基于多动态元素复合影响的船舶天气路由算法优化外文翻译资料

 2022-07-28 14:35:07

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基于多动态元素复合影响的船舶天气路由算法优化

摘要

本研究提出了一种基于多动态元素对决定优化船舶航路的综合影响的船舶天气路由算法。采取利用递归前沿技术和船舶轨道浮动网格系统的三维修正等时线（3DMI）方法。大圆航行（GCR）被认为是地球坐标系中的参考路线。基于现实的制约因素，如陆地边界的存在，不可航海，海上影响，滚转响应以及船舶的速度损失等，确定并提出了北太平洋优化船舶的优化方案。所提出的计算方法对于通过调整目标函数中的加权因子来优化结果是有效的。提出的方法的优点可以归纳为：（1）可以动态分析路由的导航性以获得最优路由; （2）采用多动态元素作为加权因子，在能源效率，节省时间和最小航程方面具有优势;（3）提高速度性能并将动作环境中的安全问题的能力。

  1. 介绍

众所周知，船舶天气路由被定义为根据天气预报，特定船舶的特征以及特定航行时间的海域确定最佳路线的程序。 最优路线可以视为具有安全舒适性的航行路线[，最大能量效率，迷你时间消耗或这些因素的组合在遇到的天气情况下。 从船舶天气路线系统得到的最优路线的可靠性基于以下参数：（i）船舶流体动力学估计的准确性; （ii）天气预报数据的质量; 和（iii）船舶路由优化的适用性。

在本文中，已经开发和评估了船舶路由算法的优化以及精确的天气预报数据和船舶特性。 已经有一些流行的路由算法用于最小化燃料消耗或通过时间，例如， 变化演算，改进的等时线方法，等熵方法，二维动态程序设计和三维动态规划。 除了上述算法之外，还应用了许多其他方法来解决这些问题，例如迭代动态规划[17]，增强拉格朗日乘数[18],Dijkstra算法[1,19]和遗传算法[20]。

获得最佳船舶路线的途径，由于其安全性和效率关注，引起了研究人员，海军和航运组织的关注[21]。 为了使路由决策更好，本文提出了一种具有三维修正等时线的浮动网格系统（以下简称3DMI）的递归前向算法，并在北太平洋东行航程中进行了评估。 从天气预报和船舶流体动力学得到的输入数据可以用于确定网络图中的标准和最佳路线。 目前的方法的优点是，以安全和避险的约束条件，实现最小燃料消耗和最小通过时间的预计时间到达（ETA）。

2. 船舶流体动力学

船舶的海上特征包括波浪中的六度自由（DOF）运动，运动的图示如图1所示。

在研究中，流体被认为是理想的，不可压缩的，无粘性的和不旋转的，并且船以恒定速度V在正常波中行进。 基于线性假设，入射波振幅和船舶运动被认为是小的。 身体固定坐标系o-xyz与惯性坐标系O-XYZ之间的关系如图1所示由下式给出

X = x Vt; Y = y; Z = z。

通过结合波激励力Fj（e），广义附加质量Ajk，广义阻尼系数Bjk和静水压恢复力Cjk，运动方程式可以表示为

其中下标j，k = 1,2，...。。 分别表示浪涌，摇摆，起伏，滚动，俯仰和偏航。 符号i用作方程式中的虚数。（2）中 M是船的力矩惯性的质量或质量，omega;e是遇到频率，zeta;k是运动位移。 应注意，波形激励力F j（e）和运动位移zeta;k由复数表示。

图1 一艘船在波浪中前进的6自由度运动示意图。 （xi;1：浪涌位移;xi;2：摆动位移;xi;3：起伏位移;xi;4：侧倾角;xi;5：俯仰角;xi;6：偏航角）。

图2. 地球固定坐标系O-XYZ中船舶轨迹的图示。 （C：由大圆算法计算出的航行角度;mu;：波头角）。

由于隔离分析中的关键概念之一是波形特征，因此定义通常代表实波光谱特性的理想波谱通常是有用的。 为了找到船舶响应的重要值，以下ISSC频谱采用了短波。

其中Hs：有效波高; T：平均波周期; omega;：波频。

通常，不规则波中的血管的各种响应由相应的传递函数表示，称为RAO（响应振幅算子）。 假设|zeta;k | / a表示船舶响应的计算RAO的一般定义; 那么可以通过以下方式获得相应的显着值，即

值得注意的是，相对于有效波高，平均波周期，主波方向和平均船速，在任何遇到的海况下，将计算出RAOs（|zeta;k |）1/3的显着值 ，其作为用于进一步评估当前3DMI方法的数据库。 另外，（|zeta;k |）/ a在方程式的右侧。 （4）是omega;，mu;和V的函数。

增加的阻力和漂移力是当船在波浪中航行时产生的二阶非线性力。 由于增加的阻力导致保持所需船速所需的额外马力，这显着影响了汹涌海域的船舶性能。 本文中增加的电阻的计算使用类似于以前的工作[22]的技术，基于弱散射假设[23]，即假设二次项和稳定势项phi;B比较小 与入射波电位phi;I。 通过解决相应的电位和运动响应，以前的文献[24-27]提出的平均二阶稳态流体力学力在下面的公式中得到解决。

其中phi;I是入射波电位phi;I的共轭，phi;B是可以描述为衍射电位phi;D和辐射电位phi;RJ之和的振荡船运动引起的扰动电位。

平均纵向力，即 相对于短波峰波中的波头角，船上的附加阻力F D可以写为

其中FD（omega;，mu;）是相对于不同波浪方向和频率的增加的电阻分量。

由于增加的阻力也是当前波浪条件下船舶的基本特征，因此可以预先计算一系列相对于不同海况的船舶速度的附加阻力，并作为数据库作为决定的数据库 船舶优化路由。 然后可以通过内插来自开发数据库的分配值，即确定路线优化中所需的相关数量，来相当简单地确定在给定海域处遇到的给定海况的响应，包括增加的阻力，波载荷和运动。

3. 路由优化的目标函数

一般来说，船舶航路优化的影响因素有两个方面：非自愿和自主减速。 由于海上的阻力增加而发生非自愿减速，船舶船长或船员选择自愿船舶速度，以确认海上特征符合安全要求。 更具体地说，船舶航路优化的目标应包括：（i）最小通过时间，（ii）最小燃料消耗，（iii）最小结构损伤，（iv）最小船舶运动和（v）最小到达时间。

图3.通过3DMI方法计算的地球物理坐标系上的网格系统的投影。 X0是出发点，而XK表示目的地点。

在本研究中，基于3DMI方法应用船舶路由优化的递归前向算法，其采用权重即航行进度作为阶段变量。 对于前向算法，出发点和目的地点都是相对应的路点固定的。 通过计算不同的船舶业务，可以获得一套航程中的最低航程。 3DMI方法的优点是它允许船速和波浪角度随地理位置而变化。 此外，它不仅用于最小化船舶航行以及船舶抵抗，还用于提前在航行期间提高安全。

由于海洋条件动态变化，航行时间表应逐一修改。术语“阶段”是指基于平静水速度假设，在两个等时线（时间段）后运行之间的航程之间的每个段。每个阶段由几个状态组成，这些状态是与船舶运动相关联的潜在地理位置回应下某些

图4.计算阶段k 1的可能状态并估计到达位置的示意图

天气/海况。一些可衡量的条件的特定船舶可以显示为阶段：航行的控制变量进度，油耗或通过时间。如果航程进度或油耗被视为阶段，通道的控制变量时间将被定义为舞台状态，反之亦然。这项研究利用航行速度作为舞台的控制变量考虑在固定通过时间内降低速度。一旦初步航行课程是在图形搜索之后预定义的，避免了海矿，船速和通行时间可以根据路线规划灵活，其中维持发动机转速的功率在两个相邻阶段之间设定不变。

图5 .流程图，显示确定两个阶段之间给定船舶运行的最佳路线的程序。

图6 .空间和时间网格的插值。 图7 .波浪加阻力对船速的影响相对不同

螺旋桨转速91°的波头角和有效功率33,760 PS。

图 8.跨越洋航行距离在10米至40米之间的水深分别比较。

3.1 3DMI方法

本研究中的3DMI方法采用浮动网格系统来定义船舶路线优化的时空布局。 由于瞬时水深和天气条件随时间而变化，这将相应地改变航行中的计划路线。 因此，应根据海洋环境动态分析基于约束条件的规划路线的航行能力。 另一方面，平静水中的船舶速度是否超过临界速度也应被视为约束。 因此，根据有关动态海洋环境的具体船舶业务，一系列航程的进展应该是灵活的。

由于大圆路线是从部分到目的地点的最短距离，因此在船舶航路优化中构建浮动网格系统时，选择作为参考航行路线。 在浮动网格系统中，每个阶段的状态是三维的，即 地理位置，通过时间和距离大圆路线的航向角度的单位间距。 从最初阶段开始，最重要的一个阶段是，船只在平静的水域中的速度可以在限定的通过时间内达到，以避免恶劣的天气或障碍。 一旦障碍存在，航行进度将被删除。 值得指出的是，作为3DMI阶段的控制变量的航行速度根据自愿和不确定的船速浮动。 它是基于转发算法的递归过程计算的。

图3示出了沿着航行路线从出发到目的地点的地球物理坐标系上的状态预测的示例。遵循的船只航线是由C = C0plusmn;i C定义的大圆路线计算的，其中i = 0,1,2。 。 。，N;则在每次更改时记录船舶的表现，初始航线C0将更新为C。也就是说，随着课程的变化，每个国家都可以推导和记录航程的进展制作。状态可以由Xi，j，k引用，时间ti，j，k处的状态集合定义了第一个等时线。现在，第一个等时线的状态被选为新的出发点，现在是C0更新成为一个伟大圈子的新课程C.相应地，第二等时线定义在ti，j，k 1。然后，相同的方法应用于到达点之前的后续等时线。为了在每个等时线节省大量的计算时间，主要是在航行期间假设平静的水上航行，具有大圆路线的最小对应距离的状态将被视为新的出发点。

然而，有必要在目前的3DMI方法的电网系统中纳入运行和环境约束。最小时间或燃料消耗的最佳路由是通过不断迭代作为船舶操作的函数的整体航行进度来进行的 和环境限制。 一个状态Xi，j，k在迭代期间具有浮动状态，直到获得与最优路由相对应的点。 同时，的优势在浮动网格系统中使用非固定时间不需要交互。

为了通过3DMI方法进行船舶路线优化，通过离散船速V来将问题作为多阶段决策过程来处理是比较直接的。在这方面，船舶路由被形成为离散优化问题。 因此，两级之间的帆船速度可以离散化如下：

其中i的上标在执行迭代时用作阶段k 1的临时参数。 Vi，k 1是通过采用平静的水速Vi，k，船舶从k级到k 1的实际船速。 更多的评价细节可以参考图4。

代表船在时间ti，j，k处的位置和操作从ti，j，k到ti，j，k 1分别作为Xi，j，k和Ui，j，k的函数，并且实现大圆航行从船上导航t小时位置Xi，j，k与操作参数Ui，j，k，船舶在ti，j，k 1的位置可以写为：

其中X = f1（lambda;，phi;）：船的位置是经度lambda;和的函数

纬度phi; U = f2（V，C）：船舶的运行是船速V的函数

和当然的C. S = f3（Hs，phi;）：船舶的安全是显着波的函数

高度Hs和显着的转角phi;。 M：边界约束障碍区。 i = 1，2，3，...。 i，国家的符号; N：总计州数。 j = 0,1,2。。 j，j：离散的符号速度; J：两级之间的离散速度总数。 k = 1，2，3，。。 k，k - 1. k：舞台的符号。 K：总数。

3.2 船舶阻力和重量的确定

为了采用3DMI方法进行船舶优化，通过由球面坐标形成的网格系统，需要将所有可能航行的航程进行到航点。 由于时间依赖的天气信息在包围航程的公海区域不同，所以最优路线将根据航行进度中的权重组合而改变。 一旦这些权重在每次航行进程中被分配，则对最佳船只路线的每个段的解决方案现在被转换成可以应用3DMI以找到这些状态的最小权重的状态。

在阶段k的速度损失j进程期间连接不同状态i的权重Wi，j，k取决于需要优化（或最小化）的参数。 为了通过使用恒定的螺旋桨转速获得最佳路线，该参数被假定为在固定时间间隔的两个阶段之间的速度损失，具有以下大的圆距离。 更具体地说，将讨论用于最小通过时间的最佳船舶布置，以基于不随意的速度恢复来确定权重函数，这意味着由于发动机的恒定转速引起的附加阻力造成的速度损失。

在本文中，假定由于其他外力（即风，波或电流）引起的速度损失对于整个航程而言是有限的。 因此，可以假设在从平静的水速V到降低的速度Vr的减速范围内，推进特性保持

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