基于随机动态规划和支持向量机的混合动力船舶能量管理策略研究

With the growing voice of the global energy conservation, hybrid Electric ship has become a strategic choice of ship manufacturers all over the world and it also has military significance. According to the characteristics of the hybrid system and driving conditions, energy management strategy makes a reasonable distribution of energy so as to obtain maximum power endurance, maximum fuel economy, lowest emissions and a smooth driving performance. In view of specific ship driving conditions, a design method for energy management strategy of hybrid ship based on dynamic programming was researched and the fuel economy and emission limits of hybrid ship was obtained to provide a theoretical basis for the evaluation of control strategies. In relation to the random changes in the driving conditions and driving habits, a design method for energy management strategy of hybrid Electric ship based on stochastic dynamic programming was studied. The driver's power demand was modeled as a Markov chain, and the on-line modeling of the transition matrix of the probability of driver's power demand was built. Based on the support vector machine dynamic programming (SVM - DP), a design method for energy management strategy of hybrid ship was researched. The SVM-DP used support vector machine to estimate the general structure and the corresponding parameters vector of optimal value function in the state space, significantly reducing the computation and storage space.

随着全球节能减排呼声的日益高涨，混合动力船舶已经成为世界各国和船舶制造厂商的战略选择，混合动力船舶还具有军事意义。能量管理策略根据混合动力系统特性和运行工况合理分配能量，以获得最大动力续航能力、最大燃油经济性、最低排放以及平稳的驾驶性能。针对特定的船舶行驶工况,研究基于动态规划方法进行混合动力船舶能量管理策略的设计方法，得到混合动力船舶燃料经济性和排放的极限值，为评价控制策略提供理论依据；针对运行工况、驾驶习惯随机变化的特点, 研究基于随机动态规划方法进行混合动力船舶能量管理策略的设计方法,将驾驶员的功率需求建模为Markov链，通过对驾驶员的需求功率的概率转移矩阵进行在线建模；研究基于支持向量机动态规划（SVM-DP）方法的混合动力船舶能量管理策略的设计方法,SVM-DP采用支持向量机估计状态空间中状态的最优值函数的通用结构和相应的参数向量，从而大大减少计算量和存储空间。

项目的背景：混合动力船舶主要意义在于节能、减排，作为一种新型的多能源交通工具，混合动力船舶的性能与其采用的能量管理策略密切相关。常规混合动力船舶能量管理策略是基于人工经验设计的规则型模型，无法达到最优。.研究内容：1）混合动力能源系统设计原则；2）研究基于动态规划/随机动态规划/支持向量机动态规划方法的混合动力船舶能量管理策略，根据混合动力系统特性和实时的运行工况，在动力电池和柴电机组中合理分配能量；3）混合动力船舶电气性能也即稳定性能在线检测。.重要结果：1）混合动力能源系统设计原则：非再生能源类主动力源覆盖常用功率（或平均功率）即可；其他动力源适当考虑其他常用功率；所有动力源覆盖最大功率；绿色能源尽可能利用；储能容量覆盖绿色能源回收需求，功率覆盖最大功率需求。2）提出基于动态规划混合动力船舶能量管理策略，采用动态规划的方法优化规则性模型的主要参数，能满足混合动力船舶固定工况全局最优。3）提出基于随机动态规划混合动力船舶能量管理策略，采用随机动态规划的方法优化规则性模型的主要参数，能满足混合动力船舶不同工况需求。4）提出基于支持向量机动态规划方法的混合动力船舶能量管理策略，采用支持向量机动态规划的方法优化规则性模型的主要参数，能满足混合动力船舶实时性要求。5）研制了混合动力船舶电气性能也即稳定性能在线检测系统。.关键数据：基于动态规划的混合动力船舶能量管理策略使燃油经济性提高17%；基于随机动态规划的混合动力船舶能量管理策略结合不同工况，结果与基于动态规划的全局规划结果接近；基于支持向量机动态规划方法的混合动力船舶能量管理策略能满足混合动力船舶实时性要求。.科学意义：在满足船舶动力性能的前提下，能量管理策略能够根据混合动力系统特性和实时的运行工况，在动力电池和柴电机组中合理分配能量，以获得最大的动力续航能力、最大的燃油经济性、最低的排放以及平稳的驾驶性能。