本發(fā)明涉及船舶運營，具體涉及一種新燃料干散貨船航線燃料加注和航速協(xié)同優(yōu)化方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、海運在全球貨物和商品流通方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。然而，海運業(yè)通常以傳統(tǒng)的燃油，如高硫油，來為船舶提供動力，其在使用過程中對環(huán)境造成了不利影響，包括大量碳、硫的排放以及空氣的污染。海運業(yè)每年產(chǎn)生的溫室氣體占據(jù)了全球溫室氣體排放量的3％(brown等2022)，在2021年總共排放了約8.33億噸的co2(safetysea,2021)。因此，為了減少海運業(yè)的排放，國際海事組織等機構(gòu)近年出臺了一系列的措施，如硫排放控制區(qū)、碳稅政策等。為滿足政策要求，海運企業(yè)需要對船舶動力設(shè)備進行升級改造(如安裝脫硫塔)，或使用更清潔的燃料(如lng、甲醇)。

2、然而，應(yīng)用這些措施也給航運公司帶來了一些運營決策難題。以lng燃料船的航線運營為例，其面臨的最大難題便是燃料加注的問題。相對于傳統(tǒng)燃油加注港，lng燃料加注港數(shù)量相對較少，以我國為例，目前僅有鹽田港、寧波-舟山港以及上海港具有l(wèi)ng燃料的加注能力。因此，航運企業(yè)在設(shè)計lng燃料船的航線時，需要考慮掛靠這些lng加注港并加注燃料，從而滿足航線船舶的航行需要。此外，由于排放與油耗成正相關(guān)，而給定航線的油耗量與船舶的航行速度密切相關(guān)。因此，為了減少排放，航運公司在航線設(shè)計時還需考慮到航速優(yōu)化決策。

3、目前已有的燃料加注和航速優(yōu)化相關(guān)的研究往往聚焦于傳統(tǒng)燃油船，尚未有研究考慮lng等新燃料船。因此，亟需一種新燃料干散貨船航線燃料加注和航速協(xié)同優(yōu)化方法以解決lng等新燃料船的航速和加油策略優(yōu)化問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為解決lng、甲醇等新燃料船的航速和加油策略優(yōu)化問題，本發(fā)明提供了一種新燃料干散貨船航線燃料加注和航速協(xié)同優(yōu)化方法，以總?cè)加拖淖钚槟繕耍院酱蔚淖畲蠛叫袝r間、燃油量消耗、燃料加注量范圍、航速取值區(qū)間等為約束，建立混合整數(shù)非線性規(guī)劃模型，并以航速決策和燃油加注決策為問題特點設(shè)計定制化的變鄰域下降算法獲取該模型的近似最優(yōu)解，為管理者提供了最優(yōu)航速和燃油加注決策支持，有效減少了燃油消耗。本發(fā)明還涉及一種新燃料干散貨船航線燃料加注和航速協(xié)同優(yōu)化系統(tǒng)。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

3、一種新燃料干散貨船航線燃料加注和航速協(xié)同優(yōu)化方法，其特征在于，包括以下步驟：

4、參數(shù)獲取步驟：獲取新燃料干散貨船的航行參數(shù)和港口參數(shù)，所述航行參數(shù)包括船舶的設(shè)計航速、船舶在設(shè)計航速下每天的油耗量、燃料加注量范圍、燃油量消耗以及航次的最大航行時間，所述港口參數(shù)包括裝卸貨港間每個航段的距離、裝卸貨港間所有航段的總距離、以及船舶在裝卸貨港間每個航段上的實際航速和航速取值區(qū)間，所述航段包括船舶從裝貨港到卸貨港之間的去程航段，以及船舶從卸貨港返回裝貨港之間的返程航段；

5、模型建立步驟：根據(jù)船舶的設(shè)計航速、船舶在設(shè)計航速下每天的油耗量、裝卸貨港間每個航段的距離、以及船舶在裝卸貨港間每個航段上的實際航速建立航段燃油消耗函數(shù)，并在以燃料加注量范圍、燃油量消耗、航次的最大航行時間、航速取值區(qū)間為約束建立的多個約束條件下，基于航段燃油消耗函數(shù)以及船舶在裝卸貨港口間某個航段的選擇狀態(tài)建立混合整數(shù)非線性規(guī)劃模型；

6、航速決策制定及初始解生成步驟：基于航次的最大航行時間和任意兩個裝卸貨港口間所有航段的總距離制定該裝卸貨港口間每個航段的航速決策，并采用雙層編碼方式對航速決策進行編碼使得上下層分別表示執(zhí)行裝卸貨港口間去程航段和返程航段的計劃航速，生成初始解；

7、燃油加注決策制定步驟：對初始解進行解析，根據(jù)去程航段和返程航段的計劃航速、該裝卸貨港口間每個航段的距離以及船舶在設(shè)計航速下每天的油耗量計算出該裝卸貨港口間每個航段的實際油耗，根據(jù)每個航段的實際油耗制定該裝卸貨港口間去程航段和返程航段的燃油加注決策；

8、最優(yōu)解計算步驟：將燃油加注決策和航速決策作為新初始解，并采用交換算子或變化算子對新初始解進行擾動操作生成多個鄰域解，基于新初始解和多個鄰域解并采用變鄰域下降算法計算出混合整數(shù)非線性規(guī)劃模型的最優(yōu)解，進而得到最優(yōu)航速決策和最優(yōu)燃油加注決策。

9、優(yōu)選地，所述模型建立步驟中，所述多個約束條件包括第一約束條件、第二約束條件、第三約束條件、第四約束條件和第五約束條件，所述第一約束條件根據(jù)船舶在裝卸貨港口間某個航段的選擇狀態(tài)構(gòu)建，所述第二約束條件根據(jù)去程航段的選擇狀態(tài)和返程航段的選擇狀態(tài)構(gòu)建，所述第三約束條件根據(jù)船舶在裝卸貨港間某個航段上的實際航速、船舶的航速取值區(qū)間構(gòu)建，所述第四約束條件根據(jù)燃料加注量范圍和燃油量消耗構(gòu)建，所述第五約束條件根據(jù)航次的最大航行時間、裝卸貨港間航段的總距離、船舶在裝卸貨港間某個航段上的實際航速和燃料加注量范圍構(gòu)建。

10、優(yōu)選地，所述航行參數(shù)的燃料加注量范圍包括在裝卸貨港間的每個航段上加注的燃料量和裝卸貨港間每個航段上的燃料加注速度，所述燃油量消耗包括到達裝貨港時的燃料剩余量和船舶的油箱容量，所述航速取值區(qū)間包括船舶的最小航速以及船舶的最大航速。

11、優(yōu)選地，所述模型建立步驟中，所述第三約束條件根據(jù)船舶在裝卸貨港間某個航段上的實際航速、最小航速以及船舶的最大航速構(gòu)建，所述第四約束條件根據(jù)在裝卸貨港間的某個航段上加注的燃料量、裝卸貨港間某個航段的燃料加注狀態(tài)、船舶的油箱容量以及到達裝貨港時的燃料剩余量構(gòu)建，所述第五約束條件根據(jù)航次的最大航行時間、船舶在裝卸貨港口間某個航段的選擇狀態(tài)、裝卸貨港間航段的總距離、船舶在裝卸貨港間某個航段上的實際航速、在裝卸貨港間的某個航段上加注的燃料量、以及裝卸貨港間某個航段上燃料加注速度構(gòu)建。

12、優(yōu)選地，所述多個約束條件還包括第六約束條件，所述第六約束條件根據(jù)到達裝貨港時的燃料剩余量、航段燃油消耗函數(shù)、船舶在裝卸貨港口間某個航段的選擇狀態(tài)、以及在裝卸貨港間的某個航段上加注的燃料量構(gòu)建。

13、優(yōu)選地，所述燃油加注決策制定步驟中，所述燃油加注決策包括：將船舶從裝貨港到達卸貨港或位于返程航段上的返程加油港時的剩余油量與預(yù)設(shè)的安全油量進行比對，若船舶從裝貨港到達卸貨港或返程加油港時的剩余油量小于安全油量，則船舶需要在位于去程航段上的去程加油港進行燃料加注；若船舶從裝貨港到達卸貨港或返程加油港時的剩余油量大于等于安全油量，則船舶在去程航段無需加油；

14、將船舶從卸貨港返回起始港或到達下一航次的去程加油港時的剩余油量與預(yù)設(shè)的安全油量進行比對，若船舶從卸貨港返回起始港或到達下一航次的去程加油港時的剩余油量小于安全油量，則船舶需要在返程加油港進行燃料加注；若船舶從卸貨港返回起始港或到達下一航次的去程加油港時的剩余油量大于等于安全油量，則船舶在返程航段無需加油。

15、一種新燃料干散貨船航線燃料加注和航速協(xié)同優(yōu)化系統(tǒng)，其特征在于，包括依次連接的參數(shù)獲取模塊、模型建立模塊、航速決策制定及初始解生成模塊、燃油加注決策制定模塊和最優(yōu)解計算模塊，

16、所述參數(shù)獲取模塊，獲取新燃料干散貨船的航行參數(shù)和港口參數(shù)，所述航行參數(shù)包括船舶的設(shè)計航速、船舶在設(shè)計航速下每天的油耗量、燃料加注量范圍、燃油量消耗以及航次的最大航行時間，所述港口參數(shù)包括裝卸貨港間每個航段的距離、裝卸貨港間所有航段的總距離、以及船舶在裝卸貨港間每個航段上的實際航速和航速取值區(qū)間，所述航段包括船舶從裝貨港到卸貨港之間的去程航段，以及船舶從卸貨港返回裝貨港之間的返程航段；

17、所述模型建立模塊，根據(jù)船舶的設(shè)計航速、船舶在設(shè)計航速下每天的油耗量、裝卸貨港間每個航段的距離、以及船舶在裝卸貨港間每個航段上的實際航速建立航段燃油消耗函數(shù)，并在以燃料加注量范圍、燃油量消耗、航次的最大航行時間、航速取值區(qū)間為約束建立的多個約束條件下，基于航段燃油消耗函數(shù)以及船舶在裝卸貨港口間某個航段的選擇狀態(tài)建立混合整數(shù)非線性規(guī)劃模型；

18、所述航速決策制定及初始解生成模塊，基于航次的最大航行時間和任意兩個裝卸貨港口間所有航段的總距離制定該裝卸貨港口間每個航段的航速決策，并采用雙層編碼方式對航速決策進行編碼使得上下層分別表示執(zhí)行裝卸貨港口間去程航段和返程航段的計劃航速，生成初始解；

19、所述燃油加注決策制定模塊，對初始解進行解析，根據(jù)去程航段和返程航段的計劃航速、該裝卸貨港口間每個航段的距離以及船舶在設(shè)計航速下每天的油耗量計算出該裝卸貨港口間每個航段的實際油耗，根據(jù)每個航段的實際油耗制定該裝卸貨港口間去程航段和返程航段的燃油加注決策；

20、所述最優(yōu)解計算模塊，將燃油加注決策和航速決策作為新初始解，并采用交換算子或變化算子對新初始解進行擾動操作生成多個鄰域解，基于新初始解和多個鄰域解并采用變鄰域下降算法計算出混合整數(shù)非線性規(guī)劃模型的最優(yōu)解，進而得到最優(yōu)航速決策和最優(yōu)燃油加注決策。

21、優(yōu)選地，所述模型建立模塊中，所述多個約束條件包括第一約束條件、第二約束條件、第三約束條件、第四約束條件和第五約束條件，所述第一約束條件根據(jù)船舶在裝卸貨港口間某個航段的選擇狀態(tài)構(gòu)建，所述第二約束條件根據(jù)去程航段的選擇狀態(tài)和返程航段的選擇狀態(tài)構(gòu)建，所述第三約束條件根據(jù)船舶在裝卸貨港間某個航段上的實際航速、船舶的航速取值區(qū)間構(gòu)建，所述第四約束條件根據(jù)燃料加注量范圍和燃油量消耗構(gòu)建，所述第五約束條件根據(jù)航次的最大航行時間、裝卸貨港間航段的總距離、船舶在裝卸貨港間某個航段上的實際航速和燃料加注量范圍構(gòu)建。

22、優(yōu)選地，所述航行參數(shù)的燃料加注量范圍包括在裝卸貨港間的每個航段上加注的燃料量和裝卸貨港間每個航段上的燃料加注速度，所述燃油量消耗包括到達裝貨港時的燃料剩余量和船舶的油箱容量，所述航速取值區(qū)間包括船舶的最小航速以及船舶的最大航速。

23、優(yōu)選地，所述模型建立模塊中，所述第三約束條件根據(jù)船舶在裝卸貨港間某個航段上的實際航速、最小航速以及船舶的最大航速構(gòu)建，所述第四約束條件根據(jù)在裝卸貨港間的某個航段上加注的燃料量、裝卸貨港間某個航段的燃料加注狀態(tài)、船舶的油箱容量以及到達裝貨港時的燃料剩余量構(gòu)建，所述第五約束條件根據(jù)航次的最大航行時間、船舶在裝卸貨港口間某個航段的選擇狀態(tài)、裝卸貨港間航段的總距離、船舶在裝卸貨港間某個航段上的實際航速、在裝卸貨港間的某個航段上加注的燃料量、以及裝卸貨港間某個航段上燃料加注速度構(gòu)建。

24、本發(fā)明的有益效果為：

25、本發(fā)明提供的一種新燃料干散貨船航線燃料加注和航速協(xié)同優(yōu)化方法，先獲取新燃料干散貨船船舶的航行參數(shù)和港口參數(shù)，根據(jù)船舶的設(shè)計航速、船舶在設(shè)計航速下每天的油耗量、裝卸貨港間每個航段的距離、以及船舶在裝卸貨港間每個航段上的航速建立航段燃油消耗函數(shù)，并在以燃料加注量范圍、燃油量消耗、航次的最大航行時間、航速取值區(qū)間為約束建立的多個約束條件下，基于航段燃油消耗函數(shù)以及船舶在裝卸貨港口間某個航段的選擇狀態(tài)建立混合整數(shù)非線性規(guī)劃模型；基于航次的最大航行時間和任意兩個裝卸貨港口間所有航段的總距離制定該裝卸貨港口間每個航段的航速決策，并采用雙層編碼方式對航速決策進行編碼使得上下層分別表示執(zhí)行裝卸貨港口間去程航段和返程航段的計劃航速生成初始解；然后對初始解進行解析，根據(jù)去程航段和返程航段的計劃航速、該裝卸貨港口間每個航段的距離以及船舶在設(shè)計航速下每天的油耗量計算出該裝卸貨港口間每個航段的實際油耗，根據(jù)每個航段的實際油耗制定該裝卸貨港口間去程航段和返程航段的燃油加注決策，最后將燃油加注決策和航速決策作為新初始解，并采用交換算子或變化算子對新初始解進行擾動操作生成多個鄰域解，基于新初始解和多個鄰域解并采用變鄰域下降算法計算出混合整數(shù)非線性規(guī)劃模型的最優(yōu)解，進而得到最優(yōu)航速決策和最優(yōu)燃油加注決策，為管理者提供了最優(yōu)航速和燃油加注決策支持，有效減少了燃油消耗。

26、本發(fā)明還涉及一種新燃料干散貨船航線燃料加注和航速協(xié)同優(yōu)化系統(tǒng)，該系統(tǒng)與上述的新燃料干散貨船航線燃料加注和航速協(xié)同優(yōu)化方法相對應(yīng)，可理解為是一種實現(xiàn)上述新燃料干散貨船航線燃料加注和航速協(xié)同優(yōu)化方法的系統(tǒng)，包括依次連接的參數(shù)獲取模塊、模型建立模塊、航速決策制定及初始解生成模塊、燃油加注決策制定模塊和最優(yōu)解計算模塊，各模塊相互協(xié)同工作，以總?cè)加拖淖钚槟繕?，以航次的最大航行時間、燃油量消耗、燃料加注量范圍、航速取值區(qū)間等為約束，建立混合整數(shù)非線性規(guī)劃模型，并以航速決策和燃油加注決策為問題特點設(shè)計定制化的變鄰域搜索算法獲取該模型的近似最優(yōu)解，為管理者提供了最優(yōu)航速和燃油加注決策支持，有效減少了燃油消耗。