內(nèi)河船舶能效評(píng)估軟件開發(fā)范文

本站小編為你精心準(zhǔn)備了內(nèi)河船舶能效評(píng)估軟件開發(fā)參考范文，愿這些范文能點(diǎn)燃您思維的火花，激發(fā)您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

［摘要］

隨著船舶行業(yè)的不斷發(fā)展和能效指數(shù)概念的推行，迫切需要研發(fā)一種計(jì)算軟件來快速評(píng)估船舶能效。文中采用修正的艾亞法進(jìn)行船舶有效功率估算、基于圖譜法進(jìn)行螺旋槳的設(shè)計(jì)及推進(jìn)性能計(jì)算、進(jìn)行船舶航速預(yù)報(bào)及能效評(píng)估，并基于C++開發(fā)平臺(tái)，開發(fā)了內(nèi)河船舶航速預(yù)報(bào)及能效評(píng)估軟件。結(jié)果表明，該軟件使用方便、運(yùn)算快速，具有良好的實(shí)用性。

［關(guān)鍵詞］

內(nèi)河船舶；航速；能效；軟件

IMO在2011年7月召開的MEPC62會(huì)議上以MEPC.203（62）決議通過MARPOL附則VI修正案，引入船舶能效規(guī)定，使船舶的能效設(shè)計(jì)指數(shù)（EEDI）相關(guān)要求成為強(qiáng)制性，該修正案已于2013年1月1日生效實(shí)施［1-2］。對(duì)內(nèi)河船舶而言，2012年7月1日起生效的《內(nèi)河運(yùn)輸船舶標(biāo)準(zhǔn)船型指標(biāo)體系》對(duì)燃料消耗和CO2排放提出了強(qiáng)制性要求［3］。2014年12月24日公布的《內(nèi)河運(yùn)輸船舶標(biāo)準(zhǔn)化管理規(guī)定》對(duì)新船準(zhǔn)入提出了指標(biāo)體系強(qiáng)制性指標(biāo)要求［4］。此后的船舶初始設(shè)計(jì)階段，船舶能效評(píng)估是不可避免的一步［5］。與海船相比，內(nèi)河航運(yùn)附加值低、內(nèi)河船舶設(shè)計(jì)費(fèi)用少，在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行船模水池試驗(yàn)的船舶很少，在設(shè)計(jì)階段如何快速準(zhǔn)確地進(jìn)行航速預(yù)報(bào)是船舶能效評(píng)估的關(guān)鍵。本文采用修正的艾亞法進(jìn)行船舶阻力估算、基于圖譜法進(jìn)行螺旋槳的設(shè)計(jì)及推進(jìn)性能計(jì)算，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)船舶航速的預(yù)報(bào)與能效評(píng)估，開發(fā)了內(nèi)河船舶航速預(yù)報(bào)及能效評(píng)估軟件。

1軟件概述

VisualC++是微軟公司推出的面向?qū)ο蟮目梢暬删幊滔到y(tǒng)。它具有程序框架自動(dòng)生成、靈活方便的類管理、代碼編寫和界面設(shè)計(jì)集成交互操作、可開發(fā)多種程序等優(yōu)點(diǎn)，通過簡(jiǎn)單的設(shè)置就可使其生成的程序框架支持?jǐn)?shù)據(jù)庫接口，可以高效、快速地開發(fā)在Windows環(huán)境下功能強(qiáng)大、圖形界面豐富的應(yīng)用軟件系統(tǒng)［6-7］。內(nèi)河船舶航速預(yù)報(bào)及能效評(píng)估軟件主要具有阻力估算、螺旋槳設(shè)計(jì)及推進(jìn)性能計(jì)算、機(jī)槳工況匹配、航速預(yù)報(bào)、能效評(píng)估等功能，圖1為軟件的界面。該軟件基于VisualC++開發(fā)平臺(tái)，將具有各種獨(dú)立功能的程序集成在一起而實(shí)現(xiàn)。軟件的主要功能如下：（1）基于修正的艾亞法進(jìn)行船舶有效功率估算［8］；（2）利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算推進(jìn)因子，基于圖譜法進(jìn)行螺旋槳設(shè)計(jì)及推進(jìn)性能計(jì)算；（3）利用船舶有效功率曲線、螺旋槳推進(jìn)曲線與主機(jī)特性，進(jìn)行機(jī)槳工況匹配與航速預(yù)報(bào)；（4）根據(jù)能效指標(biāo)計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，并與相關(guān)能效標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較［9］。圖1軟件界面

2軟件設(shè)計(jì)與算法

2.1軟件結(jié)構(gòu)圖軟件的結(jié)構(gòu)如下頁圖2所示。初始參數(shù)輸入函數(shù)實(shí)現(xiàn)船舶、螺旋槳、主機(jī)等參數(shù)的輸入，函數(shù)提供有兩種方式供用戶選擇。一種是在各計(jì)算模塊界面輸入，只需要輸入單獨(dú)使用該模塊功能的參數(shù)；一種 是采用文本文件導(dǎo)入的形式，按照設(shè)定的文件格式編輯初始參數(shù)數(shù)據(jù)，這樣能夠在文件中給定多艘船舶的數(shù)據(jù)，進(jìn)行批量化計(jì)算。阻力計(jì)算模塊中采用的算法是修正艾亞法，是基于內(nèi)河船船模試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)艾亞法進(jìn)行修正的方法，詳見第2.3節(jié)。對(duì)于能夠通過其他方法獲得船舶阻力的，諸如船模試驗(yàn)、CFD計(jì)算等，界面中提供數(shù)據(jù)導(dǎo)入接口，用戶可以導(dǎo)入已知阻力數(shù)據(jù)進(jìn)行螺旋槳設(shè)計(jì)及航速計(jì)算。由于內(nèi)河船舶的螺旋槳基本是圖譜槳，故螺旋槳設(shè)計(jì)模塊基于圖譜法可完成螺旋槳的初始設(shè)計(jì)和終結(jié)設(shè)計(jì)，接著利用推進(jìn)計(jì)算函數(shù)完成螺旋槳的Kt、Kq、η0的計(jì)算。對(duì)于已有螺旋槳的，可跳過設(shè)計(jì)階段，通過輸入螺旋槳的直徑、螺距比、盤面積等參數(shù)，直接利用推進(jìn)計(jì)算公式進(jìn)行推進(jìn)性能計(jì)算。利用阻力計(jì)算得到的有效功率曲線、螺旋槳的推力曲線，結(jié)合主機(jī)特性，進(jìn)行機(jī)槳匹配，計(jì)算得到船舶航速，再根據(jù)船舶載重、主機(jī)與輔機(jī)參數(shù)完成船舶能效的計(jì)算，并與相關(guān)的能效標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較。這就是軟件實(shí)現(xiàn)能效計(jì)算評(píng)估的整個(gè)過程。當(dāng)用戶依次運(yùn)行各計(jì)算模塊時(shí)，可查看該模塊計(jì)算過程中產(chǎn)生的相關(guān)結(jié)果，便于用戶對(duì)最終結(jié)果可靠性的判斷。而進(jìn)行自動(dòng)批量化計(jì)算時(shí)，由于數(shù)據(jù)量較大，這些中間結(jié)果并不輸出。為保證最終結(jié)果的可靠性，軟件程序?qū)υ谟?jì)算過程中涉及的各變量進(jìn)行了量級(jí)判斷，如出現(xiàn)不符合物理關(guān)系或數(shù)學(xué)關(guān)系的異常情況，將其輸出到獨(dú)立的一個(gè)結(jié)果文件，供用戶辨別及查找錯(cuò)誤。

2.2圖譜曲線的數(shù)值化在艾亞法計(jì)算和螺旋槳設(shè)計(jì)過程中，都需要進(jìn)行查圖譜與插值操作，手工計(jì)算時(shí)這部分工作既繁瑣又易出錯(cuò)。為使計(jì)算程序自主完成這些查圖譜與插值操作，首先必須使艾亞法與螺旋槳設(shè)計(jì)的圖譜數(shù)值化，即將曲線圖轉(zhuǎn)換成計(jì)算程序能夠識(shí)別讀取的數(shù)據(jù)。在軟件開發(fā)前期工作中，利用AutoCAD二次開發(fā)語言Lisp進(jìn)行CAD數(shù)據(jù)讀取命令的編寫，實(shí)現(xiàn)將CAD中曲線的坐標(biāo)值輸出到指定的文件。將計(jì)算中用到的圖譜曲線制成圖片導(dǎo)入CAD，再利用該命令即可將這些曲線的坐標(biāo)導(dǎo)出成數(shù)據(jù)格式。利用Lisp開發(fā)的命令將這些數(shù)據(jù)點(diǎn)在CAD中自動(dòng)繪制成曲線。將繪成的曲線與原圖曲線進(jìn)行比較，驗(yàn)證數(shù)據(jù)的精度，最終得到一系列可用于程序計(jì)算的數(shù)據(jù)點(diǎn)。圖3為艾亞法的系數(shù)C0圖經(jīng)過數(shù)值化后所得數(shù)據(jù)點(diǎn)繪成的曲線。對(duì)于分布規(guī)律性強(qiáng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)，如螺旋槳最佳效率曲線、螺旋槳KT/KQ曲線等數(shù)據(jù)，將其回歸成計(jì)算公式，這樣既使程序編寫方便、又能提高計(jì)算速度。而對(duì)于不易回歸的數(shù)據(jù)點(diǎn)，則將其作為初始數(shù)據(jù)固化于程序中，計(jì)算時(shí)根據(jù)其分布規(guī)律使用線性插值或非線性插值的函數(shù)進(jìn)行插值計(jì)算。這樣，原來需要手工查圖的操作實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化計(jì)算。

2.3艾亞法的修正艾亞法是基于海船資料回歸得出的估算方法，當(dāng)其應(yīng)用于內(nèi)河船時(shí)需要進(jìn)行一定的修正，而修正量的大小通常憑船舶設(shè)計(jì)工作者的經(jīng)驗(yàn)估算［10］。為使艾亞法能有效應(yīng)用于內(nèi)河船舶阻力的估算，有必要對(duì)其進(jìn)行修正和分析。收集到35艘內(nèi)河貨船的船模水池試驗(yàn)數(shù)據(jù)，由于內(nèi)河船的航速較低，此次分析采用的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的航速范圍為14~21km/h，共有197個(gè)樣本點(diǎn)。表1給出這些船的主參數(shù)范圍。利用艾亞法進(jìn)行阻力估算，將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較和分析，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行修正和分析。分別利用原版的艾亞法和修正的艾亞法對(duì)197個(gè)樣本點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，將結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析。將計(jì)算值與試驗(yàn)值之間的相對(duì)誤差以5%為間距劃分區(qū)間并統(tǒng)計(jì)各區(qū)間分布的樣本比例，圖4顯示兩種方法的分布比例。從中可看出，原版艾亞法的結(jié)果大部分相對(duì)試驗(yàn)值偏小，相對(duì)誤差的絕對(duì)值大于5%的樣本點(diǎn)所占比例達(dá)70%；而修正艾亞法的結(jié)果則有69%的樣本點(diǎn)分布于-5%至5%之間，且97%處于-10%至10%之間。這表明修正艾亞法更適合于內(nèi)河船舶的有效功率估算，其計(jì)算精度能夠滿足工程應(yīng)用要求。

3軟件驗(yàn)證算例

3.1航速預(yù)報(bào)的驗(yàn)證收集實(shí)船試驗(yàn)資料進(jìn)行軟件計(jì)算航速的驗(yàn)證，共有7艘船，其中散貨船3艘、集裝箱船1艘、油船3艘，其主要參數(shù)及航速的計(jì)算結(jié)果見表2。由該表可看出，其中最大誤差為4.6%，而有4艘船的誤差小于3%。

3.2能效評(píng)估的驗(yàn)證為驗(yàn)證軟件應(yīng)用于能效評(píng)估的效果，通過收集長(zhǎng)江干散貨船的數(shù)據(jù)，選取載重噸在1000~8000t的船舶共2965艘，進(jìn)行CO2排放指標(biāo)的計(jì)算分析。圖5是CO2排放指標(biāo)ICO2計(jì)算值的散點(diǎn)分布圖。由于圖中5000噸級(jí)以下的船舶數(shù)量多，計(jì)算值散點(diǎn)過于密集。為清晰反映其能效水平，對(duì)計(jì)算值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到樣本中50%通過A級(jí)航區(qū)ICO2限值時(shí)的數(shù)值，圖中用▲作了標(biāo)識(shí)。而干散貨船的A級(jí)航區(qū)限值的制訂標(biāo)準(zhǔn)即為50%的船舶通過。由此可知，采用軟件進(jìn)行長(zhǎng)江船舶能效評(píng)估能夠較準(zhǔn)確反映其實(shí)際能效水平。

4結(jié)論

將VisualC++應(yīng)用于內(nèi)河船舶航速預(yù)報(bào)及能效評(píng)估的開發(fā)，不但能明顯減輕用戶的工作量，提高工作效率，提高船舶初始設(shè)計(jì)階段在阻力估算、螺旋槳設(shè)計(jì)、航速估算、能效評(píng)估的速度，而且其友好界面能實(shí)現(xiàn)批量化計(jì)算，具有良好的使用價(jià)值。程序中采用基于內(nèi)河船舶試驗(yàn)資料的修正艾亞法進(jìn)行阻力估算，從而提高了計(jì)算精度。

［參考文獻(xiàn)］

［1］IMO.MEPC62/6/4.CalculationofParametersforDeterminationofEEDIReferenceValues［S］.2011.

［2］IMO.MEPC212（63）.2012GuidelinesontheMethodofCalculationoftheAttainedEnergyEfficiencyDesignIndex（EEDI）forNewShips［S］.2012.

［3］交通運(yùn)輸部.內(nèi)河運(yùn)輸船舶標(biāo)準(zhǔn)船型指標(biāo)體系［S］.2012.

［4］交通運(yùn)輸部.內(nèi)河運(yùn)輸船舶標(biāo)準(zhǔn)化管理規(guī)定［S］.2014.

［5］余建偉，尹遜濱.EEDI對(duì)總體設(shè)計(jì)的影響［J］.船舶工程，2013，S2，134-136.

［6］錢能.C++程序設(shè)計(jì)教程［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2009.

［7］王文強(qiáng)，胡勇.基于VC++與OpenGL的船舶合攏管可視化設(shè)計(jì)［J］.船舶工程，2014，36（5）：107-121.

［8］盛振邦，劉應(yīng)中．船舶原理［M］.上海：上海交通大學(xué)出版社，2003．

［9］中國船級(jí)社.船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)（EEDI）指南［S］.北京：人民交通出版社，2012.

［10］劉桂杰，郭春雨，李茂華，等.船舶阻力圖譜計(jì)算與模型試驗(yàn)結(jié)果比較分析［J］.中國艦船研究，2014（3）：38-42.

作者：陳 鈺 陳慶任 趙丙乾 單位：中國船級(jí)社武漢規(guī)范研究所