摘 要

北极地区海冰逐渐融化使得极地航线的年通航时间逐渐增加，这促进了极地航运事业的蓬勃发展，同时我国作为一个工业大国，对于海上资源输送和货运贸易需求很大，北极航线极大地缩短了亚欧之间的距离，这促使国家加大力度对极地进行探索和研究。

相对于其他海域环境而言，北极地区生态环境十分脆弱，尤其是船舶的排放对北极环境影响很大，所以人们在开发的过程中要更加注重生态保护。基于此，本文从船舶能效的角度出发，着力于优化极地船舶能效，并基于船舶能效提升的基础上，规划一条能效最优的极地冰区航线，降低船舶的航行成本，减少碳排放。

论文主要研究内容如下：

（1）北极东北航道简要介绍。查阅相关文献资料，对北极东北航道的现状及船舶通航环境予以概括。

（2）船舶能效影响因素分析。基于“永盛”轮实船数据，对船舶能效的影响因素进行研究，阐述各因素间的相互关系。

（3）北极冰区航线规划研究。对海冰图像进行处理，建立冰区船舶航线规划的环境模型，基于改进后的蚁群算法规划一条能效最佳的航线。

关键词：北极航道；船舶能效；蚁群算法；航线规划

Abstract

With the gradual melting of sea ice in the Arctic region, the annual navigation time of the Arctic Passage has gradually increased, which has greatly promoted the development of the shipping industry in the Arctic area. At the same time, China, as an industrial power, has great demand for resource transportation and maritime trade. The Arctic Passage has greatly shortened the distance between Asia and Europe, which urges the state to increase its efforts to explore and study the Arctic regions.

Compared with other sea areas, the ecological environment in the Arctic region is very fragile. In particular, the emissions of ships have a great influence on the Arctic environment. Therefore, people must pay more attention to ecological protection in the development process. Based on this, from the perspective of energy efficiency of ships, this paper focuses on optimizing the energy efficiency of the Arctic area ships, and based on the improvement of energy efficiency of ships, plans a route with the best energy efficiency in the Arctic ice area, reduces the navigation costs of ships and carbon emissions.

The main research contents of this paper are shown as follows:

(1) A brief introduction to the Arctic Northeast Passage. Read the relevant literature and information to introduce the current situation and navigation environment of the Arctic Northeast Passage.

(2) Analysis of factors related to energy efficiency of ships in the Arctic area. Based on the data of ‘YONGSHENG’, the influencing factors of the ship’s energy efficiency are analyzed and the interrelationships among various factors are explained.

(3) Research on route planning of the Arctic ice area. The sea ice image was processed to establish the environmental model of ship route planning in the ice area, and the optimal ship’s energy efficiency route was planned based on the improved ant colony algorithm.

Key Words: Arctic Passage; ship energy efficiency; ant colony algorithm; route planning

目 录

第1章 绪论 1

1.1 选题背景及意义 1

1.2 国内外的研究现状 1

1.2.1 国外研究现状 2

1.2.2 国内研究现状 2

1.3 研究内容及技术路线 3

1.3.1 研究的基本内容 3

1.3.2 技术方案及措施 3

1.4 论文结构安排 4

第2章 东北航道概述 6

2.1 极地东北航道 6

2.1.1 东北航道 6

2.1.2 东北航道的通航现状 6

2.2 通航环境 7

2.2.1 气象环境 7

2.2.2 水文环境 8

2.3 本章小结 9

第3章 船舶能效及其影响因素 10

3.1 船舶能效指数 10

3.1.1 船舶能效设计指数（EEDI） 10

3.1.2 船舶能效营运指数（EEOI） 11

3.2 极地船舶能效影响因素相关性分析 12

3.2.1 极地船舶能效的影响因素 12

3.2.2 船舶能效影响因素相关性分析 13

3.3 本章小结 16

第4章 基于能效提升的船舶航线规划 17

4.1 船舶航线规划 17

4.1.1 船舶航线规划概述 17

4.1.2 航线规划方法 18

4.2 蚁群算法背景及实现 18

4.2.1 蚁群算法背景 18

4.2.2 算法实现步骤 19

4.3 极地冰区船舶航行环境建模 21

4.3.1 海冰图像处理 21

4.3.2 障碍物膨胀处理 23

4.3.3 基于蚁群算法的冰区航线规划数学建模 24

4.4 仿真计算与结果分析 26

4.5 本章小结 28

第5章 总结与展望 29

5.1 工作总结 29

5.2 未来展望 29

参考文献 30

致谢 32

第1章 绪论

1.1 选题背景及意义

近年来，北冰洋冰层的加速融化，海冰覆盖范围逐步减少，在此背景下，北极航线的提前开通成为可能，致使极地冰区航运成为行业热点^[1]。随着气候的变化，海洋冰层大量消融，从而缩小了冰区范围，北极地区颇具商业价值的航道和丰富的资源提升了极地的研究价值^[2]。

北极地区蕴藏着可观的石油、天然气和矿产资源，根据环北极国家的勘探研究，北极地区的石油和天然气资源占全球总储量的25%左右^[3]，其中数据显示，尚未探明的石油储量占全球的13%，煤炭资源占全球的9%^[4]，且大部分位于近海地区。北极丰富的自然资源可为我国资源储备提供战略保障。