船舶進出港最優排放航速研究

文元橋　任俊勇　李昭然

(武漢理工大學航運學院1)　武漢　430063)　(內河航運技術湖北省重點實驗室2)　武漢　430063)

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船舶進出港最優排放航速研究

文元橋1,2)任俊勇1,2)李昭然1,2)

(武漢理工大學航運學院1)武漢430063)(內河航運技術湖北省重點實驗室2)武漢430063)

摘要：為減少船舶進出港航行過程中的尾氣排放，降低船舶大氣污染，以船舶排放定量計算模型為基礎，研究船舶廢氣排放量與船舶航速、航程的關系.考慮船舶在進出港過程中采用不同航速航行的排放特性，結合船舶進出港航行的實際約束條件，運用遺傳算法求解出最少排放的船舶最優分段航速控制模型.以某集裝箱船進出航程為13，15 n mile的港口為實例,對算法進行了仿真實驗，繪制出該船在進出港過程中的實時航速圖，得出2個航程下的最優排放與一般情況下排放的差別分別為116%,125%；132%,140%.結果表明,采用該優化算法，不僅可以幫助船舶確定進出港過程中控制排放的最優航速，而且可以有效降低排放.

關鍵詞：減排；船舶進出港；航速控制

文元橋(1975- )：男，博士，教授，博士生導師，主要研究領域為水上交通安全與環境，地球流體數值模擬，氣候變化等

0引言

隨著航運業的發展，船舶數量和噸位不斷增加，船舶向大氣中排放的廢氣逐漸增多，由此產生的大氣污染問題也日益嚴重，船舶廢氣物排放引起的大氣污染問題，越來越受到國內外學者的關注[1-2].

近年來，關于船舶廢氣物排放量的測度，國內外已有部分研究成果.在國內，劉靜等[3]建立了青島市海上交通源大氣污染排放清單，并利用基于GIS地理信息系統 EnviMan 復合源大氣擴散模型，實現了對沿海大氣主要污染物排放量及環境空氣質量影響的空間模擬測算.葉斯琪等[4]分別采用基于船舶引擎功率和耗油量的排放因子法，估算了廣東省地區2010年的船舶排放清單，并選取客貨運輸吞吐量航道通航能力因子和港口地理坐標等數據作為權重因子，研究了該地區各類船舶排放的時空分布特征.伏晴艷等[5]以 2010 年進出上海港船舶為研究對象, 對船舶排放進行詳細的方法研究和深入調查, 獲得上海港分船種和運行工況的大氣污染物和溫室氣體排放總量，并結合船舶自動識別系統(AIS)確定污染物排放的空間分布.

在國外，J.P.Jalkanen等[6]利用AIS信息，建立了用于計算船舶廢氣排放的STEAM (ship traffic emission assessment model)模型，計算了船舶在波羅的海的NOx, SOx及 CO2排放量，結果與實際統計較為符合，該模型是最先利用AIS信息直接計算船舶廢氣排放的研究.值得一提的是，該模型考慮了波浪對船舶航速進而對船舶功率的影響.在此基礎上，文獻[7]對STEAM模型進行了改進，提出了STEAM2模型，該模型還可以計算PM及CO的排放量.STEAM2模型在船舶航行描述、負載及燃料變化、減排技術的應用方面有了更全面的考慮.美國環保署(US Environmental Protection Agency)[8]通過確定船舶動力設備的功率、負荷、排放因子、工作時間等參數，進而得到計算船舶排放的算法.

船舶主機的污染物排放量與船舶的航速有著密切的關系，另外船舶在不同的操縱模式下，包括巡航、慢速巡航和機動(靠泊)時，船舶輔機的負荷也差別較大.本文以船舶進出港的廢氣排放具有以上2個主要特點為基礎，確定船舶進出港排放量的計算模型，實現船舶進出港減排優化的算法設計，利用 Matlab軟件對船舶進出港減排優化算法進行仿真實驗.

1船舶進出港排放量計算

船舶進出港過程中的排放主要來自于船舶主機和輔機，排放量的差異主要取決于不同航速條件下主輔機的排放特性和工作時間.船舶在進出港過程中，從到達港區到靠泊或錨泊，或者從離泊到離開港區，主機和輔機會處于不同的工作狀態，從而導致不同階段的排放特性不同，進而影響到排放總量.為此，文中將船舶進出港航行過程按照時間先后順序等分為n段.Ti(i=1,2,…,n)為每一段的持續時間，Li(i=1,2,…,n)為每一段的航程.(參考船舶排放定量模型文獻[9])船舶進出港排放量可由式(1)計算.

式中：E為船舶的總排放量；Ei為每段航時的船舶排放量，g；P為船舶主機(M)和輔機(A)功率，kW；j為主機和輔機；LF為船舶負荷因子；EF為第j種動力設備下排放因子總和，g/(kW·h)；Ti為每段的時間，船舶動力設備在第i段的運行時間，h.

主機在第i段航程的負荷因子為

(2)

輔機負荷因子取決于船舶操縱模式，文中在計算中根據文獻[9]選取，見表1.

排放因子總和數據參考IMO發布的第三次溫室氣體研究報告[10]，并參照文獻[9]的結論，見表2.

表1　不同操縱模式下的輔機負荷因子

表2　船舶主機和輔機排放因子總和　g/(kW·h)

當船舶主機負荷大于20%時，主機排放因子可看作是一常量，而當主機負荷小于20%時，排放因子會隨著負荷的減小而增大，因此需對排放因子進行修正，即

EF0=EF×AF

(3)

式中：EF0為修正后的排放因子；AF為修正因子.

船舶進出港的航程L為每一段航程Li(i=1,2,…,n)的求和，船舶進出港的時間T為每一段時間Ti(i=1,2,…,n)的求和，不同的進港航程L對應不同的進出港時間T，相互關系可表示為

(4)

2船舶進出港排放優化建模

2.1模型假設

文中主要從船舶進出港航速控制角度對船舶的排放進行優化，在建立船舶進出港的排放的優化計算模型時，首先提出如下假設.

1) 算法針對某一具體船舶，船舶在進出港過程中動力設備功率、排放因子一定.

2) 船舶進、出港范圍分別為船舶進入港區到船舶開始進行靠泊操縱和船舶結束靠泊操縱到離開港區.

3) 模型中只考慮船舶使用自身動力設備在港區航行的過程，不考慮船舶使用港內拖輪靠碼頭和離碼頭的過程.

4) 船舶進出港的航速是總體單調變化的，進港逐漸減速，出港逐漸加速(即不考慮船舶在進出港過程中的機動性變速)，而且加減速性能隨不同船舶的特性而變化.

5) 不考慮風、流、浪對船舶排放的影響.

2.2模型建立

根據前述的優化目標和約束條件，船舶進出港最優排放航速控制問題可以轉化為以下優化目標和約束條件的數學規劃模型，其中約束條件(1)為進港船舶約束；約束條件(2)為出港船舶約束.

(5)

2.3模型的求解

在上述最優化問題中，目標函數復雜，屬于多峰值類型；約束條件種類繁多，有的是線性的，有的是非線性的，有的是連續的，有的是離散的.因此，對于這一問題，運用傳統的解決規劃問題的方法計算繁復并且難以精確求出最優解.為了解決這一問題，本文運用遺傳算法來求解上述模型.

文中設計的遺傳算法主要具有以下特點.

1) 懲罰函數法懲罰函數法的基本思想是使不可行解對應的適應度減去一個極大的數，從而使個體被遺傳到下一代群體中的概率減少，可以用下式對個體的適應度進行調整：

(6)

式中：F(x)為原適應度；F′(x)為調整后的新適應度；M為一個極大的數.

2) 精英遺傳在上一代中選擇適應度最高的若干個體，將這些個體設定為精英，這些精英將保證必然生存到下一代.這一設定會使計算更快地迭代到最優值，并且能有效防止計算退化；

3) 選擇方式每個個體進入下一代的概率等于它的適應度值與整個種群中個體適應度值和的比例，適應度值越高，被選中可能性越大，該方法可被稱為隨機均勻分布；

4) 交叉方式隨機生成一個二值(0或1)向量，當值為1時，從父方選擇基因；當值為0時，從母方選擇基因，然后將這些基因組合成新的子代個體，這種方法被稱為分散法.

以上提及的文中遺傳算法的特點及其余一些重要參數見表3.

表3　遺傳算法的重要參數

3算法驗證與分析

3.1仿真實驗設計

1) 實驗船舶信息實驗船為某集裝箱船，其主要參數見表4.

表4　實驗船舶(集裝箱船)信息

2) 仿真實驗設計方案見表5.

表5　實驗船進出港仿真實驗設計

3.2仿真實驗結果分析

3.2.1仿真實驗1組

仿真實驗1組結果分析見表6、圖1.

表6　仿真實驗1組結果

圖1　不同航程的進港最優航速控制與對照組航速控制對比

由表6可知，運用優化算法確定的進港航行航速控制策略，與根據港口部門對進出港船舶的航速限制確定的分段航速控制相比，其排放量大大地減少，且進港航程越長，減排效應越明顯.

3.2.2仿真實驗2組

仿真實驗2組的結果分析見表7、圖2.

圖2　不同航程的出港最優航速控制與對照組航速控制對比

排放量/kg航程/nmile1317實驗組2556.063113.07對照組5753.67463.4誤差/%125140

由表7可知，運用優化算法確定的出港航行航速控制策略，與根據港口部門制定的航速限制確定的分段航速控制相比，其排放量大大地減少，且進港航程越長，減排效應越明顯.

比較表6和表7中實驗組的排放量數據可知，船舶離港時的排放量比進港時少，隨著航程的增加，兩組排放量相差的百分比越來越少.這是由于船舶在離港時少了一個最終航速的約束條件，所以船舶離港時的排放量會更少，

從上述仿真實驗結果可以看出，文中所設計的航速控制模型是可行的和有效的.

4結論

1) 利用船舶速度及船舶數據庫資料，參考美國環保署相關船舶廢氣物排放測度模型，考慮船舶在進出港過程中采用不同航速航行的排放特性，結合船舶進出港航行的實際約束條件，運用遺傳算法求解出最少排放的船舶最優分段航速控制模型.

2) 基于該航速控制模型，文中設計了船舶進出港的優化模型算法，并選取某集裝箱船進出港的過程作為實驗個例進行仿真，比較分析不同實驗條件下的最優排放的航速控制策略和排放量變化.實驗結果表明采用本文提出的優化算法，不僅可以幫助船舶確定進出港過程中控制排放的最優航速，而且可以有效降低排放.

3) 文中的航速控制模型僅做了船舶廢氣物排放測度的初步探討，沒有考慮排放因子的準確測度、船舶節能減排措施的應用、燃油種類(不同含S量)的影響、海上氣象水文環境場對船舶航速的影響等因子對模型結果的影響，同時對本文的優化模型算法也做了相關假設，這也是后期研究的重點.

參 考 文 獻

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Research of Ship Optimal Speed with Minimum Emissions

in the Process of Ships Entering and Leaving Port

WEN Yuanqiao1,2)REN Junyong1,2)LI Zhaoran1,2)

(SchoolofNavigation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)1)

(HubeiKeyLaboratoryofInlandShippingTechnology,Wuhan430063,China)2)

Abstract：To reduce the ship emissions and air pollution in the entering and leaving port process, researches on the relationship among the ship waste emissions , the ship speed and ship voyage are conducted on the basis of the quantitative calculation model of ship emissions. Firstly, the waste-emitting characteristics of the ship with different speed in the entering and leaving port process are taken into consideration. Then combining the actual constraint conditions in the entering and leaving process of the ship, genetic algorithm is used to figure out the controlling model of the optimal segmented speed which has minimum emissions. Finally, a certain container ship in the process of entering and leaving 13-nautical mile-long and 15-nautical mile-long ports is taken as an instance to conduct a simulated experiment based on the algorithm. The real-time speed of the vessel is mapped and the comparison results of the emissions compared with the general condition are 116%、125%；132%、140%. The results shows the algorithm can not only help to ascertain the optimal speed with minimum emissions in the process of ships entering and leaving port, but also reduce the emissions effectively.

Key words：emission reduction; entering and leaving the port; speed controlling

收稿日期：2015-12-09

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.01.019

中圖法分類號：X51