一种基于裂区试验设计的船舶油耗分析方法及系统

本发明涉及一阶关联裂区实验设计，具体涉及一种基于裂区试验设计的船舶油耗分析方法及系统。

背景技术：

1、船舶燃油消耗不仅关系到航运业的经济效益，还关系到全球的能源安全和环境保护。为了应对日益严格的环保要求和市场竞争，航运业正在寻求替代传统的重油或柴油等高碳燃料，使用低碳或零碳的新型燃料，如液化天然气、甲醇、氢气、电池等。这些新型燃料不仅可以降低温室气体和其他污染物的排放，还可以提高能源效率和经济性。然而，新型燃料的使用也面临着技术、安全、成本、供应等方面的挑战，需要进行深入的研究和开发。因此，通过研究分析影响船舶燃油消耗的关键因素，从而减少燃油消耗，对于环保以及经济发展是至关重要的。

2、裂区试验设计(split-plot design)是多因素试验的一种设计方法。裂区试验设计是先将每一区组按第一因素设置各个处理(主处理)的小区，称为主区(或整区)，在主区里随机安排主处理；然后在主区内引进第二因素的各个处理(副处理)，也就是在主处理小区内分设与副处理数目相等的更小小区，这样的小区称为副区(或裂区)。在裂区试验设计里，如果从第二个因素来讲，每个主区就是一个区组；但是如果从整个试验所有处理组合来讲，每个主区只是一个不完全的区组。由于在设计过程中将主区分裂为裂区，因此这种设计方法被称为裂区设计。裂区试验设计可以在一次试验中以不同的精确度对各试验因子进行分析，从而提高试验效率和质量，节约资源和成本。

3、一阶关联裂区试验是一种裂区试验设计，其中主处理(难改变的因子)的水平之间存在一定的关联，而不是完全随机化。这种设计可以用于分析主处理的线性或二次趋势，以及副处理(易改变的因子)和主处理的交互作用。一阶关联裂区试验的优点是可以减少试验次数和成本，提高试验效率和精度。

4、传统的试验设计一般不考虑有约束存在的情况，而在现实的生活、生产中的试验很多都受到一定的约束限制，因此，如何在存在约束的情况下更好的设计我们的试验点的选取，更加科学的收集和分析试验的数据，进而在质量的改进中获得更优的参数组合具有重要的意义。从理论上讲，受限的试验设计问题是试验设计一个不可或缺的组成部分。对其研究有助于试验设计理论的完善和发展。

5、所以目前，亟需解决如何以较小的试验代价从复杂系统/体系试验中获取更多的有效信息，即提升试验效费比以满足缩短试验周期、减少试验代价。本方法基于这个目的提出了一种基于裂区试验设计中存在关联因子的船舶燃油消耗程度分析策略。

技术实现思路

1、为了解决以上技术问题，本发明提供了一种基于裂区试验设计的船舶油耗分析方法，所述分析方法包括：

2、s1、确定裂区试验的目标和响应变量；

3、s2、基于所述裂区试验的目标和响应变量，定义燃油消耗的关联因子与影响因子和水平；

4、s3、基于所述关联因子与所述影响因子对裂区试验设计进行随机试验设计，得到随机试验设计数据并记录响应值；

5、s4、对所述随机试验设计数据进行分析，得到分析结果；

6、s5、基于所述分析结果，使用逐步回归的方法得到裂区试验设计的关键影响因素，完成船舶燃油消耗程度的分析。

7、可选的，所述s1中，所述裂区试验的目标是探究不同的因素对燃油消耗程度的影响，所述裂区试验的响应变量是燃油消耗程度。

8、可选的，所述s2中，将关联因子定义为船舶的类型和船速的大小之间存在的关联；所述影响因子定义为：a：船舶大小；b：行驶航线；c：水流大小；d：船速大小。

9、可选的，所述s2中，影响因素a、b、c为二水平因子，高低水平的编码为+1和-1；影响因素d的取值依赖与a因子，设定d因素在a因素的高低水平的嵌入效应为d|a-1和d|a+1，所述嵌入效应的高低水平编码为+1和-1。

10、可选的，所述s3中所述响应值是基于所述高低水平的编码，对裂区试验涉及的因子编码进行组合，根据裂区试验设计的布局，进行试验，得到响应值。

11、可选的，所述响应值的计算方法为：

12、

13、其中，y为响应值，bi(i＝0,1，...,n)为第i个变量的回归系数，x为裂区内的因子效应，d|ai代表因子d在因子a取i水平时的编码取值。

14、可选的，所述s4中，对所述随机试验设计数据进行分析，得到分析结果的具体过程包括：

15、对所述随机试验设计数据和所述响应值进行方差分析；

16、根据方差分析结果，得到响应拟合值的散点图和正态概率图；

17、基于所述散点图和所述正态概率图得到效应检验图，得到分析结果。

18、本发明还公开一种基于裂区试验设计的船舶油耗分析系统，包括：目标和变量确定模块、因子定义模块、试验数值记录模块、消耗程度分析模块

19、所述目标和变量确定模块用于确定裂区试验的目标和响应变量；

20、所述因子定义模块用于基于所述裂区试验的目标和响应变量，定义燃油消耗的关联因子与影响因子和水平；

21、所述试验数值记录模块用于基于所述关联因子与所述影响因子对裂区试验设计进行随机试验设计，得到随机试验设计数据并记录响应值；

22、所述数据分析模块用于对所述随机试验设计数据进行分析，得到分析结果；

23、所述消耗程度分析模块用于基于所述分析结果，使用逐步回归的方法得到裂区试验设计的关键影响因素，完成船舶燃油消耗程度的分析。

24、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

25、(1)解决了同时存在关联约束和试验顺序约束的试验问题，减少了试验中为满足经典试验的要求所造成的试验资源的浪费，扩展了此类多约束条件下试验设计的区域。

26、(2)试验设计的优化结果更容易理解，其最优的组合水平更确切，消除了由于裂区因素在不同整区中效应的不同而造成的最终结果不易从工程解释的问题。

27、(3)关联因子的裂区试验设计分析可以得到更好的拟合效果，分析得到的结果更加清晰和精确。

技术特征：

1.一种基于裂区试验设计的船舶油耗分析方法，其特征在于，所述分析方法包括：

2.根据权利要求1所述的基于裂区试验设计的船舶油耗分析方法，其特征在于，所述s1中，所述裂区试验的目标是探究不同的因素对燃油消耗程度的影响，所述裂区试验的响应变量是燃油消耗程度。

3.根据权利要求1所述的基于裂区试验设计的船舶油耗分析方法，其特征在于，所述s2中，将关联因子定义为船舶的类型和船速的大小之间存在的关联；所述影响因子定义为：a：船舶大小；b：行驶航线；c：水流大小；d：船速大小。

4.根据权利要求3所述的基于裂区试验设计的船舶油耗分析方法，其特征在于，所述s2中，影响因素a、b、c为二水平因子，高低水平的编码为+1和-1；影响因素d的取值依赖与a因子，设定d因素在a因素的高低水平的嵌入效应为d|a-1和d|a+1，所述嵌入效应的高低水平编码为+1和-1。

5.根据权利要求4所述的基于裂区试验设计的船舶油耗分析方法，其特征在于，所述s3中所述响应值是基于所述高低水平的编码，对裂区试验涉及的因子编码进行组合，根据裂区试验设计的布局，进行试验，得到响应值。

6.根据权利要求5所述的基于裂区试验设计的船舶油耗分析方法，其特征在于，所述响应值的计算方法为：

7.根据权利要求5所述的基于裂区试验设计的船舶油耗分析方法，其特征在于，所述s4中，对所述随机试验设计数据进行分析，得到分析结果的具体过程包括：

8.一种基于裂区试验设计的船舶油耗分析系统，其特征在于，所述分析系统应用权利要求1-7任一项所述的分析方法，其特征在于，包括：目标和变量确定模块、因子定义模块、试验数值记录模块、消耗程度分析模块

技术总结
本发明公开了一种基于裂区试验设计的船舶油耗分析方法及系统，所述分析方法包括：确定裂区试验的目标和响应变；基于关联因子与影响因子对裂区试验设计进行随机试验设计，得到随机试验设计数据并记录响应值；对随机试验设计数据进行分析，得到分析结果；基于分析结果，使用逐步回归的方法得到裂区试验设计的关键影响因素，完成船舶燃油消耗程度的分析。本发明可以快速地找到关键影响因素，从而找到减少燃油的最优解，降低成本，提高船舶的性能。同时为支撑开展未来面向任务的复杂系统/体系仿真试验奠定坚实的基础。

技术研发人员：冯晓宁,赵俊华,曲立平
受保护的技术使用者：哈尔滨工程大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/17