一种海域全覆盖的能耗最优航路规划方法技术

本发明专利技术涉及航路规划技术领域，尤其涉及一种海域全覆盖的能耗最优航路规划方法，包括以下步骤：步骤1、环境载荷系数计算及实时海况测量；步骤2、对给定作业海域形成全航程航线；步骤3、实时海况给定航向下全航程能耗计算；步骤4、按固定步长增大航向线角度；步骤5、判断航向线角度增长后是否小于360

【技术实现步骤摘要】
一种海域全覆盖的能耗最优航路规划方法


[0001]本专利技术涉及航路规划
，尤其涉及一种海域全覆盖的能耗最优航路规划方法。

技术介绍

[0002]航路规划问题是船舶航行操控的关键技术之一，完全遍历路径规划是该问题的一种特殊形式，广泛应用于海底地形探测、特定海域扫雷、目标搜索等领域，重点解决规划重复区域、遗漏区域等问题，相关学术研究较为普遍。而以节能为主要目标的完全遍历路径规划问题的解决方案尚不成熟，在船舶航行操控过程中，仍基于操作员经验进行航路制定，无法针对任务海域海上环境、船舶特性准确分析制定能耗最优的任务海域全覆盖航线，导致效率低、能耗高等问题。
[0003]本专利技术以动力定位船舶为研究对象，针对凸区域任务海域完全遍历任务，以节能为主要优化目标，采用船舶CFD（计算流体动力）分析、数值寻优等技术，实现对任务海域全覆盖的前提下完成能耗最优航路航向寻优，确保船舶航行任务的航行能耗最低。

技术实现思路

[0004]本专利技术旨在针对传统基于经验的任务海域全覆盖航路规划存在效率低、能耗高的问题，提出一种基于船舶CFD（计算流体动力）分析、数值寻优技术的任务海域全覆盖的能耗最优航路规划方法，实现动力定位船舶航行任务的航行能耗优化。
[0005]本专利技术提供一种海域全覆盖的能耗最优航路规划方法，包括如下步骤：S1.对目标船舶进行环境载荷系数计算，并对实时海况下进行测量，所述实时海况包括实时海上风速风向信息及实时海上流速流向信息；S2.对给定作业海域形成全航程航线：将给定作业海域以多边形凸包络线表示，将覆盖作业海域的等间距航向线以等间距平行线表示，多边形凸包络线与等间距平行线交点为航路点，采用折线方式连接航路点，形成全航程航线；S3.按照步骤S2所得全航程航线，在步骤S1实时海况下对全航程能耗计算；S4.按照固定步长，增大步骤S2中等间距航向线的角度；S5.判断等间距航向线的角度增长后是否小于360
°
，如否，则跳转到步骤S6，如是，则跳转到步骤S2；S6.选取全航程能耗最小一组的全航程航线作为最优航路规划。
[0006]根据本专利技术提供的步骤S1中对目标船舶进行环境载荷系数计算方法为通过CFD软件求解获取无因次风载荷系数及无因次流载荷系数。
[0007]根据本专利技术提供的通过CFD软件求解获取无因次风载荷系数及无因次流载荷系数需要在CFD软件上进行如下步骤：S11.对目标船舶构建几何模型；S12.对环境参数进行设置；
[0008]S13.选择风、流计算仿真的方向间隔为10
°
，依次记录从0
°
到360
°
的数值，计算得到无因次风载荷系数及无因次流载荷系数，并通过公式得到无因次风载荷系数与风载荷关系：其中，为正向风投影面积，为侧向风投影面积，为船长，为空气密度，为相对风速，为相对风向，在角下，为无因次纵向风载荷系数，为无因次横向风载荷系数，为无因次艏向风载荷系数，、、为风载荷，表示纵向风载荷、表示横向风载荷、表示艏向风载荷；
[0009]并通过公式得到无因次流载荷系数与流载荷关系：其中，为型宽，为吃水，为垂线间距，为海水密度，为相对流速，为相对流向，在角下，为无因次流纵向载荷系数，为无因次流横向载荷系数，为无因次流艏向载荷系数，、、为流载荷，表示纵向流载荷、表示横向流载荷、表示艏向流
载荷。
[0010]根据本专利技术提供的步骤S1中获取实时海上风速风向信息使用风速风向仪。
[0011]根据本专利技术提供的步骤S1中获取实时海上流速流向信息使用海流计。
[0012]根据本专利技术提供的步骤S2中等间距航向线的角度初值为0
°
。
[0013]根据本专利技术提供的步骤S3中按照步骤S2所得全航程航线，在步骤S1实时海况下对全航程能耗计算的方法，包括如下步骤：S31.按照步骤S2的全航程航线，利用两点间距离公式可得每个航段的距离，利用航速信息进而可得到每个航段的航行时间；S32.结合步骤S1获取实时海上风速风向信息及实时海上流速流向信息，并结合步骤S2的全航程航线，得出给定航程下每个航段的船舶期望航速、期望艏向信息，计算每个航段的相对风速及风向、相对流速及流向；S33.基于步骤S13中无因次风载荷系数与风载荷关系公式及无因次流载荷系数与流载荷关系公式，及步骤S32所得的每个航段的相对风向、相对流向，得到每个航段的风载荷、流载荷的大小；S34.利用功率计算公式，为功率，为载荷，通过步骤S33中所得每个航段的风载荷及流载荷确定，为速度，通过步骤S32中所得每个航段的相对风速、相对流速确定，通过功率计算公式得到每个航段航行功率，结合S31步骤所得每个航段的航行时间，得到每个航段航行功耗；S35.将各航段航行功耗求和得到给定航向的全航程能耗。
[0014]根据本专利技术提供的步骤S34中每个航段航行功耗，,其中表示航路点个数，表示第个航段,表示第个航段的航行功率，表示第个航段的航行时间。
[0015]根据本专利技术提供的步骤S35中全航程能耗。
[0016]根据本专利技术提供的步骤S4的固定步长为10
°
。
[0017]本专利技术实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果之一：
[0018]本文提出一种任务海域全覆盖的能耗最优航路规划方法，本专利技术所具有的优点和有益效果如下：1.本专利技术基于计算流体动力分析、数值寻优技术，克服传统人员经验航路规划的缺点，在船舶航行之前能够快速、准确地提供全海域覆盖的能耗最优航路规划，实现船舶航行能耗最低。
[0019]2.本专利技术通过对目标船进行建模分析，相比基于传统普适性经验公式计算风、流载荷的方法，其精确性大幅提升，避免船型特殊导致预报精度降低的问题。
[0020]3.本专利技术可结合实际情况动态调整航向线角度步长、航向线间距，满足使用过程中对计算速度、预报精度的不同需要，提高工程实用性。
附图说明
[0021]为了更清楚地说明本专利技术或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术
描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0022]图1为本专利技术方法流程图。
[0023]图2为本专利技术航向线数量为奇数时航路点及航线图。
[0024]图3为本专利技术航向线数量为偶数时航路点及航线图。
[0025]图4为本专利技术航船坐标系示意图。
具体实施方式
[0026]为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术中的附图，对本专利技术中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。以下实施例用于说明本专利技术，但不能用来限制本专利技术的范围。
[0027]在本本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种海域全覆盖的能耗最优航路规划方法，其特征在于，包括如下步骤：S1.对目标船舶进行环境载荷系数计算，并对实时海况进行测量，所述实时海况包括实时海上风速风向信息及实时海上流速流向信息；S2.对给定作业海域形成全航程航线：将给定作业海域以多边形凸包络线表示，将覆盖作业海域的等间距航向线以等间距平行线表示，多边形凸包络线与等间距平行线交点为航路点，采用折线方式连接航路点，形成全航程航线；S3.按照步骤S2所得全航程航线，在步骤S1实时海况下对全航程能耗计算；S4.按照固定步长，增大步骤S2中等间距航向线的角度；S5.判断等间距航向线的角度增长后是否小于360
°
，如否，则跳转到步骤S6，如是，则跳转到步骤S2；S6.选取全航程能耗最小一组的全航程航线作为最优航路规划。2.根据权利要求1所述的海域全覆盖的能耗最优航路规划方法，其特征在于，步骤S1中对目标船舶进行环境载荷系数计算方法为通过CFD软件求解获取无因次风载荷系数及无因次流载荷系数。3.根据权利要求2所述的海域全覆盖的能耗最优航路规划方法，其特征在于，在CFD软件上进行CFD软件求解获取无因次风载荷系数及无因次流载荷系数,包括如下步骤：S11.对目标船舶构建几何模型；S12.对环境参数进行设置；S13.选择风、流计算仿真的方向间隔为10
°
，依次记录从0
°
到360
°
的数值，计算得到无因次风载荷系数及无因次流载荷系数，并通过公式得到无因次风载荷系数与风载荷的关系：其中，为正向风投影面积，为侧向风投影面积，为船长，为空气密度，为相对风速，为相对风向，在角下，为无因次纵向风载荷系数，为无因次横向风载荷系数，为无因次艏向风载荷系数，表示纵向风载荷、表示横向风载荷、表示艏向风载荷；
并通过公式得到无因次流载荷系数与流载荷的关系：其中，为型宽，为吃水，为垂线间距，为海水密度，为相对流速，为相对流向，在角下，为无因次流纵向载荷系数，为无因次流横向载荷系数，为无因次流艏向载荷系数，表示纵向流载荷、表示横...

【专利技术属性】
技术研发人员：王福，王小东，王岭，赵宾，黄炜，徐凯，李佳川，郭颖，
申请(专利权)人：中国船舶集团有限公司第七〇七研究所，
类型：发明
国别省市：