一种基于ecdis的风力助航船舶的航行方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及船舶导航、风力助航和航海仪器集成等多个领域，尤其涉及一种基于 ECD IS的风力助航船舶的航行方法及系统。
【背景技术】
[0002] 整个交通行业的能源消耗约占世界能源消耗的20%，船舶运输业作为高能源消耗 产业之一，所消耗的能源约占世界总能耗的2.5%。随着燃油价格的不断上涨，大型船舶远 洋运输中燃油费用比例从之前的7%上升到当前的50%以上，其所排放的废气如S0 x、N0x和 C02，分别占到了全球排放总量的10 %、25 %和2.7 %，航运业对环境带来的影响不容忽视。 同时，最近几年油价的攀升再次加重了石油对经济造成的负担，相对较高的油价使得除交 通运输业以外的其他行业，如果存在更廉价的替代燃料，均开始使用替代燃料。就交通运输 业而言，石油比重仍将是交通运输业的主导性燃料，市场对高油价的反映除了提高能源效 率外，寻找新的廉价能源作为其辅助能源已刻不容缓。
[0003] 正是在这个背景下，作为解决能源危机与大气污染的一个有效手段，风力助航船 舶应运而生。与传统船舶相比，船舶加装风力助航设备后，海洋风场不再是(或不完全是)对 船舶航行不利的因素，风级在本船能够抵御的范围内的"可用风"将成为船舶的重要推动 力。利用本发明设计的航行方法和系统，可使风的推动力叠加到航线的方向上，从而提高航 速，缩短船舶到达目的地的时间，或者减少燃油消耗。
【发明内容】
[0004] 本发明针对以上问题的提出，而研制的一种基于ECDIS的风力助航船舶的航行方 法，具有如下步骤：
[0005] -根据接收的预报环境数据和采集的实际环境数据生成环境数据;采集当前船舶 动力参数和航行参数；
[0006] -将海区划分成地理网格，根据船舶始发地和目的地确定初始航线，提取初始航线 xo经过的地理网格;确定每个地理网格的环境数据；
[0007] -设置扰动向量，在初始航线XQ航路点集合中进行扰动，改变初始航线XQ中某些航 路点的经炜度坐标，生成新航线x new;
[0008] -提取新航线xnew经过的地理网格，并计算所述初始航线xo和新航线xnew的目标函 数值的差值Δ f，若Δ f <〇,则选择新航线xne3W作为当前航线Xc;ulTCnt;
[0009 ]-对替换后的当前航线Xcmmnt再次设置扰动向量，不断形成新航线Xnew，与当前航 线Xcumnt的目标函数的差值进行比较，替换成为当前航线，逐渐完成航线优化。
[0010]作为优选的实施方式，所述步骤"设置扰动向量，在初始航线xo航路点集合中进行 扰动，改变初始航线X0中某些航路点的经炜度坐标，生成新航线Xnew"具体为：
[00?1 ]-设定当前航线为xo: {Ρ〇，Ρι，Ρ2, "·Ρν+ι}，目标函数值为f (xo);
[0012]-当前航线为Xcurrent、最优航线为Xbest，且xbest = xcurrent = xQ;设定当前航线和最优 航线所对应的目标函数值分别为:f ( Xcurrent)和f ( Xbest)，且f ( Xcurrent) = f ( Xbest) = f ( XO );
[0013] -选取随机数n，〇<n<N，根据随机数n随机产生2个取值区间为[_1，1]的n维扰动 向量Δ Lat、Δ Lon，并在当前航线X?rre3nt除起始点和到达点的航路点集合沾，P2，一Pn}中随 机选出η个航路点。
[0014] 更进一步的，新航线的保留方法如下：
[0015] -设当前航线Xc;urren^目标函数值为f (Xc;urre3nt)，新航线1_的目标函数值为f (x_)，新航线替换当前航线的概率Pt满足以下方程：
[0016]
[0017]式中，t为算法中的一个控制参数，tz+1 = a*tz，a是处于0-1之间的数，为衰减系数； exp[-象'。-也.1.」]为t的接受概率； V 1 )
[0018]-根据上述公式：
[0019]当f(Xcurrent)>f(Xnew)时，使用新航线替换当前航线；
[0020] 当f(x〇jrrent) < f(xnew)时，新航线替换当前航线的概率为：
[0021] exp〔」(X?e''卜7"一)]。 I 1 }
[0022] 产生一个随机数￡6(〇，1)，并与匕比较，若匕2￡，那么利用新航线替换当前航线；
[0023] 若Pt<e，则将新航线舍弃，继续使用当前航线产生一个新的航线。
[0024] 作为优选的实施方式，对比分析实际环境数据与预报环境数据，利用实际环境数 据修正预报数据；
[0025] 实际环境数据至少包括:船上风速风向仪数据、能见度、洋流流速和流向；
[0026]所述的船舶动力参数至少包括:螺旋桨螺距，主机转速和连续航行时间。
[0027]作为优选的实施方式，所述的初始航线XQ为大圆航线。
[0028] 一种基于E⑶IS的风力助航船舶的航行系统，包括：
[0029]环境数据采集单元，接收的预报环境数据和采集的实际环境数据；
[0030 ]船舶动力参数采集单元，采集当前的船舶动力参数；
[0031 ]航行参数采集单元，采集当前船舶的航行参数；
[0032]网格环境数据计算单元，将海区划分成地理网格，提取航线经过的地理网格;确定 每个地理网格的环境数据；
[0033]处理单元，根据始发地和目的地确定初始航线，设置扰动向量，在初始航线xq航路 点集合中进行扰动，改变初始航线XQ中某些航路点的经炜度坐标，生成新航线Xnew;
[0034]分别提取初始航线XQ和新航线Xnew经过的地理网格，并计算所述初始航线XQ和新航 线xne3w的目标函数值的差值Δ f，若Δ f<〇,则选择新航线Xne3W作为当前航线Xc;urre3nt;
[0035]-对替换后的当前航线Xcmmnt再次设置扰动向量，不断形成新航线Xnew，与当前航 线Xcumnt的目标函数的差值进行比较，替换成为当前航线，逐渐完成航线优化。
[0036] 以及显示航线信息的显示单元。
[0037] 作为优选的实施方式，所述的处理单元计算在设置扰动向量，在初始航线XQ航路 点集合中进行扰动，改变初始航线xo中某些航路点的经炜度坐标，生成新航线的过程具 体为:设定当前航线为XQ: {Ρ〇，Ρι，Ρ2，···Ρν+ι}，目标函数值为f (X0);
[0038] 当前航线为Xcurrent、最优航线为Xbest，且Xbest = XCUrrent = XQ;设定当前航线和最优航 线所对应的目标函数值分别为:f (Xcurrent)和f (Xbest)，且f (Xcurrent) = f (Xbest) =f (X0);
[0039] 选取随机数n，0 <n<N，根据随机数n随机产生2个取值区间为[-1，1 ]的n维扰动向 量八1^、八1^，并在当前航线^1^_除起始点和到达点的航路点集合{?1，？ 2，^刊}中随机 选出η个航路点。
[0040] 作为优选的实施方式，处理单元中新航线的保留方法如下：
[0041 ] 设当前航线Xc；ur_的目标函数值为f (Xc；ur_)，新航线1_的目标函数值为f (χ_)， 新航线替换当前航线的概率Pt满足以下方程：
[0042]
[0043] 式中，t为算法中的一个控制参数，tz+1 = a*tz，a是处于0-1之间的数，为衰减系数； expf ^为t的接受概率; V ：i J
[0044] 根据上述公式：
[0045] 当fUaji^ndSfUnew)时，使用新航线替换当前航线；
[0046] 当f(x〇jrrent) < f(xnew)时，新航线替换当前航线的概率为：
[0047] expf」(Χ,·) -爪'-,rt) l. 1 J
[0048] 产生一个随机数6(〇，1)，并与匕比较，若匕&，那么利用新航线替换当前航线；
[0049] 若Pt< ε，则将