[发明专利]一种基于经济航行优化的船舶智能操控方法

说明书

本发明公开了一种基于经济航行优化的船舶智能操控方法，涉及船舶技术领域，该方法能够在船舶航行期间确定船舶的实时主机功率和真实平均航速，根据船舶当前所处的第n个网格单元区域内的实时主机功率和真实平均航速，计算得到其寻路方向上相邻网格单元的坐标和静水航速相关的航行代价估计值，从而利用三维A*算法进行智能操控规划，实现对航速与航线进行同步集成优化。该方法将静水航速作为第三个空间维度实现航速与航线的同步集成优化，尤其是在恶劣天气和复杂地理环境的情况下，能够针对不同的环境状况，在路径最短的基础之上，确定最经济的航行方法。

技术领域

本发明涉及船舶技术领域，尤其是一种基于经济航行优化的船舶智能操控方法。

背景技术

远洋船舶在营运过程中，理论上的最短路径为地球的大圆航线，然而海洋环境复杂且多变，如何在航行过程中根据海洋的地理和气象环境及时做出决策以使得船舶航程的能耗最小、耗时最少，是船舶航行控制中的一个重要问题。

相比于静水条件，海洋中的恶劣风浪环境会使得船舶航行阻力增加，同样功率下航速下降，为达到既定的航速，需要增加额外的输出功率，以保证船舶准确达到目的地。但实际营运中，存在这样一个权衡问题：如果选择另外一条航线以绕过海洋环境恶劣的区域，其航程增加所带来的油耗增加和时间代价是否可以小于穿过恶劣海况的情况，从而实现通过合理选择航行线路减少营运能耗的目的。因此，船舶经济航行优化问题可以定义为在中长期气象预报的基础上，通过评估可能航行线路的能耗水平、安全性和航行时间，以最小航程能耗为目标，安全航行为约束，航行时间为辅助决策，选择最佳的航行线路和操控方式。

快速可靠地评估船舶在实际海洋环境中的能耗水平是开展经济航行优化的基础，目前船舶综合能耗的评估方法主要包括理论计算和实测分析。理论计算可以预报任意工况和环境条件下的船舶航行性能，但耗时且不确定因素多；而实测分析能够收集到的航行数据较为固定，且获取难度较大，重复数据较多。所以现有的船舶综合能耗的评估方法很难满足实际需要。

发明内容

本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种基于经济航行优化的船舶智能操控方法，本发明的技术方案如下：

一种基于经济航行优化的船舶智能操控方法，该方法包括：

对船舶航行区域进行网格化处理，得到若干个规则的网格单元区域并确定每个网格单元区域的坐标，船舶的航行起点位置和航行终点位置也分别在相应的网格单元区域内；

在船舶航行期间确定船舶航行状态数据，并基于船舶航行状态数据确定实时海况数据，船舶航行状态数据至少包括实时主机功率；

根据船舶航行状态数据和实时海况数据，确定船舶在主机功率对应的静水航速下的真实平均航速；

当船舶位于任意第n个网格单元区域内时，根据船舶在第n个网格单元区域内的实时主机功率和真实平均航速，计算得到相邻网格单元区域的航行代价估计值，航行代价估计值与相邻网格单元区域的坐标以及船舶的静水航速相关；

利用三维A*算法，根据各个相邻网格单元区域的航行代价估计值进行智能操控规划得到结果，并控制船舶按照规划结果调整航行路径以及静水航速航行至第n+1个网格单元区域内直至第n+1个网格单元区域为航行终点位置。

其进一步的技术方案为，根据船舶在第n个网格单元区域内的实时主机功率和真实平均航速计算得到相邻网格单元区域的航行代价估计值，包括对于每个相邻网格单元区域：

根据第n个网格单元区域的实际行程耗费、以及船舶在第n个网格单元区域内时的实时主机功率和真实平均航速、以及相邻网格单元区域对应的航行方向矢量，确定相邻网格单元区域与航行起点位置之间的实际行程耗费，相邻网格单元区域对应的航行方向矢量是第n个网格单元区域至相邻网格单元区域的矢量；