船舶進(jìn)出港最優(yōu)排放航速研究

文元橋　任俊勇　李昭然

(武漢理工大學(xué)航運(yùn)學(xué)院1)　武漢　430063)　(內(nèi)河航運(yùn)技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2)　武漢　430063)

?

船舶進(jìn)出港最優(yōu)排放航速研究

文元橋1,2)任俊勇1,2)李昭然1,2)

(武漢理工大學(xué)航運(yùn)學(xué)院1)武漢430063)(內(nèi)河航運(yùn)技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2)武漢430063)

摘要：為減少船舶進(jìn)出港航行過(guò)程中的尾氣排放，降低船舶大氣污染，以船舶排放定量計(jì)算模型為基礎(chǔ)，研究船舶廢氣排放量與船舶航速、航程的關(guān)系.考慮船舶在進(jìn)出港過(guò)程中采用不同航速航行的排放特性，結(jié)合船舶進(jìn)出港航行的實(shí)際約束條件，運(yùn)用遺傳算法求解出最少排放的船舶最優(yōu)分段航速控制模型.以某集裝箱船進(jìn)出航程為13，15 n mile的港口為實(shí)例,對(duì)算法進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，繪制出該船在進(jìn)出港過(guò)程中的實(shí)時(shí)航速圖，得出2個(gè)航程下的最優(yōu)排放與一般情況下排放的差別分別為116%,125%；132%,140%.結(jié)果表明,采用該優(yōu)化算法，不僅可以幫助船舶確定進(jìn)出港過(guò)程中控制排放的最優(yōu)航速，而且可以有效降低排放.

關(guān)鍵詞：減排；船舶進(jìn)出港；航速控制

文元橋(1975- )：男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究領(lǐng)域?yàn)樗辖煌ò踩c環(huán)境，地球流體數(shù)值模擬，氣候變化等

0引言

隨著航運(yùn)業(yè)的發(fā)展，船舶數(shù)量和噸位不斷增加，船舶向大氣中排放的廢氣逐漸增多，由此產(chǎn)生的大氣污染問(wèn)題也日益嚴(yán)重，船舶廢氣物排放引起的大氣污染問(wèn)題，越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注[1-2].

近年來(lái)，關(guān)于船舶廢氣物排放量的測(cè)度，國(guó)內(nèi)外已有部分研究成果.在國(guó)內(nèi)，劉靜等[3]建立了青島市海上交通源大氣污染排放清單，并利用基于GIS地理信息系統(tǒng) EnviMan 復(fù)合源大氣擴(kuò)散模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)沿海大氣主要污染物排放量及環(huán)境空氣質(zhì)量影響的空間模擬測(cè)算.葉斯琪等[4]分別采用基于船舶引擎功率和耗油量的排放因子法，估算了廣東省地區(qū)2010年的船舶排放清單，并選取客貨運(yùn)輸吞吐量航道通航能力因子和港口地理坐標(biāo)等數(shù)據(jù)作為權(quán)重因子，研究了該地區(qū)各類(lèi)船舶排放的時(shí)空分布特征.伏晴艷等[5]以 2010 年進(jìn)出上海港船舶為研究對(duì)象, 對(duì)船舶排放進(jìn)行詳細(xì)的方法研究和深入調(diào)查, 獲得上海港分船種和運(yùn)行工況的大氣污染物和溫室氣體排放總量，并結(jié)合船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(AIS)確定污染物排放的空間分布.

在國(guó)外，J.P.Jalkanen等[6]利用AIS信息，建立了用于計(jì)算船舶廢氣排放的STEAM (ship traffic emission assessment model)模型，計(jì)算了船舶在波羅的海的NOx, SOx及 CO2排放量，結(jié)果與實(shí)際統(tǒng)計(jì)較為符合，該模型是最先利用AIS信息直接計(jì)算船舶廢氣排放的研究.值得一提的是，該模型考慮了波浪對(duì)船舶航速進(jìn)而對(duì)船舶功率的影響.在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[7]對(duì)STEAM模型進(jìn)行了改進(jìn)，提出了STEAM2模型，該模型還可以計(jì)算PM及CO的排放量.STEAM2模型在船舶航行描述、負(fù)載及燃料變化、減排技術(shù)的應(yīng)用方面有了更全面的考慮.美國(guó)環(huán)保署(US Environmental Protection Agency)[8]通過(guò)確定船舶動(dòng)力設(shè)備的功率、負(fù)荷、排放因子、工作時(shí)間等參數(shù)，進(jìn)而得到計(jì)算船舶排放的算法.

船舶主機(jī)的污染物排放量與船舶的航速有著密切的關(guān)系，另外船舶在不同的操縱模式下，包括巡航、慢速巡航和機(jī)動(dòng)(靠泊)時(shí)，船舶輔機(jī)的負(fù)荷也差別較大.本文以船舶進(jìn)出港的廢氣排放具有以上2個(gè)主要特點(diǎn)為基礎(chǔ)，確定船舶進(jìn)出港排放量的計(jì)算模型，實(shí)現(xiàn)船舶進(jìn)出港減排優(yōu)化的算法設(shè)計(jì)，利用 Matlab軟件對(duì)船舶進(jìn)出港減排優(yōu)化算法進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn).

1船舶進(jìn)出港排放量計(jì)算

船舶進(jìn)出港過(guò)程中的排放主要來(lái)自于船舶主機(jī)和輔機(jī)，排放量的差異主要取決于不同航速條件下主輔機(jī)的排放特性和工作時(shí)間.船舶在進(jìn)出港過(guò)程中，從到達(dá)港區(qū)到靠泊或錨泊，或者從離泊到離開(kāi)港區(qū)，主機(jī)和輔機(jī)會(huì)處于不同的工作狀態(tài)，從而導(dǎo)致不同階段的排放特性不同，進(jìn)而影響到排放總量.為此，文中將船舶進(jìn)出港航行過(guò)程按照時(shí)間先后順序等分為n段.Ti(i=1,2,…,n)為每一段的持續(xù)時(shí)間，Li(i=1,2,…,n)為每一段的航程.(參考船舶排放定量模型文獻(xiàn)[9])船舶進(jìn)出港排放量可由式(1)計(jì)算.

式中：E為船舶的總排放量；Ei為每段航時(shí)的船舶排放量，g；P為船舶主機(jī)(M)和輔機(jī)(A)功率，kW；j為主機(jī)和輔機(jī)；LF為船舶負(fù)荷因子；EF為第j種動(dòng)力設(shè)備下排放因子總和，g/(kW·h)；Ti為每段的時(shí)間，船舶動(dòng)力設(shè)備在第i段的運(yùn)行時(shí)間，h.

主機(jī)在第i段航程的負(fù)荷因子為

(2)

輔機(jī)負(fù)荷因子取決于船舶操縱模式，文中在計(jì)算中根據(jù)文獻(xiàn)[9]選取，見(jiàn)表1.

排放因子總和數(shù)據(jù)參考IMO發(fā)布的第三次溫室氣體研究報(bào)告[10]，并參照文獻(xiàn)[9]的結(jié)論，見(jiàn)表2.

表1　不同操縱模式下的輔機(jī)負(fù)荷因子

表2　船舶主機(jī)和輔機(jī)排放因子總和　g/(kW·h)

當(dāng)船舶主機(jī)負(fù)荷大于20%時(shí)，主機(jī)排放因子可看作是一常量，而當(dāng)主機(jī)負(fù)荷小于20%時(shí)，排放因子會(huì)隨著負(fù)荷的減小而增大，因此需對(duì)排放因子進(jìn)行修正，即

EF0=EF×AF

(3)

式中：EF0為修正后的排放因子；AF為修正因子.

船舶進(jìn)出港的航程L為每一段航程Li(i=1,2,…,n)的求和，船舶進(jìn)出港的時(shí)間T為每一段時(shí)間Ti(i=1,2,…,n)的求和，不同的進(jìn)港航程L對(duì)應(yīng)不同的進(jìn)出港時(shí)間T，相互關(guān)系可表示為

(4)

2船舶進(jìn)出港排放優(yōu)化建模

2.1模型假設(shè)

文中主要從船舶進(jìn)出港航速控制角度對(duì)船舶的排放進(jìn)行優(yōu)化，在建立船舶進(jìn)出港的排放的優(yōu)化計(jì)算模型時(shí)，首先提出如下假設(shè).

1) 算法針對(duì)某一具體船舶，船舶在進(jìn)出港過(guò)程中動(dòng)力設(shè)備功率、排放因子一定.

2) 船舶進(jìn)、出港范圍分別為船舶進(jìn)入港區(qū)到船舶開(kāi)始進(jìn)行靠泊操縱和船舶結(jié)束靠泊操縱到離開(kāi)港區(qū).

3) 模型中只考慮船舶使用自身動(dòng)力設(shè)備在港區(qū)航行的過(guò)程，不考慮船舶使用港內(nèi)拖輪靠碼頭和離碼頭的過(guò)程.

4) 船舶進(jìn)出港的航速是總體單調(diào)變化的，進(jìn)港逐漸減速，出港逐漸加速(即不考慮船舶在進(jìn)出港過(guò)程中的機(jī)動(dòng)性變速)，而且加減速性能隨不同船舶的特性而變化.

5) 不考慮風(fēng)、流、浪對(duì)船舶排放的影響.

2.2模型建立

根據(jù)前述的優(yōu)化目標(biāo)和約束條件，船舶進(jìn)出港最優(yōu)排放航速控制問(wèn)題可以轉(zhuǎn)化為以下優(yōu)化目標(biāo)和約束條件的數(shù)學(xué)規(guī)劃模型，其中約束條件(1)為進(jìn)港船舶約束；約束條件(2)為出港船舶約束.

(5)

2.3模型的求解

在上述最優(yōu)化問(wèn)題中，目標(biāo)函數(shù)復(fù)雜，屬于多峰值類(lèi)型；約束條件種類(lèi)繁多，有的是線性的，有的是非線性的，有的是連續(xù)的，有的是離散的.因此，對(duì)于這一問(wèn)題，運(yùn)用傳統(tǒng)的解決規(guī)劃問(wèn)題的方法計(jì)算繁復(fù)并且難以精確求出最優(yōu)解.為了解決這一問(wèn)題，本文運(yùn)用遺傳算法來(lái)求解上述模型.

文中設(shè)計(jì)的遺傳算法主要具有以下特點(diǎn).

1) 懲罰函數(shù)法懲罰函數(shù)法的基本思想是使不可行解對(duì)應(yīng)的適應(yīng)度減去一個(gè)極大的數(shù)，從而使個(gè)體被遺傳到下一代群體中的概率減少，可以用下式對(duì)個(gè)體的適應(yīng)度進(jìn)行調(diào)整：

(6)

式中：F(x)為原適應(yīng)度；F′(x)為調(diào)整后的新適應(yīng)度；M為一個(gè)極大的數(shù).

2) 精英遺傳在上一代中選擇適應(yīng)度最高的若干個(gè)體，將這些個(gè)體設(shè)定為精英，這些精英將保證必然生存到下一代.這一設(shè)定會(huì)使計(jì)算更快地迭代到最優(yōu)值，并且能有效防止計(jì)算退化；

3) 選擇方式每個(gè)個(gè)體進(jìn)入下一代的概率等于它的適應(yīng)度值與整個(gè)種群中個(gè)體適應(yīng)度值和的比例，適應(yīng)度值越高，被選中可能性越大，該方法可被稱為隨機(jī)均勻分布；

4) 交叉方式隨機(jī)生成一個(gè)二值(0或1)向量，當(dāng)值為1時(shí)，從父方選擇基因；當(dāng)值為0時(shí)，從母方選擇基因，然后將這些基因組合成新的子代個(gè)體，這種方法被稱為分散法.

以上提及的文中遺傳算法的特點(diǎn)及其余一些重要參數(shù)見(jiàn)表3.

表3　遺傳算法的重要參數(shù)

3算法驗(yàn)證與分析

3.1仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1) 實(shí)驗(yàn)船舶信息實(shí)驗(yàn)船為某集裝箱船，其主要參數(shù)見(jiàn)表4.

表4　實(shí)驗(yàn)船舶(集裝箱船)信息

2) 仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案見(jiàn)表5.

表5　實(shí)驗(yàn)船進(jìn)出港仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.2仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1仿真實(shí)驗(yàn)1組

仿真實(shí)驗(yàn)1組結(jié)果分析見(jiàn)表6、圖1.

表6　仿真實(shí)驗(yàn)1組結(jié)果

圖1　不同航程的進(jìn)港最優(yōu)航速控制與對(duì)照組航速控制對(duì)比

由表6可知，運(yùn)用優(yōu)化算法確定的進(jìn)港航行航速控制策略，與根據(jù)港口部門(mén)對(duì)進(jìn)出港船舶的航速限制確定的分段航速控制相比，其排放量大大地減少，且進(jìn)港航程越長(zhǎng)，減排效應(yīng)越明顯.

3.2.2仿真實(shí)驗(yàn)2組

仿真實(shí)驗(yàn)2組的結(jié)果分析見(jiàn)表7、圖2.

圖2　不同航程的出港最優(yōu)航速控制與對(duì)照組航速控制對(duì)比

排放量/kg航程/nmile1317實(shí)驗(yàn)組2556.063113.07對(duì)照組5753.67463.4誤差/%125140

由表7可知，運(yùn)用優(yōu)化算法確定的出港航行航速控制策略，與根據(jù)港口部門(mén)制定的航速限制確定的分段航速控制相比，其排放量大大地減少，且進(jìn)港航程越長(zhǎng)，減排效應(yīng)越明顯.

比較表6和表7中實(shí)驗(yàn)組的排放量數(shù)據(jù)可知，船舶離港時(shí)的排放量比進(jìn)港時(shí)少，隨著航程的增加，兩組排放量相差的百分比越來(lái)越少.這是由于船舶在離港時(shí)少了一個(gè)最終航速的約束條件，所以船舶離港時(shí)的排放量會(huì)更少，

從上述仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，文中所設(shè)計(jì)的航速控制模型是可行的和有效的.

4結(jié)論

1) 利用船舶速度及船舶數(shù)據(jù)庫(kù)資料，參考美國(guó)環(huán)保署相關(guān)船舶廢氣物排放測(cè)度模型，考慮船舶在進(jìn)出港過(guò)程中采用不同航速航行的排放特性，結(jié)合船舶進(jìn)出港航行的實(shí)際約束條件，運(yùn)用遺傳算法求解出最少排放的船舶最優(yōu)分段航速控制模型.

2) 基于該航速控制模型，文中設(shè)計(jì)了船舶進(jìn)出港的優(yōu)化模型算法，并選取某集裝箱船進(jìn)出港的過(guò)程作為實(shí)驗(yàn)個(gè)例進(jìn)行仿真，比較分析不同實(shí)驗(yàn)條件下的最優(yōu)排放的航速控制策略和排放量變化.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明采用本文提出的優(yōu)化算法，不僅可以幫助船舶確定進(jìn)出港過(guò)程中控制排放的最優(yōu)航速，而且可以有效降低排放.

3) 文中的航速控制模型僅做了船舶廢氣物排放測(cè)度的初步探討，沒(méi)有考慮排放因子的準(zhǔn)確測(cè)度、船舶節(jié)能減排措施的應(yīng)用、燃油種類(lèi)(不同含S量)的影響、海上氣象水文環(huán)境場(chǎng)對(duì)船舶航速的影響等因子對(duì)模型結(jié)果的影響，同時(shí)對(duì)本文的優(yōu)化模型算法也做了相關(guān)假設(shè)，這也是后期研究的重點(diǎn).

參 考 文 獻(xiàn)

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

[2]萬(wàn)霖,何凌燕,黃曉鋒.船舶大氣污染排放的研究進(jìn)展[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2013,36(5):57-62.

[3]劉靜,王靜,宋傳真,等.青島市港口船舶大氣污染排放清單的建立及應(yīng)用[J].中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè),2011,27(3):50-53.

[4]葉斯琪,鄭君瑜,潘月云，等.廣東省船舶排放源清單及時(shí)空分布特征研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2014,34(3):537-547.

[5]伏晴艷,沈寅,張健.上海港船舶大氣污染物排放清單研究[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào),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

中圖法分類(lèi)號(hào)：X51