【论文推荐】大连海事大学：基于PSO的燃料电池船舶航速与功率分配策略协同优化

摘要：针对复杂航行环境下难以获取最优航速而导致燃料电池船舶的能效提升有限的问题，提出基于粒子群算法的燃料电池船舶航速与功率分配策略协同优化方法。【方法】采用K-means对气象环境数据进行空间网格聚类分析并作为航线分段的依据，进而通过船舶航行阻力分析和等效氢耗思想构

基于PSO的燃料电池船舶航速与功率分配策略协同优化

摘

要

【目的】针对复杂航行环境下难以获取最优航速而导致燃料电池船舶的能效提升有限的问题，提出基于粒子群算法的燃料电池船舶航速与功率分配策略协同优化方法。【方法】采用K-means对气象环境数据进行空间网格聚类分析并作为航线分段的依据，进而通过船舶航行阻力分析和等效氢耗思想构建燃料电池船舶的航速–氢耗模型。同时，以加速度为优化参数设计航速优化值在航段之间传承–链接的优化方式，进而运用粒子群算法对船舶全航程航速和燃料电池输出功率进行优化。【结果】仿真验证结果表明，相较于原航速和传统航速分段优化方法，航速与功率分配策略协同优化方法分别降低了3.85%和1.99%的氢气消耗。【结论】该方法有效提高了短程船舶航行能效，并改善了传统分段优化的航速阶梯分布缺陷问题，可为燃料电池船舶的推广应用提供参考。

引

言

目前，全球航运业排放的温室气体颇具规模，亟需节能减排[1-6]。国际海事组织（international maritime organization，IMO）等提出短期优化航行能效、中长期推动以氢燃料为主的清洁能源的脱碳减排措施，所以氢燃料电池船舶已成为未来发展的趋势[7-9]。然而，受限于现阶段氢燃料的成本较高，氢燃料电池船舶不可避免地面临着节能运行问题，因此，优化和提高氢燃料电池船舶的能效是实现航运业零碳排放目标的重要举措[10-11]。

航速是影响船舶能源消耗的主要因素[12-15]，通过降低航速可以显著降低船舶的能源消耗，但同时可能对航行成本、航行可靠性[16]、航次安排等方面产生不利的影响[17]，因此，应合理优化航速，以满足船舶节能减排需求。现有的研究成果主要考虑环境影响因素，通过数学机理或大数据来建立船舶航速−能耗的映射关系，进而采取不同的优化方法进行航速寻优。Liu等[18]针对时变海洋环境，提出基于工况预测的混合电力船舶能效优化策略，通过对风速、洋流速度等能效影响因素进行时间序列预测，建立航速预测模型和实时能效运行指数模型，并采用快速非支配分选遗传算法来求解双目标优化问题，实时获得了船舶的最优航速。Fan等[19]提出一种速度–纵倾优化方法，通过分析船舶运行状态数据并建立基于人工神经网络的联合优化决策数据库，进而使用动态规划算法获取了每个航段的能效最优速度。Li等[20]采用滑模轨迹跟踪控制理论，在静水以及5级海况下验证其船速优化模型的准确性和鲁棒性，并通过粒子群算法寻优了船舶航行的最佳速度。

为进一步提高航速优化的准确性和适用性，部分学者进一步提出分段优化的思想。Li等[21]充分考虑复杂天气条件、分段航线和天气数据加载方法等影响因素，提出航线分割和天气加载速度优化迭代算法，实现对船舶油耗和螺旋桨轴速的准确可靠预测，解决了分段航线、天气荷载和速度优化之间的耦合问题。Yuan等[22]通过对武汉–上海之间的导航环境进行分类以实现路线划分，进而利用人工鱼群算法构建了航行时间、燃油消耗等多目标的速度优化模型。Yan等[23]利用大数据分析平台对内河航段进行精细划分，考虑多因素影响建立船舶能效优化模型，从而实现分航段的船舶能效优化。虽然分段航速优化可以获取更好的节能效果，但各航段之间的航速存在阶梯差，对于航程较长的远洋船舶而言，其加速、减速的时间和航程在总航程中的占比极小，对船舶实际操纵和能效优化效果影响较小；而对于航程较短的燃料电池船舶而言，优化所形成的航速阶梯差则无法良好地进行跟踪，进而将影响能效优化效果。

燃料电池船舶的动力系统一般由燃料电池、蓄电池等多类型的电源构成，不同动力源的功率输出能力、功率输出效率等特征也有所不同，各类动力源之间的能量分配方式对于响应负荷需求的随机性波动[24]和船舶动力系统整体能耗而言至关重要。因此，在燃料电池船舶的能效优化设计中还应考虑多动力源的运行特性和能量分配问题，以进一步提升船舶的总运行能效。Zhang等[25]提出航速与电池容量联合优化方法，考虑电池尺寸与航速之间的相互作用以及电动船舶特性和航道特性，建立了航速和电池能耗的联合优化模型。Wen等 [26]提出一种新的协调优化框架，通过考虑太阳能输出功率的变化，联合优化了能量存储系统的大小和航程调度。上述研究在混合动力船舶的能效优化中虽然考虑了动力系统，但缺乏动力系统功率分配与船舶航行之间的联合优化研究。

为推动氢能的实船应用，针对目前传统航运业在航速优化研究中的燃料电池船舶缺乏适应性问题，本文拟提出基于粒子群算法的燃料电池船舶航速与功率分配策略协同优化方法。首先，通过K-means对船舶航行环境进行空间聚类分析，建立燃料电池船舶的航速−动力联合优化模型；然后，通过设计航段之间的航速传承−链接优化方式，以改善分段航速优化存在的阶梯分布问题，从而形成船舶航速与功率分配策略的协同优化方法。

内容简介

本文以往返于辽宁省大连市和山东省烟台市的“渤海宝珠”号客轮（图1）为研究对象，设计相应的燃料电池混合动力系统配置方案。

图1 “渤海宝珠”号客轮

基于船舶在线网站获取的船舶航速等数据，绘制如图2所示的“渤海宝珠”号客船功率数据曲线，其经历的4个航行工况分别为停泊、离港、平稳航行、靠港。

图2 “渤海宝珠”号功率数据曲线

所设计的氢燃料电池混合动力系统（图3）主要由燃料电池电堆、锂电池、单向DC-DC变换器、双向DC-DC变换器组成，其中燃料电池和锂电池将通过DC-DC变换器最终连接至直流母线。

图3 混合动力系统的拓扑结构

本文将根据船舶的航行需求功率和最大设计功率进行燃料电池混合动力系统匹配，其中最大设计功率约为3.0×104 kW，该航次船舶的最大瞬时功率为19 230.89 kW。由于船舶的平均需求功率为16 600 kW，本文根据实际工程经验并结合Alsterwasser船舶设计方法[27]（即燃料电池的一般输出效率为54.5%左右，单体燃料电池组的最大输出功率为48 kW[27] ），设计该船的燃料电池最大输出功率为28 800 kW（600个单体燃料电池组），即船舶平均功率占船舶燃料电池最大输出功率的57.64%，以满足船舶最大功率需求的同时令燃料电池运行在标称效率附近。目前，一般指定燃料电池的输出功率为其最大输出功率的20%～80%，因此燃料电池的输出功率最高为23 040 kW。

结论

针对船舶燃料电池混合动力系统目前分段优化存在的航速阶梯特性，以及动力系统功率分配与航速协同优化策略缺乏等问题，本文提出基于粒子群算法的燃料电池船舶航速与功率分配策略协同优化方法，设计了航速传承−链接的航速优化机制，相较于仅优化功率分配和传统分段优化，其分别可减小3.85%和1.99%的氢耗。鉴于船舶航向对总需求功率的影响较大并将继而影响优化结果，未来可结合本文方法进行船舶航线的优化，以进一步提高船舶航行能效，形成更为系统的船舶最优能效航行决策方法。

王宁, 李志强. 基于PSO的燃料电池船舶航速与功率分配策略协同优化[J]. 中国舰船研究, 2025, 20(3): 211–222.