CN104090595A - 基于主机能效与通航环境的船舶航速优化装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于主机能效与通航环境的船舶航速优化装置及方法，其特征在于，包括：数据采集单元、数据传输单元、信息管理单元、航速分析单元；所述数据采集单元用于采集船舶主机能效与通航环境数据；所述数据传输单元包括船载无线数据传输模块、船岸无线数据传输模块；所述信息管理单元包括：船载C/S架构终端软件和远程B/S架构监控终端；所述航速分析单元是指船舶航行过程中最优航速算法模块，该航速既能确保船舶按照班期航行，又兼顾通航环境影响下的船舶节能航行。本发明公开的装置及方法可以指导船员驾驶船舶，提升船舶能效水平。
Description
技术领域
本发明涉及船舶，特别是一种基于主机能效与通航环境的船舶航速优化装置及方法。
背景技术
全球气候变暖和CO2温室气体排放一直倍受关注，航运业作为温室气体排放大户，近年来面临来自公众和航运界的巨大压力。在保证船舶正常航行的前提下，实现运营船舶的节能减排目标，是航运业必须要解决的重大而且现实的课题。长久以来，针对船舶节能的研究主要集中在新能源、节能装置等方面。然而，从船舶营运角度来说，优化船舶主机转速是减少燃油消耗、提高能效水平的一种非常有效的方式。理论上，船舶在静水无限水深条件下航行，存在一个稳定的能使船舶油耗最低的经济航速，但是由于受到通航环境的影响，经济航速会随之变化。因此，如何在船舶行驶中，准确快速的采集主机能效数据与通航环境数据，从而实现对船舶主机转速的实时优化，保证船舶在不同通航环境条件下都能够以经济航速行驶，是本发明解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于主机能效与通航环境关系的船舶航速优化装置及方法，以便能够实时的监测船舶航行过程中的主机能效与通航环境数据，并且可以将船舶本地的监测数据传输到远程监控终端，实现通航环境信息的本地报警及向远程监控中心发布预警，能够得到一个既确保船舶按照班期航行、又兼顾通航环境影响下船舶节能航行的最优航速，可以指导船员驾驶船舶，提升船舶能效水平。
本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：
本发明提供的基于主机能效与通航环境关系的船舶航速优化装置，其由能效控制器及与之分别以数据线相连的数据采集单元、数据传输单元、信息管理单元、航速分析单元组成。
所述数据采集单元可以由主机能效数据采集传感器和通航环境数据采集传感器组成，其中：主机能效数据采集传感器包括安装在主机尾轴上的轴转速仪和轴功率仪，以及安装在主机进油管路上的油耗仪；通航环境数据采集传感器包括安装在船舶顶部的气象仪和GPS接收仪，以及安装在驾驶台的水深仪和水流速度仪。
所述数据传输单元可以由船岸数据无线传输模块与船载数据无线传输模块组成，其中船岸数据无线传输模块为3G上网模块。
所述船载数据无线传输模块可以由数据接收节点、油耗仪数据发射节点、轴转速仪轴功率仪数据发射节点、气象仪数据发射节点、水深仪数据发射节点、水流速度仪数据发射节点、GPS仪数据发射节点组成，其中：数据接收节点、3G上网模块通过数据线与能效控制器连接；位于顶层甲板的气象仪及其数据发射节点、GPS接收仪及其数据发射节点由太阳能电池板和蓄电池供电；安装在尾轴上随该轴转动的轴转速仪和轴功率仪共用一套数据发射节点，由绑在尾轴上的蓄电池供电；油耗仪数据发射节点、水深仪数据发射节点、水流速度仪数据发射节点由船上自有电网供电。
所述信息管理单元可以由船载监控软件和远程监控终端组成，其中：船载监控软件为船载C/S架构终端软件，该船载监控软件安装在以工控机为控制核心的能效控制器上；远程监控终端为基于WEB的B/S架构的远程监控终端，岸上的远程监控中心和海事监管机构可以通过互联网登录远程监控终端。
所述航速分析单元可以是信息管理单元的船载监控软件中计算最优航速的子模块，船载监控软件安装在能效控制器的工控机上，工控机通过连接显示器、键盘与鼠标，实现人机交互；船舶开航前，通过键盘、鼠标向航速分析单元中录入船舶该航次班期信息，航速分析单元的最优航速计算结果通过显示器进行显示，从而建议船舶驾驶员以该航速驾驶船舶。
本发明提供的基于主机能效与通航环境关系的船舶航速优化方法，其包括数据采集、数据传输、信息管理软件架构设计、协同模型建立、全航次最优航速分析，其中：所述数据采集是获取船舶航行过程中的主机能效数据与通航环境数据；所述数据传输包括船载数据无线传输与船岸数据无线传输；所述信息管理软件架构设计包括船载监控软件架构与远程监控终端的设计；所述协同模型建立是指对大量的主机能效数据和通航环境数据进行回归分析，得到船舶在不同主机转速、不同水流速度条件下的能效指数集合，并作二元非线性回归分析，建立起主机能效与通航环境协同模型；所述全航次最优航速分析是指在船舶航行周期内，考虑到通航环境对船舶航行产生影响，通过最优航速搜索算法，得到既经济又可以确保船舶正点到达目的地的最优航速。
所述的信息管理软件架构设计可以包括船载监控软件架构与远程监控终端的设计；所述船载监控软件架构设计包含通航信息预报警功能设计，该船载监控软件可以发布船舶本地报警及向海事监管机构提供通航预警信息，当船舶航行至水深较浅位置时，将向船舶驾驶台发出警报，提示驾驶人员及时调整船舶的航向，当船舶所处位置风速或者水流速度较大，威胁船舶航行安全时，将向船舶本地发出警报，同时传递给海事监管机构，以便向来往往船舶发布通航预警；所述远程监控终端设计包含用户登录与权限设计，用户通过互联网登录此终端，需要经过用户身份认证，不同用户类别对应不同的访问权限，船公司工作人员能够查看船舶的实时航行情况，海事监管机构工作人员能够接收并查看船舶发出的通航预警信息。
所述的全航次最优航速分析是指在船舶航行周期内，考虑到通航环境对船舶航行产生影响，可以通过最优航速搜索方法，得到既经济又可以确保船舶正点到达目的地的最优航速；所述最优航速搜索方法包括确定船舶准点到达所需的最低对岸航速、确定能效指数最高的船舶对岸航速、获取主机运行转速和最优航速的动态计算步骤。
本发明与现有技术相比具有以下主要的优点：
其一.所提供的船舶最优航速，既能确保船舶按照班期航行，又兼顾通航环境影响下的船舶节能航行，经过测算，船舶以该航速航行可以节约4％的燃油消耗，具体可以体现在三个方面：第一，船舶按照班期正点抵达目的港可以缩短码头停泊时间；第二，航行过程中能够以较为稳定的航速航行，避免盲目加车而增大油耗；第三，考虑了通航环境对船舶航行的影响，所提供的船舶最优航速为当前水流速度条件下百公里油耗最低的主机转速对应的航速。
其二.利用无线数据传输技术，用于船上监测传感器与能效控制器之间数据的传输以及船岸间数据的传输，船上无线数据传输可以解决有线数据传输常遇到的布线难题，船岸间无线数据传输能够使得岸上的远程监控中心能够实时的掌握船舶的运行情况，同时可以将船舶航行过程中的通航预警信息传送到海事监管机构，无线数据传输技术的应用使得船舶能效数据与通航环境数据的“实时采集-远程监控-通航预警”成为可能。
其三.既能够在通航环境发生异常时向船舶本地发出报警，又能够向海事监管机构提供通航预警信息，当船舶航行至水深较浅位置时，将向船舶驾驶台发出警报，提示驾驶人员及时调整船舶的航向；当船舶所处位置风速或者水流速度较大，威胁船舶航行安全时，将向船舶本地发出警报，同时传递给海事监管机构，以便向来的往船舶发布通航预警，提醒该区域船舶驾驶人员注意应对。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图。
图2为数据采集与传输单元结构示意图。
图中：1.数据接收节点；2.油耗仪数据发射节点；3.轴转速仪轴功率仪数据发射节点；4.气象仪数据发射节点；5.水深仪数据发射节点；6.水流速度仪数据发射节点；7.GPS仪数据发射节点；8.3G上网模块；9.太阳能电池板；10.蓄电池；11.蓄电池；12.油耗仪；13.轴转速仪；14.轴功率仪；15.气象仪；16.GPS接收仪；17.水深仪；18.水流速度仪；19.能效控制器。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明，但不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1.基于主机能效与通航环境的船舶航速优化装置
该装置能够得到一个既确保船舶按照班期航行、又兼顾通航环境影响下船舶节能航行的最优航速，可以指导船员驾驶船舶，提升船舶能效水平。
该装置的结构如图1、图2所示，由能效控制器19及与之分别以数据线相连的数据采集单元、数据传输单元、信息管理单元、航速分析单元组成。
所述数据采集单元由主机能效数据采集传感器和通航环境数据采集传感器组成，其中：主机能效数据采集传感器包括安装在主机尾轴上的轴转速仪13和轴功率仪14，以及安装在主机进油管路上的油耗仪12；通航环境数据采集传感器包括安装在船舶顶部的气象仪15和GPS接收仪16，以及安装在驾驶台的水深仪17和水流速度仪18。
所述数据传输单元的结构如图2所示，由船载数据无线传输模块与船岸数据无线传输模块组成，其中：船载数据无线传输模块由数据接收节点1、油耗仪数据发射节点2、轴转速仪轴功率仪数据发射节点3、气象仪数据发射节点4、水深仪数据发射节点5、水流速度仪数据发射节点6、GPS仪数据发射节点7组成；船岸数据无线传输模块为3G上网模块8。数据接收节点1、3G上网模块8通过数据线与能效控制器连接。位于顶层甲板的气象仪15及其数据发射节点4、GPS接收仪16及其数据发射节点7由太阳能电池板9和蓄电池10供电。安装在尾轴上随该轴转动的轴转速仪13和轴功率仪14共用一套数据发射节点3，由绑在尾轴上的蓄电池11供电。油耗仪数据发射节点2、水深仪数据发射节点5、水流速度仪数据发射节点6由船上自有电网供电。
所述信息管理单元由船载C/S架构终端软件(以下简称船载监控软件)和远程监控终端组成，其中：船载监控软件安装在以工控机为控制核心的能效控制器19上；远程监控终端为基于WEB的B/S架构的远程监控终端，岸上的远程监控中心和海事监管机构通过登录远程监控终端，可以实时监控船舶的在航情况及接收船舶发出的通航预警信息。
所述航速分析单元是船载监控软件中计算最优航速的子模块，船载监控软件安装在能效控制器19的工控机上，工控机通过连接显示器、键盘与鼠标，实现人机交互；船舶开航前，通过键盘、鼠标向航速分析单元中录入船舶该航次班期信息，航速分析单元的最优航速计算结果通过显示器进行显示，从而建议船舶驾驶员以该航速驾驶船舶。
实施例2.基于主机能效与通航环境的船舶航速优化方法
该方法包括数据采集、数据传输、信息管理软件架构设计、协同模型建立、全航次最优航速分析步骤，具体如下：
1.数据采集：
所述数据采集是利用油耗仪12、轴转速仪13、轴功率仪14、气象仪15、水深仪17、水流速度仪18、GPS接收仪16获取船舶航行过程中的主机能效数据与通航环境数据，包括：船舶运行中的主机实时油耗、主机转速与轴功率、风速风向、航道水深、船舶对水航速、船舶对岸航速、船舶位置，监测传感器选用了当前的成熟技术。
2.数据传输：
数据传输为船载数据无线传输与船岸数据无线传输。
所述船载数据无线传输，其方法是：利用安装在能效控制器19与各个监测传感器之间的无线数据传输模块，将所采集到的主机实时油耗、主机转速与轴功率、风速风向、航道水深、船舶对水航速、船舶对岸航速、船舶位置，通过无线方式传输到能效控制器19。
所述船岸数据传输，其方法是：是指利用3G无线网络，将船舶本地的数据传输到远程监控中心的远程监控终端，在能效控制器19与远程监控中心、海事监管机构之间搭建无线数据交互网络。
3.信息管理软件架构设计：
信息管理软件包括船载监控软件与远程监控终端。
所述船载监控软件是基于C#开发的C/S结构软件，实现的功能包括：本地数据存储与上传、数据实时显示、最优航速计算、信息预报警；本地数据存储与上传功能可以将船舶本地所采集到的主机能效与通航环境数据保存在本地数据库中，同时，通过3G无线网络，将数据传输到远程监控终端的服务器上；数据实时显示功能可以将采集的各种数据以仿真仪表的方式动态的显示出来，使得界面更加直观友好；最优航速计算功能具有录入船舶班期、计算并显示最优航速及对应的主机转速；信息预报警功能可以发布船舶本地报警及向海事监管机构提供通航预警信息，当船舶航行至水深较浅位置时，将向船舶驾驶台发出警报，提示驾驶人员及时调整船舶的航向；当船舶所处位置风速或者水流速度较大，威胁船舶航行安全时，将向船舶本地发出警报，同时传递给海事监管机构，以便向来往往船舶发布通航预警，提醒该区域船舶驾驶人员注意应对。
所述远程监控终端为基于WEB的B/S架构，船舶本地的数据通过3G网络可以实时的传输到该远程监控终端；用户通过互联网登录此终端，需要经过用户身份认证，不同用户类别对应不同的访问权限，船公司工作人员经过认证登录后，能够查看船舶的实时航行情况，海事监管机构工作人员经过认证登录后，能够接收并查看船舶发出的通航预警信息。
4.协同模型建立：
该协同模型是基于主机能效与通航环境的协同模型，建立协同模型的方法是：通过采集大量的主机能效数据和通航环境数据，并对其进行回归分析，得到船舶在不同主机转速、不同水流速度条件下的能效指数值集合，并作二元非线性回归分析，得到能效指数值E与主机转速n、水流速度V水之间的数学关系式：
E＝f(n,V水) (1)
该数学关系式即为基于主机转速与水流速度的协同模型。
所述能效指数值，对于营运中的船舶来说主要指的是船舶能效营运指数(EEOI)。根据IMO环境保护委员会给出的定义，EEOI主要与总耗油量、选用燃料的含碳量、所载货物重量以及航行距离有关。对于航线和航次都确定的船舶而言，能效指数值即体现为主机的油耗。
5.全航次最优航速分析：
所述全航次最优航速分析是指在船舶航行周期内，考虑到通航环境对船舶航行产生影响，通过最优航速搜索方法，得到既经济又可以确保船舶正点到达目的地的最优航速。
所述最优航速搜索方法，其包括以下步骤：
(1)确定船舶准点到达所需的最低对岸航速：
船舶开航前，将船舶该航次的班期信息录入到船载监控软件航速分析单元内，在航船舶在规定班期内抵达目的地需要满足一个最低船舶对岸航速，例如，船舶在2天时间内从港口A出发前往港口B，开航前，驾驶人员在船载监控软件上设定本航次的目的地B以及要求抵达的时间。航行过程中，根据船舶当前所处位置信息、全航次航道里程表，就可以计算得到该航次剩余航行距离，进而可得到该位置的船舶准点到达所需的最低对岸航速V1。
所述航道里程表为预先测绘完成并导入在船载监控软件服务器上的航道里程数据库，可以根据航道范围内任意两点间的经纬度数据，查询两点间的航道距离。
(2)确定能效指数最高的船舶对岸航速：
基于主机能效与通航环境的协同模型，即数学关系式(1)，可以得到一定水流速度V水条件下使得船舶能效指数E最高的主机运行转速n2＝f-1(E,V水)；依据主机转速与船舶对岸航速的回归模型，即数学关系式(2)，得出当前能效指数最高的船舶对岸航速V2＝g(n2)。
所述一定水流速度条件下船舶能效指数最高的主机运行转速，指的是当前水流条件下主机油耗最低的主机运行转速。
所述回归模型是：对采集的大量主机转速数据和船舶对岸航速数据进行回归分析，建立起主机转速与船舶对岸航速的数学关系式。
该主机转速n与船舶对岸航速V的数学关系式为：
V＝g(n) (2)
(3)获取主机运行转速：
通过比较最低船舶对岸航速V1与能效指数最高的船舶对岸航速V2来获取主机运行转速：
当前者较大时，依据主机转速与船舶对岸航速的回归模型，软件输出转速为前一个对岸航速对应的主机运行转速n1＝g-1(V1)；
当前者较小时，软件输出转速则为当前通航环境件下能效指数最高的主机运行转速n2。
(4)最优航速的动态计算：
船舶航行由于受到外界通航环境因素的影响，航行状态不断发生改变，因此每隔一定时间，需要重复上述步骤，计算下一位置的最低船舶对岸航速与下一位置的能效指数最高的船舶对岸航速，并进行判断和得到对应的主机转速。
Claims (9)
1.一种基于主机能效与通航环境关系的船舶航速优化装置，其特征是该装置由能效控制器(19)及与之分别以数据线相连的数据采集单元、数据传输单元、信息管理单元、航速分析单元组成。
2.根据权利要求1所述的基于主机能效与通航环境关系的船舶航速优化装置，其特征是所述数据采集单元由主机能效数据采集传感器和通航环境数据采集传感器组成，其中：主机能效数据采集传感器包括安装在主机尾轴上的轴转速仪(13)和轴功率仪(14)，以及安装在主机进油管路上的油耗仪(12)；通航环境数据采集传感器包括安装在船舶顶部的气象仪(15)和GPS接收仪(16)，以及安装在驾驶台的水深仪(17)和水流速度仪(18)。
3.根据权利要求1所述的基于主机能效与通航环境关系的船舶航速优化装置，其特征是所述数据传输单元由船岸数据无线传输模块与船载数据无线传输模块组成，其中船岸数据无线传输模块为3G上网模块(8)。
4.根据权利要求3所述的基于主机能效与通航环境关系的船舶航速优化装置，其特征是所述船载数据无线传输模块由数据接收节点(1)、油耗仪数据发射节点(2)、轴转速仪轴功率仪数据发射节点(3)、气象仪数据发射节点(4)、水深仪数据发射节点(5)、水流速度仪数据发射节点(6)、GPS仪数据发射节点(7)组成，其中：数据接收节点(1)、3G上网模块(8)通过数据线与能效控制器连接；位于顶层甲板的气象仪(15)及其数据发射节点(4)、GPS接收仪(16)及其数据发射节点(7)由太阳能电池板(9)和蓄电池(10)供电；安装在尾轴上随该轴转动的轴转速仪(13)和轴功率仪(14)共用一套数据发射节点(3)，由绑在尾轴上的蓄电池(11)供电；油耗仪数据发射节点(2)、水深仪数据发射节点(5)、水流速度仪数据发射节点(6)由船上自有电网供电。
5.根据权利要求1所述的基于主机能效与通航环境关系的船舶航速优化装置，其特征是所述信息管理单元由船载监控软件和远程监控终端组成，其中：船载监控软件为船载C/S架构终端软件，该船载监控软件安装在以工控机为控制核心的能效控制器(19)上；远程监控终端为基于WEB的B/S架构的远程监控终端，岸上的远程监控中心和海事监管机构可以通过互联网登录远程监控终端。
6.根据权利要求1所述的基于主机能效与通航环境关系的船舶航速优化装置，其特征是所述航速分析单元是信息管理单元的船载监控软件中计算最优航速的子模块，船载监控软件安装在能效控制器(19)的工控机上，工控机通过连接显示器、键盘与鼠标，实现人机交互；船舶开航前，通过键盘、鼠标向航速分析单元中录入船舶该航次班期信息，航速分析单元的最优航速计算结果通过显示器进行显示，从而建议船舶驾驶员以该航速驾驶船舶。
7.一种基于主机能效与通航环境关系的船舶航速优化方法，其特征是该方法包括数据采集、数据传输、信息管理软件架构设计、协同模型建立、全航次最优航速分析，其中：所述数据采集是获取船舶航行过程中的主机能效数据与通航环境数据；所述数据传输包括船载数据无线传输与船岸数据无线传输；所述信息管理软件架构设计包括船载监控软件架构与远程监控终端的设计；所述协同模型建立是指对大量的主机能效数据和通航环境数据进行回归分析，得到船舶在不同主机转速、不同水流速度条件下的能效指数集合，并作二元非线性回归分析，建立起主机能效与通航环境协同模型；所述全航次最优航速分析是指在船舶航行周期内，考虑到通航环境对船舶航行产生影响，通过最优航速搜索算法，得到既经济又可以确保船舶正点到达目的地的最优航速。
8.根据权利要求7所述的基于主机能效与通航环境关系的船舶航速优化方法，其特征是所述的信息管理软件架构设计包括船载监控软件架构与远程监控终端的设计；所述船载监控软件架构设计包含通航信息预报警功能设计，该船载监控软件可以发布船舶本地报警及向海事监管机构提供通航预警信息，当船舶航行至水深较浅位置时，将向船舶驾驶台发出警报，提示驾驶人员及时调整船舶的航向，当船舶所处位置风速或者水流速度较大，威胁船舶航行安全时，将向船舶本地发出警报，同时传递给海事监管机构，以便向来往往船舶发布通航预警；所述远程监控终端设计包含用户登录与权限设计，用户通过互联网登录此终端，需要经过用户身份认证，不同用户类别对应不同的访问权限，船公司工作人员能够查看船舶的实时航行情况，海事监管机构工作人员能够接收并查看船舶发出的通航预警信息。
9.根据权利要求7所述的基于主机能效与通航环境关系的船舶航速优化方法，其特征是所述的全航次最优航速分析是指在船舶航行周期内，考虑到通航环境对船舶航行产生影响，通过最优航速搜索方法，得到既经济又可以确保船舶正点到达目的地的最优航速；所述最优航速搜索方法包括确定船舶准点到达所需的最低对岸航速、确定能效指数最高的船舶对岸航速、获取主机运行转速和最优航速的动态计算步骤。
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