CN104508427A - 用于确定用于船只的路线的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定用于船只的路线的计算机实现的方法。该方法包括定义船只的一个或多个性能变量和影响性能变量的动态输入参数的步骤。获得在船只的操作期间来自传感器的测量结果和船只操作的信息并产生动态输入参数的集合。通过定义性能变量与动态输入参数之间的一个或多个关系来创建用于模拟船只的性能的模型。选择要在模型中优化的所述性能变量中的一个或多个以用于确定用于船只的路线。通过将新的测量结果用于产生要在模型中使用的新的输入参数的集合并使用其值取决于路线的一个或多个所选性能变量而针对船只性能来计算模拟结果。找到对于其而言船只性能的模拟结果满足针对所选性能变量设定的一个或多个标准的路线。连同接收新输入数据连续地更新该优化结果以用于确定与用于优化结果的设定标准具有更好符合性的路线。本发明还涉及一种用于执行此类方法的系统和计算机程序。

Description

用于确定用于船只的路线的方法和系统

技术领域

本发明涉及一种用于用于船只的路线的优化的方法和系统及计算机程序。

背景技术

在远洋船中，使用例如油或有时天然气之类的燃料作为能源并使用柴油引擎作为主引擎。在大型海船中，可存在使船的发电机或主推机器旋转的若干柴油引擎。燃料在港中或在航行期间通过燃料车（fuel tanker）输送给海船。还可能存在可用的不同种类的燃料和并行地且同时地驱动的若干柴油引擎。

功率产生和推进系统已经是用于连续调整、控制和监视以便实现最佳效率的目标。功率控制是船只的控制系统的基本部分。同样地，控制推进系统以通过使用可用电和/或初级能量（primary energy）来产生所需功率。然而，在实践中，能量的充足性不如设备及其控制系统的效率那么关键。

通过控制船上的单独设备的功率，可以高效地且经济地消耗能量。这例如适用于单独推进单元、泵送设备、照明和加热设备及其他辅助设备。

很多因素影响海船的总能量效率且应在船只的动力设备的优化和配置、燃料类型的选择、船只的调平和横倾及规划的路线中考虑在内。

用于路线优化的当前解决方案通常基于简单的船体和风组模型。

由美国专利7,774,107提出了一种更高级的解决方案，其提出了一种用于借助于导航控制方法来引导例如船只的移动平台的方法和一种用于沿着路线模拟比如天气预报的预测条件使得可以将遭遇的可能条件考虑在内的方法。

日本专利文献62279195的解决方案涉及由根据天气、海洋天气、海图信息和推进性能来规划获得最大能量节省的航线的导航程序控制设备来将操舵控制和主引擎控制集成。

WO公开2008/096376提出了一种依赖于预定能量使用模型和接收的环境条件的路线选择方法。

本发明的目的是开发用于路线优化的多功能和多目的方法。

在本申请中使用的术语

在申请正文中使用以下术语

调平（TRIM）：纵向（俯仰）方向上的船只的浮动倾度，即船只的船头和船尾的下沉之间的差。

横倾（LIST）：横向（滚转）方向上的船只的浮动倾度。

吃水深度（DRAFT）：船只的船身中部下沉。

浮动位置（FLOATING POSITION）：调平、吃水深度或横倾或调平、吃水深度和横倾的任何组合。浮动位置影响船只的排量（displacement）、湿表面和水阻力。

动力设备配置（POWER PLANT CONFIGURATION）：不同功率发生和消耗设备（例如柴油发电机、轴发电机、废热回收系统等）之间的负载的共享/分配。

最优动力设备配置（OPTIMAL POWER PLANT CONFIGURATION）：履行诸如燃料消耗、排放等优化标准的不同功率发生和消耗设备之间的负载的分配。

船只行为/船只性能（SHIP BEHAVIOUR/SHIP PERFORMANCE）：描述船只的实际功能，包括例如船只的移动、能量消耗、燃料消耗以及排放。

船只操作（SHIP OPERATION）：描述了船只的机动和操舵及控制动作以便驱动引擎和电气设备并使船只移动。

船（VESSEL）与船只（SHIP）以同义词方式使用

海洋状况（SEA STATE）：由浪高、波浪周期、波浪方向、涌浪、风致波浪（wind-induced wave）等确定的海洋状况。

发明内容

用于船只路线的确定的本发明的计算机实现的方法包括定义船只的一个或多个性能变量和影响该性能变量的动态输入参数的步骤。获得在船只的操作期间来自传感器的船只操作信息和测量结果并产生动态输入参数的集合。通过定义性能变量与动态输入参数之间的一个或多个关系来创建用于模拟船只的性能的模型。选择要在模型中优化的所述性能变量中的一个或多个以用于确定用于船只的路线。通过将新的测量结果用于产生要在模型中使用的新的输入参数的集合并使用其值取决于路线的一个或多个所选性能变量而针对船只性能来计算模拟结果。找到对于其而言船只性能的模拟结果满足针对所选性能变量设定的一个或多个标准的路线。连同接收新输入数据连续地更新该优化结果以用于确定与用于优化结果的设定标准具有更好符合性的路线。

用于路线优化的船只中的本发明的系统包括处理器单元，其具有通过定义性能变量与影响性能变量的动态输入参数之间的一个或多个关系来模拟船只的性能的模型。该模型具有用于在船只的操作期间从传感器获得测量结果和船只操作信息且用于连同接收新的输入数据连续地更新模拟结果以便找到与用于优化结果的设定性能标准具有更好符合性的路线的装置。也包括在系统中的计算单元具有用于相对于一个或多个所选性能变量来优化不同路线的装置。此外，计算单元具有用于确定路线的装置，该路线的模拟结果针对期望的性能变量被优化。该系统还包括具有用于向模型发送描述测量结果的信号的装置的传感器。

本发明的计算机程序产品在船只中的处理器单元中运行，由模拟船只性能的模型组成。该模型定义关于船只性能的变量与呈现所述变量所依赖的动态输入参数的参数之间的关系。计算机程序产品执行步骤：在船只的操作期间从传感器获得船只操作信息和测量结果以用于产生动态输入参数的集合，选择要在模型中优化以用于确定用于船只的路线的所述性能变量中的一个或多个，计算用于船只性能的模拟结果，由此，要在计算中使用的动态输入参数基于新的测量结果且所述一个或多个所选性能变量基于不同的路线，找到对于其而言船只性能的模拟结果满足针对所选性能变量设定的一个或多个标准的路线，并且连同接收新的输入数据连续地更新模拟结果以便找到与用于优化结果的设定性能标准具有更好符合性的路线。

计算单元和模型的功能被处理单元通过一个计算机程序或多个程序处理。在一个实施例中，由两个程序来执行方法步骤，由此，由一个程序来执行模拟并由另一程序来执行优化。

本发明的优选实施例具有从属权利要求的特性。

优选地由于已更新模拟结果而更新路线。该方法可能涉及到一步骤，其中，基于满足用于所选性能变量的优化标准的模拟结果来定义若干路线候选，由此，通过选择路线候选中的一个来执行所执行路线的确定。在实践中，所确定的所选路线使用于至少一个所选性能变量、诸如燃料或能量消耗的值最小化。

本发明使得可能基于模型而且还基于某些限制对每个时刻执行导致优化解决方案的此类控制动作（针对例如速度或方向）。本发明的方法给出控制动作和路线两者。然后可以在其后或同时地优化不同过程的定时，例如水生产等。

优化系统使用船只模型（或船模），其基于用于借助于传感器信号来获得动态输入参数的数据的满标度船上测量。可以使用测量系统来提供输入。可以使用能够捕捉性能变量、诸如船只推进功率消耗与输入参数之间的关系的自学算法基于以上测量的船上数据来训练模型。

在某些实施例中，在训练时段期间且在操作时段期间基于多个测量数据来改变变量和参数以及它们的关系。所述变化和所述训练时段与所述操作时段之间的过渡是在有或没有人的交互的情况下由所实现的方法确定的。

本发明提供了一种通过使用基于被用作输入的实际测量数据的船模来找到优化所选标准的起点与终点之间的最佳路线的方式。这样，与传统方法所做的相比，可以相对于满足性能标准而更好地且更准确地确定用于船只的路线。

当计算最佳路线时，模型将使船移动所需的能量以及辅助能量消耗考虑在内，两者都取决于外部操作条件且因此还有所选的路线。影响船只性能的操作条件被以更多变的方式考虑在内，诸如船上的辅助设备的能量消耗的因素。所选路线及所需推进和辅助功率确定可以用来产生淡水（fresh water）和蒸汽的废热的量。可以预测航行期间的废热量并相对于计算用以产生蒸汽、淡水等的最佳时间而优化废热的回收。因此如果期望的话，提出的优化系统还可以优化蒸汽和淡水产生以及使用废热来使用热（或从热能产生的电能）的其他过程，使得这些不需要用单独的燃油燃烧器或电来产生。

在本发明中使用的模型优化燃料消耗、能量消耗和/或在规划路线时的材料流程的后勤（logistics）。用于优化的其他标准可能是速度、时间、距离以及船只运动。

根据组成要馈送到模型中的动态输入参数的大量数据来规划燃料消耗、船只运动和航行，动态输入参数诸如船只特性、天气和海洋条件、天气数据、海流、海洋深度、海面状况、环境温度、海水温度、空气湿度、日间时和/或操作条件，诸如船只运动、浮动位置、负载条件、调平、推进系统、船只的速度、燃料成本、效率曲线、排放值和/或操作模式。

本发明的技术方案通过使用满标度模型来优化船或船只的航行路线，其

（i）基于实际满标度操作数据（实际测量）

（ii）随着船只的技术条件改变而调整其本身（例如在推进器改变时或者当发生某个其他此类维护动作时）发生或由于保养等而存在中断）

（iii）包括用于推进系统的预测模型（移动船只）以及例如相对于操作条件的主要辅助消耗设备

（iv）包括作为能量产生的函数的用于燃料消耗的预测模型

在下文中，通过借助于附图的某些详细实施例来描述本发明，本发明不限于实施例。

附图说明

图1以框图形式呈现了本发明的实施例。

图2呈现了本发明的流程图。

具体实施方式

图1以框图形式呈现了本发明的实施例。其图示出根据本发明的船只性能的模型的创建和如何在模型的创建中考虑船上条件。意图是找到控制动作，诸如速度和航线的序列，其导致最佳地满足针对船只性能设定的优化标准的从起点A至终点B的用于船只的路线。

该路线必须在某个标准内，诸如在公差内要满足的优化标准。该路线还可能具有关于例如水深排放的不同限制以及相对于例如用于途中的点的到达时间和时间窗进行定义的时间调度，诸如航道的使用（其必须被预先预留）等。可以存在不同的优化标准，由此还通过优化而提出不同的路线。

模拟模型被用于路线确定，该模型模拟船只的性能并描述不同的外部条件下的能量消耗、燃料消耗、船只运动以及船只操作等。因此，该模型定义操作期间的与船只有关的变量（诸如能量负载和能量分配）与呈现所述变量所取决于的动态输入数据的参数之间的关系。

通过使用呈现动态输入数据、限制和优化标准的所述参数，找到最佳地满足优化标准的一个或多个路线。除优化路线之外，在本发明的方法中可以获得即时目标速度、推进器的操作速度和船只的航线，由此，船长能够操作船只。

可以在航行期间更新路线，并且可以连同用来获得新的模拟结果的新输入数据参数建议替代路线。

图1的框图图示出在模拟结果的更新中和优化中考虑的输入数据。附图由表示机器、传感器、控制和管理单元以及数据处理单元的方框组成。来自方框的箭头描述方框的输出且到方框的箭头描述方框的输入。

参考数字2、3和4：能量消耗的输入

船只中的能量消耗设备是与推进能量有关的那些，其职责是将船只从出发港口移动并引导至目的港。其他能量消耗设备部分地独立于船只的移动，诸如用于照明和泵送的辅助设备、用于生产和处理干净水的装置、废水处理、蒸汽产生、用于船上厨房过程的设备、HVAC（供暖、通风和空调）等。

例如与船只的能量消耗有关的若干变量和参数在船只的实际操作中以及船上的不同引擎和辅助设备上的能量负载的分配中被考虑在内。

能量消耗不仅由不同设备的共同作用确定，而且还受到诸如天气和海流、波浪、海洋深度之类的船只操作期间的外部条件以及受到操作参数的影响，该操作参数诸如速度、排放目标、操作小时以及操作模式，比如港中的行驶、公海行驶或机动行驶，其具有不同种类的需要。

发电/电气系统单元2针对船只的需要产生所需功率，并产生用于推进器的推进功率。因此，发电/电气系统单元向推进单元3并且向用符号表示为辅助单元4的所有功率消耗设备供应能量。

在创建用于船只性能的模拟模型中，来自发电/电气系统单元2的信息将被传输到处理器单元1用于创建模型以获得从负载点到可用功率的所有基本数据以便找到用于系统上的正确能量平衡的模型。例如，决定发电机的数目以在模拟模型中尽可能高效地产生所需功率。

参考数字7：路线信息的输入

路线信息7、诸如港口数据给出关于从起点至目的地的港口和这些点之间的任何中间点的可用信息。可以计算考虑输入数据和海船在从起点至终点的航行期间将面对的外力的路线规划以及用于在船只的当前操作中要使用的能量消耗的估计。此信息并不是模拟所需的而是在优化中使用的，其中需要时间调度和航线点的信息。

参考数字8：海洋测量和预报的信息的输入

在模型中还将海洋测量和预报的信息8考虑在内，诸如天气预报、实际天气信息、海面状况（例如波浪）、环境温度、海水温度、空气湿度、海流数据、海洋深度和日间时以及给出地形数据的电子海图14。

参考数字9：速度数据的输入

在模型9的创建和模拟中将速度数据考虑在内。

参考数字11：操作模式的输入

操作模式11由定义海船根据其进行操作的特定细节的数据和指令组成，例如公海模式或港口模式，如果这些能够预先预测的话。

参考数字15：船只运动的输入

船只运动是操作条件13的示例但在这里具有自己的参考数字。

参考数字13：其他操作条件的输入

其他操作条件13包括浮动位置（例如调平、横倾和吃水深度）以及推进系统信息。

参考数字12：其他操作小时的输入

操作小时12定义不同操作模式的持续时间及它们的序列，并且还可以在初始模型中使用。

参考数字10：燃料成本的输入

燃料成本10给出要使用的燃料类型和过程。

参考数字6：燃料质量的输入

燃料/燃料质量单元6具有对例如排放有影响的可用燃料及它们的特性的信息。

参考数字5：来自引擎的输入

此外，模拟模型1可以具有来自引擎5的输入，该输入由实际速度/功率值组成，其在航行期间将改变若干次，例如当船只改变航线或进入浅水中或海流改变时。每单位功率是船只速度的函数。来自引擎5的输入还由排放信息组成，由此，引擎的排放被输入到模型，以便将排放与由规则或管理机构设定的排放目标相比较，并将排放的量限制在目标值以下。

处理器1

用于模拟船只性能的单元1

用于优化的单元2。

在此图中由两个单独计算单元来处理模拟和优化的功能，但是其也可以由一个单元处理。

用于模拟模型的输入由在船只的操作期间来自船上传感器的信号连续地给出以用于获得以上输入信息。该信号直接地被处理器单元1接收，其创建并更新模型且处理输入数据。

所获得的信号表示在船只的操作期间连续地从传感器获得的测量结果，并被用于产生将在用于路线优化的更新中使用的新的动态输入数据的集合。然后通过在模拟模型中使用所述产生的新输入数据来计算用于船只性能的优化模拟结果，借助于此，如果结果与先前结果相比与设定优化标准更好地符合，则更新路线。

如果期望的话，可以通过重新定义性能变量与动态输入参数之间的关系连同通过在其中使用学习算法来获得新信息来改进该模型本身，所述学习算法能够连续递归地或基于分批地重新定义与功率消耗、船上能量消耗设备的能量平衡、燃料/功率消耗和/或船只运动有关的变量与变量所取决于的动态输入参数之间的关系，该动态输入参数是在船只的操作期间作为来自传感器的测量结果而获得的。这样，模型改进其本身（即是自动改进或自学习的。在递归方法中，仅用新数据来更新旧模型，并且在基于分批的方法中，每次仅仅再次训练模型且其包括旧数据和新数据两者。

通过使用如由传感器给出的新测量结果输入数据而在路线优化中考虑所述新输入数据，并且其包括之前所使用的相同种类的输入数据，即海洋信息8和路线数据7、港口数据、船只速度9、船只操作模式10、关于操作时间11、燃料成本10、操作条件13的信息和/或功率/速度信息以及来自引擎5的排放。当然，某些输入数据可能未改变。该模型可根据情况和实际条件而具有除这里提到的之外的其他输入。在某些实施例中，可能并非提到的所有这些输入在模型中都使用。所有变化都属于本发明的范围。

所创建的模型被用于相对于一个或多个优化性能变量的路线确定。这在图2中更详细地呈现。

图2以流程图的形式呈现本发明。

本发明利用描述船只性能的模拟模型来确定相对于给定性能变量被优化的路线。

必须找到在定义限制内使给定标准最小化的路线。可以不仅为船只的船长或其他人提供最佳路线的信息，而且提供关于在给定区域上要使用的速度、航线、要使用的操作速度、动力设备的设置、推进器螺距等的信息。最重要的因数是关于在特定时间要使用的速度。用户、例如船长还可以获得相对于航线、速度、推进器操作速度和预测的调整的信息。

意图是找到一系列控制动作，诸如速度和航线，其导致最佳地满足针对船只性能设定的优化标准的从起点A至终点B的用于船只的路线。船长在航行期间获得新的信息并可以从最初的规划更新和改变路线，如果本发明的系统建议这样做的话。

在本发明的方法中，因此在步骤1中定义一个或多个性能变量和影响性能变量的动态输入参数。结合图1提出了可能的输入参数，诸如天气和海洋数据、船只速度、燃料成本、关于操作模式和条件及操作小时的信息以及以能量和燃料消耗数据的形式来自引擎的信息和关于排放和目标排放的信息。

处理器单元在步骤2中的船只操作期间从传感器获得测量结果以用于产生将被用于创建模拟模型的初级动态输入参数的集合。在实践中，从船只或其他相当船只的一个或多个先前航行获得在船只操作期间来自传感器的测量结果。替代地，可以基于以另一方式或在预测中收集的早先知识来产生动态输入参数的集合。

为了创建描述船只操作的模拟模型，本发明的系统在步骤3中使用学习算法，其定义初级输入参数与此类定义描述相关性的函数的性能变量之间的这些相关性。

然后在步骤4中选择一个或多个性能变量以在模型中优化以用于确定用于船只的路线。

然后在步骤5中使用该模型用于计算用于船只性能的模拟结果，由此要在计算中使用的动态输入参数是基于来自传感器的新测量结果且所述一个或多个所选性能变量是基于不同的路线。

在步骤6中找到对于其而言船只性能的模拟结果满足针对所选性能变量设定的一个或多个标准的路线。

可选地，在步骤7中，确定用于控制性能变量的指令。

可以相对于在模型中考虑的一个或多个任何变量来优化路线。

Claims (15)

1. 一种用于用于船只的路线的优化的计算机实现的方法，

a）定义船只的一个或多个性能变量和影响性能变量的动态输入参数，

b）通过定义性能变量与动态输入参数之间的一个或多个关系来创建用于模拟船只的性能的模型，

c）在船只操作期间从传感器获得船只操作和测量结果的信息以用于产生的新的动态输入参数的集合，

d）选择要优化的所述性能变量中的一个或多个用于确定用于船只的路线，

e）将该模型用于计算用于船只性能的模拟结果，由此，要在计算中使用的动态输入参数是基于测量结果的且所述一个或多个所选性能变量的值取决于路线，

f）找到对于其而言船只性能的模拟结果满足针对所选性能变量设定的一个或多个标准的路线，

g）在操作期间连续地更新模拟结果连同接收新的测量结果以便找到与用于优化结果的设定性能标准具有更好的符合性的路线。

2. 权利要求1的方法，其特征还在于步骤g）其中作为步骤f）的结果而更新路线。

3. 权利要求1或2的方法，其特征还在于被用于创建模型的动态输入参数是基于在船只的实际操作期间来自传感器的测量结果。

4. 权利要求1、2或3的方法，其特征还在与在步骤e）和f）之间的另一步骤，其中，基于满足不同优化标准的模拟结果来提出若干路线候选。

5. 权利要求1、2、3或4的方法，其特征还在于准备用于船只的操作的指令。

6. 权利要求1、2、3、4或5的方法，其特征在于设定性能标准由在公差内要满足的用于船只操作的优化目标组成。

7. 权利要求1、2、3、4、5或6的方法，其特征在于设定性能标准另外由关于水深、排放和/或定义用于途中的点的到达时间或时间窗的时间调度的约束组成。

8. 权利要求1、2、3、4、5、6或7的方法，其特征在于所述所选性能变量由预测的能量平衡、预测的燃料消耗、动力设备的预测的能量消耗、推进以及辅助设备、预测的船只运动、废热的量和回收、距离以及时间中的至少一个组成。

9. 权利要求1、2、3、4、5、6、7或8的方法，其特征在于所述动态输入参数由船只操作期间的外部条件和/或操作条件的信息组成，外部条件诸如海洋信息，例如天气数据、海流、海洋深度、海面状况、环境温度、海水温度、空气湿度、日间时，操作条件诸如船只运动、例如调平、横倾和吃水深度的浮动位置、推进系统、船只的速度、方向舵动作、燃料成本、关于功率和速度的效率曲线、排放值、船只推进的状态、辅助和机动设备和/或操作模式。

10. 权利要求1、2、3、4、5、6、7、8或9的方法，其特征在于在步骤e）中选择使用于至少一个所选性能变量的值最小化的路线。

11. 权利要求1、2、3、4、5、6、7、8或9的方法，其特征在于如果满足用于至少一个所选性能变量的期望值，则所述确定的路线在给定公差内满足优化。

12. 权利要求3、4、5、6、7、8、9、10或11的方法，其特征还在于通过在其中使用自学习算法而在使用之前获得新信息之后改进该模型，所述自学习算法连续地重新定义与功率消耗、船上能量消耗设备的能量平衡、燃料/功率消耗和/或船只运动有关的性能变量与性能变量所取决于的动态输入参数之间的关系，该动态输入参数是在船只的操作期间作为来自传感器的测量结果而获得的。

13. 权利要求1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11或12的方法，其特征在于所述模型还包括诸如天气、海洋和交通预报之类的附加输入参数。

14. 一种用于路线优化的船只中的系统，该系统包括

a）通过定义性能变量与影响性能变量的动态输入参数之间的一个或多个关系来模拟船只性能的模型，该模型具有用于以下用于以下的装置

——在船只操作期间从传感器获得测量结果和船只操作的信息，以及

——连续地更新模拟结果连同接收新的测量结果以便找到与用于优化结果的设定性能标准具有更好符合性的路线，

b）计算单元，具有用于以下的装置

——相对于一个或多个所选性能变量来优化不同的路线，并且用于

——选择路线，其模拟结果针对所选性能变量而被优化，以及

c）传感器，具有用于向模型发送测量结果的信号的装置。

15. 一种在船只中的处理器单元中运行的计算机程序产品，由模拟船只的性能的模型组成，该模型定义与船只性能有关的变量与呈现所述变量所取决于的动态输入参数的参数之间的关系，并执行步骤

—在船只操作期间从传感器获得测量结果和船只操作的信息以用于产生动态输入参数的集合，

—选择要在模型中优化的所述性能变量中的一个或多个用于确定用于船只的路线，

—计算用于船只性能的模拟结果，由此要在计算中使用的动态输入参数是基于新的测量结果且所述一个或多个所选性能变量的值取决于不同的路线，

—找到对于其而言船只性能的模拟结果满足针对所选性能变量设定的一个或多个标准的路线，

—连续地更新模拟结果连同接收新的输入数据以便找到与用于优化结果的设定性能标准具有更好符合性的路线。