《Oceans》：Two-Stage NSGA II–PSO Optimization for Ballast-Water Allocation of Semi-Submersible Barge During Coastal Load-Out Operations
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在半潜驳船滚装作业期间，压载水调节直接影响浮态精度、作业安全与纵向结构响应。传统压载调节严重依赖预定义方案和操作人员经验，难以在连续变化的重载条件下同时保证艉吃水匹配、工程可操作性与结构安全性。本研究针对一艘45,000吨半潜驳船，提出了一种融合现场专家知识与
在半潜驳船滚装作业期间，压载水调节直接影响浮态精度、作业安全与纵向结构响应。传统压载调节严重依赖预定义方案和操作人员经验，难以在连续变化的重载条件下同时保证艉吃水匹配、工程可操作性与结构安全性。本研究针对一艘45,000吨半潜驳船，提出了一种融合现场专家知识与浮态–挠度协同控制的工程导向型两阶段压载水优化框架。单个压载舱的调节量被用作决策变量，并受到物理、浮态、作业与结构约束的限制。在第一阶段，基于非支配排序遗传算法II（NSGA-II）的种群搜索以艉吃水偏差作为主要排序准则搜索可行压载空间，同时强制满足纵倾、横倾、舱容及作业约束。在第二阶段，粒子群优化（PSO）对选中的可行解进行局部精化；纵倾和横倾被纳入适应度评估，并且仍然受硬性作业极限约束。随后引入船体纵向挠度，形成浮态–挠度协同优化。来自Module-001滚装过程的现场测量数据被用于验证。与单独使用PSO相比，所提出的两阶段方法将最大艉吃水误差从0.103 m降至0.019 m，并将平均优化时间从约18 min缩短至4 min。使用更复杂的Module-002滚装案例进行的额外验证表明，大多数工况下的艉吃水误差约为0.001 m，最大误差为0.007 m。在协同优化下，艉吃水偏差保持在±0.02 m以内，纵倾和横倾均满足规定的作业极限，最大相对船体挠度被控制在约0.06 m以内。优化策略从前/后主导调节演变为全舱协调调节，其中舯部压载舱对纵向变形控制起到贡献作用。因此，所提出的方法为重载滚装作业期间的智能压载调节提供了实用框架。
半潜驳船是一种通过大型压载系统大幅调节吃水和甲板高度的重型运输平台。在滚装作业中，自走式模块运输车（SPMT）将重型货物从码头逐步转移至船尾甲板，导致排水量、纵向载荷分布、艉吃水、纵倾、横倾及船体梁响应持续变化。与传统驳船相比，半潜驳船在滚装过程中需要同时协调艉甲板/码头高程匹配、船体姿态、压载系统可操作性和纵向结构变形，这使得压载水分配成为一个高维、强约束的工程优化问题。目前，实际压载调节仍依赖预编方案和现场人员经验，主观性强且耗时长，难以适应货物位置、潮位和海况的动态变化。已有学术研究多聚焦于吃水、纵倾和稳性等单一浮态指标，对重载下船体纵向挠度关注不足，也很少将结构响应约束纳入压载优化模型，导致优化方案难以满足长期重载运输的结构安全需求。因此，亟需开发一种融合现场操作规则、浮态安全要求和结构响应控制的智能压载优化方法。
针对上述问题，研究人员以一艘45,000吨半潜驳船为对象，提出了一种面向工程应用的两阶段NSGA-II–PSO压载水优化框架。该框架将各压载舱的调节量作为决策变量，系统纳入压载系统物理限制、浮态安全约束、现场专家知识操作规则和结构挠度约束。第一阶段采用NSGA-II进行种群全局搜索，以艉吃水偏差为主要排序准则，同时将纵倾和横倾作为可行性要求；第二阶段利用PSO对选中的可行解进行局部精化。在此基础上，将船体纵向挠度引入优化目标，形成浮态–挠度协同优化，使传统以艉吃水为导向的调节模式扩展到浮态与结构响应的联合控制。研究基于Module-001和Module-002两次实际模块滚装过程的全尺度现场测量数据进行验证。结果表明，与单独PSO相比，两阶段方法将最大艉吃水误差从0.103 m降至0.019 m，平均优化时间从约18 min降至4 min；协同优化下艉吃水偏差保持在±0.02 m以内，纵倾和横倾均满足规定极限，最大相对船体挠度由约0.12 m降至约0.05 m。压载调节模式从前/后舱主导演变为全舱协调调节，舯部舱在纵向变形控制中发挥显著作用。该论文发表在《Oceans》，为重型滚装作业的智能压载管理系统提供了工程化技术框架。
研究人员采用的关键技术方法可概括为：以“Sihang Yongxing”号45,000吨半潜驳船为对象，样本来自Module-001和Module-002两个连续模块滚装作业的实船测量数据。首先利用NAPA软件建立船体三维模型，进行浮态计算；基于欧拉-伯努利梁理论计算船体纵向挠度；采用两阶段优化算法，即NSGA-II全局搜索与PSO局部精化相结合。优化模型以压载舱调节量为决策变量，约束体系涵盖压载系统物理限制、浮态安全阈值、现场专家知识（区域同向调节、左右对称调节、艏艉核心调载、舯部辅助调载）以及结构挠度限制。在协同优化中，最大相对船体挠度作为结构目标引入，形成浮态–挠度多目标协调优化。
研究结果分为四个方面。第一，单独PSO与两阶段算法对比分析结果表明，在Module-001的艉吃水导向优化中，单独PSO虽能在多数工况下接近目标艉吃水，但最大偏差达到0.103 m；两阶段方法的最大偏差仅0.019 m，且多个工况接近零误差。计算效率上，单独PSO平均耗时约18 min，两阶段方法仅约4 min。这说明NSGA-II的全局探索能力为PSO局部精化提供了更好的初始解区域，从而提升了最终控制精度和计算效率。第二，艉吃水导向优化结果验证表明，将两阶段方法应用于载荷分布更复杂的Module-002滚装过程，绝大多数工况下艉吃水误差约为0.001 m，最大误差为0.007 m；纵倾和横倾均满足规定的0.8 m和0.5 m限值；压载调节过程平滑且左右基本对称，收敛曲线快速下降后趋于稳定，独立证明了方法对不同载荷工况的适用性。第三，协同优化结果验证表明，在引入船体纵向挠度目标后，优化艉吃水与实测值偏差保持在±0.02 m以内，纵倾和横倾满足作业极限，说明结构目标的引入未削弱浮态控制精度。与未包含挠度控制的艉吃水导向方案相比，最大相对船体挠度由约0.12 m（现场实测约0.10 m）降至约0.05 m，证明了将结构响应纳入压载分配可显著改善船体纵向变形状态。第四，压载水优化分布特征分析表明，协同优化使压载调节由前/后舱主导模式转变为全舱协调调节。前/后舱依旧是艉吃水和船体姿态控制的核心执行单元，舯部舱则主动参与纵向挠度调节。滚装初期，压载调节集中在艏艉舱以快速实现艉甲板与码头对齐；随着货物逐渐上船和纵向载荷分布变化，优化在舯部舱引入适度调节，以重新分配浮力沿船长的分布。中后期调节逐步从局部浮态修正转向全船协调控制，最终方案仍保持左右对称、区域协同和分阶段调节等现场操作特征，体现了优化策略在结构性能与工程可操作性之间的合理平衡。
总结讨论部分指出，本研究的主要贡献不在于NSGA-II与PSO的基本组合，而在于将现场专家知识转化为显式可计算的作业约束，构建了面向半潜驳船滚装压载问题的高维强约束两阶段优化框架，并将船体纵向挠度融入压载分配，实现浮态与结构响应的协同控制。研究结论翻译如下：(1) 所提出的两阶段优化策略在研究工况下提高了艉吃水导向压载调节的精度与计算效率，与单独PSO相比，最大艉吃水偏差从0.103 m降至0.019 m，平均优化时间从约18 min降至4 min，表明NSGA-II的全局探索与PSO的局部精化在高维约束压载分配问题中具有互补优势。(2) 浮态–挠度协同优化在保持所需船体姿态的同时改善了纵向结构响应，优化与实测艉吃水偏差保持在±0.02 m以内，纵倾和横倾满足规定极限，最大相对船体挠度从无显式挠度控制时的约0.12 m降至约0.05 m，证明结构响应考量可以融入压载调节而不牺牲浮态控制精度。(3) 引入纵向挠度控制改变了压载调节的空间分布，策略从前/后主导调节演变为全舱协调调节，前/后舱主要负责艉吃水和船体姿态控制，舯部舱额外参与纵向变形调节，同时保留了左右对称、区域协同和分阶段压载等实用操作特征，最终在保持工程可操作性的同时改善了船体纵向力与变形特性。总体而言，该研究为半潜驳船压载优化中集成浮态控制、结构响应调节与现场操作知识提供了工程导向框架，可为重型滚装作业智能压载管理系统开发提供技术支撑。未来工作应进一步研究不同船型和货物构型的适用性，考虑实时潮位变化和连续货物运动等动态环境效应，并检验压载系统故障下的鲁棒性；同时可将压载泵能耗作为附加目标，以提高智能压载管理系统的整体作业效率。
