模擬退火算法獲取目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解，能夠有效提高船舶的航行性能。