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数据驱动的可调螺距桨船舶油耗模型及航速优化

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中国造船 2023年第2期64卷 226-239页

作者：姚凤翔王鸿东张海华王检耀楼建坤上海交通大学海洋工程国家重点实验室上海200240 上海交通大学海洋智能装备与系统教育部重点实验室上海200240 中国船舶科学研究中心上海分部上海200011

船舶油耗预测是实现船舶航速优化的基础。基于可调螺距桨船舶的历史航行数据,结合极限学习机(ELM)算法,开展数据驱动的船舶油耗预测模型研究。结合可调螺距桨螺距可调的特性,提出基于螺距调节的航速优化方法。以船舶燃油消耗量最小为优... 详细信息

船舶油耗预测是实现船舶航速优化的基础。基于可调螺距桨船舶的历史航行数据,结合极限学习机(ELM)算法,开展数据驱动的船舶油耗预测模型研究。结合可调螺距桨螺距可调的特性,提出基于螺距调节的航速优化方法。以船舶燃油消耗量最小为优化目标,各时段内桨的螺距为优化变量构建船舶航速优化模型,并用改进粒子群算法求解。仿真结果表明:经螺距优化后,船舶单次航程的燃油消耗量减少约3%,进一步验证了通过螺距优化实现船舶节能航行的可行性。

关键词：数据驱动油耗模型可调螺距桨船舶航速优化改进粒子群算法

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基于动态油耗模型的节能航迹规划

中国航海 2022年第1期45卷 120-126,132页

作者：董良雄李军王帅军奚志平董文兵浙江海洋大学船舶与海运学院浙江舟山316022 扬帆集团股份有限公司浙江舟山316022

针对某案例船的实时能耗数据库,从航迹角度分析了能耗特性并设计了一种节能航迹规划方法。首先,采用栅格法构建了海域模型,根据环境参数与船舶性能参数对船舶油耗的影响,拟合了船舶油耗模型,并植入到海域栅格模型中;进而采用里程蚁和能... 详细信息

针对某案例船的实时能耗数据库,从航迹角度分析了能耗特性并设计了一种节能航迹规划方法。首先,采用栅格法构建了海域模型,根据环境参数与船舶性能参数对船舶油耗的影响,拟合了船舶油耗模型,并植入到海域栅格模型中;进而采用里程蚁和能耗蚁协同规划机制,设计了一种双蚁群算法,提升了算法对格栅属性的动态适应性;最后,基于案例船能耗数据库执行了动态节能航迹规划算法,迭代过程和路径节能效果表明:该算法拥有高效的寻优能力并且收敛速度较快,能为船舶实时节能航迹规划技术提供解决方案。

关键词：航迹规划双蚁群算法节能油耗模型

高速公路小汽车瞬态油耗模型构建及节油措施设计

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高速公路小汽车瞬态油耗模型构建及节油措施设计

作者：阮连杰华南理工大学

学位级别：硕士

节能减排是交通运输领域面临的热点问题,截至2022年我国高速公路总里程达到16.91万公里,年增长率超过5%,以高速公路上车型占比最高的小汽车为对象,通过生态车速规划和节油纵坡设计来降低高速公路系统的油耗,是实现高速公路系统绿色可持... 详细信息

节能减排是交通运输领域面临的热点问题,截至2022年我国高速公路总里程达到16.91万公里,年增长率超过5%,以高速公路上车型占比最高的小汽车为对象,通过生态车速规划和节油纵坡设计来降低高速公路系统的油耗,是实现高速公路系统绿色可持续发展的一个切入点。本文以高速公路小汽车的油耗为研究对象,首先通过实车实验采集高速公路小汽车的行驶轨迹和瞬态油耗数据,并进行数据的特征提取和融合工作;然后以车辆速度、加速度和道路坡度等为参数构建组合特征,引入多元回归和随机森林方法构建优化的高速公路小汽车瞬态油耗模型;接着以瞬态油耗多元回归模型和随机森林模型为基础,结合动态规划算法实现高速公路小汽车的生态车速规划方案;最后,通过嵌套蒙特卡洛树搜索算法探索高速公路纵坡的节油性能,考虑填挖方平衡进行高速公路节油纵坡设计,并基于小汽车瞬态油耗模型对节油纵坡方案进行评估和分析。本文具体的研究工作如下:(1)在实车实验过程中,使用GPS设备和VCDS设备采集高速公路小汽车行驶轨迹和油耗数据,从累计850km的轨迹数据中提取车辆加速度、道路坡度等特征后融合油耗数据形成频率为10Hz的高速公路小汽车行驶油耗数据集,为小汽车瞬态油耗建模、生态车速规划和节油纵坡设计等研究奠定数据基础,也为未来大规模车辆油耗数据集的构建提供可行的方法。(2)根据高速公路小汽车行驶油耗数据集,以车辆速度、加速度和道路坡度为参数形成新的组合特征,构建基于组合特征的小汽车瞬态油耗多元回归模型和随机森林模型,分别使用Elastic Net回归、遗传算法和BIC准则对瞬态油耗模型进行简化筛选,并引入加速度复合项以提高瞬态油耗模型精度。模型验证结果表明,小汽车瞬态油耗多元回归模型和随机森林模型的预测平均绝对误差分别为0.117ml/s、0.067ml/s,与常用的VTMicro油耗模型相比,平均百分比误差分别减少12.1%、19.5%,说明本文构建的小汽车瞬态油耗模型拥有更好的性能。(3)基于高速公路小汽车瞬态油耗模型,以行程总油耗最优为目标建立高速公路小汽车生态车速规划方法,通过动态规划算法实现交通条件限制下的最优油耗车速规划,相较于定速巡航,采用生态车速规划方案行驶的车辆可以在保障行程时间不增加的前提下,总油耗最大减少13.77%,且速度标准差和加速度干扰均小于现状方案,乘车舒适性也有一定提升。最后通过多次实验的对比不同油耗模型对生态车速规划的影响,使用油耗多元回归模型得到的生态车速规划方案中,车辆速度及加速度变化相对稳定,有利于生态车速规划方案的实现;而使用油耗随机森林模型得到的车速规划方案中,车辆速度及加速度变化更加频繁,增加了车速控制的复杂程度,但其节油效果也增强3.52%-6.70%。(4)首先基于生态车速规划方法提出量化高速公路纵坡设计节油潜力的生态损失系数指标,然后引入嵌套蒙特卡洛树搜索算法实现高速公路实验段的节油纵坡搜索,但该搜索算法得到的节油纵坡方案存在较频繁的波动和较大的挖方工程量,在实际中难以按照该节油纵坡方案进行建设。基于此,本文提出一种考虑道路填挖方平衡的高速公路节油纵坡设计方法,其充分借鉴节油纵坡搜索算法得到的节油规律,在满足国家规范的基础上重构高速公路实验段的纵断面曲线,验证结果表明,本文提出的考虑填挖方平衡的节油纵坡设计方案可以减少1.36%-5.21%的路段油耗,以全长60km的广州环城高速公路为例,每年可最多节油约4616975升。综上所述,本文基于高速公路小汽车实际行驶数据,构建新的高速公路小汽车瞬态油耗模型,并从交通管理和设计的专业角度出发,对高速公路小汽车生态车速规划和高速公路节油纵坡设计方法展开研究,基于瞬态油耗模型提出的高速公路小汽车节油措施具有较好的节油效率,相关成果可为高速公路小汽车的油耗建模和油耗优化提供理论支持,为推进高速公路系统节能减排奠定一定的理论基础。

关键词：高速公路车速规划纵坡设计油耗模型节能减排

典型高速公路路线运营油耗模型——以四川雅康高速为例

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交通科技与经济 2022年第6期24卷 39-44页

作者：阳恩慧李雨枭吕荣华狄海波邱延峻西南交通大学土木工程学院成都610031 西南交通大学道路工程四川省重点实验室成都610031 四川藏区高速公路有限责任公司成都610041

为建立更精确的高原高速公路路线运营油耗模型,以雅康高速为例,对改装油耗仪的小汽车进行实地油耗测量,并对所得油耗数据进行分析。研究发现:油耗主要与速度和纵坡坡度有关,其中油耗与速度成二次关系,与纵坡大致成正比例关系;1.6 L小排... 详细信息

为建立更精确的高原高速公路路线运营油耗模型,以雅康高速为例,对改装油耗仪的小汽车进行实地油耗测量,并对所得油耗数据进行分析。研究发现:油耗主要与速度和纵坡坡度有关,其中油耗与速度成二次关系,与纵坡大致成正比例关系;1.6 L小排量轿车最佳经济车速约为90 km·h^(-1),雅康高速设计时速为80 km·h^(-1),说明雅康高速设计具有良好的燃油经济性;纵坡率每增加1%,小汽车相应油耗增加约1.4 L·(100km)^(-1)。以此建立油耗与速度成二次关系、与纵坡成一次线性关系的油耗综合模型,通过对比分析,验证该模型具有良好的适用性。

关键词：高速运营油耗油耗模型经济速度道路纵坡雅康高速

基于平整度的改建公路用户油耗模型及其测算方法

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公路交通科技 2021年第2期38卷 132-138页

作者：刘强张志祥南京航空航天大学江苏南京211106 江苏中路工程技术研究院有限公司江苏南京211008

改建公路最显著的特征是对既有路面平整度的改善与提升。基于平整度的改善来进行用户效益评价是改建公路社会效益体现的重要方面,而平整度与用户油耗模型是进行该项研究的核心关键。目前已有研究成果均聚焦在新建公路,对于平整度与用户... 详细信息

改建公路最显著的特征是对既有路面平整度的改善与提升。基于平整度的改善来进行用户效益评价是改建公路社会效益体现的重要方面,而平整度与用户油耗模型是进行该项研究的核心关键。目前已有研究成果均聚焦在新建公路,对于平整度与用户油耗的关系模型研究在改建公路领域的研究在行业内尚属空白。通过车轮与路面作用力学模型,分析了路面表观参数对汽车理论油耗的影响机理与灵敏度。基于平整度参数定义了分析的基准状态,并在可覆盖的样本范围内针对基准状态进行了影响参数的标定。通过实车的油耗试验与数据采集建立了基准状态下不同车型的平整度与车辆油耗的单参数关系模型。考虑路表摩擦系数、弯沉和车速参数对油耗的影响,采用多参数修正方法对基准状态油耗模型进行了修正,提出了适用于改建公路的用户油耗修正模型,并进行了改建公路的案例应用分析。结果表明:平整度对于改建公路用户油耗效益具有显著的敏感性;建立的基准状态平整度与用户油耗关系模型及基于摩擦系数、弯沉和车速的修正模型为解释车辆油耗与驾乘环境的理论关系提供了科学依据,对于支撑改建公路的用户效益评价具有重要意义。

关键词：汽车工程油耗模型参数修正平整度用户效益改建公路油耗采集

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基于油耗模型的着陆阶段参数优化分析方法

科学技术与工程 2012年第13期20卷 3239-3244页

作者：刘芳曹力王旭辉舒平肖靖南京航空航天大学民航学院南京210016 中国民航科学技术研究院北京100028 中国民用航空局空中交通管理局北京100020

由于飞机在着陆阶段的飞行环境复杂且飞行员操纵参数众多,对飞机的飞行安全提出了严峻考验。因此,以飞机着陆阶段的油耗模型为例,提出了参数优化分析方法,优化影响油耗的参数,从而简化飞行操作。结果表明,优化后,影响飞机着陆阶段燃油... 详细信息

由于飞机在着陆阶段的飞行环境复杂且飞行员操纵参数众多,对飞机的飞行安全提出了严峻考验。因此,以飞机着陆阶段的油耗模型为例,提出了参数优化分析方法,优化影响油耗的参数,从而简化飞行操作。结果表明,优化后,影响飞机着陆阶段燃油消耗的因素由十个减少为四个,并且油耗预测模型的预测精度基本不变,模型结构简洁,从而更好地保证了飞机飞行安全。

关键词： QAR 油耗模型相关度参数优化

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基于人工神经网络的船舶油耗模型

船舶工程 2016年第3期38卷 85-88页

作者：叶睿许劲松上海交通大学海洋工程国家重点实验室上海200030

针对船舶能效管理计划(SEEMP)的实施需求,寻求建立油耗模型的通用方法,为航行优化提供决策基础。以丹麦籍客滚轮MS Smyril号作为研究案例,对船舶实测运行数据进行分析和预处理,并采用人工神经网络构建船舶油耗和航速的黑箱模型。基于实... 详细信息

针对船舶能效管理计划(SEEMP)的实施需求,寻求建立油耗模型的通用方法,为航行优化提供决策基础。以丹麦籍客滚轮MS Smyril号作为研究案例,对船舶实测运行数据进行分析和预处理,并采用人工神经网络构建船舶油耗和航速的黑箱模型。基于实测数据与模型预测数据的对比,验证了所建立油耗模型的准确性和实用性,对于提高船舶能效运行指数(EEOI)具有重要意义。

关键词：船舶能效管理计划黑箱模型油耗模型人工神经网络

雅康高速公路路线运行安全仿真评价与油耗模型研究

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雅康高速公路路线运行安全仿真评价与油耗模型研究

作者：吕荣华西南交通大学

学位级别：硕士

路线设计有两大主要考量——安全性和经济性,雅康高速公路的由于其高海拔、低气温、气候多变和地形地貌复杂的特性,较平原和丘陵地带高速公路线形往往更为受限。为揭示雅康高速公路的路线运行特性及建立雅康高速公路综合油耗模型,本文... 详细信息

路线设计有两大主要考量——安全性和经济性,雅康高速公路的由于其高海拔、低气温、气候多变和地形地貌复杂的特性,较平原和丘陵地带高速公路线形往往更为受限。为揭示雅康高速公路的路线运行特性及建立雅康高速公路综合油耗模型,本文通过动力学软件仿真,模拟不同天气、工况、车辆在雅康高速的全线和特殊路段行驶特性,提出用运行速度、横向加速度和轨迹横向偏移值评价雅康高速公路路线运行安全性,通过现场实测运行速度,同软件仿真结果及运行速度计算结果进行对比验证;此外通过加装了油耗仪的小客车测得在雅康高速上行驶时不同纵坡、速度下的油耗,并建立起适用于雅康高速公路的综合油耗模型,为雅康高速公路的路线设计和用户成本计算提供了工程依据和参考。通过对全线的运行安全仿真和现场实测,雅康高速路线设计符合设计速度80km/h的要求,运行速度可以达到100km/h以上,但出于安全性和舒适性的考量,建议行驶速度控制在100km/h以内,隧道路段限速控制在80km/h以下。冰雪条件下,建议行驶速度控制在80km/h以内。高原高速公路应严格控制3%及以上纵坡,坡长不宜设置过长。基于不低于设计速度(80km/h)20km/h来说,当纵坡为3%时,坡长不宜超过700m;当纵坡为4%时,坡长不宜超过500m;当纵坡为5%时,坡长不宜超过300m,不满足时,应当考虑设置爬坡车道。通过对雅康高速油耗的模型研究发现,油耗与车速呈二次关系,与纵坡成正比,1.6L小排量轿车最佳经济速度约为90km/h,雅康高速设计时速为80km/h,具有良好燃油经济性,此时百公里油耗(1.6L小排量自吸小汽车)约为6L/100km。建立了适用于雅康高速公路的小客车综合油耗模型。

关键词：雅康高速公路软件仿真路线安全性油耗模型运行速度计算

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基于主机油耗模型的船体阻力变化研究

基于主机油耗模型的船体阻力变化研究

作者：路通大连海事大学

学位级别：硕士

目前,有关船舶的排放要求日趋严格,在航运经济持续低迷的背景下,船舶的排放和成本控制策略尤为重要。主机油耗是船舶总油耗的主要成分,同时船体污损带来的额外阻力也是影响总油耗的重要因素,两者对控制策略研究有着重大影响。文中根据... 详细信息

目前,有关船舶的排放要求日趋严格,在航运经济持续低迷的背景下,船舶的排放和成本控制策略尤为重要。主机油耗是船舶总油耗的主要成分,同时船体污损带来的额外阻力也是影响总油耗的重要因素,两者对控制策略研究有着重大影响。文中根据船舶历史航行数据,利用粒子群算法提高油耗模型的准确性,并基于Wiener过程建立船体污损退化模型,为坞修时间的设定提供一定参考。首先,对航行中的船舶进行受力分析,定义摩擦增量系数,代表摩擦补贴系数、船体粗糙度和污损对船舶的影响,结合船舶主推进装置的功率传递方式,建立主机油耗模型的一般表达式;查阅相关资料,确定表达式中各参数数值,设定无法测量或多类经验公式计算结果相差较大的参数为待识别参数。其次,对历史航行数据进行异常值和移动平均处理,以摩擦增量系数、附体系数、伴流和推力减额分数四个待识别参数为粒子群算法中的变量,主机油耗的计算值与实际值的平均相对误差为目标函数,迭代优化识别得出最优识别值分别为:1.085×10-4,2.959×10-2,3.928×10-1,5.405×10-1。油耗模型检验计算的相对误差在8%以内。最后,将总数据按照不同时距分段,通过基于Wiener过程的退化模型研究摩擦增量系数的退化规律。结果显示,30日时距的分段方案效果最优,误差分析中平均相对误差为7.11%;同时,为使退化模型更为直观,根据船舶历史航行规律,将摩擦增量系数转换为预估功率增量形式,得出以功率增量作为输入的船体剩余寿命概率密度分布函数,为周期性船舶维护的计划制定提供了一定参考。

关键词：粒子群智能算法油耗模型 Wiener过程剩余寿命