[发明专利]一种基于最佳航速的自主航行系统及其航行方法

权利要求书

1.一种基于最佳航速的自主航行系统的航行方法，基于最佳航速的自主航行系统包含航行控制工作站、船载服务器、数据采集单元、驾驶航行系统、机舱监测报警系统和信号输入输出组合单元，数据采集单元与驾驶航行系统和机舱监测报警系统连接用于采集驾驶航行系统和机舱监测报警系统的数据，船载服务器通过局域网与数据采集单元连接，航行控制工作站与船载服务器连接，信号输入输出组合单元与船载服务器连接；还包含主机遥控系统和主机控制系统，主机遥控系统与信号输入输出组合单元连接，主机控制系统与主机遥控系统连接；所述船载服务器内安装有航速软件系统；所述驾驶航行系统包含全球卫星定位系统GPS、航速记录仪、风速风向仪、舵角记录仪、测深仪、电子海图和船载航行数据记录仪；所述机舱监测报警系统包含转速测速装置、马力计、燃油质量流量计和吃水计；

其特征在于包含以下步骤：

步骤一：在航速软件系统中输入预定的航行线路、船舶的首尾吃水、燃油价格、出港及到港的预定时间；

步骤二：航速软件系统通过网络接收风、浪涌、潮流、气象及海况信息；

步骤三：航速软件系统将预定的航线分成多条航段，在每一航段上根据风、浪涌、潮流气象及海况信息计算出最佳航速和相应的最佳转速数据；

所述步骤三具体为

将起点到终点的航线分为M个航段，依据考虑风浪海况因素数据相近的水域为同一航段的原则进行航段划分，每个航段的海流速度由该航段内的海流速度加权平均得到，得到每段的里程和海流速度,目标是系统能提供给船员在每一段的转速，而船舶航速、单位时间油耗与主机转速存在函数关系，所以优化结果以主机转速形式给出，作为数学函数的因变量；

各段航行的油耗为:

其中将航线分为M段，将每个航段的距离、海流速度可表示为:分段距离Distance(i)，对应海流速度Flow_V(i)，其中i＝1～M；静水航速Speed_Sw与主机转速n(i)的函数关系为:Speed_Sw＝F(n(i))；单位时间油耗fuel_cons与主机转速n(i)的关系为:fuel_cons＝K(n(i))；船舶对地航速为船舶在风浪中的航速与海流速度之和，船舶风浪中的航速为静水中的航速减去风浪中的速度损失量即：Speed_Sw-ΔV±Flow_V(i),ΔV为船舶在风浪中的速度损失；

总油耗Total_FC:

其中约束条件为:

n_minn(i)n_max

V_minSpeed_Sw-ΔV±Flow_V(i)V_max

其中各分段距离Distance(i)软件根据划分的航段计算得到，各段海流速度Flow_V(i)会在计划航行开始前，根据海流预报结果，在软件内以数据表的形式输入；主机转速与单位时间油耗关系K(n(i))、主机转速与静水航速关系F(n(i))通过实船试验来取得；主机转速在最小转速和最大转速范围之间，对地航速在最小航速和最大航速范围之间；目标函数与约束条件都转化为以主机转速为因变量，因此需要求出一组符合条件的主机转速；

最优主机转速的数学模型可以简化成如下形式：

min f(x_i)

s.t.C(x_i)≤0

lb≤x_i≤ub

最优主机转速的数学模型，从目标函数、约束条件形式，属于有约束非线性规划问题；选用解决中等规模medium-scale问题的序列二次规划法SQP来处理数学模型；

构建基于拉格朗日函数二次近似的二次规划子问题，即

采用任意二次规划算法求解，求得的解用来形成新的迭代公式；

步骤四：信号输入输出组合单元将最佳转速网络信号转换成相对应的电流信号，电流信号输入到主机遥控系统内；

步骤五：主机遥控系统将转速对应的电流信号传递给主机控制系统，然后通过调节主机的供油量，控制主机按照最佳转速运行；

步骤六：测速装置检测主轴转速，将实际转速反馈给船载服务器，同时在航行控制工作站显示计算出的实际转速与最佳转速之间的偏差，出现偏差时继续发送最佳转速对应的电流信号给主机遥控系统，并传输到主机控制系统中，按照转速偏差调节主机的供油量，使主机转速保持在设定的最佳转速。