风力助航条件下的海运船舶最优航线设计方法研究

针对我国节能减排的重大需求以及海上运输船队降低燃料消耗、控制运营成本的迫切需要，研究新型风力助航海运船舶的航线优化问题，为其有效利用风力资源提供理论基础和技术支撑。项目提出通过优化船舶航线设计，在全局最优的前提下允许适度"绕航"，以充分发挥风帆最大效能，达到节能减排、提高营运效率的新思想。本项研究基于全球海域大规模多源风场历史数据的分析与融合，预报航行海区任意点和任意时刻的风力信息，为航线优化提供数据支撑；将船舶主机和风帆视为一个协同推进系统，研究风力助航船舶的航速和能耗计算模型，作为航线优化的计算依据；分别以总航时最小和总能耗最小为目标，并充分考虑航行安全性，建立船舶风力助航航线最优化模型和方法。同时，通过本项研究，提炼出一种通用的具有复杂约束条件的路径规划模型及其智能求解算法，丰富路径规划的理论体系。

本项目针对海运船舶节能减排的重大需求,研究风力助航条件下的海运船舶最优航线设计方法。项目研究内容已按计划全部完成，达到了预期的研究目标，取得的主要成果如下：.1.构建了全球海域大规模多源风场数据库，对全球海域风力资源数据进行了分析融合，实现了风力信息预报。分析发现：海洋风力资源分布广泛，而且一般在5°甚至更大的海域内风速风向保持稳定，非常有利于风帆助航应用，有较大的利用空间。同时，基于数据库实现了船舶航行海域任意点和任意时刻高精度风场信息预报，为航线优化提供了基础数据支撑。.2.构建了给定风速风向条件下的风帆助航船舶航速和能耗计算模型。针对不同船体迎风角，应用操纵运动方程，考虑风力助航设备的气动力特征，给出了航速计算模型；通过构建风力助航船舶受力方程和能量消耗恒等式建立了能耗计算模型。这些模型为风力助航船舶最佳航线设计提供了优化准则。.3．建立了风力助航条件下的海运船舶航线优化模型和智能求解算法。在风力助航船舶定航速航行的条件下，建立了“最省燃油”航线优化模型；在风力助航船舶定主机输出的航行条件下，建立了“总航时最短”航线优化模型。根据构建的航线优化模型的特点和计算规模，提出了一种基于模拟退火思想的风力助航船舶航线优化智能求解算法。.4. 风力助航船舶最优航线设计原型系统及其验证。研究形成了风力助航船舶最佳航线设计原型系统，将一艘7.6万吨采用矩形风翼为风力助航设备的散货船作为风力助航目标船舶，以船舶跨洋航线为例对本项目的理论研究成果进行了验证。结果表明，“最省燃油”航线在航时仅仅增加100分钟的情况下，能够节省燃油11.22%；“总航时最小”航线能够缩短航时近30小时。这说明本项目成果对风力助航船舶航线具有十分突出的优化效果。.该项目在风力助航条件下的海运船舶最优航线设计方法研究、人才培养以及成果应用等方面均达到了预期目标。