CN115979275B - 一种海域全覆盖的能耗最优航路规划方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及航路规划技术领域，尤其涉及一种海域全覆盖的能耗最优航路规划方法，包括以下步骤：步骤1、环境载荷系数计算及实时海况测量；步骤2、对给定作业海域形成全航程航线；步骤3、实时海况给定航向下全航程能耗计算；步骤4、按固定步长增大航向线角度；步骤5、判断航向线角度增长后是否小于360°，如否，则跳转到步骤6，如是，则跳转到步骤2；步骤6、选取全航程能耗最小一组的全航程航线作为最优航路规划。本发明结合实时海域风、流环境信息，采用船舶CFD（计算流体动力）分析、数值寻优等技术，实现对任务海域全覆盖的前提下完成能耗最优航路航向寻优，确保船舶声学测绘、目标探测任务的航行能耗最低。
Description
技术领域
本发明涉及航路规划技术领域，尤其涉及一种海域全覆盖的能耗最优航路规划方法。
背景技术
航路规划问题是船舶航行操控的关键技术之一，完全遍历路径规划是该问题的一种特殊形式，广泛应用于海底地形探测、特定海域扫雷、目标搜索等领域，重点解决规划重复区域、遗漏区域等问题，相关学术研究较为普遍。而以节能为主要目标的完全遍历路径规划问题的解决方案尚不成熟，在船舶航行操控过程中，仍基于操作员经验进行航路制定，无法针对任务海域海上环境、船舶特性准确分析制定能耗最优的任务海域全覆盖航线，导致效率低、能耗高等问题。
本发明以动力定位船舶为研究对象，针对凸区域任务海域完全遍历任务，以节能为主要优化目标，采用船舶CFD（计算流体动力）分析、数值寻优等技术，实现对任务海域全覆盖的前提下完成能耗最优航路航向寻优，确保船舶航行任务的航行能耗最低。
发明内容
本发明旨在针对传统基于经验的任务海域全覆盖航路规划存在效率低、能耗高的问题，提出一种基于船舶CFD（计算流体动力）分析、数值寻优技术的任务海域全覆盖的能耗最优航路规划方法，实现动力定位船舶航行任务的航行能耗优化。
本发明提供一种海域全覆盖的能耗最优航路规划方法，包括如下步骤：
S1.对目标船舶进行环境载荷系数计算，并对实时海况下进行测量，所述实时海况包括实时海上风速风向信息及实时海上流速流向信息；
S2.对给定作业海域形成全航程航线：将给定作业海域以多边形凸包络线表示，将覆盖作业海域的等间距航向线以等间距平行线表示，多边形凸包络线与等间距平行线交点为航路点，采用折线方式连接航路点，形成全航程航线；
S3.按照步骤S2所得全航程航线，在步骤S1实时海况下对全航程能耗计算；
S4.按照固定步长，增大步骤S2中等间距航向线的角度；
S5.判断等间距航向线的角度增长后是否小于360°，如否，则跳转到步骤S6，如是，则跳转到步骤S2；
S6.选取全航程能耗最小一组的全航程航线作为最优航路规划。
根据本发明提供的步骤S1中对目标船舶进行环境载荷系数计算方法为通过CFD软件求解获取无因次风载荷系数及无因次流载荷系数。
根据本发明提供的通过CFD软件求解获取无因次风载荷系数及无因次流载荷系数需要在CFD软件上进行如下步骤：
S11.对目标船舶构建几何模型；
S12.对环境参数进行设置；
S13.选择风、流计算仿真的方向间隔为10°，依次记录从0°到360°的数值，计算得到无因次风载荷系数及无因次流载荷系数，并通过公式得到无因次风载荷系数与风载荷关系：
其中，为正向风投影面积，为侧向风投影面积，为船长，为空气密度，为相对风速，为相对风向，在角下，为无因次纵向风载荷系数，为无因次横向风载荷系数，为无因次艏向风载荷系数，、、为风载荷，表示纵向风载荷、表示横向风载荷、表示艏向风载荷；
并通过公式得到无因次流载荷系数与流载荷关系：
其中，为型宽，为吃水，为垂线间距，为海水密度，为相对流速，为相对流向，在角下，为无因次流纵向载荷系数，为无因次流横向载荷系数，为无因次流艏向载荷系数，、、为流载荷，表示纵向流载荷、表示横向流载荷、表示艏向流载荷。
根据本发明提供的步骤S1中获取实时海上风速风向信息使用风速风向仪。
根据本发明提供的步骤S1中获取实时海上流速流向信息使用海流计。
根据本发明提供的步骤S2中等间距航向线的角度初值为0°。
根据本发明提供的步骤S3中按照步骤S2所得全航程航线，在步骤S1实时海况下对全航程能耗计算的方法，包括如下步骤：
S31.按照步骤S2的全航程航线，利用两点间距离公式可得每个航段的距离，利用航速信息进而可得到每个航段的航行时间；
S32.结合步骤S1获取实时海上风速风向信息及实时海上流速流向信息，并结合步骤S2的全航程航线，得出给定航程下每个航段的船舶期望航速、期望艏向信息，计算每个航段的相对风速及风向、相对流速及流向；
S33.基于步骤S13中无因次风载荷系数与风载荷关系公式及无因次流载荷系数与流载荷关系公式，及步骤S32所得的每个航段的相对风向、相对流向，得到每个航段的风载荷、流载荷的大小；
S34.利用功率计算公式，为功率，为载荷，通过步骤S33中所得每个航段的风载荷及流载荷确定，为速度，通过步骤S32中所得每个航段的相对风速、相对流速确定，通过功率计算公式得到每个航段航行功率，结合S31步骤所得每个航段的航行时间，得到每个航段航行功耗；
S35.将各航段航行功耗求和得到给定航向的全航程能耗。
根据本发明提供的步骤S34中每个航段航行功耗，,其中表示航路点个数，表示第个航段,表示第个航段的航行功率，表示第个航段的航行时间。
根据本发明提供的步骤S35中全航程能耗。
根据本发明提供的步骤S4的固定步长为10°。
本发明实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果之一：
本文提出一种任务海域全覆盖的能耗最优航路规划方法，本发明所具有的优点和有益效果如下：
1.本发明基于计算流体动力分析、数值寻优技术，克服传统人员经验航路规划的缺点，在船舶航行之前能够快速、准确地提供全海域覆盖的能耗最优航路规划，实现船舶航行能耗最低。
2.本发明通过对目标船进行建模分析，相比基于传统普适性经验公式计算风、流载荷的方法，其精确性大幅提升，避免船型特殊导致预报精度降低的问题。
3.本发明可结合实际情况动态调整航向线角度步长、航向线间距，满足使用过程中对计算速度、预报精度的不同需要，提高工程实用性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明方法流程图。
图2为本发明航向线数量为奇数时航路点及航线图。
图3为本发明航向线数量为偶数时航路点及航线图。
图4为本发明航船坐标系示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
以下结合附图对本发明实施例作进一步详述：
一种任务海域全覆盖的能耗最优航路规划方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤S1、对目标船舶进行环境载荷系数计算,并对实时海况下进行测量：
以某型船舶为研究对象，进行1:1等比例实体几何建模，构建几何模型。
在CFD数值模拟中，网格类型的选择和生成是最重要的一环，在本数值模拟中，网格模型选择为切割体网格、棱柱层网格和表面重构网格。
船体表面设为壁面边界条件，固定无滑移，流体物理模型选择空气，设为恒密度；工作压力设置为一个大气压，参考高度设在水面上；湍流模型选择要兼顾到船体附近和远场，对流项采用二阶离散格式。
选择风、流计算仿真的方向间隔为10°，依次为0°、10°、……、350°、360°，记录数值计算得到无因次风载荷系数及无因次流载荷系数，并通过公式得到无因次风载荷系数与风载荷关系：
其中，为正向风投影面积，为侧向风投影面积，为船长，为空气密度，为相对风速，为相对风向，在角下，为无因次纵向风载荷系数，为无因次横向风载荷系数，为无因次艏向风载荷系数，、、为风载荷，表示纵向风载荷、表示横向风载荷、表示艏向风载荷；
并通过公式得到无因次流载荷系数与流载荷关系：
其中，为型宽，为吃水，为垂线间距，为海水密度，为相对流速，为相对流向，在角下，为无因次流纵向载荷系数，为无因次流横向载荷系数，为无因次流艏向载荷系数，、、为流载荷，表示纵向流载荷、表示横向流载荷、表示艏向流载荷。
步骤S2、对给定作业海域形成全航程航线：
作业海域以多边形凸包络线的形式表示，，等于多边形凸包络边的个数，定义覆盖作业海域的等间距航向线角度为，推荐初值为0°，相邻平行线间距为，可根据任务需求确定，以等间距平行线的形式表示，，，等于等间距平行线个数，将等间距航向线与作业海域包络线联立求解可得航路点，每个航向线上的航路点有2个，坐标为，，其中为航路点个数。
步骤S3、实时海况下全航程能耗计算：
如图2，图3所示，采用折线方式连接航路点，形成全航程航线。首个航段方向与等间距航向线角度相同为，若航向线数量为奇数时，航线表示为，若航向线数量为偶数时，航线表示为。连续2个航点间距离表示为，，表示第个航段，可通过两点间距离公式计算得到，为两点位置坐标。
如图4所示，坐标系采用北东坐标系，北向为0°、东向为90°，利用风速风向仪、海流计等设备获取海上风速风向、流速流向信息，风向和流向为去向，实时海域风信息矢量表示为、流信息矢量表示为，船舶航速信息矢量表示为、船舶艏向角表示为。相对风信息矢量表示为、相对流信息矢量表示为。则相对风速大小为，相对风向为，则相对流速大小为，相对流向为。
在实时的海上环境，即风速风向、流速流向已确定的条件下，船舶按照期望航速、航向匀速稳定航行，此时推进器的功率总和等于船舶抵御风、流做功功率，因此可用近似计算。其中，为风载荷矢量作用力，为流载荷矢量作用力，、、、根据步骤1中风、流载荷计算方法得到。当实时风速风向、流速流向与步骤1中所得无因次风载荷系数及无因次流载荷系数的相应角度不对应，用相应两个邻近角度的无因次风载荷系数及无因次流载荷系数的做减法处理。
由上可得，每个航段耗时为，对应航段稳定航行时推进器功率为，为第个航段上风载荷矢量作用力，为第个航段上相对风信息矢量，为第个航段上流载荷矢量作用力，为第个航段上相对流信息矢量，对应航段能耗为，全航程能耗计算表示为所有航段能耗总和，。
步骤S4、按固定步长增大等间距航向线的角度：
覆盖作业海域的等间距航向线角度为，按照固定步长增大。推荐等间距航向线角度寻优步长为10°，可根据需要适当增大或减小，减小则提高寻优精度、但会增加计算时间。
步骤S5、判断航向线角度增长后是否小于360°，如否，则跳转到步骤S6，如是，则跳转到步骤S2。
步骤S6、选取全航程能耗最小一组的全航程航线作为最优航路规划：
总共得到36组数据，每组数据包括全航程能耗、航路点坐标，选取全航程能耗最小一组数据，将全航程航线作为最优航路规划。
本文提出一种任务海域全覆盖的能耗最优航路规划方法，本发明所具有的优点和有益效果如下：
1.本发明基于计算流体动力分析、数值寻优技术，克服传统人员经验航路规划的缺点，在船舶航行之前能够快速、准确地提供全海域覆盖的能耗最优航路规划，实现船舶航行能耗最低。
2.本发明通过对目标船进行建模分析，相比基于传统普适性经验公式计算风、流载荷的方法，其精确性大幅提升，避免船型特殊导致预报精度降低的问题。
3.本发明可结合实际情况动态调整航向线角度步长、航向线间距，满足使用过程中对计算速度、预报精度的不同需要，提高工程实用性。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种海域全覆盖的能耗最优航路规划方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.对目标船舶进行环境载荷系数计算，并对实时海况进行测量，所述实时海况包括实时海上风速风向信息及实时海上流速流向信息；
S2.对给定作业海域形成全航程航线：将给定作业海域以多边形凸包络线表示，将覆盖作业海域的等间距航向线以等间距平行线表示，多边形凸包络线与等间距平行线交点为航路点，采用折线方式连接航路点，形成全航程航线；
S3.按照步骤S2所得全航程航线，在步骤S1实时海况下对全航程能耗计算；
S4.按照固定步长，增大步骤S2中等间距航向线的角度；
S5.判断等间距航向线的角度增长后是否小于360°，如否，则跳转到步骤S6，如是，则跳转到步骤S2；
S6.选取全航程能耗最小一组的全航程航线作为最优航路规划。
2.根据权利要求1所述的海域全覆盖的能耗最优航路规划方法，其特征在于，步骤S1中对目标船舶进行环境载荷系数计算方法为通过CFD软件求解获取无因次风载荷系数及无因次流载荷系数。
3.根据权利要求2所述的海域全覆盖的能耗最优航路规划方法，其特征在于，在CFD软件上进行CFD软件求解获取无因次风载荷系数及无因次流载荷系数,包括如下步骤：
S11.对目标船舶构建几何模型；
S12.对环境参数进行设置；
S13.选择风、流计算仿真的方向间隔为10°，依次记录从0°到360°的数值，计算得到无因次风载荷系数及无因次流载荷系数，并通过公式得到无因次风载荷系数与风载荷的关系：
其中，为正向风投影面积，为侧向风投影面积，为船长，为空气密度，为相对风速，为相对风向，在角下，为无因次纵向风载荷系数，为无因次横向风载荷系数，为无因次艏向风载荷系数，表示纵向风载荷、表示横向风载荷、表示艏向风载荷；
并通过公式得到无因次流载荷系数与流载荷的关系：
其中，为型宽，为吃水，为垂线间距，为海水密度，为相对流速，为相对流向，在角下，为无因次流纵向载荷系数，为无因次流横向载荷系数，为无因次流艏向载荷系数，表示纵向流载荷、表示横向流载荷、表示艏向流载荷。
4.根据权利要求1所述的海域全覆盖的能耗最优航路规划方法，其特征在于，步骤S1中获取实时海上风速风向信息使用风速风向仪。
5.根据权利要求1所述的海域全覆盖的能耗最优航路规划方法，其特征在于，步骤S1中获取实时海上流速流向信息使用海流计。
6.根据权利要求1所述的海域全覆盖的能耗最优航路规划方法，其特征在于，步骤S2中等间距航向线的角度初值为0°。
7.根据权利要求3所述的海域全覆盖的能耗最优航路规划方法，其特征在于，步骤S3中按照步骤S2所得全航程航线，在步骤S1实时海况下对全航程能耗计算的方法，包括如下步骤：
S31.按照步骤S2的全航程航线，利用两点间距离公式可得每个航段的距离，利用航速信息进而可得到每个航段的航行时间；
S32.结合步骤S1获取实时海上风速风向信息及实时海上流速流向信息，并结合步骤S2的全航程航线，得出给定航程下每个航段的船舶期望航速、期望艏向信息，计算每个航段的相对风速及风向、相对流速及流向；
S33.基于步骤S13中无因次风载荷系数与风载荷关系公式及无因次流载荷系数与流载荷关系公式，及步骤S32所得的每个航段的相对风向、相对流向，得到每个航段的风载荷、流载荷的大小；
S34.利用功率计算公式，为功率，为载荷，通过步骤S33中所得每个航段的风载荷及流载荷确定，为速度，通过步骤S32中所得每个航段的相对风速、相对流速确定，通过功率计算公式得到每个航段航行功率，结合S31步骤所得每个航段的航行时间，得到每个航段航行功耗；
S35.将各航段航行功耗求和得到给定航向的全航程能耗。
8.根据权利要求7所述的海域全覆盖的能耗最优航路规划方法，其特征在于，步骤S34中每个航段航行功耗，,其中表示航路点个数，表示第个航段,表示第个航段的航行功率，表示第个航段的航行时间。
9.根据权利要求8所述的海域全覆盖的能耗最优航路规划方法，其特征在于，步骤S35中全航程能耗。
10.根据权利要求1所述的海域全覆盖的能耗最优航路规划方法，其特征在于，步骤S4的固定步长为10°。
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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