远程控制船舶内河航行风险评价研究

针对远程控制船舶内河航行风险定量评价问题,提出了一种不确定性建模与船模航行试验相结合的风险评价框架,分为模型构建、量化和验证3个部分。在模型构建方面,模型节点来自内河环境、通信、岸端、船端和风险5个方面辨识的船舶远程控制航行风险因素,根据专家经验和航行试验对初始模型结构进行迭代修正,形成了远程控制船舶内河航行风险评价的贝叶斯网络模型;在模型量化方面,为量化父子节点之间线性或非线性关系提出了条件概率计算方法,在内河连续桥区开展船模航行试验,获取了部分根节点的先验概率、航行事故或险情,以及试验人员对航行风险的评价等数据;在模型验证方面,从情景分析、敏感性分析、对比分析3个角度对模型进行了验证。结果表明:在统计的40起航行试验案例中,触碰/碰撞事故占比最高,试验发现了新的失效模式,即控制冲突、程序错误、信号丢失等;构建的贝叶斯网络模型能够有效评价不同情景下航行风险水平,并辨识了与远程控制船舶内河航行风险相关的重要节点。研究结果可以为实现内河船舶远程控制作业模式提供理论依据,也为内河远程控制船舶航行安全提供研究思路。

基于自适应步长快速搜索随机树算法的船舶避碰路径规划

快速搜索随机树算法被广泛应用于船舶避碰路径规划。针对传统快速搜索随机树算法在复杂水域条件下搜索效率低的问题,提出了基于自适应步长快速搜索随机树算法的船舶避碰路径规划模型。首先,引入船舶领域模型,并基于《国际海上避碰规则》为让路船设置虚拟障碍。其次,引入时间序列并建立动态障碍检测机制。采用启发式采样策略,减少无效节点的生成。最后,建立障碍物密集度与搜索步长的映射关系,以上一步采样步长作为已知条件预测当前步采样步长,并利用采样点周围障碍物密集程度修正当前最优的采样步长。仿真试验结果表明,相较于传统的快速搜索随机树算法,采用自适应步长快速搜索随机树算法的船舶避碰路径规划模型在采样成功率、搜索路径耗时、路径段数和路径总长度等四个方面均表现最优,在提高算法效率的同时能够实现更高质量的路径规划。

基于虚拟仿真测试平台的船舶智能航行系统设计及应用

智能航行是智能船舶的核心功能,其关键技术包括对通航环境及船舶自身状态的感知、对全局航线和局部避碰路径规划的决策以及控制船舶自主航行的运动控制算法等。基于“航行脑”系统的设计思想,面向货运船舶开发了由感知、决策、控制、执行、反馈组成的模块化船舶智能航行系统。对船舶智能航行系统的功能需求进行分析,设计了智能航行系统框架;面向苏伊士运河航行场景开发了货运船舶智能航行功能;通过虚拟仿真的方式对智能航行系统功能进行验证,得到了较好的效果。最后对智能航行系统开发与测试过程中出现的问题进行总结,可为货运船舶智能航行系统的开发工作提供参考。

燃料电池船舶舱内氢气泄漏爆炸的数值模拟研究

以燃料电池客船“Water-Go-Round”号为对象,利用FLUENT软件模拟燃料电池客船舱内管道发生氢气泄漏并引发爆炸的情况,研究不同舱室氢气点火爆炸事故的影响规律。结果表明:可燃氢气云被点燃后,爆炸超压波自点火位置向四周迅速传播,点火位置对超压波的分布影响较大;控制舱爆炸时,超压强度最大,对船体超压危害最大;乘客舱爆炸强度最小,但超压中心分布在乘客舱,超压对乘客造成的危害最大;船舶舱室燃烧火焰温度主要由可燃氢气云的分布决定,燃料电池舱的火焰衰减趋势基本相同;乘客舱受到的高温危害较低,船艏舱无燃烧火焰的高温危害。

船舶碳捕集、利用与封存技术综述

追踪了国内外围绕船舶碳捕集、利用与封存(CCUS)技术开展的研究,梳理了重点内容和主要研究成果;从CCUS不同技术路径的优缺点出发,分析了目前CCUS技术在船舶上的应用可行性;针对发展迅猛的液化天然气船舶,提出了开展CCUS的技术路线;总结了目前船舶CCUS技术存在的问题,针对性地提出了建议,并探讨了船舶CCUS关键技术的发展方向。研究结果表明:船舶CCUS技术可以在短期内显著减排,且适用于营运和新造在内的绝大多数含碳燃料船舶;国外正在积极部署船舶CCUS技术实船验证研究,但国内的研究多处于概念设计与仿真研究阶段;由于改造简单,技术成熟度高且成本低,燃烧后捕集法中的化学吸收法目前最适用于船舶碳捕集,但要解决能耗高和系统尺寸大等问题,需加快探索性能更优良的先进化学溶剂及更具革命性的捕集方法;液态存储是目前最成熟的存储方式,但还需要提升其安全性与经济性;亟需加快构建以大型CO_(2)运输船为主的储运方式,推进港口与海洋平台CO_(2)转驳、接收的基础设施建设;CO_(2)在海洋油气田驱油驱气、淡化海水及能源催化重整等领域应用前景广阔,但船舶CO_(2)利用技术亟待规模化、产业化和相关产业技术协同发展;将液态CO_(2)或干冰进行海洋封存是未来的发展趋势,但亟需完善相关标准和法律法规,推动封存配套装备和技术开发;需要探索出一整套标准化、系统化的碳排放管理模式,推动CCUS技术配套发展,构建完整、绿色、经济、高效的船舶CCUS产业链。

基于克里金法的极地海冰密集度空间插值方法

针对海冰密集度再分析产品低分辨率问题,使用普通克里金和改进协同克里金法获取更高分辨率数据。分别选取高斯模型和球形模型对海冰密集度进行空间精细化插值,并对北极可通航水域的插值结果进行精度检验分析。结果表明:变异函数、协变量和目标插值精度对普通克里金和协同克里金插值性能均有影响,并且球形模型在极端数据条件下仍然具有较高的插值精度。克里金法可针对不同实际需求使用不同模型用于极地海冰密集度插值预测,可为极地船舶提供更高分辨率的海冰密集度数据,服务极地船舶安全航行。

动态海冰状态下极地船舶改进D^(*)Lite路径规划方法

为解决船舶在极地海域下的动态路径规划问题,提出一种结合极地运行限制风险评估系统(POLARIS)的改进D^(*)Lite动态路径规划算法。首先,引入POLARIS风险模型,通过分析栅格化的海冰密集度和海冰厚度数据,结合船舶类型,建立极地通航风险模型,构建具有通航风险指数的栅格环境地图,并对D^(*)Lite算法的代价函数进行重新构建;其次,通过扩展搜索邻域,使船舶转弯角度不局限于π/2或π/4的整数倍,提高路径平滑,缩短路径长度;最后,通过引入因安全系数膨胀不可通航区域附近栅格的通航指数,提高预规划和重规划航线远离固定障碍物概率。仿真实验表明,改进后的D^(*)Lite算法较传统算法不仅减少了15.49%~40.30%的海冰风险,而且减少了2.99%~5.32%的路径长度和45.95%~60.98%的路径拐点数。

燃料电池船舶舱内氢气泄漏扩散的数值模拟

利用FLUENT软件研究了不同条件下氢气在燃料电池船舶舱内的泄漏扩散规律和分布情况;基于瞬态气体泄漏扩散模型,运用数值模拟方法,建立了船舶舱内氢气泄漏扩散的数值模型,结合影响氢气泄漏扩散的不同因素,对比分析了泄漏位置、泄漏孔径和通风条件等因素对船舶舱内氢气泄漏扩散的影响,得到了不同条件下氢气在船舶舱内的扩散规律和分布情况。分析结果表明:船舶舱内氢气泄漏扩散过程包括初始喷射、浮力上升和湍流扩散;燃料电池舱的顶部角落和每排燃料电池发电系统之间的上部是氢气探测报警器的最佳安装位置,不同泄漏条件下氢气均在舱室顶部出现较多积聚;不同位置和不同孔径泄漏孔的危险性在泄漏初期存在差异,但随着泄漏的持续进行,风险演变规律相近,约60 s后泄漏点附近氢气浓度均接近100%;在燃料电池舱设置防爆型排风机,采用强制抽风措施加快氢气的外排,可以显著减少氢气向其他舱室的扩散,当抽风速度为1 m·s^(-1)时,氢气从燃料电池舱室排放到船舶舷外区域,没有氢气进入控制舱和乘客舱,可有效保障控制舱和乘客舱的安全;强制送风会加速氢气向船艉舱、控制舱和乘客舱的扩散,增大氢气的扩散范围,加剧了氢气泄漏的危险性。

北极船舶事故应急响应研究综述与展望

从法律制度与规范、应急搜救中心建设、应急装备与技术、应急响应策略、多边协同合作等五个方面对北极船舶事故应急响应研究现状进行综述。研究发现,当前北极地区主要存在应急资源分布不均匀,环北极国家及组织缺乏跨区域合作等问题。在此基础上,对北极地区船舶事故应急响应体系的未来发展进行展望。该研究有利于发现当前北极应急体系中存在的问题和不足,对提升北极船舶事故应急响应能力具有重要指导意义。