CN114880867A - 基于设计压载水曲线算法的运泥船油耗优化方法及系统 - Google Patents

基于设计压载水曲线算法的运泥船油耗优化方法及系统 Download PDF

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CN114880867A CN202210574663.9A CN202210574663A CN114880867A CN 114880867 A CN114880867 A CN 114880867A CN 202210574663 A CN202210574663 A CN 202210574663A CN 114880867 A CN114880867 A CN 114880867A
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Abstract

本发明提供了一种基于设计压载水曲线算法的运泥船油耗优化方法及系统，包括：步骤S1：建立船舶的油耗速度模型；步骤S2：根据油耗速度模型，遍历删除不对运泥船压载水曲线产生约束的桥梁；步骤S3：对不同场景作分类并设计压载水变化曲线；步骤S4：根据场景及其对应的压载水曲线，通过函数曲线拟合和统计的方式给出船舶油耗的估算公式。本发明创新性地考虑了通过改变压载水量的方式优化运泥船油耗的思想，并提出了一种具体的压载水曲线设计算法；能够较为明显地进一步降低运泥船油耗，且能对航道上不同桥梁分布场景或运泥船的不同航速下各种场景做出较为准确合理的油耗估计，对航道疏浚工程成本的优化具有积极意义。

Description

基于设计压载水曲线算法的运泥船油耗优化方法及系统
技术领域
本发明涉及内河航道疏浚工程规划领域，具体地，涉及一种基于设计压载水曲线算法的运泥船油耗优化方法及系统。
背景技术
内河的航道疏浚在河流较多的城市中一直是一项重要的工程作业任务。当运泥船从吹泥处卸掉淤泥，而后空载重新返回航道疏浚处(挖泥处)进行下一次作业时，一般为了节省油耗会尽可能在满足基本航行要求的条件下减小压载水量。然而，内河航道中间许多位置横跨的各种限高的桥梁使得运泥船在穿过它们时必须满足某一标准的基本吃水，使得在穿过桥梁时要增加压载水量。因此对运泥船在航行过程中压载水量的水位设计即是使其能够减少油耗成本的优化方向。
当前大部分用于航道疏浚的运泥船均未考虑或不具备在行驶过程中改变压载水位的能力，因此其策略为在运泥船出发前即将压载水位设定至满足能顺利通过航道上所有桥梁的最低水位，而后在航行过程中不再改变压载水位。这种策略相比于完全不考虑压载水对油耗影响的情况确实能够在一定程度上节约燃油成本，然而该策略显然有巨大的优化空间：如果航道上存在一座限高较低的桥梁，那么运泥船即需要在整个航行过程中保持较多的压载水位，因此无法有效降低油耗。故当前策略有较大的优化空间。
专利文献CN112977754A(申请号：CN202110373966.X)公开了一种适用于内河船舶行驶中油耗分析方法，属于船舶技术领域，本发明可以通过对船舶的货物体积及重量进行严格的计算，引入货物体积测量工具来快速获取货物体积，并且通过大数据分析自动计算出最佳的建议载油量，并且利用携带漂浮油桶的方式对载油量进行优化，漂浮油桶可以自主漂浮于水面上，利用磁悬浮的特点，最大程度上减轻与水面之间的航行阻力，并且可以自主控制磁力大小对漂浮油桶进行合理的稳定。但该发明没有通过改变压载水量的方式优化船舶油耗的思想。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于设计压载水曲线算法的运泥船油耗优化方法及系统。
根据本发明提供的一种基于设计压载水曲线算法的运泥船油耗优化方法，包括：
步骤S1：建立船舶的油耗速度模型；
步骤S2：根据油耗速度模型，遍历删除不对运泥船压载水曲线产生约束的桥梁；
步骤S3：对不同场景作分类并设计压载水变化曲线；
步骤S4：根据场景及其对应的压载水曲线，通过函数曲线拟合和统计的方式给出船舶油耗的估算公式计算总耗油量。
优选地，在所述步骤S1中：
船舶油耗速度模型建立：
假定船舶所受阻力与船速的二次方成正比，与压载水量成线性关系，则：
F∝v2(m+μ)
其中，F为运泥船阻力，v为船速，m为压载水体积，μ为常数；
发动机只克服阻力做功，总航程为L，则发动机总做功W满足：
W＝FL∝v2(m+μ)L
发动机燃油效率固定，耗油量与做功成正比，耗油量为C，则：
C∝W∝v2(m+μ)L
记为等式形式：
C＝αv2(m+μ)L
其中，α为常数；
由于存在关系：
L＝vT
其中，T为运泥船行驶时间；
则得到船舶的油耗速度模型A满足：
Figure BDA0003660158870000021
优选地，在所述步骤S2中：
对船舶压载水曲线的设计采用贪婪算法；
输入设定为桥梁位置pi和顺利过桥所需要的最少压载水量mi，船舶的压载水曲线方程m(t)应当满足约束：
m(ti)≤mi
Figure BDA0003660158870000031
其中，m(ti)为船舶压载水曲线在ti时的函数值，ti为运泥船以给定船速到达第i座桥梁的时间，i为桥梁编号；
由于船舶无法实现压载水量的瞬间变化，在到达桥梁所在位置之前开始增加压载水，在穿过桥梁后缓慢排放压载水，设压载水流速为u，则对于每座桥梁，船舶由空载到压载水量到达mi所需的时间Ti为：
Figure BDA0003660158870000032
过桥后排水时间也为Ti；
输入桥梁的位置和压载水限制信息后，若满足：
ti-ti-1<|mi-mi-1|/u
则mi和mi-1中较小的对应的桥梁为无效桥梁。
优选地，在所述步骤S3中：
压载水变化可分为两种，在两座桥中间压载水可空载和压载水不可空载；
若压载水可空载，表示压载水有时间排空并空载行驶一段时间，这种条件的出现情况为：
Ti+Ti-1≤ti-ti-1
此时其压载水曲线m1(t)为：
Figure BDA0003660158870000033
若压载水无法空载，船舶无法来得及完全排出压载水并重新注入压载水来穿过下一作桥梁，此时的状态满足：
Ti+Ti-1>ti-ti-1
依据使压载水量尽可能减小的原则与船舶过桥的约束条件，第i与第i-1座桥间的压载水量的最小值
Figure BDA0003660158870000034
即为两个压载水曲线的交汇点，且满足：
Figure BDA0003660158870000035
到达压载水量最小值
Figure BDA0003660158870000036
所花费的时间tmin为：
Figure BDA0003660158870000041
即排水曲线m2(t)为：
Figure BDA0003660158870000042
优选地，在所述步骤S4中：
当桥梁位置满足在整个航道上的均匀分布，桥梁压载水限制在运泥船可调压载水范围内满足均匀分布，按此原则生成桥梁位置与对应的压载水需求数据，设置桥梁数量，每种数量的桥梁运行预设次，统计油耗相比于基准策略下降幅度的规律；
总路程油耗与航速之间为二次方关系，若航速足够低，则运泥船有充足的时间排空并重新注入压载水，因此其相比于基准策略油耗减少百分比有提升；
油耗通用估算公式为基准策略的油耗乘以当前算法相比于基准策略的油耗减少的百分比θ，基准策略就是在出发将压载水装至使运泥船能通过所有桥梁的位置，此时基准策略耗油量C0为：
C0＝αv2(max{mi}+μ)L
估算耗油量C为：
C＝C0θ
总耗油量C依据每组相邻桥梁的分布选择对排水曲线m1(t)或m2(t)关于时间作定积分得到，具体形式为：
Figure BDA0003660158870000043
根据本发明提供的一种基于设计压载水曲线算法的运泥船油耗优化系统，包括：
模块M1：建立船舶的油耗速度模型；
模块M2：根据油耗速度模型，遍历删除不对运泥船压载水曲线产生约束的桥梁；
模块M3：对不同场景作分类并设计压载水变化曲线；
模块M4：根据场景及其对应的压载水曲线，通过函数曲线拟合和统计的方式给出船舶油耗的估算公式计算总耗油量。
优选地，在所述模块M1中：
船舶油耗速度模型建立：
假定船舶所受阻力与船速的二次方成正比，与压载水量成线性关系，则：
F∝v2(m+μ)
其中，F为运泥船阻力，v为船速，m为压载水体积，μ为常数；
发动机只克服阻力做功，总航程为L，则发动机总做功W满足：
W＝FL∝v2(m+μ)L
发动机燃油效率固定，耗油量与做功成正比，耗油量为C，则：
C∝W∝v2(m+μ)L
记为等式形式：
C＝αv2(m+μ)L
其中，α为常数；
由于存在关系：
L＝vT
其中，T为运泥船行驶时间；
则得到船舶的油耗速度模型A满足：
Figure BDA0003660158870000051
优选地，在所述模块M2中：
对船舶压载水曲线的设计采用贪婪算法；
输入设定为桥梁位置pi和顺利过桥所需要的最少压载水量mi，船舶的压载水曲线方程m(t)应当满足约束：
m(ti)≤mi
Figure BDA0003660158870000052
其中，m(ti)为船舶压载水曲线在ti时的函数值，ti为运泥船以给定船速到达第i座桥梁的时间，i为桥梁编号；
由于船舶无法实现压载水量的瞬间变化，在到达桥梁所在位置之前开始增加压载水，在穿过桥梁后缓慢排放压载水，设压载水流速为u，则对于每座桥梁，船舶由空载到压载水量到达mi所需的时间Ti为：
Figure BDA0003660158870000053
过桥后排水时间也为Ti；
输入桥梁的位置和压载水限制信息后，若满足：
ti-ti-1<|mi-mi-1|/u
则mi和mi-1中较小的对应的桥梁为无效桥梁。
优选地，在所述模块M3中：
压载水变化可分为两种，在两座桥中间压载水可空载和压载水不可空载；
若压载水可空载，表示压载水有时间排空并空载行驶一段时间，这种条件的出现情况为：
Ti+Ti-1≤ti-ti-1
此时其压载水曲线m1(t)为：
Figure BDA0003660158870000061
若压载水无法空载，船舶无法来得及完全排出压载水并重新注入压载水来穿过下一作桥梁，此时的状态满足：
Ti+Ti-1>ti-ti-1
依据使压载水量尽可能减小的原则与船舶过桥的约束条件，第i与第i-1座桥间的压载水量的最小值
Figure BDA0003660158870000062
即为两个压载水曲线的交汇点，且满足：
Figure BDA0003660158870000063
到达压载水量最小值
Figure BDA0003660158870000064
所花费的时间tmin为：
Figure BDA0003660158870000065
即排水曲线m2(t)为：
Figure BDA0003660158870000066
优选地，在所述模块M4中：
当桥梁位置满足在整个航道上的均匀分布，桥梁压载水限制在运泥船可调压载水范围内满足均匀分布，按此原则生成桥梁位置与对应的压载水需求数据，设置桥梁数量，每种数量的桥梁运行预设次，统计油耗相比于基准策略下降幅度的规律；
总路程油耗与航速之间为二次方关系，若航速足够低，则运泥船有充足的时间排空并重新注入压载水，因此其相比于基准策略油耗减少百分比有提升；
油耗通用估算公式为基准策略的油耗乘以当前算法相比于基准策略的油耗减少的百分比θ，基准策略就是在出发将压载水装至使运泥船能通过所有桥梁的位置，此时基准策略耗油量C0为：
C0＝αv2(max{mi}+μ)L
估算总耗油量C为：
C＝C0θ
总耗油量C依据每组相邻桥梁的分布选择对排水曲线m1(t)或m2(t)关于时间作定积分得到，具体形式为：
Figure BDA0003660158870000071
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明创新性地考虑了通过改变压载水量的方式优化运泥船油耗的思想，并提出了一种具体的压载水曲线设计算法；
2、本发明能够较为明显地进一步降低运泥船油耗，且能对航道上不同桥梁分布场景或运泥船的不同航速下各种场景做出较为准确合理的油耗估计，对航道疏浚工程成本的优化具有积极意义。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的算法总框架图；
图2为本发明在给定输入下的压载水曲线示意图；
图3为本发明不同数量桥梁当前发明策略与基准策略的油耗对比；
图4为本发明不同数量桥梁当前发明策略相比基准策略油耗减少百分比；
图5为本发明不同航速当前发明策略相比于基准策略油耗减少百分比。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1：
本发明涉及内河航道疏浚工程规划领域，具体地，设计以节约运泥船油耗为目标的运泥船行驶过程压载水变化方案，更为具体地，涉及满足横跨航道上桥梁的限高对压载水约束条件的压载水调节算法。
本发明通过设计航道疏浚工程中运泥船压载水变化曲线来保证船舶在顺利通过航道上多座桥梁的前提上尽可能降低油耗。本发明首先建立运泥船油耗模型，而后提出“无效桥梁”概念，筛除不对运泥船压载水曲线产生约束的桥梁，最后基于压载水尽可能少的贪心算法原则对桥的不同分布情况作了分类并设计压载水变化曲线。通过仿真实验验证，本发明相比于压载水不变化的基准策略能有效减少油耗大约13％-14％。除此之外，本发明讨论了桥梁数量和航速变化对船舶油耗的影响，并拟合得到了油耗估算公式，经过验证，该公式估算有效。
根据本发明提供的一种基于设计压载水曲线算法的运泥船油耗优化方法，如图1-图5所示，包括：
步骤S1：建立船舶的油耗速度模型；
具体地，在所述步骤S1中：
船舶油耗速度模型建立：
假定船舶所受阻力与船速的二次方成正比，与压载水量成线性关系，则：
F∝v2(m+μ)
其中，F为运泥船阻力，v为船速，m为压载水体积，μ为常数；
发动机只克服阻力做功，总航程为L，则发动机总做功W满足：
W＝FL∝v2(m+μ)L
发动机燃油效率固定，耗油量与做功成正比，耗油量为C，则：
C∝W∝v2(m+μ)L
记为等式形式：
C＝αv2(m+μ)L
其中，α为常数；
由于存在关系：
L＝vT
其中，T为运泥船行驶时间；
则得到船舶的油耗速度模型A满足：
Figure BDA0003660158870000081
步骤S2：根据油耗速度模型，遍历删除不对运泥船压载水曲线产生约束的桥梁；
具体地，在所述步骤S2中：
对船舶压载水曲线的设计采用贪婪算法；
输入设定为桥梁位置pi和顺利过桥所需要的最少压载水量mi，船舶的压载水曲线方程m(t)应当满足约束：
m(ti)≤mi
Figure BDA0003660158870000091
其中，m(ti)为船舶压载水曲线在ti时的函数值，ti为运泥船以给定船速到达第i座桥梁的时间，i为桥梁编号；
由于船舶无法实现压载水量的瞬间变化，在到达桥梁所在位置之前开始增加压载水，在穿过桥梁后缓慢排放压载水，设压载水流速为u，则对于每座桥梁，船舶由空载到压载水量到达mi所需的时间Ti为：
Figure BDA0003660158870000092
过桥后排水时间也为Ti；
输入桥梁的位置和压载水限制信息后，若满足：
ti-ti-1<|mi-mi-1|/u
则mi和mi-1中较小的对应的桥梁为无效桥梁。
步骤S3：对不同场景作分类并设计压载水变化曲线；
具体地，在所述步骤S3中：
压载水变化可分为两种，在两座桥中间压载水可空载和压载水不可空载；
若压载水可空载，表示压载水有时间排空并空载行驶一段时间，这种条件的出现情况为：
Ti+Ti-1≤ti-ti-1
此时其压载水曲线m1(t)为：
Figure BDA0003660158870000093
若压载水无法空载，船舶无法来得及完全排出压载水并重新注入压载水来穿过下一作桥梁，此时的状态满足：
Ti+Ti-1>ti-ti-1
依据使压载水量尽可能减小的原则与船舶过桥的约束条件，第i与第i-1座桥间的压载水量的最小值
Figure BDA0003660158870000094
即为两个压载水曲线的交汇点，且满足：
Figure BDA0003660158870000101
到达压载水量最小值
Figure BDA0003660158870000102
所花费的时间tmin为：
Figure BDA0003660158870000103
即排水曲线m2(t)为：
Figure BDA0003660158870000104
步骤S4：根据场景及其对应的压载水曲线，通过函数曲线拟合和统计的方式给出船舶油耗的估算公式计算总耗油量。
具体地，在所述步骤S4中：
当桥梁位置满足在整个航道上的均匀分布，桥梁压载水限制在运泥船可调压载水范围内满足均匀分布，按此原则生成桥梁位置与对应的压载水需求数据，设置桥梁数量，每种数量的桥梁运行预设次，统计油耗相比于基准策略下降幅度的规律；
总路程油耗与航速之间为二次方关系，若航速足够低，则运泥船有充足的时间排空并重新注入压载水，因此其相比于基准策略油耗减少百分比有提升；
油耗通用估算公式为基准策略的油耗乘以当前算法相比于基准策略的油耗减少的百分比θ，基准策略就是在出发将压载水装至使运泥船能通过所有桥梁的位置，此时基准策略耗油量C0为：
C0＝αv2(max{mi}+μ)L
估算耗油量C为：
C＝C0θ
总耗油量C依据每组相邻桥梁的分布选择对排水曲线m1(t)或m2(t)关于时间作定积分得到，具体形式为：
Figure BDA0003660158870000105
实施例2：
实施例2为实施例1的优选例，以更为具体地对本发明进行说明。
本领域技术人员可以将本发明提供的一种基于设计压载水曲线算法的运泥船油耗优化方法，理解为基于设计压载水曲线算法的运泥船油耗优化系统的具体实施方式，即所述基于设计压载水曲线算法的运泥船油耗优化系统可以通过执行所述基于设计压载水曲线算法的运泥船油耗优化方法的步骤流程予以实现。
为优化运泥船的油耗，设计了一种基于航道上的桥梁信息的船舶压载水曲线设计算法，并给出了船舶油耗的通用估算公式，满足降低工程成本与碳排放的需求。本发明涉及一种以优化运泥船油耗为目的的压载水调节算法，且基本满足航道上桥梁对运泥船吃水的限制和航速的要求。首先，本发明建立运泥船的压载水量与油耗的关系模型，用于随后计算并优化船舶油耗；其次，本发明提出“有效桥梁”概念，并基于贪心算法的原则设计了在给定航道上桥梁信息的情况下压载水的设计方案；最后，本发明给出了船舶油耗的通用估算公式。
根据本发明提供的一种基于设计压载水曲线算法的运泥船油耗优化系统，包括：
模块M1：建立船舶的油耗速度模型；
具体地，在所述模块M1中：
船舶油耗速度模型建立：
假定船舶所受阻力与船速的二次方成正比，与压载水量成线性关系，则：
F∝v2(m+μ)
其中，F为运泥船阻力，v为船速，m为压载水体积，μ为常数；
发动机只克服阻力做功，总航程为L，则发动机总做功W满足：
W＝FL∝v2(m+μ)L
发动机燃油效率固定，耗油量与做功成正比，耗油量为C，则：
C∝W∝v2(m+μ)L
记为等式形式：
C＝αv2(m+μ)L
其中，α为常数；
由于存在关系：
L＝vT
其中，T为运泥船行驶时间；
则得到船舶的油耗速度模型A满足：
Figure BDA0003660158870000111
模块M2：根据油耗速度模型，遍历删除不对运泥船压载水曲线产生约束的桥梁；
具体地，在所述模块M2中：
对船舶压载水曲线的设计采用贪婪算法；
输入设定为桥梁位置pi和顺利过桥所需要的最少压载水量mi，船舶的压载水曲线方程m(t)应当满足约束：
m(ti)≤mi
Figure BDA0003660158870000121
其中，m(ti)为船舶压载水曲线在ti时的函数值，ti为运泥船以给定船速到达第i座桥梁的时间，i为桥梁编号；
由于船舶无法实现压载水量的瞬间变化，在到达桥梁所在位置之前开始增加压载水，在穿过桥梁后缓慢排放压载水，设压载水流速为u，则对于每座桥梁，船舶由空载到压载水量到达mi所需的时间Ti为：
Figure BDA0003660158870000122
过桥后排水时间也为Ti；
输入桥梁的位置和压载水限制信息后，若满足：
ti-ti-1<|mi-mi-1|/u
则mi和mi-1中较小的对应的桥梁为无效桥梁。
模块M3：对不同场景作分类并设计压载水变化曲线；
具体地，在所述模块M3中：
压载水变化可分为两种，在两座桥中间压载水可空载和压载水不可空载；
若压载水可空载，表示压载水有时间排空并空载行驶一段时间，这种条件的出现情况为：
Ti+Ti-1≤ti-ti-1
此时其压载水曲线m1(t)为：
Figure BDA0003660158870000123
若压载水无法空载，船舶无法来得及完全排出压载水并重新注入压载水来穿过下一作桥梁，此时的状态满足：
Ti+Ti-1>ti-ti-1
依据使压载水量尽可能减小的原则与船舶过桥的约束条件，第i与第i-1座桥间的压载水量的最小值
Figure BDA0003660158870000124
即为两个压载水曲线的交汇点，且满足：
Figure BDA0003660158870000125
到达压载水量最小值
Figure BDA0003660158870000126
所花费的时间tmin为：
Figure BDA0003660158870000131
即排水曲线m2(t)为：
Figure BDA0003660158870000132
模块M4：根据场景及其对应的压载水曲线，通过函数曲线拟合和统计的方式给出船舶油耗的估算公式计算总耗油量。
具体地，在所述模块M4中：
当桥梁位置满足在整个航道上的均匀分布，桥梁压载水限制在运泥船可调压载水范围内满足均匀分布，按此原则生成桥梁位置与对应的压载水需求数据，设置桥梁数量，每种数量的桥梁运行预设次，统计油耗相比于基准策略下降幅度的规律；
总路程油耗与航速之间为二次方关系，若航速足够低，则运泥船有充足的时间排空并重新注入压载水，因此其相比于基准策略油耗减少百分比有提升；
油耗通用估算公式为基准策略的油耗乘以当前算法相比于基准策略的油耗减少的百分比θ，基准策略就是在出发将压载水装至使运泥船能通过所有桥梁的位置，此时基准策略耗油量C0为：
C0＝αv2(max{mi}+μ)L
估算总耗油量C为：
C＝C0θ
总耗油量C依据每组相邻桥梁的分布选择对排水曲线m1(t)或m2(t)关于时间作定积分得到，具体形式为：
Figure BDA0003660158870000133
实施例3：
实施例3为实施例1的优选例，以更为具体地对本发明进行说明。
本发明提出一种航道疏浚作业中的运泥船航行时压载水变化曲线的设计算法。本发明首先通过分析船舶阻力，建立船舶油耗与压载水量、船速和航行长度的关系，而后，本发明基于贪心算法的原则设计压载水变化曲线并详细列举了各种可能出现的桥梁分布情况以及其对应的压载水变化规律；最后，本发明利用模拟算法生成大量航道与桥梁的场景模型及其对应的压载水曲线数据，通过函数曲线拟合和统计的方式给出船舶油耗的估算公式，使发明更具有易用性。
如图1所示为算法总框架图。本算法主要可分为三个步骤：输入船舶参数与桥梁数据、遍历筛选有效的桥梁约束以及计算油耗曲线。
在本发明输入桥梁数据后，即筛选有效桥梁约束。由于无法忽略运泥船的注入和排出压载水所需时间，因此若两座桥梁距离过近，那么限高较高的桥梁可能无法对运泥船的压载水量产生约束，即若运泥船改变压载水量至恰好通过限高较低的桥梁时，其必然能够顺带通过限高较高的桥梁且通过时的吃水小于其限高对应的吃水，即该限高较高的桥梁不产生约束，本步骤即用于筛选掉该类不产生有效约束的桥梁。
而后主要部分为压载水曲线计算。本发明首先建立了压载水量与船舶油耗的模型关系，综合考虑了各类场景下的压载水曲线，包括两座相邻桥之间运泥船是否有足够的时间将压载水排空等情况的分类讨论，并依据关系模型计算给定桥梁的情况下的油耗情况。
本发明依据压载水曲线计算模型和油耗模型，通过随机生成桥梁的方式，统计各种桥梁分布情况下的优化压载水曲线后的船舶油耗情况，并通过函数曲线拟合的方式给出油耗估算公式。
算法过程：
1.船舶油耗速度模型
假定船舶所受阻力与船速的二次方成正比，与压载水量成线性关系，则
F∝v2(m+μ)
其中F为运泥船阻力，v为船速，m为压载水体积，μ为常数。同时假定发动机只克服阻力做功，因此若总航程为L，则发动机总做功满足
W＝FL∝v2(m+μ)L
同时，假定发动机燃油效率固定，即耗油量与做功成正比，设耗油量为C，则
C∝W∝v2(m+μ)L
记为等式形式
C＝αv2(m+μ)L
其中α也为常数。由于存在关系
L＝vT
则可得到船舶的油耗速度模型满足
Figure BDA0003660158870000141
2.有效桥梁约束
对船舶压载水曲线的设计采用贪婪算法，即由于船舶油耗速度模型中，油耗速度只与压载水量与船速有关，则在航速不变的情况下，只要时刻保持压载水量尽可能处于最小值即可同时使油耗最小化。
本发明的输入本应为桥梁的限高与位置，然而最终桥梁的限高是对船舶的吃水，进而对压载水量产生影响，因此输入直接设定为桥梁位置pi和顺利过桥所需要的最少压载水量mi。综上，船舶的压载水曲线方程m(t)应当满足约束
m(ti)≤mi
Figure BDA0003660158870000151
在实际情况中，由于船舶无法实现压载水量的瞬间变化，因此需要在到达桥梁所在位置之前即开始增加压载水，在穿过桥梁后缓慢排放压载水。设压载水流速为u，则对于每座桥梁，船舶由空载到压载水量到达mi所需的时间Ti为
Figure BDA0003660158870000152
同理过桥后排水时间也为Ti。
不难发现，若两座桥梁距离足够近，某一座桥梁限高较高，另一座限高较低，则当前限高较高的桥梁无法对船舶压载水量产生有效约束，具体来说，若船舶在穿过一座桥梁后开始排水，则可能在到达下座桥梁时剩余的压载水量仍然多余该桥梁的最低压载水量限制；反之，若船舶为穿过一座桥梁开始注水，但为了穿过更靠后但限高更低的桥梁，需要更早地开始注水，那么在穿过靠前的桥梁时船舶的压载水量也会多于其限制。
以上两种情况下桥梁不会对压载水产生限制，即将这类桥梁称作“无效桥梁”，输入所有桥梁的位置和压载水限制信息后，若满足
ti-ti-1<|mi-mi-1|/u
则认为mi和mi-1中较小的对应的桥梁为无效桥梁。
3.压载水变化策略
压载水变化可分为两种，即在两座桥中间压载水可空载和压载水不可空载。
若压载水可空载，即表示压载水有充足的时间排空并空载行驶一段时间，这种条件的出现情况为
Ti+Ti-1≤ti-ti-1
此时其压载水曲线为
Figure BDA0003660158870000153
若压载水无法空载，即此时两桥距离过近，船舶无法来得及完全排出压载水并重新注入压载水来穿过下一作桥梁，此时的状态满足
Ti+Ti-1>ti-ti-1
依据尽可能使压载水量尽可能减小的原则与船舶过桥的约束条件，第i与第i-1座桥间的压载水量的最小值
Figure BDA0003660158870000161
即为两个压载水曲线的交汇点，且满足
Figure BDA0003660158870000162
到达压载水量最小值
Figure BDA0003660158870000163
所花费的时间tmin为
Figure BDA0003660158870000164
即排水曲线为
Figure BDA0003660158870000165
4.油耗通用估算公式
(1)油耗与桥梁数量之间的关系
在当前油耗模型下，设定桥梁位置满足在整个航道上的均匀分布，桥梁压载水限制在运泥船可调压载水范围内满足均匀分布，按此原则生成桥梁位置与对应的压载水需求数据，桥梁设置数量为0-100，每种数量的桥梁运行十次，统计其油耗相比于基准策略下降幅度的规律。
如图3所示为当前策略与基准策略的油耗量对比，图4所示为当前策略相比于基准策略的油耗减少百分比，当下设定总航程为180km，桥梁数量为20，运泥船最多压载水量为300t，总航行时间为48h，此环境下压载水空载耗油量为180L，满载耗油量为230L，且压载水排放与注入速度均为100t/h，对图4散点作线性拟合结果如图中红线所示，油耗减少百分比θ与桥梁数量n之间的线性拟合结果为
θ＝-0.000842n+0.152
(2)油耗与船舶航速的关系
由油耗模型可知，总路程油耗与航速之间为二次方关系，但另一方面，若航速足够低，则运泥船有充足的时间排空并重新注入压载水，因此其相比于基准策略油耗减少百分比会有进一步提升。
例如，在固定总航程为180km，桥梁数量为20的基础上，改变总航行时间，使得其范围设定为24-72h，在该范围内每种航行时长生成十次桥梁分布，计算两种策略的油耗并得到油耗减少百分比θ与航行时间t的关系散点图如图5所示，对其进行线性拟合结果为
θ＝0.00104t+0.0911
油耗通用估算公式为基准策略的油耗×当前算法相比于基准策略的油耗减少的百分比θ。其中基准策略就是在出发将压载水装至使运泥船能通过所有桥梁的位置，此时基准策略耗油量为
C0＝αv2(max{mi}+μ)L
而估算耗油量为
C＝C0θ
其中θ即依据两个拟合结果公式
总耗油量C即为当前发明所对应的耗油量，估算公式估算的是当前策略相比于基准策略C0节省油耗的百分比，具体关系为C＝C0θ。
总耗油量C，是依据每组相邻桥梁的分布选择对排水曲线m1(t)或m2(t)关于时间作定积分得到的。具体形式即为
Figure BDA0003660158870000171
算法实现：
本算法采用Python 3.10编写，在整体程序设计结束后，将真实工程场景的参数带入算法中，分析其油耗优化效果。具体来说，设定总航程为180km，桥梁数量为20，运泥船最多压载水量为300t，总航行时间为48h，此环境下压载水空载耗油量为180L，满载耗油量为230L，且压载水排放与注入速度均为100t/h。在该配置条件下，生成桥梁数据如下表1所示，将对比算法设定为在行驶前即将压载水压至能满足所有桥梁要求的位置且全程不变化，则本发明相比于对比算法能够将油耗减少大约13.6％，压载水变化曲线见图2。
表1
Figure BDA0003660158870000172
Figure BDA0003660158870000181
除此之外，验证油耗估算公式的准确度，将桥梁数量20座带入数量与耗油量拟合的公式中，计算得到相比于基准策略油耗大约可节省13.5％，与13.6％接近，证明估算结果有效。
同时，将航行时间48h带入航速与油耗拟合公式中，得到相比于基准策略油耗大约节省14.1％，估算结果与13.6％的计算结果接近，估算公式有效。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种基于设计压载水曲线算法的运泥船油耗优化方法，其特征在于，包括：
步骤S1：建立船舶的油耗速度模型；
步骤S2：根据油耗速度模型，遍历删除不对运泥船压载水曲线产生约束的桥梁；
步骤S3：对不同场景作分类并设计压载水变化曲线；
步骤S4：根据场景及其对应的压载水曲线，通过函数曲线拟合和统计的方式给出船舶油耗的估算公式计算总耗油量。
2.根据权利要求1所述的基于设计压载水曲线算法的运泥船油耗优化方法，其特征在于，在所述步骤S1中：
船舶油耗速度模型建立：
假定船舶所受阻力与船速的二次方成正比，与压载水量成线性关系，则：
F∝v2(m+μ)
其中，F为运泥船阻力，v为船速，m为压载水体积，μ为常数；
发动机只克服阻力做功，总航程为L，则发动机总做功W满足：
W＝FL∝v2(m+μ)L
发动机燃油效率固定，耗油量与做功成正比，耗油量为C，则：
C∝W∝v2(m+μ)L
记为等式形式：
C＝αv2(m+μ)L
其中，α为常数；
由于存在关系：
L＝vT
其中，T为运泥船行驶时间；
则得到船舶的油耗速度模型A满足：
Figure FDA0003660158860000011
3.根据权利要求1所述的基于设计压载水曲线算法的运泥船油耗优化方法，其特征在于，在所述步骤S2中：
对船舶压载水曲线的设计采用贪婪算法；
输入设定为桥梁位置pi和顺利过桥所需要的最少压载水量mi，船舶的压载水曲线方程m(t)应当满足约束：
m(ti)≤mi
Figure FDA0003660158860000021
其中，m(ti)为船舶压载水曲线在ti时的函数值，ti为运泥船以给定船速到达第i座桥梁的时间，i为桥梁编号；
由于船舶无法实现压载水量的瞬间变化，在到达桥梁所在位置之前开始增加压载水，在穿过桥梁后缓慢排放压载水，设压载水流速为u，则对于每座桥梁，船舶由空载到压载水量到达mi所需的时间Ti为：
Figure FDA0003660158860000022
过桥后排水时间也为Ti；
输入桥梁的位置和压载水限制信息后，若满足：
ti-ti-1＜|mi-mi-1|/u
则mi和mi-1中较小的对应的桥梁为无效桥梁。
4.根据权利要求1所述的基于设计压载水曲线算法的运泥船油耗优化方法，其特征在于，在所述步骤S3中：
压载水变化可分为两种，在两座桥中间压载水可空载和压载水不可空载；
若压载水可空载，表示压载水有时间排空并空载行驶一段时间，这种条件的出现情况为：
Ti+Ti-1≤ti-ti-1
此时其压载水曲线m1(t)为：
Figure FDA0003660158860000023
若压载水无法空载，船舶无法来得及完全排出压载水并重新注入压载水来穿过下一作桥梁，此时的状态满足：
Ti+Ti-1＞ti-ti-1
依据使压载水量尽可能减小的原则与船舶过桥的约束条件，第i与第i-1座桥间的压载水量的最小值
Figure FDA0003660158860000024
即为两个压载水曲线的交汇点，且满足：
Figure FDA0003660158860000025
到达压载水量最小值
Figure FDA0003660158860000026
所花费的时间tmin为：
Figure FDA0003660158860000031
即排水曲线m2(t)为：
Figure FDA0003660158860000032
5.根据权利要求1所述的基于设计压载水曲线算法的运泥船油耗优化方法，其特征在于，在所述步骤S4中：
当桥梁位置满足在整个航道上的均匀分布，桥梁压载水限制在运泥船可调压载水范围内满足均匀分布，按此原则生成桥梁位置与对应的压载水需求数据，设置桥梁数量，每种数量的桥梁运行预设次，统计油耗相比于基准策略下降幅度的规律；
总路程油耗与航速之间为二次方关系，若航速足够低，则运泥船有充足的时间排空并重新注入压载水，因此其相比于基准策略油耗减少百分比有提升；
油耗通用估算公式为基准策略的油耗乘以当前算法相比于基准策略的油耗减少的百分比θ，基准策略就是在出发将压载水装至使运泥船能通过所有桥梁的位置，此时基准策略耗油量C0为：
C0＝αv2(max{mi}+μ)L
估算耗油量C为：
C＝C0θ
总耗油量C依据每组相邻桥梁的分布选择对排水曲线m1(t)或m2(t)关于时间作定积分得到，具体形式为：
Figure FDA0003660158860000033
6.一种基于设计压载水曲线算法的运泥船油耗优化系统，其特征在于，包括：
模块M1：建立船舶的油耗速度模型；
模块M2：根据油耗速度模型，遍历删除不对运泥船压载水曲线产生约束的桥梁；
模块M3：对不同场景作分类并设计压载水变化曲线；
模块M4：根据场景及其对应的压载水曲线，通过函数曲线拟合和统计的方式给出船舶油耗的估算公式计算总耗油量。
7.根据权利要求6所述的基于设计压载水曲线算法的运泥船油耗优化系统，其特征在于，在所述模块M1中：
船舶油耗速度模型建立：
假定船舶所受阻力与船速的二次方成正比，与压载水量成线性关系，则：
F∝v2(m+μ)
其中，F为运泥船阻力，v为船速，m为压载水体积，μ为常数；
发动机只克服阻力做功，总航程为L，则发动机总做功W满足：
W＝FL∝v2(m+μ)L
发动机燃油效率固定，耗油量与做功成正比，耗油量为C，则：
C∝W∝v2(m+μ)L
记为等式形式：
C＝αv2(m+μ)L
其中，α为常数；
由于存在关系：
L＝vT
其中，T为运泥船行驶时间；
则得到船舶的油耗速度模型A满足：
Figure FDA0003660158860000041
8.根据权利要求6所述的基于设计压载水曲线算法的运泥船油耗优化系统，其特征在于，在所述模块M2中：
对船舶压载水曲线的设计采用贪婪算法；
输入设定为桥梁位置pi和顺利过桥所需要的最少压载水量mi，船舶的压载水曲线方程m(t)应当满足约束：
m(ti)≤mi
Figure FDA0003660158860000042
其中，m(ti)为船舶压载水曲线在ti时的函数值，ti为运泥船以给定船速到达第i座桥梁的时间，i为桥梁编号；
由于船舶无法实现压载水量的瞬间变化，在到达桥梁所在位置之前开始增加压载水，在穿过桥梁后缓慢排放压载水，设压载水流速为u，则对于每座桥梁，船舶由空载到压载水量到达mi所需的时间Ti为：
Figure FDA0003660158860000043
过桥后排水时间也为Ti；
输入桥梁的位置和压载水限制信息后，若满足：
ti-ti-1＜|mi-mi-1|/u
则mi和mi-1中较小的对应的桥梁为无效桥梁。
9.根据权利要求6所述的基于设计压载水曲线算法的运泥船油耗优化系统，其特征在于，在所述模块M3中：
压载水变化可分为两种，在两座桥中间压载水可空载和压载水不可空载；
若压载水可空载，表示压载水有时间排空并空载行驶一段时间，这种条件的出现情况为：
Ti+Ti-1≤ti-ti-1
此时其压载水曲线m1(t)为：
Figure FDA0003660158860000051
若压载水无法空载，船舶无法来得及完全排出压载水并重新注入压载水来穿过下一作桥梁，此时的状态满足：
Ti+Ti-1＞ti-ti-1
依据使压载水量尽可能减小的原则与船舶过桥的约束条件，第i与第i-1座桥间的压载水量的最小值
Figure FDA0003660158860000052
即为两个压载水曲线的交汇点，且满足：
Figure FDA0003660158860000053
到达压载水量最小值
Figure FDA0003660158860000054
所花费的时间tmin为：
Figure FDA0003660158860000055
即排水曲线m2(t)为：
Figure FDA0003660158860000056
10.根据权利要求6所述的基于设计压载水曲线算法的运泥船油耗优化系统，其特征在于，在所述模块M4中：
当桥梁位置满足在整个航道上的均匀分布，桥梁压载水限制在运泥船可调压载水范围内满足均匀分布，按此原则生成桥梁位置与对应的压载水需求数据，设置桥梁数量，每种数量的桥梁运行预设次，统计油耗相比于基准策略下降幅度的规律；
总路程油耗与航速之间为二次方关系，若航速足够低，则运泥船有充足的时间排空并重新注入压载水，因此其相比于基准策略油耗减少百分比有提升；
油耗通用估算公式为基准策略的油耗乘以当前算法相比于基准策略的油耗减少的百分比θ，基准策略就是在出发将压载水装至使运泥船能通过所有桥梁的位置，此时基准策略耗油量C0为：
C0＝αv2(max{mi}+μ)L
估算总耗油量C为：
C＝C0θ
总耗油量C依据每组相邻桥梁的分布选择对排水曲线m1(t)或m2(t)关于时间作定积分得到，具体形式为：
Figure FDA0003660158860000061
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