1.1研究背景

水路运输是目前各主要运输方式中兴起最早、历史最长的运输方式。其技术经济特征是载重量大、成本低、投资省，但灵活性小，连续性也差。较适于担负大宗、低值、笨重和各种散装货物的中长距离运输，其中特别是海运，更适于承担各种外贸货物的进出口运输。长江历来被称为黄金水道，它的地位和价值，是任何其他交通运输方式所不能取代的，具有无可比拟的优点。三峡水运已成为连接中部地区和长江三角洲经济区和城市群的重要纽带，但是给水运管理和运营带来了挑战，在三峡水运中如何降低营运成本已成为持续关注的问题，航速优化则是一种减少船舶营运成本，提高经济效益的有效措施。船舶推进功率与航速成3次方关系，因此航速过高会导致油耗增加从而导致运营成本上升，航速过低则会增加航行时间从而导致运营成本上升，同时为保证安全性，在风浪条件下的航速会受到限制，所以需要通过考虑实际情况并使用数学建模来确定一个最佳航速，使船舶在保证安全的条件下,以较快的速度到达港口且营运成本尽可能降低。

1.2国内外研究现状

目前国内外对于航速优化的研究已经入正轨，例如海军工程大学船舶与动力学院的魏应三和王永生对于船舶航速优化原理进行了研究，在将辅助功率认为与航速无关，即在航行过程中辅助功率保持为一常数的条件下，另外假设航行过程中不考虑风、浪、流、船体污底等因素的影响，即推进功率系数k 保持为常数，通过建立离散时间模型和连续型时间模型并求解得出结论。恒速航行原理是船舶航行领域里的一个重要规律，对于不同类型的船，不同的航行要求，其最优航速也表现出多样性，即不同的船其最优航速也不同，同一艘船，不同的航行计划其最优航速也不同，其所建模型的求解结果可为船舶航行降低功耗以及制定航行计划提供依据。此外还有武汉理工大学航运学院张进峰、马伟皓、刘永森、王晓鸥对于考虑营运成本和排放的船舶航速多目标优化模型的研究，通过建立多目标优化模型将营运成本和船舶排放量设为两个目标函数，然后将其作归一化处理求解，并带入大量数据，得出航速多目标优化结果，实例表明航速优化后可进一步减少船舶废气排放并降低船舶营运成本，其建立的航速多目标优化模型可适用于不同船舶和航线，能对不同船舶或不同航线的航速进行自动计算，无需人为干涉或借鉴专家知识，既可为航运企业实现节能减排的绿色发展目标提供理论依据，也可为我国未来的船舶排放管理工作提供参考。还有杨宝璋和石爱国对大风浪中多因素优化航向航速选择的研究，通过数学模型建立来计算出不同风浪下的最大允许航速，以最大允许航速行驶既可以保证安全又可以减小船舶到港时间。因此在风浪条件下如何通过航速优化来达到减小到港时间且降低航运营运成本的目的也是一个值得研究的课题。

2. 研究的基本内容与方案

2.1研究整体思路

本次研究的整体思路是通过对船舶到闸时间优化的文献学习。在此基础上，收集仿真数据，并通过仿真数据分别根据在不同风浪条件下，船舶营运成本和最小到港时间对航速进行建模分析。通过收集三峡船舶营运成本的信息建立一个关于航速的目标函数，主要考虑租船成本以及燃油成本，航速越高，油耗越高，燃油成本就越高。但航速越低航行时间越长，租船成本也就越高。然后收集关于不同风浪条件下的航速的信息建立一个目标函数，主要是不同海况下保证安全航行的前提下的最大航速。最后再利用Pareto多目标问题优化原理建立多目标优化数学模型得出最优解集。得出在不同风浪条件下以较快的速度到达港口且考虑运营成本航速综合性的理想模型。最后通过与实际数据进行对比验证。

2.2 Pareto多目标优化问题概述

工程问题中往往存在多个目标，这些目标有时会发生冲突，因此需找到最佳解 决方案以同时满足多个目标的要求，这就是多目标优化问题。对于ｍ个目标函数的多 目标优化问题，通常可表述为: