船舶进出港最优排放航速研究

文元桥　任俊勇　李昭然

(武汉理工大学航运学院1)　武汉　430063)　(内河航运技术湖北省重点实验室2)　武汉　430063)



船舶进出港最优排放航速研究

文元桥1,2)任俊勇1,2)李昭然1,2)

(武汉理工大学航运学院1)武汉430063)(内河航运技术湖北省重点实验室2)武汉430063)

摘要：为减少船舶进出港航行过程中的尾气排放，降低船舶大气污染，以船舶排放定量计算模型为基础，研究船舶废气排放量与船舶航速、航程的关系.考虑船舶在进出港过程中采用不同航速航行的排放特性，结合船舶进出港航行的实际约束条件，运用遗传算法求解出最少排放的船舶最优分段航速控制模型.以某集装箱船进出航程为13，15 n mile的港口为实例,对算法进行了仿真实验，绘制出该船在进出港过程中的实时航速图，得出2个航程下的最优排放与一般情况下排放的差别分别为116%,125%；132%,140%.结果表明,采用该优化算法，不仅可以帮助船舶确定进出港过程中控制排放的最优航速，而且可以有效降低排放.

关键词：减排；船舶进出港；航速控制

文元桥(1975- )：男，博士，教授，博士生导师，主要研究领域为水上交通安全与环境，地球流体数值模拟，气候变化等

0引言

随着航运业的发展，船舶数量和吨位不断增加，船舶向大气中排放的废气逐渐增多，由此产生的大气污染问题也日益严重，船舶废气物排放引起的大气污染问题，越来越受到国内外学者的关注[1-2].

近年来，关于船舶废气物排放量的测度，国内外已有部分研究成果.在国内，刘静等[3]建立了青岛市海上交通源大气污染排放清单，并利用基于GIS地理信息系统 EnviMan 复合源大气扩散模型，实现了对沿海大气主要污染物排放量及环境空气质量影响的空间模拟测算.叶斯琪等[4]分别采用基于船舶引擎功率和耗油量的排放因子法，估算了广东省地区2010年的船舶排放清单，并选取客货运输吞吐量航道通航能力因子和港口地理坐标等数据作为权重因子，研究了该地区各类船舶排放的时空分布特征.伏晴艳等[5]以 2010 年进出上海港船舶为研究对象, 对船舶排放进行详细的方法研究和深入调查, 获得上海港分船种和运行工况的大气污染物和温室气体排放总量，并结合船舶自动识别系统(AIS)确定污染物排放的空间分布.

在国外，J.P.Jalkanen等[6]利用AIS信息，建立了用于计算船舶废气排放的STEAM (ship traffic emission assessment model)模型，计算了船舶在波罗的海的NOx, SOx及 CO2排放量，结果与实际统计较为符合，该模型是最先利用AIS信息直接计算船舶废气排放的研究.值得一提的是，该模型考虑了波浪对船舶航速进而对船舶功率的影响.在此基础上，文献[7]对STEAM模型进行了改进，提出了STEAM2模型，该模型还可以计算PM及CO的排放量.STEAM2模型在船舶航行描述、负载及燃料变化、减排技术的应用方面有了更全面的考虑.美国环保署(US Environmental Protection Agency)[8]通过确定船舶动力设备的功率、负荷、排放因子、工作时间等参数，进而得到计算船舶排放的算法.

船舶主机的污染物排放量与船舶的航速有着密切的关系，另外船舶在不同的操纵模式下，包括巡航、慢速巡航和机动(靠泊)时，船舶辅机的负荷也差别较大.本文以船舶进出港的废气排放具有以上2个主要特点为基础，确定船舶进出港排放量的计算模型，实现船舶进出港减排优化的算法设计，利用 Matlab软件对船舶进出港减排优化算法进行仿真实验.

1船舶进出港排放量计算

船舶进出港过程中的排放主要来自于船舶主机和辅机，排放量的差异主要取决于不同航速条件下主辅机的排放特性和工作时间.船舶在进出港过程中，从到达港区到靠泊或锚泊，或者从离泊到离开港区，主机和辅机会处于不同的工作状态，从而导致不同阶段的排放特性不同，进而影响到排放总量.为此，文中将船舶进出港航行过程按照时间先后顺序等分为n段.Ti(i=1,2,…,n)为每一段的持续时间，Li(i=1,2,…,n)为每一段的航程.(参考船舶排放定量模型文献[9])船舶进出港排放量可由式(1)计算.

式中：E为船舶的总排放量；Ei为每段航时的船舶排放量，g；P为船舶主机(M)和辅机(A)功率，kW；j为主机和辅机；LF为船舶负荷因子；EF为第j种动力设备下排放因子总和，g/(kW·h)；Ti为每段的时间，船舶动力设备在第i段的运行时间，h.

主机在第i段航程的负荷因子为

(2)

辅机负荷因子取决于船舶操纵模式，文中在计算中根据文献[9]选取，见表1.

排放因子总和数据参考IMO发布的第三次温室气体研究报告[10]，并参照文献[9]的结论，见表2.

表1　不同操纵模式下的辅机负荷因子

表2　船舶主机和辅机排放因子总和　g/(kW·h)

当船舶主机负荷大于20%时，主机排放因子可看作是一常量，而当主机负荷小于20%时，排放因子会随着负荷的减小而增大，因此需对排放因子进行修正，即

EF0=EF×AF

(3)

式中：EF0为修正后的排放因子；AF为修正因子.

船舶进出港的航程L为每一段航程Li(i=1,2,…,n)的求和，船舶进出港的时间T为每一段时间Ti(i=1,2,…,n)的求和，不同的进港航程L对应不同的进出港时间T，相互关系可表示为

(4)

2船舶进出港排放优化建模

2.1模型假设

文中主要从船舶进出港航速控制角度对船舶的排放进行优化，在建立船舶进出港的排放的优化计算模型时，首先提出如下假设.

1) 算法针对某一具体船舶，船舶在进出港过程中动力设备功率、排放因子一定.

2) 船舶进、出港范围分别为船舶进入港区到船舶开始进行靠泊操纵和船舶结束靠泊操纵到离开港区.

3) 模型中只考虑船舶使用自身动力设备在港区航行的过程，不考虑船舶使用港内拖轮靠码头和离码头的过程.

4) 船舶进出港的航速是总体单调变化的，进港逐渐减速，出港逐渐加速(即不考虑船舶在进出港过程中的机动性变速)，而且加减速性能随不同船舶的特性而变化.

5) 不考虑风、流、浪对船舶排放的影响.

2.2模型建立

根据前述的优化目标和约束条件，船舶进出港最优排放航速控制问题可以转化为以下优化目标和约束条件的数学规划模型，其中约束条件(1)为进港船舶约束；约束条件(2)为出港船舶约束.

(5)

2.3模型的求解

在上述最优化问题中，目标函数复杂，属于多峰值类型；约束条件种类繁多，有的是线性的，有的是非线性的，有的是连续的，有的是离散的.因此，对于这一问题，运用传统的解决规划问题的方法计算繁复并且难以精确求出最优解.为了解决这一问题，本文运用遗传算法来求解上述模型.

文中设计的遗传算法主要具有以下特点.

1) 惩罚函数法惩罚函数法的基本思想是使不可行解对应的适应度减去一个极大的数，从而使个体被遗传到下一代群体中的概率减少，可以用下式对个体的适应度进行调整：

(6)

式中：F(x)为原适应度；F′(x)为调整后的新适应度；M为一个极大的数.

2) 精英遗传在上一代中选择适应度最高的若干个体，将这些个体设定为精英，这些精英将保证必然生存到下一代.这一设定会使计算更快地迭代到最优值，并且能有效防止计算退化；

3) 选择方式每个个体进入下一代的概率等于它的适应度值与整个种群中个体适应度值和的比例，适应度值越高，被选中可能性越大，该方法可被称为随机均匀分布；

4) 交叉方式随机生成一个二值(0或1)向量，当值为1时，从父方选择基因；当值为0时，从母方选择基因，然后将这些基因组合成新的子代个体，这种方法被称为分散法.

以上提及的文中遗传算法的特点及其余一些重要参数见表3.

表3　遗传算法的重要参数

3算法验证与分析

3.1仿真实验设计

1) 实验船舶信息实验船为某集装箱船，其主要参数见表4.

表4　实验船舶(集装箱船)信息

2) 仿真实验设计方案见表5.

表5　实验船进出港仿真实验设计

3.2仿真实验结果分析

3.2.1仿真实验1组

仿真实验1组结果分析见表6、图1.

表6　仿真实验1组结果

图1　不同航程的进港最优航速控制与对照组航速控制对比

由表6可知，运用优化算法确定的进港航行航速控制策略，与根据港口部门对进出港船舶的航速限制确定的分段航速控制相比，其排放量大大地减少，且进港航程越长，减排效应越明显.

3.2.2仿真实验2组

仿真实验2组的结果分析见表7、图2.

图2　不同航程的出港最优航速控制与对照组航速控制对比

排放量/kg航程/nmile1317实验组2556.063113.07对照组5753.67463.4误差/%125140

由表7可知，运用优化算法确定的出港航行航速控制策略，与根据港口部门制定的航速限制确定的分段航速控制相比，其排放量大大地减少，且进港航程越长，减排效应越明显.

比较表6和表7中实验组的排放量数据可知，船舶离港时的排放量比进港时少，随着航程的增加，两组排放量相差的百分比越来越少.这是由于船舶在离港时少了一个最终航速的约束条件，所以船舶离港时的排放量会更少，

从上述仿真实验结果可以看出，文中所设计的航速控制模型是可行的和有效的.

4结论

1) 利用船舶速度及船舶数据库资料，参考美国环保署相关船舶废气物排放测度模型，考虑船舶在进出港过程中采用不同航速航行的排放特性，结合船舶进出港航行的实际约束条件，运用遗传算法求解出最少排放的船舶最优分段航速控制模型.

2) 基于该航速控制模型，文中设计了船舶进出港的优化模型算法，并选取某集装箱船进出港的过程作为实验个例进行仿真，比较分析不同实验条件下的最优排放的航速控制策略和排放量变化.实验结果表明采用本文提出的优化算法，不仅可以帮助船舶确定进出港过程中控制排放的最优航速，而且可以有效降低排放.

3) 文中的航速控制模型仅做了船舶废气物排放测度的初步探讨，没有考虑排放因子的准确测度、船舶节能减排措施的应用、燃油种类(不同含S量)的影响、海上气象水文环境场对船舶航速的影响等因子对模型结果的影响，同时对本文的优化模型算法也做了相关假设，这也是后期研究的重点.

参 考 文 献

[1]BUHAUG O, CORBETT J J, ENDRESEN O, et al. Second IMO GHG study[R]. International Maritime Organization (IMO), London, UK,2009.

[2]万霖,何凌燕,黄晓锋.船舶大气污染排放的研究进展[J].环境科学与技术,2013,36(5):57-62.

[3]刘静,王静,宋传真,等.青岛市港口船舶大气污染排放清单的建立及应用[J].中国环境监测,2011,27(3):50-53.

[4]叶斯琪,郑君瑜,潘月云，等.广东省船舶排放源清单及时空分布特征研究[J].环境科学学报,2014,34(3):537-547.

[5]伏晴艳,沈寅,张健.上海港船舶大气污染物排放清单研究[J].安全与环境学报,2012,12(5):57-64.

[6]JALKANEN1 J P, BRINK A, KALLI J, et al. A modelling system for the exhaust emissions of marine traffic and its application in the Baltic Sea area[J]. Atmos. Chem. Phys.,2009(9):9209-9223.

[7] JALKANEN1 J P, JOHANSSON L, KUKKONEN J, et al. Extension of an assessment model of ship traffic exhaust emissions for particulate matter and carbon monoxide[J]. Atmos. Chem. Phys.,2012(12):2641-2659.

[8]LOUIS B, KATHLEEN B. Current methodologies and best practices for preparing port emission inventories[R]. USEPA, Washington D.C., USA,2006.

[9]SIMON K W, CHRISTINE L, LIN Chubin, et al. Policy change driven by an AIS-assisted marine emission inventoryin Hong Kong and the Pearl River Delta[J]. Atmospheric Environment,2013(13):102-112.

[10]EYRING V.International maritime organization[C].Reduction of GHG Emission from Ships, Third IMO GHG Study 2014，Presentation on Climate Impact，2014.

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

中图法分类号：X51