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应用海洋研究
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考虑自愿速度损失和排放的集装箱船在给定航线上的速度优化
李小河a，孙宝志a.*，郭春玉b.*，杜伟a，李彦军a
a哈尔滨工程大学电力与能源工程学院，哈尔滨，150001，黑龙江，中国
b 哈尔滨工程大学船舶工程学院，哈尔滨，150001，黑龙江，中国
摘要：
本研究对4250TEU集装箱船进行了速度优化，其中考虑了海况和自愿速度损失对船舶航行的影响。 建立了单航次航速优化模型，其目标是最小化主机燃料消耗和船舶运营成本。 基于已验证的速度优化模型，对船舶速度进行了有无自愿速度损失的优化。 研究结果表明，具有自愿速度损失的模型的优化结果与没有自愿速度损失的模型有显著差异. 为了使优化结果更准确，更符合实际导航条件，在优化模型中需要考虑自愿速度损失。 此外，船舶速度优化对时间窗口极其敏感。 更大的时间窗约束可以为降低速度和提高船舶能效提供更大的潜力，这与慢蒸优化能效的理论是一致的. 建立的模型可以为船舶作业提供合理的速度优化决策.
一、导言
一
*相应的作者。
https://doi.Org/10.1016/j.apor.2019.101995
2019年3月29日收到；2019年10月24日收到；2019年11月7日接受
2019年11月12日
0141-1187/copy;2019年Elsevier有限公司版权所有。
海上运输（以下简称“海运”）是世界上最古老的运输方式。 此外，航运在国际货物运输中仍发挥着重要作用。 世界海运货物总贸易量大于100亿吨，占2015年世界商品贸易总额的80%以上[34，35]。虽然航运是远距离运输货物最节能的手段，但航运也存在能源消耗高和环境污染严重等问题。 过去二十年来，国际航运业产生的空气污染物和温室气体排放急剧增加，导致严重的气候变暖趋势和空气污染问题[6]。根据国际海事组织（海事组织）进行的研究，2012年的船舶排放总量约为9.38亿吨CO2 ，占全球排放量的2.6%。 如果不采取进一步措施，到2050年，这些排放量将增加50-250%[10]。航运业的温室气体排放与船舶的燃料消耗密切相关，同时燃料消耗与船舶速度之间存在立方关系。 燃料价格的上涨和航运市场的低迷导致航运公司改变或优化船舶速度，以降低船舶运营成本。船舶速度优化已成为保证船舶运营经济效益的重要途径，同时降低燃料消耗，减少温室气体排放.
随着人们越来越意识到人为对环境的影响，降低船舶速度已成为航运公司在短期内降低运营成本和产生节能减排的主要战略。Lindstad等人[19]指出，降低船舶速度可大大降低CO 2运输过程中的排放，同时降低海运成本。科贝特等人[3]利用利润最大化方程估计特定路线的经济速度，并探讨燃油税和减速对CO2 的影响排放。他们发现，燃料税约为每吨150$，将导致平均速度相关的C02减少约20-30%，他们还指出，在二氧化碳交易存在的情况下，降低航速以减少C02排放仍是船舶经营者的首选。虽然降低船速可以降低CO2 排放，这种方法可能导致货物过境时间的增加，这将需要在给定的班轮航线上部署更多的船舶，以确保在港口商定的服务频率。这一后果将导致额外的成本和排放。 因此，航运公司需要在海运的经济和环境绩效之间做出重要的权衡[27]。此外，Psaraftis和Kontovas[28，29]总结了能源消耗和船舶速度的模型，然后开发了一种单船多径场景速度优化模型。 确定了影响船舶航行速度的一些关键因素，包括单位燃料成本、市场条件、运费和库存成本，以及燃料消耗对有效载荷的依赖。针对运输环境中航线和航行速度的同时优化问题，Wen等人提出了这一问题 [38]提出了一种高效的数据预处理和启发式列生成的新的分价格算法。 该算法能找到每艘船的最优航线和航线上每航段的最优航速，使运输总利润最大化。此外，Wen等人[37]研究了在时间、成本和排放三个目标下的多船航线和速度优化问题。 本研究将Psaraftis和Kontovas[29]中提出的工作扩展到多船情况，其结果表明，在单船情况下识别的许多属性在多船问题中仍然有效。王和徐[36]就碳排放税、滞期费和调度费对船舶排放和经营利润的影响进行了辩论，并根据三种不同的烟尘排放税征收方法建立了速度优化模型。此外，他们还分析了运营利润对重型燃料价格的敏感性，其中他们指出，随着重型燃料价格的上涨，船东的利润呈线性下降。He等人[9]研究了一条路线上的速度优化，以尽量减少燃料消耗和排放，同时尽量减少总成本，他们指出，当每个航行段的成本是一个连续可微且严格的凸速度函数时，他们开发的简单有效的算法比一般的凸优化求解器具有更快的求解速度。 此外，一些研究人员还集中在班轮运输的速度优化上。 Guericke和Tierney[8]提出了一种新的班轮运输货物分配混合整数规划模型，引入了过境时间所需的服务水平，并在服役期间对每条航线的船舶速度进行了优化。因此，该模型可以有效地用于方便运营商和码头之间的谈判，同时根据推荐的船舶速度协助规划停泊时间。Sheng等人[33]考虑到燃料价格和燃料消耗的不确定性，建立了班轮运输加油政策模型；他们还研究了速度优化问题，其中他们指出，班轮服务的研究应更多地侧重于成本最小化，而不是利润最大化。Sheng等人的主要贡献 [33]在速度优化中引入了加油政策，并引入了渐进套期保值算法的两种变体，以解决大规模混合整数问题。Aydin等人[1]应用动态规划方法解决班轮运输中的速度优化和加油问题；在此优化中考虑了随机港口时间（港口时间定义为港口分配给船舶的预留时间）。这项研究的目的是尽量减少总油耗，同时保持计划的可靠性。值得注意的是，与其他研究中提出的加油模型相比，Aydin等人的模型[1]允许船只在不在计划服务路线上的港口停泊。这些研究人员较少地考虑了风浪造成的非自愿速度损失和船舶在优化船舶速度时自愿速度损失对船舶航行的影响。 他们的研究主要集中在多港口和班轮航运网络中的船舶速度优化。
由于船舶在海上航行时受到海洋状态的影响，研究人员已经开始关注非自愿和自愿的速度损失对船舶航行的影响。 Prpic-Orsic和Faltinsen[26]通过考虑发动机和螺旋桨性能以及船舶惯性来计算非自愿速度损失，并提出了一种估计船舶在实际海洋中可达到的速度的方法。 此外，他们还估计了不同海况下船舶的自愿速度损失。 Kim等人 [15]计算了船舶航行过程中风和不规则波引起的静水阻力和附加阻力，然后估计了集装箱船在某些海洋状态下的非自愿速度损失。他们指出，在海道相同的风浪条件下，随着船舶参考或作业速度的降低，由于风浪，特别是由于波浪造成的总速度损失增加。 Wiik[39]利用问卷和船舶服务数据研究了船舶在海上航行的自愿速度损失，并分析了当前的船舶可操作性准则。他们的研究表明，在装载和压载的情况下，对于顶浪和横浪来说，大约5.5米的显著波高可能会发生自愿减速。
上述分析表明，目前的航运研究很少将船舶速度优化与风浪造成的速度损失结合起来，从而导致计算结果与实际航行数据之间的误差。因此，本文以4250TEU集装箱船为研究对象，在速度优化中考虑了非自愿和自愿速度损失对船舶航行的影响。建立了速度优化模型，目的是尽量减少主机燃料消耗和船舶运营成本；同时估计温室气体排放量。
二、速度优化模型
当船舶在海上航行时，会受到各种因素的影响，其中风浪会增加船舶的阻力（即非自愿的船舶速度损失）。 此外，当船舶遇到严重的海洋状态时，为了安全和舒适，船长可能会自愿降低船舶速度，以避免严重后果（即自愿速度损失）。 因此，在优化船舶速度时，必须考虑非自愿和自愿速度损失的影响。
2.1 静水阻力的计算
船舶在静水中航行时，总阻力可分为摩擦阻力和残余阻力两部分.. 在本研究中，Li等人描述的方法。 采用[18]计算静水阻力，精度好，适用性广。 摩擦阻力用平面公式计算，残余阻力用Lap-Keller图计算。由于Lap-Keller图中的误差，本研究利用剩余电阻的修正系数[18]对剩余电阻进行了适当的修正。
2.2 风浪阻力的计算
当船舶在实际海洋状态下航行时，遇到的风和不规则波会增加船舶的阻力，造成非自愿的速度损失。 Kwon[16]提出了一种计算风浪附加阻力的近似方法，用于预测不规则风浪引起的船舶的非自愿速度损失。该方法不需要详细的船舶参数，如船壳线；而且，该方法简单、实用、通用性强、速度快。 由于技术保密，很难获得详细的船舶参数，如船体线；因此，本文采用 Kwon的方法[16]来估计非自愿速度损失。
其中Fn是弗劳德数，Vi是静水中的船速（m/s），LpP是垂线之间的长度（m），g是局部重力
加速度(m/s)2)，av是非自愿速度损失，v2 是风浪中的实际船舶速度(m/s)，Cbeta;是方向折减系数，与相遇角有关（如图1所示 ）和风力系数(BN)（如表1），Cu是减速系数， 如表2所示，CForm为船型系数，V为排水量（m3），见表3。
注意，本研究中使用的BN与海况下有效波高（Hs）之间的关系取自ISO15016标准[11]，如表4所示。此表通常描述了在远离陆地的公海中可能出现的海况，显示了对应于每个BN的Hs和风速（Vwind）。此外，Hs与平均波周期（Tm）之间的关系取自第27届ITTC[13]推荐的公式，如公式（4）所示。
表1
方向折减系数[16,30].
|
遇到方向 |
相遇角度^ |
方向折减系数^ |
|
顶浪 |
0~30° |
2Cbeta;=2 |
|
艏侧浪 |
30~60° |
2Cbeta;=1.7-0.03(BN4)sup2;) |
|
横浪 |
60-150° |
2Cbeta;=0.9-0.06(BN6)sup2;) |
|
顺浪 |
150~180° |
2Cbeta;=0.4-0.03(BN8)sup2;) |
表2
减速系数Cv[16,30]。
|
块系数CB. |
船舶装载条件 |
减速系数 |
|
0.55 |
正常 |
1-7 - 1.4Fn-7.4(Fn)2 |
|
0.60 |
正常 |
2.2 - 2.5Fn-9.7(Fn)2 |
|
0.65 |
正常 |
2.6 - 3.7Fn-11.6(Fn)2 |
|
0.70 |
正常 |
3-1 - 5.3Fn-12.4(Fn)2 |
|
0.75 |
满载或正常 |
2.4 - 10.6Fn-9.5(Fn)2 |
|
0.80 |
满载或正常 |
2.6 一 13.1Fn-15.1(Fn)2 |
|
0.85 |
满载或正常 |
3.1 - 18.7Fn 28.0(Fn 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料 资料编号：[241476]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word |
