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面向能效优化的内河航道智能划分方法

张瀚宇 尹奇志 王春英 钱巍文 张露 秦乐天

张瀚宇, 尹奇志, 王春英, 钱巍文, 张露, 秦乐天. 面向能效优化的内河航道智能划分方法[J]. 交通信息与安全, 2025, 43(1): 97-106. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2025.01.009
引用本文: 张瀚宇, 尹奇志, 王春英, 钱巍文, 张露, 秦乐天. 面向能效优化的内河航道智能划分方法[J]. 交通信息与安全, 2025, 43(1): 97-106. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2025.01.009
ZHANG Hanyu, YIN Qinzhi, JIN Liangzhen, QIAN Weiwen, ZHANG Wenqiang, QIN Letian. Intelligent Segmentation Method of Inland Waterway for Energy Efficiency Optimization[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2025, 43(1): 97-106. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2025.01.009
Citation: ZHANG Hanyu, YIN Qinzhi, JIN Liangzhen, QIAN Weiwen, ZHANG Wenqiang, QIN Letian. Intelligent Segmentation Method of Inland Waterway for Energy Efficiency Optimization[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2025, 43(1): 97-106. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2025.01.009

面向能效优化的内河航道智能划分方法

doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2025.01.009
基金项目: 

国家重点研发计划项目 2022YFB4300803

工信部高技术船舶科研项目 MC-202002-C03

潍柴动力股份有限公司技术项目 WCDL-GH-2021-0050

详细信息
    作者简介:

    张瀚宇(1998—),硕士研究生. 研究方向:船舶能效建模与优化. E-mail: hyzhang@whut.edu.cn

    通讯作者:

    尹奇志(1976—),博士,副教授. 研究方向:船舶能效提升技术. E-mail: qzyin@whut.edu.cn

  • 中图分类号: U676.3

Intelligent Segmentation Method of Inland Waterway for Energy Efficiency Optimization

  • 摘要: 内河航道航段的自动科学划分对提升船舶能效模型的精度具有重要意义。针对船舶能效优化过程中,根据航段划分结果构建的各航段油耗预测模型和航速预测模型精度不高等问题,研究了1种基于能效优化的内河航道智能划分方法。该方法通过归一化处理以及构建通航环境参数与船舶能效的相关性系数将通航环境参数对船舶能效的影响程度纳入到通航环境数据聚类中,运用K-means聚类算法将整条航线划分为多段;运用随机森林(random forest,RF)算法建立各航段的船舶油耗预测模型和船舶航速预测模型;通过优化聚类数量实现船舶能效模型综合平均绝对百分比误差(mean absolute percentage error,MAPE)最低。以1艘内河散货船为研究对象,对该方法进行实例应用和验证,并分析了数据量对船舶能效模型综合精度的影响。研究结果表明:通过优化聚类数量可以实现船舶能效模型综合精度的提升,采用该方法构建第1航次的油耗预测模型和航速预测模型,实现船舶能效模型综合MAPE由3.53%降低至3.32%;增加构建船舶能效模型的能效相关数据的数据量有利于船舶能效模型综合精度的提升,当对象船舶用于建模的能效数据由1个航次增加到5个航次时,船舶能效模型综合MAPE由3.32%降低至1.65%;不同建模数据的最佳聚类数量不同,通过取多航次的综合最佳聚类数可实现航道的优化划分;所提出航道划分方法得到的能效模型综合MAPE比常用航道划分方法得到的能效模型综合MAPE降低了0.54%,验证了所提出的航道划分方法对提升船舶能效预测模型精度的有效性。

     

  • 图  1  基于能效优化的内河航道智能划分方法具体流程图

    Figure  1.  Specific flowchart of intelligent division method of inland waterways based on energy efficiency optimization

    图  2  对象船舶能效采集系统

    Figure  2.  Energy efficiency acquisition system of the target ship

    图  3  各航次不同聚类数量的MAPE对比

    Figure  3.  Comparison of MAPE with different number of clusters in the differemt cruise

    图  4  第1航次n=4的航段划分结果示意图

    Figure  4.  Schematic diagram of segment division result for the first cruise with n=4

    图  5  第1航次的各航段能效模型MAPE示意图

    Figure  5.  Schematic diagram of the energy efficiency model MAPE for each segment of the first cruise

    图  6  不同数据量的MAPE对比

    Figure  6.  Comparison of MAPE with different data volumes

    图  7  不同聚类数量的平均MAPE对比

    Figure  7.  Comparison of average MAPE with different number of clusters

    图  8  第1~5航次n=10的航段划分结果示意图

    Figure  8.  Schematic diagram of the results of the segment division of cruises 1 to 5 with n=10

    表  1  对象船舶主要参数

    Table  1.   Main parameters of the target ship

    参数 数值
    船长/m 99.8
    型宽/m 16.2
    型深/m 5.8
    主机功率/kw 2×850
    吃水/m 4.9
    排水量/t 6 949.4
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    表  2  通航环境与能效之间的相关系数

    Table  2.   Correlation coefficients between navigational environment and energy efficiency

    能效参数 通航环境
    风速 风向 水深 水流速度
    油耗 0.023 0.034 -0.346 -0.275
    航速 0.33 -0.271 0.029 0.741
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    表  3  预处理后的部分通航环境数据

    Table  3.   Partial avigational environment data after preprocessing

    风速 风向 水深 水流速度
    0.062 5 -0.032 1 -0.014 1 0.146 5
    0.059 8 -0.039 6 -0.014 8 0.147 6
    0.055 6 -0.105 3 -0.013 9 0.146 9
    0.040 3 -0.105 3 -0.086 4 0.127 1
    0.043 1 -0.037 3 -0.085 5 0.135 3
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    表  4  RF算法的超参数设置

    Table  4.   Hyperparameter settings for RF algorithm

    模型 超参数类型 不同航次参数值
    第1航次 第1~2航次 第1~3航次 第1~4航次 第1~5航次
    油耗预测模型 n_estimators 104 92 94 118 180
    max_depth 22 24 25 26 25
    min_samples_leaf 2 4 2 3 4
    min_samples_split 2 6 14 14 6
    max_leaf_nodes 3 382 3 979 3 743 3 752 3 990
    航速预测模型 n_estimators 104 110 113 116 175
    max_depth 19 23 23 26 26
    min_samples_leaf 1 3 3 3 3
    min_samples_split 12 3 14 5 15
    max_leaf_nodes 3 758 3 990 3 972 3 944 3 995
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    表  5  划分方法对能效模型精度的影响

    Table  5.   The impact of segment division methods on the accuracy of energy efficiency models

    划分方法 最佳聚类数量n 油耗预测模型MAPE/% 油耗预测模型MAPE/% 能效模型综合MAPE/%
    常用方法 5 2.14 2.23 2.19
    本文方法 10 1.58 1.72 1.65
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  • [1] YUAN J, NIAN V, HE J L, et al. Cost-effectiveness analysis of energy efficiency measures for maritime shipping using a metamodel based approach with different data sources[J]. Energy, 2019, 189(15): 116205。
    [2] 严新平, 刘佳仑, 范爱龙, 等. 智能船舶技术发展与趋势简述[J]. 船舶工程, 2020, 42(3): 15-20.

    YAN X P, LIU J L, FAN A L, et al. Introduction to the development and trends of intelligent ship technology[J]. Ship Engineering, 2020, 42(3): 15-20. (in Chinese)
    [3] FAN A L, YAN X P, RICHARD B, et al. A novel ship energy efficiency model considering random environmental parameters[J]. Journal of Marine Engineering & Technology, 2020, 19: 215-228.
    [4] 陈兴. 内河船舶不同营运阶段能效优化方法研究[D]. 武汉: 武汉理工大学, 2021.

    CHEN X. Study on energy efficiency optimization methods of inland ships in different operation stages[D]. Wuhan: Wuhan University of Technology, 2021. (in Chinese)
    [5] YAN X P, WANG K, YUAN Y P, et al. Energy-efficient shipping: an application of big data analysis for optimizing engine speed of inland ships considering multiple environmental factors[J]. Ocean Engineering, 2018, 169: 457-468. doi: 10.1016/j.oceaneng.2018.08.050
    [6] 袁裕鹏, 王康豫, 尹奇志, 等. 船舶航速优化综述[J]. 交通运输工程学报, 2020, 20(6): 18-34.

    YUAN Y P, WANG K Y, YIN Q Z, et al. Review on ship speed optimization[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2020, 20(6): 18-34. (in Chinese)
    [7] 霍得利. 船舶航速优化节能性研究[D]. 大连: 大连海事大学, 2017.

    HUO D L. Study on energy conservation of ship speed optimization[D]. Dalian: Dalian Maritime University, 2017. (in Chinese)
    [8] WANG K, YAN X P, YUAN Y P, et al. Study on route division for ship energy efficiency optimization based on big environment data[C]. 4th International Conference on Transportation Information and Safety, Banff, Canada: IEEE, 2017.
    [9] 黄连忠, 万晓跃, 孙永刚, 等. 基于模拟退火算法的船舶航速优化研究[J]. 船舶, 2018, 29(1): 8-17.

    HUANG L Z, WAN X Y, SUN Y G, et al. Research on ship speed optimization based on simulated annealing algorithm[J]. Ships, 2018, 29(1): 8-17. (in Chinese)
    [10] 王寰宇. 远洋船舶分段航速优化及其智能算法研究[D]. 大连: 大连海事大学, 2018.

    WANG H Y. Ocean ship segmentation speed optimization and intelligent algorithms[D]. Dalian: Dalian Maritime University, 2018. (in Chinese)
    [11] 袁智. 内河水域船舶运行数据分析与能效优化方法研究[D]. 武汉: 武汉理工大学, 2021.

    YUAN Z. Operational data analysis and energy efficiency optimization method for inland river ship[D]. Wuhan: Wuhan University of Technology, 2021. (in Chinese)
    [12] 陈雪梅. 基于数据挖掘的内河船舶航速优化研究[D]. 重庆: 重庆交通大学, 2022.

    CHEN X M. Research on speed optimization of inland ships based on data mining[D]. Chongqing: Chongqing Jiaotong University, 2022. (in Chinese)
    [13] 王壮, 王凯, 黄连忠, 等. 海况识别下的船舶航速动态优化方法[J]. 哈尔滨工程大学学报, 2022, 43(4): 488-494.

    WANG Z, WANG K, HUANG L Z, et al. Dynamic optimization method of ship speed based on sea condition recognition[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2022, 43 (4): 488-494. (in Chinese)
    [14] MA L, YANG P, GAO D J, et al. A multi-objective energy efficiency optimization method of ship under different sea conditions[J]. Ocean Engineering, 2023, 290: 116337.
    [15] 陈佳良, 胡钊政, 李飞. 基于时空特征序列匹配的交通流状态估计方法[J]. 交通信息与安全, 2021, 39(3): 68-76, 120. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2021.03.009

    CHEN J L, HU Z Z, LI F. An estimation method of traffic flow state based on matching of temporal-spatial feature sequences[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2021, 39(3): 68-76, 120. (in Chinese) doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2021.03.009
    [16] 宋嘎, 王娜娜. 坐底式深水网箱振动实测信号分析处理方法[J]. 船海工程, 2020, 49(3): 117-120.

    SONG G, WANG N N. Analysis and processing method of vibration measured signal of bottom-deep-water cage[J]. Ship&Ocean Engineering, 2020, 49(3): 117-120. (in Chinese)
    [17] 王康力. 面向航速与纵倾优化的船舶油耗模型建模方法研究[D]. 天津: 天津理工大学, 2024.

    WANG K L. Research on ship fuel consumption modelling approaches for speed and trim optimization[D]. Tianjin: Tianjin University of Technology, 2024. (in Chinese)
    [18] 朱晓晨, 尹奇志, 赵福芹, 等. 基于LightGBM的船舶航速预测模型[J]. 大连海事大学学报, 2023, 49(1): 56-65.

    ZHU X C, YIN Q Z, ZHAO F Q, et al. Ship speed prediction model based on LightGBM[J]. Journal of Dalian Maritime University, 2023, 49(1): 56-65. (in Chinese)
    [19] 周田瑞. 基于监测数据的船舶能耗建模及航速优化研究[D]. 上海: 上海海事大学, 2023.

    ZHOU T R. Research on fuel consumption modeling and speed optimization based on real ship monitoring data[D]. Shanghai: Shanghai Maritime University, 2023. (in Chinese)
    [20] 赵世博. 内河船舶能效监测、分析与评估方法研究[D]. 武汉: 武汉理工大学, 2022.

    ZHAO S B. Study on energy efficiency monitoring, analysis and assessment methods of inland ships[D]. Wuhan: Wuhan University of Technology, 2022. (in Chinese)
    [21] 陈帅, 蒋彩霞, 王子渊, 等. 基于AutoML的低频波浪载荷智能预报方法[J]. 船舶工程, 2023, 45(7): 124-131, 142.

    CHEN S, JIANG C X, WANG Z Y. Intelligent prediction method of low frequency wave load based on AutoML[J]. Ship Engineering, 2023, 45(7): 124-131, 142. (in Chinese)
    [22] 王静. 基于GPS数据的货运车辆出行特性研究[D]. 北京: 北京交通大学, 2022.

    WANG J. Research on travel characteristics of freight vehicles based on GPS data[D]. Beijing: Beijing Jiaotong University, 2022. (in Chinese)
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  • 收稿日期:  2024-05-13
  • 网络出版日期:  2025-06-27

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