一种船舶多层级动态航速调优系统及其方法与流程

本发明属于船舶运营优化、航行控制与船舶能效管理，具体涉及一种面向远洋船舶，用于协同优化航速、燃油消耗、航程进度与到港时间的多层级动态航速调优系统及其方法。

背景技术：

1、现有船舶航速优化方案大多采用单层求解或全航次一次性求解方式，即在开航前基于预测海况、船舶经验曲线或油耗模型，对全程航速给出恒速或粗分段建议。该类方案虽可在一定程度上降低燃油消耗，但在动态海况、合同到港时间（eta）约束及执行扰动共同作用下，仍存在以下技术缺陷：

2、（1）静态求解结果失效快：功率与对水航速（stw）近似存在的非线性关系。以预报均值作为输入进行寻优，在执行阶段会因詹森（jensen）不等式产生约1%~3%的系统性偏差。

3、（2）决策变量物理不一致：现有技术常混用对地航速（sog）作为决策变量。然而，真正决定船舶油耗与主机安全的是对水航速（stw），sog受洋流扰动影响显著。二者混用会导致优化结果在洋流区域产生明显偏差。

4、（3）无法吸收短时扰动：现有方案无法在小时级粒度内有效吸收风、浪、流的快速短时变化，导致大量小时级的节能潜力被浪费。

5、（4）缺乏统一架构与闭环机制：综合成本最小化、eta约束满足、航段执行稳定性与实时监测反馈等功能，通常分散于不同模块甚至不同系统中，缺少统一的层级组织关系与闭环调优机制，导致算法结果难以稳定、可靠地落地应用。

技术实现思路

1、针对上述现有技术的不足，本发明提出一种船舶多层级动态航速调优系统及其方法。本发明的目的并非在于单独改进某一种优化算法，而在于建立一套面向船舶航速调优场景的分层动态技术架构。

2、该架构通过四层职责解耦：

3、（1）空间规划与时间寻优的解耦；

4、（2）宏观经济寻优与微观物理执行的解耦；

5、（3）在合同eta约束下，综合成本最小与纯燃油消耗最小两种目标的自动切换；

6、（4）以小时级滚动窗为粒度的动态调优；

7、（5）横向偏离监督、eta进度监督与再调度触发的统一闭环。

8、本发明所提供的系统采用“空间规划—宏观策略—微观执行—监督闭环”的四层顺序耦合架构，各层具有不同的状态变量、控制变量和输出结果，且后一层以前一层的输出作为输入。

9、1. layer 0 - 空间规划层：

10、该层仅承担空间几何规划，不引入时间与成本变量。其由起止港坐标基于以下公式生成航路点（waypoint）与航段（leg）序列。

11、haversine大圆距离公式：

12、；

13、；

14、；

15、其中分别为起点的纬度和经度（单位：弧度）；分别为终点的纬度和经度（单位：弧度）；，；

r为地球半径，取3440.065海里；

d为大圆距离（单位：海里）。

16、起点初始方位角公式：；

17、其中为从起点到终点的初始大圆方位角（单位：弧度），为四象限反正切函数。

18、球面三角插值公式（用于生成中间航路点）：

19、；

20、；

21、；

22、；

23、，；

24、其中为插值参数，为生成的中间航路点坐标（单位：弧度）。

25、2. layer 1 - 宏观经济策略层：

26、该层负责在航段尺度上生成宏观目标航速或目标进度。该层不直接处理小时级扰动，而是根据商业约束、燃油成本和eta条件，形成供执行层跟踪的宏观目标，并具备双模自动切换功能。

27、mode a（综合成本最小）：以每海里综合成本最小为目标函数。

28、；

29、其中

v为对地航速（sog），单位：节；为燃油单价，单位：美元/吨；为日油耗（吨/天），为在对地航速

v和环境条件

w下的主机功率（单位：千瓦），sfoc为主机比油耗（单位：克/千瓦时）；

f为期租日金，单位：美元/天；=cargovalue·r / 365为货物资金占用日费率（单位：美元/吨/天），cargovalue 为货物cif价值（单位：美元/吨），r为货款年化资金成本率（单位：%/年）；为仓储费率（单位：美元/吨/天）；为在途货量（单位：吨），为在港货量（单位：吨）。

30、求解时，先采用粗扫步长=0.25节生成速度网格：

31、；

32、找到使最小的初值，再用黄金分割法精确求解。黄金分割比例，通过不断缩小区间直至节，取为最优对地航速。

33、mode b（纯燃油最小，自动切换）：当mode a求得的预计到港时间final eta晚于合同约定时间时，系统自动切换至此模式。该模式以总油耗最小为目标，以eta为硬约束：；

34、引入拉格朗日乘子≥0，构造拉格朗日函数：；

35、根据karush-kuhn-tucker（kkt）一阶最优性条件，。对于给定的，各航段的最优航速可通过以下方式求得：将船舶油耗模型和航行时间模型代入，得到：；

36、整理得：；

37、其中表示第

i个航段以恒定对地航速航行时的燃油消耗量（单位：吨），其表达式为：；

38、式中为航段距离（海里），为对地航速（节），为在航段平均环境条件下主机功率（千瓦），sfoc为主机比油耗（克/千瓦时）。由于可通过功率代理接口和油耗模型计算，上式左侧可离散求解。具体地，对于每个航段，在速度区间内采用二分法或黄金分割法找到满足上述等式的，其中偏导数采用数值差分法近似计算：；

39、其中为一小量，例如取0.01节。该数值差分可在每次迭代中快速计算，从而高效求解各航段的最优航速。

40、若所有航段均求解完毕，则计算总时间。然后，通过对进行二分搜索，直至，最终得到满足eta约束的最优航速序列。

41、需要说明的是，layer 1在求解分段目标对地航速时，采用航段内的平均洋流分量进行时间计算，即假设洋流在航段内恒定。实际航行中洋流的空间变化会导致对水航速stw与目标对地航速之间的动态偏差，该偏差将由 layer 2 的滚动动态规划以及跨窗误差结转机制进行逐窗修正。因此，layer 1 的宏观目标仅提供经济最优的进度参考，不要求精确跟踪。

42、3. layer 2 - 微观滚动调优层：

43、该层在layer 1给出的分段目标对地航速基础上，采用3小时的滚动窗口，根据实时环境数据进行局部修正，输出小时级的对水航速（stw）指令。

44、动作与状态变量分离：明确区分动作变量和状态更新变量。动作变量为对水航速（stw），决定油耗；状态更新变量为对地航速（sog），用于累计里程。

45、；

46、其中为洋流在航线方向上的轴向分量（单位：节），顺流为正。

47、bellman转移方程：在滚动窗内，以离散stw网格为动作空间，以离散化的累计里程为状态变量，通过动态规划进行最优决策。

48、；

49、；

50、，

51、其中表示在第

t小时累计里程为时的最小累计油耗（单位：吨）；为时间步长，取1小时；为第

t小时对应的气象网格数据（包含风、浪、流等信息）；为里程离散化步长，取0.1海里。

52、终态容差搜索与跨窗误差结转：

53、终态容差搜索：由于里程离散化，精确命中目标里程的概率极低，故采用容差搜索选择最优终态。

54、；

55、；

56、其中为当前窗口应完成的目标里程（单位：海里），为容差，默认取0.2海里。

57、跨窗误差结转：将当前窗口末的实际里程与目标里程的残差结转到下一个窗口，以实现长航次运行的稳定收敛。

58、；

59、为防止误差累积发散，对该残差进行截断处理：；

60、其中为滚动窗时长，取3小时；为最大允许航速（单位：节）；为容差的三倍，代表允许的里程误差上限（默认0.6海里）；为基于最大航速在0.1倍窗长内可行驶的距离，作为误差结转的绝对上限（默认0.1×3×19=5.7海里）。取两者中的较小值作为截断边界，既能抑制单窗残差过大的异常情况，又避免误差在多窗间无限累积。其中，系数0.1的选取基于以下工程经验：在单个滚动窗（3小时）内，航速相对于目标值的短期扰动通常不会导致里程偏差超过0.1倍窗长乘以最大航速，该值远大于容差三倍（0.6海里），作为绝对上限可防止极端异常值导致的残差失控；而作为日常残差的软边界，允许动态规划（dp）离散化引起的微小误差在多个窗口间平滑结转。

61、4. s4 - 监督闭环层：

62、该层独立于上述三层，持续判断当前执行结果是否仍处于允许的技术范围内，并在必要时触发重新计算。

63、横向偏离（xte）监测：基于实时船位和计划航线计算横向偏离。

64、；

65、；

66、；

67、其中为当前航段起点坐标，为实时船位坐标，为计划航段的方位角，为船位到航段起点的方位角，为船位到航段起点的距离（单位：海里），

r为地球半径（海里）。

68、动态阈值与触发机制：引入动态阈值，允许较长航段有更大的容忍度。

69、；

70、其中为基础阈值，默认2.0海里；

scale为比例系数，默认0.05；为当前航段的长度（单位：海里）。当连续

n次（默认

n=3）超出该阈值时，系统挂起layer 2，并触发layer 1以当前船位为起点、剩余eta为约束，重新执行宏观策略求解。

71、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

72、（1）通过多层级动态航速调优架构，将几何航线生成、经济目标分配、执行层动态修正与监督闭环反馈纳入统一技术方案，克服了传统方案难以同时兼顾规划精度、执行稳定性和实时调优能力的问题。

73、（2）通过layer 1与layer 2的分层解耦，使宏观商业目标与微观物理执行在不同时间尺度上处理，避免了模型复杂度膨胀。

74、（3）通过引入的变量关系，实现了动作变量与状态更新变量的严格区分，使燃油决策建立在对水航速基础上，提高了调优过程的物理一致性与可解释性。

75、（4）通过滚动窗bellman转移、终态容差搜索和跨窗误差结转机制，使系统能够连续吸收短时环境扰动，避免了静态优化中因jensen不等式产生的系统性偏差，保证了长航次动态调优的稳定性和收敛性。

76、（5）通过独立的监督闭环层对xte、进度偏差进行统一监测，使本发明由“离线优化工具”提升为“可在线执行的技术系统”。

77、（6）各层职责明确、接口清晰，易于在船端工控机或能效管理系统中部署，具备良好的工程实现性与扩展性。

78、本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，或者通过实施本发明而了解。