全球环境问题,尤其是温室效应,在变得日益严重的当下,有必要对CO₂排放量大户的船舶航运业进行节能减排、能耗的研究。对我们而言,这不仅仅是造福全人类的举措,也符合我国节能减排、绿色低碳生活的号召,符合我国的相关政策以及科技发展趋势,对船运企业来说,也是一个能够降低航运成本的一大利好。本文从航速优化和高性能航迹控制设计这两个方面综合进行船舶能耗、节能减排的研究。首先,完成了对船舶航行时的受力情况分析以及对船舶运动的建模。按照力的产生原因,研究中将船舶所受到的力分为航行时的静水阻力和环境干扰力两个方面分别进行分析。根据各种力的产生与作用机理,建立了研究对象船舶的受力模型,并对干扰力模型进行了仿真。借助于这些受力分析,运用MMG分离建模的思想,搭建了用于仿真航行试验的船舶水平面三自由度运动模型。然后,对船舶推进系统进行了相关的研究并建立了船舶柴油机的油耗率模型。通过对船舶柴油机和螺旋桨工作原理的分析,总结出它们的工作特性。考虑到船舶航行时,船、桨之间会相互影响,对螺旋桨的推力模型进行了相关修正。此外,对船舶航行时船体、柴油机、螺旋桨之间的运动与平衡关系也进行了研究,并依据这些研究结果,建立了船舶柴油机主机的油耗率模型。接着,完成了对遗传算法的实现,并用实现的算法完成了对船舶航速的优化。出于对航速优化问题求解的需要,将研究中使用的船舶运营航线进行了分段处理,并把船舶在整个航程的燃油消耗量作为遗传算法的目标函数和隶属度函数。结合航速优化问题的实际要求,在算法中加入相应的限制条件,继而根据遗传算法的相关理论,依靠遗传算法与直接搜索工具箱GADST,完成遗传算法在matlab平台的实现。在此基础上,运用实现的遗传算法进行航速优化问题的求解,并对算法的优化结果进行了对比论证。最后,设计了用于船舶航行控制的航迹控制系统,并基于该系统对能耗优化算法进行了验证。在对航迹控制器进行设计时,重点放在模糊控制器的设计上,并采用条件切换的工作方式将所设计的PD控制器和模糊控制器组合在一起,使得两者互相取长补短,发挥各自的优异性能。另外,设计中还提出了一个航段跟踪决策算法,用以指示航迹控制器接下来要跟踪的目标航段。设计的最后,通过仿真试验和模拟航行,对所设计的航迹控制系统的控制性能和能耗优化算法的节能效果进行了仿真验证。