CN104595040A - 船舶节能航行的控制方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种船舶节能航行的控制方法及装置，其中，所述方法包括：逐渐变化船舶主机的瞬时供油量，分别计算每一瞬时供油量下航行预定路程所对应的油耗；计算出航行预定路程油耗最少的瞬时供油量，并以所述瞬时供油量进行航行。与现有技术相比，本发明的有益效果是：极大的减少了能源浪费，节约了航行成本。
Description
技术领域
本发明属于船舶航行技术领域，尤其是涉及一种船舶节能航行的控制方法及装置。
背景技术
随着我国和世界经济的发展，物流量不断增加，故船舶运输市场也随之不断发展壮大。对于海运企业，燃油成本是公司营运的主要成本，因此，研究船舶燃油节能新技术，进一步节省燃油消耗是十分重要的。降低船舶运行成本和做好节能减排工作十分重要，对于企业发展和自然环境的保护具有重要意义。
油是船舶航行开销的主要部分，因此，节油是船舶改进工作的一个非常重要的方面。节油后，船舶燃烧的各种燃料油就减少，排放的废气、废料也会减少，这对环境保护具有重要的意义；同时，节油后，船舶航行的成本也会降低。
现有船舶节能技术，主要有优化船舶设计进行节油，例如，采用效率较高的驱动装置和船体外形、提高船舶设备的性能等。
当然，现有技术中，也有通过航行控制进行节油的方法，例如降低船舶航行速度、采用定主机转速航行或定主机功率航行等。然而，不论哪种方式，均是通过人为经验对船舶主机进行配置，节油效果较差。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种船舶节能航行的控制方法及装置。
为实现上述发明目的之一，本发明一实施方式提供了一种船舶节能航行的控制方法，其包括：
逐渐变化船舶主机的瞬时供油量，分别计算每一瞬时供油量下航行预定路程所对应的油耗；
计算出航行预定路程油耗最少的瞬时供油量，并以所述瞬时供油量进行航行。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述方法还包括：
配置主机转速的上限值和下限值，以通过控制瞬时供油量控制所述主机在所述上限值和所述下限值的区间内运行。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述方法包括：
在常规航行时，当船舶在航行过程中所受阻力改变，且所受阻力的变化量大于等于预设阈值时，相应的改变所述船舶的运行参数；
若所述船舶所受阻力变小，则通过控制当前油门开度增加对船舶主机的瞬时供油量；
若所述船舶所受阻力变大，则通过控制当前油门开度减少对船舶主机的瞬时供油量。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述方法还包括：
若所述船舶所受阻力变小且变化量大于等于预设阈值时，则逐渐增加对所述船舶主机的瞬时供油量，并实时计算每一瞬时供油量下航行预定路程所对应的油耗，以找出航行预定路程油耗最少的优选瞬时供油量，并保持所述优选瞬时供油量继续航行，直至船舶所受阻力改变且变化量大于等于预设阈值；
若所述船舶所受阻力变大且变化量大于等于预设阈值时，则逐渐减小对所述船舶主机的瞬时供油量，并实时计算每一瞬时供油量下航行预定路程所对应的油耗，以找出航行预定路程油耗最少的优选瞬时供油量，并保持所述优选瞬时供油量继续航行，直至船舶所受阻力改变且变化量大于等于预设阈值。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述方法包括：
在常规航行时，实时检测船舶的对地速度和对水速度；
若所述船舶的对地速度快于对水速度，且两者速度的差值大于等于预设值，则通过控制当前油门开度增加对船舶主机的瞬时供油量；
若所述船舶的对水速度快于对地速度，且两者速度的差值大于等于预设值，则通过控制当前油门开度减少对船舶主机的瞬时供油量。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述方法具体包括：
若所述船舶的对地速度快于对水速度，则逐渐增加对所述船舶主机的瞬时供油量，并实时计算每一瞬时供油量下航行预定路程所对应的油耗，以找出航行预定路程油耗最少的优选瞬时供油量，并保持所述优选瞬时供油量继续航行；
若所述船舶的对地速度慢于对水速度，则逐渐减小对所述船舶主机的瞬时供油量，并实时计算每一瞬时供油量下航行预定路程所对应的油耗，以找出航行预定路程油耗最少的优选瞬时供油量，并保持所述优选瞬时供油量继续航行；
重复执行上述步骤。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述方法包括：
实时检测船舶的对地速度；
常规航行时，在相同瞬时供油量下，
若所述船舶的对地速度变大，且当变化量大于等于预设值，则通过控制当前油门开度增加对船舶主机的瞬时供油量；
若所述船舶的对地速度变小，且当变化量大于等于预设值，则通过控制当前油门开度减少对船舶主机的瞬时供油量。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述方法包括：
若所述船舶的对地速度变大且变化量大于等于预设值，则逐渐增加对所述船舶主机的瞬时供油量，并实时计算每一瞬时供油量下航行预定路程所对应的油耗，以找出航行预定路程油耗最少的优选瞬时供油量，并保持所述优选瞬时供油量继续航行；
若所述船舶的对地速度变小且变化量大于等于预设值，则逐渐减小对所述船舶主机的瞬时供油量，并实时计算每一瞬时供油量下航行预定路程所对应的油耗，以找出航行预定路程油耗最少的优选瞬时供油量，并保持所述优选瞬时供油量继续航行；
重复执行上述步骤。
为实现上述发明目的之一，本发明一实施方式提供了一种船舶节能航行的控制装置，所述装置包括：
控制模块，用于逐渐变化船舶主机的瞬时供油量，
运算模块，用于分别计算每一瞬时供油量下航行预定路程所对应的油耗；以及计算出航行预定路程油耗最少的瞬时供油量，并以所述瞬时供油量进行航行。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述装置包括：
配置模块，用于配置主机转速的上限值和下限值，以通过控制瞬时供油量控制所述主机在所述上限值和所述下限值的区间内运行。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述装置包括：
监测模块，用于实时监测船舶在航行过程中所受阻力；
运算模块，用于判断所述船舶在所述航行过程中所受阻力是否改变，且所受阻力的变化量是否大于等于预设阈值；
控制模块，用于在常规航行时，若所述船舶所受阻力变小且变化量大于等于预设阈值，则通过控制当前油门开度增加对船舶主机的瞬时供油量；若所述船舶所受阻力变大且变化量大于等于预设阈值，则通过控制当前油门开度减少对船舶主机的瞬时供油量。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述控制模块用于：
若所述船舶所受阻力变小且变化量大于等于预设阈值时，则逐渐增加对所述船舶主机的瞬时供油量，并实时计算每一瞬时供油量下航行预定路程所对应的油耗，以找出航行预定路程油耗最少的优选瞬时供油量，并保持所述优选瞬时供油量继续航行，直至船舶所受阻力改变且变化量大于等于预设阈值；
若所述船舶所受阻力变大且变化量大于等于预设阈值时，则逐渐减小对所述船舶主机的瞬时供油量，并实时计算每一瞬时供油量下航行预定路程所对应的油耗，以找出航行预定路程油耗最少的优选瞬时供油量，并保持所述优选瞬时供油量继续航行，直至船舶所受阻力改变且变化量大于等于预设阈值。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述装置包括：
监测模块，用于实时检测船舶的对地速度和对水速度；
运算模块，用于计算所述船舶的对地速度和对水速度的差值；
控制模块，用于在常规航行时，若所述船舶的对地速度快于对水速度，且两者速度的差值大于等于预设值，则通过控制当前油门开度增加对船舶主机的瞬时供油量；若所述船舶的对水速度快于对地速度，且两者速度的差值大于等于预设值，则通过控制当前油门开度减少对船舶主机的瞬时供油量。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述控制模块用于：
若所述船舶的对地速度快于对水速度，则逐渐增加对所述船舶主机的瞬时供油量，并实时计算每一瞬时供油量下航行预定路程所对应的油耗，以找出航行预定路程油耗最少的优选瞬时供油量，并保持所述优选瞬时供油量继续航行；
若所述船舶的对地速度慢于对水速度，则逐渐减小对所述船舶主机的瞬时供油量，并实时计算每一瞬时供油量下航行预定路程所对应的油耗，以找出航行预定路程油耗最少的优选瞬时供油量，并保持所述优选瞬时供油量继续航行。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述装置包括：
监测模块，用于实时检测船舶的对地速度；
运算模块，用于判断在相同瞬时供油量下，所述船舶的对地速度的变化量是否大于等于预设值；
控制模块，用于在常规航行时，若所述船舶的对地速度变大，且当变化量大于等于预设值，则通过控制当前油门开度增加对船舶主机的瞬时供油量；若所述船舶的对地速度变小，且当变化量大于等于预设值，则通过控制当前油门开度减少对船舶主机的瞬时供油量。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述控制模块用于：
若所述船舶的对地速度变大且变化量大于等于预设值，则逐渐增加对所述船舶主机的瞬时供油量，并实时计算每一瞬时供油量下航行预定路程所对应的油耗，以找出航行预定路程油耗最少的优选瞬时供油量，并保持所述优选瞬时供油量继续航行；
若所述船舶的对地速度变小且变化量大于等于预设值，则逐渐减小对所述船舶主机的瞬时供油量，并实时计算每一瞬时供油量下航行预定路程所对应的油耗，以找出航行预定路程油耗最少的优选瞬时供油量，并保持所述优选瞬时供油量继续航行。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：极大的减少了能源消耗，节约了航行成本。
附图说明
图1为现有技术中船舶定主机转速航行时船舶加速示意图。
图2为现有技术中船舶定主机功率航行时船舶加速示意图。
图3为本发明第一实施方式中船舶节能航行的控制方法的流程图。
图4为本发明第二实施方式中船舶节能航行的控制方法的流程图。
图5为本发明第三实施方式中船舶节能航行的控制方法的流程图。
图6为本发明第四实施方式中船舶节能航行的控制方法的流程图。
图7为本发明第五实施方式中船舶节能航行的控制方法的流程图。
图8为本发明第六实施方式中船舶节能航行的控制方法的流程图。
图9为本发明一实施方式中船舶节能航行的控制装置的模块图。
图10为利用本发明船舶节能航行的控制方法及装置在实际船舶航行时的航行趋势图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细描述。
当船舶主机产生的动力不变时，船的速度取决于其自身所受的阻力。当船舶在流水中航行时，只要船的对水速度等于在静水中航行的速度时，所受的阻力最小。
一艘船从A点到B点，行驶一个全航程，在船行进过程中会受到阻力。其中，水阻、风阻是船行进过程中受到的主要阻力。
一艘船所受到的水阻力与船和水的相对速度有关，还与受水面积有关；所受到的风阻力与船和风的相对速度有关，还与受风面积有关。对于一艘船来说，其受水面积和受风面积是定值。根据阻力运算公式：
可以计算出船舶所受的水阻力和风阻力；式中是船舶对水或对风的阻力系数；是船体受水或受风面积，也是常数，是船舶对水或对风的相对速度。
在静水模型下，水为静水，即水的绝对速度为0；风为无风，即风力等级为0。则根据公式：可以计算出船舶所受阻力。
其中，式中是船舶对水的阻力系数，是船舶对风阻力系数，是常数；是船体受水面积，是船体的受风面积，也是常数，是船舶对水或对风的相对速度，在这里也是对地的绝对速度。
这时的阻力做功：，代表船舶航行的路程。
根据上述阻力的计算公式，可以知道静水模型下，加速就会增加阻力，减速会减小阻力。
在流水情况下，存在水流绝对速度。假设水流速度在前一半路程和船航行方向相同，在后一半路程和船航行方向相反，且水流速度大小不变。船舶全航程的对地速度为。则在前一半路程上的阻力做功为：
，式中为船舶的对水阻力系数，为受水面积。在后一半路程上的阻力做功为：
，在不考虑风阻的情况下，总阻力做功为：
，
在这种情况下，我们调节船的行进速度，具体方法是在顺水时加速，在逆水时减速。这样做之后，则在前一半路程上的阻力做功为：
，
在后一半路程上的阻力做功为：
，
总阻力做功为：
我们用和相减，整理之后得到：
，
这是一个二次函数，且二次项系数大于0，所以有极小值。经过变形后得到
，
所以当时取极小值为：
，减少的百分比为：
。
在此基础上，我们再考虑风阻做功，我们假设在全航程的航行中风的方向始终不变并且大小也不变，所以风可以顺着航行方向，也可以逆着航行方向。风阻做功可以表示为:
，式中的为船舶对风阻力系数，为受风面积。
所以这时总阻力做功为：
，其中的代表逆风，代表顺风。
在这种情况下，我们调节船的行进速度，具体方法是在顺水时加速，在逆水时减速。除了改变水阻做功外，全航程上风阻做功为：
，总阻力做功为：
，我们用和相减，整理之后得到：
这是一个二次函数，且二次项系数大于0，所以有极小值。经过变形后得到
，
所以当时取极小值为：
，减少的百分比为：
。
现有技术的定主机转速航行（即是船舶对水的定船速航行），在不不考虑风的影响下，船舶主机选定一个经验转速。这个经验转速在静水中就有一个稳定的船速。当船舶遇到顺流时，由于船舶受到的阻力减少，船速加快；在遇到逆流时，由于船舶受到的阻力增加，船速减慢。
这时当船在前半程的绝对速度等于该转速下的船舶速度加上水流速度，在后半程的绝对速度等于该转速下的船舶速度减去水流速度时，船舶在全航程受到的阻力最小。
为主机的动力，是个定值，是阻力，为船舶总质量，为加速度。
然而，由于船舶的总质量大，惯性就大，在顺流时由于阻力相对是比较小的，所以船舶的加速度就很小，并且由于船速的加快，阻力也就增加，加速度就变小，所以加速过程就长，从理论计算可以得出，如图1所示，加速到速度增加值等于水速时需要无穷时间。
当遇到水流变化时，即由顺水转变成逆水时，船舶由于惯性的存在，船舶虽然在减速，由于减速度较小，船舶从原来的速度减少到经验转速下的速度，然后再减小，减少值为2倍的，需要很长的时间。
因此，虽然采用定转速航行，从理论上可以节省油耗，但实际上由于船舶加减速的过程很长，加之海航时水对船舶的影响变化较快，所以节能效果是很小的。为达到更好的节能效果，就需要人为干涉，即在判断出水流方向时，主动增加或主动减小船舶主机的转速，使船舶的绝对速度能满足要求。
如果考虑风的影响，情况就更加复杂了。船速的增加或减少与水流速度有关，又与船舶选定速度有关，还与对风系数和对水系数、受水和受风面积有关。但增加或减少值是一个定值。
同样，由于船舶的总质量大，依靠阻力的变化来实现加速一定值或减速一定值，需要很长的时间才能实现。也需要人为干预。
同样，现有技术的定主机功率航行，也是根据经验，确定一个主机功率。在该主机功率下，船舶能在静水中有一个稳定的速度。当船舶航行在流水中时，和定主机转速情况时的加速度的变化趋势是一样的。并且在风很小的情况下，速度变化量等于时，船舶所受的总阻力最小。
在不考虑风速下，船舶航行的绝对速度和定转速时的情况是一样的，即顺流时船舶的绝对速度为该转速下的船舶速度加上水流速度，逆流式船舶的绝对速度该转速下的船舶速度减去水流速度时，船舶所受的阻力最小。
船舶主机的功率为，根据加速度方程，其中是阻力，为船舶总质量，为加速度。
和定主机转速航行时的加速度变化类似，船舶在定主机功率航行时，加速度随着航行时间越来越小。并且从理论计算可以得出，如图2所示，加速到速度增加值等于水速时需要无穷时间。而且，从加速阶段向减速阶段转换的过程中，船舶需要从加速后的船速先减速到静水中的船速后，再减小。这样用的时间会更长。如果考虑风的影响，和定主机转速航行时一样，情况同样变得很复杂，但是加速度方程没有变化，只是阻力的表达式变得更为复杂。从上面的情况分析得出：当船舶在流水中航行时，只要船的对水速度等于在静水中航行的速度时，所受的阻力最小。并且，无论是定主机转速航行还是定主机功率航行，都不能使船舶的响应速度达到要求，因此，在本发明中，提出主动调节船舶航行速度的控制方法及装置，可以实现更优的船舶节能航行，使得船舶航行时油耗更小，成本更低，污染更少。如图3所示，在本发明第一实施方式中，所述船舶节能航行的控制方法包括：
配置一船舶主机的预设瞬时供油量；
在常规航行时，通过控制当前油门开度，使所述船舶主机始终保持所述预设瞬时供油量不变。
一般地，船舶主机采用的是低速大功率柴油发动机，柴油发动机的供油方式是注油泵向柴油发动机的燃烧室注油。注油泵在一时间周期内向燃烧室的注油量是由该时间周期下的油门开度和主机转速决定的。例如，主机每转一转即驱动注油泵向燃烧室里注一泵油，而向燃烧室注一泵油的多少则由油门开度决定。
在本实施方式中，控制设备为了能够精确地控制向燃烧室的注油量（船舶主机的瞬时供油量），可通过油量计监测当前的瞬时供油量，但为了更稳定的控制瞬时供油量，本实施方式还可利用油门开度、主机转速与瞬时供油量的关系，将当前的对主机的供油量（即瞬时供油量）的值定义为当前油门开度值*当前主机转速值，以方便计算。
如此，即可通过将当前油门开度值和当前主机转速值的乘积结果设定为一个定值，并通过控制油门开度（即是油门开度越大，每一泵的注油量越多，主机转速越快）使得船舶主机始终保持所述预设瞬时供油量不变，同时，也可利于油门开度和主机转速寻找到相对的平衡点。
船舶在出海航行的过程中，一般需要经过出港、进港，以及沿河路驶向海路等过程，而本实施方式中的控制方法，主要关注于船舶在海上进行常规航行时的控制，所述的常规航行指的是船舶的航速可仅由船舶主机的性能和船舶所受的阻力（包括风的阻力、水的阻力等）所决定，而无须考虑其他的人为干扰因素，例如交通规则、航行原则等。常规航行一般也是在海航中，船舶保持该航行状态航行路程最远的一种航行方式。
需要注意的是：上述瞬时供油量和常规航行的概念同样也适用于本发明的其他实施方式。
在海上航行时，所遇到的情况是千变万化的，实际航行中，由于潮汐和季风的关系，船舶不可能一直逆流或顺流。本实施方式通过控制给船舶主机的瞬时供油量，以使得船舶主机无论外界的阻力如何，均以此瞬时供油量进行航行，即是船舶主机定瞬时供油量运行。
如此，在本实施方式中，在船舶的主机负载增大情况下，可将当前油门开度增大至与当前主机转速到达新平衡点进行运行；在船舶的主机负载减小情况下，可将当前油门开度减小至与当前主机转速到达新平衡点进行运行。
本实施方式的控制方法，相对于传统的定主机转速或定主机功率航行，可变相的根据外部对船舶的阻力，主动控制船舶主机运行参数变化。
可以理解，当外界对船舶的阻力变小（例如顺流）时，相应地，船舶的螺旋桨受到的阻力变小（例如顺流时会受到助力），导致主机的负载变小，在相同瞬时供油量下，主机转速变快，做功变多，船舶速度变快（相当于主动提速）；当外界对船舶的阻力变大（例如逆流）时，相应地，船舶的螺旋桨受到的阻力变大，主机的负载变大，在相同瞬时供油量下，主机转速变慢，做功变少，船舶速度随之变慢（相当于主动减速）。根据上述的理论依据，本实施方式的船舶主机相对于传统的定主机转速航行和定主机功率航行，其可提高船舶对阻力改变后的响应速度，将数值更快地变小，使得船舶航行达到更好的节油效果。
同一艘船在载重一样的前提下，经过实际航行（从常熟港到秦皇岛港，允许航行时间为55小时）的多次测试（减少突发事件的几率），通过本实施方式的控制方法航行时，每单程的油耗均比定速航行的油耗少2~3吨，以市场上每吨重油4300元人民币折算，一艘船单程即可节省8600~12900元人民币，极大的减少了能源消耗，节约了航行成本。
进一步地，在本实施方式中，可通过航行积累的经验设置所述预设瞬时供油量，也可以通过以下方案计算并设置所述预设瞬时供油量。
例如，可根据航行路程和最长允许航行时间，计算航行允许最慢速度；并根据航行允许最慢速度和船舶在静水中航行的主机负载，计算出所需的瞬时供油量，以作为预设瞬时供油量。一般地，在船舶航行中，从起点到终点的所花费的航行时间可是一个可允许波动的区间，例如从常熟港到秦皇岛港的航行时间可在50小时至55小时内，此时最长允许航行时间即是55小时。这样，即可根据航行路程和最长允许航行时间计算出航行允许的最慢速度。上面说过，在海航的过程中，不可能一直是逆流或者顺流，故以船舶在静水中航行的主机负载作为参考进行计算，获得预设瞬时供油量。本方式因采用的是最长允许航行时间，可找到最小的预设瞬时供油量。
又例如，可逐渐变化所述船舶主机的瞬时供油量，分别计算每一瞬时供油量下航行预定路程所对应的油耗；并计算出航行预定路程油耗最少的瞬时供油量，以作为预设瞬时供油量。在本方案中，可在船舶开始航行后即逐渐变化所述船舶主机的瞬时供油量，也可在船舶进入常规航行后，再逐渐变化所述船舶主机的瞬时供油量，并可根据每一个瞬时供油量下趋于稳定的航速（因为在船舶改变瞬时供油量后，需要经过一个延时，才能反映到船舶的航行速度上，而在水中，航行速度比较难精确停留在一个值上，只能是趋于稳定），计算航行预定路程（如100海里）所对应的油耗。这样，在尝试过多个瞬时供油量后，即可找出航行预定路程油耗最少的瞬时供油量。当然，在本方式中，可每经过一个周期（通常为15分钟）变化所述船舶主机的瞬时供油量一次，以让变化后的瞬时供油量能够反映至船舶的航行速度上。这样的方案，可更为智能的寻找到适合船舶且较优的预设瞬时供油量。
当然，在逐渐变化所述船舶主机的瞬时供油量前，也可先采用上述所计算出的最小的预设瞬时供油量进行航行。
进一步地，一般船舶的主机都有其运行的安全区间，过慢的主机转速会导致船舶主机停机；过快的主机转速则会导致船舶主机爆缸。另外，柴油发动机主机转速特性（转速和油耗呈三次方关系）表明，主机低速时进气气体流速慢，燃油雾化不良，热量损失多，油耗高；主机高转速时机械损失大，油耗也大，故此在主机转速太高或太低时油耗都会相应增大，这样在主机转速范围内存在一个理想的经济转速。
为避免上述变化瞬时供油量而导致船舶主机运行超出该安全区间，或保持船舶主机运行在经济转速的区间内，可配置所述船舶主机转速的上限值和下限值。如此，可通过控制油门开度控制所述船舶主机在所述上限值和所述下限值的区间内运行，即是变化的瞬时供油量也有一定的变化区间，其不能将瞬时供油量变化为在该瞬时供油量下驱动船舶主机的转数超过所述上限值或低于所述下限值，以保证船舶主机的运行安全和/或保证船舶主机运行的经济性。
如图4所示，在本发明第二实施方式中，所述船舶节能航行的控制方法包括：
在常规航行时，当船舶在航行过程中所受阻力改变时，相应的改变所述船舶的运行参数；
若所述船舶所受阻力变小，则通过控制当前油门开度增加对船舶主机的瞬时供油量；
若所述船舶所受阻力变大，则通过控制当前油门开度减少对船舶主机的瞬时供油量。
本实施方式相对于第一实施方式，更加主动的去调节船舶主机的运行参数，可更加提高船舶对阻力改变后的响应速度，使得船舶航行达到比第一实施方式更优的节油效果。
进一步地，可通过多种方式判断所述船舶在航行过程中的阻力变化，例如通过传感器等，也可通过以下方案对阻力变化进行判断。
例如，可实时获取所述船舶的对地速度和对水速度；并根据所述船舶的对地速度和所述对水速度判断所述船舶所受阻力是否改变。理论上，若海水为静止，且没有风的影响下，船舶的对地速度和对水速度应当相同。然而，在海水中有水流和/或有风的情况下存在时，船舶的对地速度和对水速度则会出现不同：当船舶顺流（包括水流和风的综合影响）航行时，其对水速度小于对地速度；当船舶逆流航行时，其对水速度大于对地速度。其中，船舶的对地速度可通过类似GPS装置获得，船舶的对水速度可通过船舶上的装配的相应传感器获得。可以理解的是，在同一瞬时供油量下，当船舶的对地速度和对水速度发生改变时，或船舶的对地速度和对水速度间的速度差发生改变时，即是船舶所受阻力发生改变。
又例如，可实时获取所述船舶的对地速度；若所述船舶的对地速度发生改变，则判断为所述船舶所受阻力改变。参上述说明，可以理解的是，在同一瞬时供油量下，船舶的对地速度应当保持不变，若发生改变则是船舶所受阻力发生改变。值得说明的是，本实施方式中的技术方案是根据外部条件，船舶主动反馈的动态控制方案。可以理解，在船舶所受阻力改变后，还是会继续判断船舶受到的阻力相对已经改变的阻力是否又有改变，若改变，则相应的调整船舶的运行参数。如此，可根据外界条件的变化，可不断地主动调整船舶主机的瞬时供油量，优化船舶的油耗。
进一步地，在本实施方式中，可根据航行积累的经验适度增加或减少瞬时供油量，也可以通过以下方案计算变化后的优选瞬时供油量。
进一步地，在本实施方式中，若所述船舶所受阻力变小，则逐渐增加对所述船舶主机的瞬时供油量，并实时计算每一瞬时供油量下航行预定路程所对应的油耗，以找出航行预定路程油耗最少的优选瞬时供油量，并保持所述优选瞬时供油量继续航行，直至船舶所受阻力改变；
若所述船舶所受阻力变大，则逐渐减小对所述船舶主机的瞬时供油量，并实时计算每一瞬时供油量下航行预定路程所对应的油耗，以找出航行预定路程油耗最少的优选瞬时供油量，并保持所述优选瞬时供油量继续航行，直至船舶所受阻力改变。
在本方案中，可根据每一个瞬时供油量下趋于稳定的航速（因为在船舶改变瞬时供油量后，需要经过一个延时，才能反映到船舶的航行速度上，而在水中，航行速度比较难精确停留在一个值上，只能是趋于稳定），计算航行预定路程（如100海里）所对应的油耗。这样，在尝试过多个瞬时供油量后，即可找出航行预定路程油耗最少的瞬时供油量。当然，在本方式中，可每经过一个周期（通常为15分钟）变化所述船舶主机的瞬时供油量一次，以让变化后的瞬时供油量能够反映至船舶的航行速度上。这样的方案，可更为智能的寻找到适合船舶且较优的预设瞬时供油量。
进一步地，一般船舶的主机都有其运行的安全区间，过慢的主机转速会导致船舶主机停机；过快的主机转速则会导致船舶主机爆缸。另外，柴油发动机主机转速特性（转速和油耗呈三次方关系）表明，主机低速时进气气体流速慢，燃油雾化不良，热量损失多，油耗高；主机高转速时机械损失大，油耗也大，故此在主机转速太高或太低时油耗都会相应增大，这样在主机转速范围内存在一个理想的经济转速。
为避免上述变化瞬时供油量而导致船舶主机运行超出该安全区间，或保持船舶主机运行在经济转速的区间内，可配置所述船舶主机转速的上限值和下限值。如此，可通过控制油门开度控制所述船舶主机在所述上限值和所述下限值的区间内运行，即是变化的瞬时供油量也有一定的变化区间，其不能将瞬时供油量变化为在该瞬时供油量下驱动船舶主机的转数超过所述上限值或低于所述下限值，以保证船舶主机的运行安全和/或保证船舶主机运行的经济性。进一步地，在本实施方式中，在主动反馈控制船舶运行参数前，可预先配置一预设瞬时供油量，并在常规航行时，通过控制油门开度，保持所述船舶主机在所述预设瞬时供油量下运行，直至所述船舶所受阻力改变。
在本实施方式中，可通过航行积累的经验设置所述预设瞬时供油量，也可以通过以下方案计算并设置所述预设瞬时供油量。
例如，可根据航行路程和最长允许航行时间，计算航行允许最慢速度；并根据航行允许最慢速度和船舶在静水中航行的主机负载，计算出所需的瞬时供油量，以作为预设瞬时供油量。一般地，在船舶航行中，从起点到终点的所花费的航行时间可是一个可允许波动的区间，例如从常熟港到秦皇岛港的航行时间可在50小时至55小时内，此时最长允许航行时间即是55小时。这样，即可根据航行路程和最长允许航行时间计算出航行允许的最慢速度。上面说过，在海航的过程中，不可能一直是逆流或者顺流，故以船舶在静水中航行的主机负载作为参考进行计算，获得预设瞬时供油量。本方式因采用的是最长允许航行时间，可找到最小的预设瞬时供油量。
又例如，可逐渐变化所述船舶主机的瞬时供油量，分别计算每一瞬时供油量下航行预定路程所对应的油耗；并计算出航行预定路程油耗最少的瞬时供油量，以作为预设瞬时供油量。在本方案中，可在船舶开始航行后即逐渐变化所述船舶主机的瞬时供油量，也可在船舶进入常规航行后，再逐渐变化所述船舶主机的瞬时供油量，并可根据每一个瞬时供油量下趋于稳定的航速（因为在船舶改变瞬时供油量后，需要经过一个延时，才能反映到船舶的航行速度上，而在水中，航行速度比较难精确停留在一个值上，只能是趋于稳定），计算航行预定路程（如100海里）所对应的油耗。这样，在尝试过多个瞬时供油量后，即可找出航行预定路程油耗最少的瞬时供油量。当然，在本方式中，可每经过一个周期（通常为15分钟）变化所述船舶主机的瞬时供油量一次，以让变化后的瞬时供油量能够反映至船舶的航行速度上。这样的方案，可更为智能的寻找到适合船舶且较优的预设瞬时供油量。
当然，在逐渐变化所述船舶主机的瞬时供油量前，也可先采用上述所计算出的最小的预设瞬时供油量进行航行。
如图5所示，在本发明第三实施方式中，所述船舶节能航行的控制方法与第二实施方式的区别在于，在本实施方式中，只有当船舶所受阻力的变化量大于等于预设阈值时，才相应改变船舶的运行参数。这是因为在船舶航行的过程中，若频繁的发生阻力变化，导致需要频繁的改变船舶的运行参数（如瞬时供油量），是不利于节能的。
因此，在本实施方式中，需要预先配置一预设阈值，这样，只有当船舶所受阻力的变化量大于等于预设阈值时，才相应地改变对船舶主机的瞬时供油量，如此，可对船舶的节能更加有利。
进一步地，计算所受阻力的变化量可通过传感装置获得，亦可通过所述船舶的对地速度和对水速度的相对关系，和/或船舶的对地速度的改变反应出所受阻力的情况。
如图6所示，在本发明第四实施方式中，所述船舶节能航行的控制方法相对第三实施方式而言，可仅考虑船舶的对地速度和对水速度之间的关系，以判断船舶当前的受阻力情况，即是判断船舶当前是处于顺流或逆流。
同时，通过船舶的对地速度和对水速度的差值（地水差）大小，可判断是否需要改变船舶主机的瞬时供油量，具体包括：
若所述船舶的对地速度快于对水速度，且两者速度的差值大于等于预设值，则通过控制当前油门开度增加对船舶主机的瞬时供油量；
若所述船舶的对水速度快于对地速度，且两者速度的差值大于等于预设值，则通过控制当前油门开度减少对船舶主机的瞬时供油量。
具体在实际船舶航行时所采到的航行趋势图将在下述结合图10进行说明。
一般地，若船舶的对地速度和对水速度的差值大于等于0.5节（航行的速度单位）时，则控制油门开度对船舶的瞬时供油量进行调整。
如图7所示，在本发明第五实施方式中，所述船舶节能航行的控制方法相对第三实施方式而言，可仅考虑船舶的对地速度，以通过船舶的对地速度来判断船舶当前的受阻力情况，即是判断船舶当前是处于顺流或逆流。
同时，通过船舶的对地速度的变化量，可判断是否需要改变船舶主机的瞬时供油量，具体包括：
若所述船舶的对地速度变大，且当变化量大于等于预设值，则通过控制当前油门开度增加对船舶主机的瞬时供油量；
若所述船舶的对地速度变小，且当变化量大于等于预设值，则通过控制当前油门开度减少对船舶主机的瞬时供油量。
一般地，若船舶的对地速度的变化量大于等于0.5节（航行的速度单位）时，则控制油门开度对船舶的瞬时供油量进行调整。
如图8所示，在本发明的第六实施方式中，相对于上述实施方式，本实施方式的所述船舶节能航行的控制方法的重点在于，通过寻优的方式确定较为优化的瞬时供油量，并通过计算到的优选瞬时供油量进行航行，其带来的节油效果是显而易见的，本实施方式的控制方法包括：
逐渐变化船舶主机的瞬时供油量，分别计算每一瞬时供油量下航行预定路程所对应的油耗；
计算出航行预定路程油耗最少的瞬时供油量，并以所述瞬时供油量进行航行。
在本实施方式中，可在船舶开始航行后即逐渐变化所述船舶主机的瞬时供油量，也可在船舶进入常规航行后，再逐渐变化所述船舶主机的瞬时供油量，并可根据每一个瞬时供油量下趋于稳定的航速（因为在船舶改变瞬时供油量后，需要经过一个延时，才能反映到船舶的航行速度上，而在水中，航行速度比较难精确停留在一个值上，只能是趋于稳定），计算航行预定路程（如100海里）所对应的油耗。这样，在尝试过多个瞬时供油量后，即可找出航行预定路程油耗最少的瞬时供油量。当然，在本方式中，可每经过一个周期（通常为15分钟）变化所述船舶主机的瞬时供油量一次，以让变化后的瞬时供油量能够反映至船舶的航行速度上。这样的方案，可更为智能的寻找到适合船舶且较优的预设瞬时供油量。
进一步地，一般船舶的主机都有其运行的安全区间，过慢的主机转速会导致船舶主机停机；过快的主机转速则会导致船舶主机爆缸。另外，柴油发动机主机转速特性（转速和油耗呈三次方关系）表明，主机低速时进气气体流速慢，燃油雾化不良，热量损失多，油耗高；主机高转速时机械损失大，油耗也大，故此在主机转速太高或太低时油耗都会相应增大，这样在主机转速范围内存在一个理想的经济转速。
为避免上述变化瞬时供油量而导致船舶主机运行超出该安全区间，或保持船舶主机运行在经济转速的区间内，可配置所述船舶主机转速的上限值和下限值。如此，可通过控制油门开度控制所述船舶主机在所述上限值和所述下限值的区间内运行，即是变化的瞬时供油量也有一定的变化区间，其不能将瞬时供油量变化为在该瞬时供油量下驱动船舶主机的转数超过所述上限值或低于所述下限值，以保证船舶主机的运行安全和/或保证船舶主机运行的经济性。进一步地，可参第二至第五实施方式，以判断在合适需要调整船舶主机的瞬时供油量。在此不再赘述。
如图9所示，在本发明一实施方式中，所述船舶节能航行的控制装置可适用于上述第一实施方式至第六实施方式。以下所述的控制模块200可控制油门开度，以调整所述船舶主机的瞬时供油量。
本申请为了描述清晰简洁，仅采用了一幅附图。当然，对应的实施方式中并未使用到的模块，可以从本控制装置中移除，例如，对应第一实施方式时，本控制装置可只包括配置模块100、控制模块200，以及运算模块300。如此类推。
其中，当所述船舶节能航行的控制装置对应于上述第一实施方式时，所述装置包括：
配置模块100，用于配置一船舶主机的预设瞬时供油量；
控制模块200，用于在常规航行时，通过控制当前油门开度，使所述船舶主机始终保持所述预设瞬时供油量不变。
一般地，船舶主机采用的是低速大功率柴油发动机，柴油发动机的供油方式是注油泵向柴油发动机的燃烧室注油。注油泵在一时间周期内向燃烧室的注油量是由该时间周期下的油门开度和主机转速决定的。例如，主机每转一转即驱动注油泵向燃烧室里注一泵油，而向燃烧室注一泵油的多少则由油门开度决定。
在本实施方式中，控制设备为了能够精确地控制向燃烧室的注油量（船舶主机的瞬时供油量），可通过油量计监测当前的瞬时供油量，但为了更稳定的控制瞬时供油量，利于控制，本实施方式还可利用油门开度、主机转速与瞬时供油量的关系，将当前的对主机的供油量（即瞬时供油量）的值定义为当前油门开度值*当前主机转速值，以方便计算。
如此，即可通过将当前油门开度值和当前主机转速值的乘积结果设定为一个定值，并通过控制油门开度（即是油门开度越大，每一泵的注油量越多，主机转速越快）使得船舶主机始终保持所述预设瞬时供油量不变，同时，也可利于油门开度和主机转速寻找到相对的平衡点。
船舶在出海航行的过程中，一般需要经过出港、进港，以及沿河路驶向海路等过程，而本实施方式中的控制方法，主要关注点在于船舶在海上进行常规航行时的控制，所述常规航行指的是船舶的航速仅由船舶主机的性能和船舶所受的阻力（包括风的阻力、水的阻力等）所决定，而无须考虑其他的干扰因素，例如交通规则、航行原则等。常规航行一般也是在海航中，船舶保持该航行状态航行路程最远的一种航行方式。在海上航行时，所遇到的情况是千变万化的，实际航行中，由于潮汐和季风的关系，船舶不可能一直逆流或顺流。本实施方式通过控制给船舶主机的瞬时供油量，以使得船舶主机无论外界的阻力如何，均以此瞬时供油量进行航行，即是船舶主机定瞬时供油量运行。
如此，在本实施方式中，所述控制模块还用于：在船舶的主机负载增大情况下，可将当前油门开度增大至与当前主机转速到达新平衡点进行运行；在船舶的主机负载减小情况下，可将当前油门开度减小至与当前主机转速到达新平衡点进行运行。
本实施方式的控制方法，相对于传统的定主机转速或定主机功率航行，可变相的根据外部对船舶的阻力，主动控制船舶主机运行参数变化。
可以理解，当外界对船舶的阻力变小（例如顺流）时，相应地，船舶的螺旋桨受到的阻力变小（例如顺流时会受到助力），导致主机的负载变小，在相同瞬时供油量下，主机转速变快，做功变多，船舶速度变快（相当于主动提速）；当外界对船舶的阻力变大（例如逆流）时，相应地，船舶的螺旋桨受到的阻力变大，主机的负载变大，在相同瞬时供油量下，主机转速变慢，做功变少，船舶速度随之变慢（相当于主动减速）。
根据上述的理论依据，本实施方式的船舶主机相对于传统的定主机转速航行和定主机功率航行，其可提高船舶对阻力改变后的响应速度，将数值更快地变小，使得船舶航行达到更好的节油效果。同一艘船在载重一样的前提下，经过实际航行下（从常熟港到秦皇岛港，允许航行时间为55小时）的多次测试（减少突发事件的几率），通过本实施方式的控制方法航行时，每单程的油耗均比定速航行的油耗少2~3吨，以市场上每吨重油4300元人民币折算，一艘船单程即可节省8600~12900元人民币，极大的减少了能源消耗，节约了航行成本。
进一步地，在本实施方式中，可通过航行积累的经验设置所述预设瞬时供油量，也可以通过运算模块300计算所述预设瞬时供油量。
所述运算模块300可用于：根据航行路程和最长允许航行时间，计算航行允许最慢速度；并根据航行允许最慢速度和船舶在静水中航行的主机负载，计算出所需的瞬时供油量，以作为预设瞬时供油量。一般地，在船舶航行中，从起点到终点的所花费的航行时间可是一个可允许波动的区间，例如从常熟港到秦皇岛港的航行时间可在50小时至55小时内，此时最长允许航行时间即是55小时。这样，即可根据航行路程和最长允许航行时间计算出航行允许的最慢速度。上面说过，在海航的过程中，不可能一直是逆流或者顺流，故以船舶在静水中航行的主机负载作为参考进行计算，获得预设瞬时供油量。本方式因采用的是最长允许航行时间，可找到最小的预设瞬时供油量。
所述运算模块300还可配合所述控制模块200，所述控制模块200用于逐渐变化所述船舶主机的瞬时供油量，所述运算模块300用于分别计算每一瞬时供油量下航行预定路程所对应的油耗；并计算出航行预定路程油耗最少的瞬时供油量，以作为预设瞬时供油量。在本方案中，可在船舶开始航行后即逐渐变化所述船舶主机的瞬时供油量，也可在船舶进入常规航行后，再逐渐变化所述船舶主机的瞬时供油量，并可根据每一个瞬时供油量下趋于稳定的航速（因为在船舶改变瞬时供油量后，需要经过一个延时，才能反映到船舶的航行速度上，而在水中，航行速度比较难精确停留在一个值上，只能是趋于稳定），计算航行预定路程（如100海里）所对应的油耗。这样，在尝试过多个瞬时供油量后，即可找出航行预定路程油耗最少的瞬时供油量。当然，在本方式中，可每经过一个周期（通常为15分钟）变化所述船舶主机的瞬时供油量一次，以让变化后的瞬时供油量能够反映至船舶的航行速度上。这样的方案，可更为智能的寻找到适合船舶且较优的预设瞬时供油量。
当然，在逐渐变化所述船舶主机的瞬时供油量前，也可先采用上述所计算出的最小的预设瞬时供油量进行航行。
进一步地，一般船舶的主机都有其运行的安全区间，过慢的主机转速会导致船舶主机停机；过快的主机转速则会导致船舶主机爆缸。另外，柴油发动机主机转速特性（转速和油耗呈三次方关系）表明，主机低速时进气气体流速慢，燃油雾化不良，热量损失多，油耗高；主机高转速时机械损失大，油耗也大，故此在主机转速太高或太低时油耗都会相应增大，这样在主机转速范围内存在一个理想的经济转速。
为避免上述变化瞬时供油量而导致船舶主机运行超出该安全区间，或保持船舶主机运行在经济转速的区间内，所述配置模块100用于配置所述船舶主机转速的上限值和下限值。如此，可通过控制油门开度控制所述船舶主机在所述上限值和所述下限值的区间内运行，即是变化的瞬时供油量也有一定的变化区间，其不能将瞬时供油量变化为在该瞬时供油量下驱动船舶主机的转数超过所述上限值或低于所述下限值，以保证船舶主机的运行安全和/或保证船舶主机运行的经济性。
当所述船舶节能航行的控制装置对应于上述第二实施方式时，所述装置包括：
监测模块400，用于实时监测船舶在航行过程中所受阻力；
运算模块300，用于判断所述船舶在所述航行过程中所受阻力是否改变；
控制模块200，用于在常规航行时，若所述船舶所受阻力变小，则通过控制当前油门开度增加对船舶主机的瞬时供油量；若所述船舶所受阻力变大，则通过控制当前油门开度减少对船舶主机的瞬时供油量。
本实施方式相对于第一实施方式，更加主动的去调节船舶主机的运行参数，可更加提高船舶对阻力改变后的响应速度，使得船舶航行达到比第一实施方式更优的节油效果。
进一步地，可通过多种方式判断所述船舶在航行过程中的阻力变化，例如通过传感器等，也可通过以下方案对阻力变化进行判断。
所述监测模块400用于实时获取所述船舶的对地速度和对水速度；所述运算模块300可根据所述船舶的对地速度和所述对水速度判断所述船舶所受阻力是否改变。理论上，若海水为静止，且没有风的影响下，船舶的对地速度和对水速度应当相同。然而，在海水中有水流和/或有风的情况下存在时，船舶的对地速度和对水速度则会出现不同：当船舶顺流（包括水流和风的综合影响）航行时，其对水速度小于对地速度；当船舶逆流航行时，其对水速度大于对地速度。其中，船舶的对地速度可通过类似GPS装置获得，船舶的对水速度可通过船舶上的装配的相应传感器获得。可以理解的是，在同一瞬时供油量下，当船舶的对地速度和对水速度发生改变时，或船舶的对地速度和对水速度间的速度差发生改变时，即是船舶所受阻力发生改变。
所述监测模块400还可用于实时获取所述船舶的对地速度；所述运算模块300用于在计算获得所述船舶的对地速度发生改变时，判断为所述船舶所受阻力改变。参上述说明，可以理解的是，在同一瞬时供油量下，船舶的对地速度应当保持不变，若发生改变则是船舶所受阻力发生改变。值得说明的是，本实施方式中的技术方案是根据外部条件，船舶主动反馈的动态控制方案。可以理解，在船舶所受阻力改变后，还是会继续判断船舶受到的阻力相对已经改变的阻力是否又有改变，若改变，则相应的调整船舶的运行参数。如此，可根据外界条件的变化，可不断地主动调整船舶主机的瞬时供油量，优化船舶的油耗。
进一步地，在本实施方式中，可根据航行积累的经验适度增加或减少瞬时供油量，也可以通过控制模块200计算变化后的优选瞬时供油量。
进一步地，在本实施方式中，所述控制模块200用于：
若所述船舶所受阻力变小，则逐渐增加对所述船舶主机的瞬时供油量，并实时计算每一瞬时供油量下航行预定路程所对应的油耗，以找出航行预定路程油耗最少的优选瞬时供油量，并保持所述优选瞬时供油量继续航行，直至船舶所受阻力改变；
若所述船舶所受阻力变大，则逐渐减小对所述船舶主机的瞬时供油量，并实时计算每一瞬时供油量下航行预定路程所对应的油耗，以找出航行预定路程油耗最少的优选瞬时供油量，并保持所述优选瞬时供油量继续航行，直至船舶所受阻力改变。
在本方案中，可根据每一个瞬时供油量下趋于稳定的航速（因为在船舶改变瞬时供油量后，需要经过一个延时，才能反映到船舶的航行速度上，而在水中，航行速度比较难精确停留在一个值上，只能是趋于稳定），计算航行预定路程（如100海里）所对应的油耗。这样，在尝试过多个瞬时供油量后，即可找出航行预定路程油耗最少的瞬时供油量。当然，在本方式中，可每经过一个周期（通常为15分钟）变化所述船舶主机的瞬时供油量一次，以让变化后的瞬时供油量能够反映至船舶的航行速度上。这样的方案，可更为智能的寻找到适合船舶且较优的预设瞬时供油量。
进一步地，一般船舶的主机都有其运行的安全区间，过慢的主机转速会导致船舶主机停机；过快的主机转速则会导致船舶主机爆缸。另外，柴油发动机主机转速特性（转速和油耗呈三次方关系）表明，主机低速时进气气体流速慢，燃油雾化不良，热量损失多，油耗高；主机高转速时机械损失大，油耗也大，故此在主机转速太高或太低时油耗都会相应增大，这样在主机转速范围内存在一个理想的经济转速。
为避免上述变化瞬时供油量而导致船舶主机运行超出该安全区间，或保持船舶主机运行在经济转速的区间内，所述装置还包括配置模块100，所述配置模块100用于配置所述船舶主机转速的上限值和下限值。如此，可通过控制油门开度控制所述船舶主机在所述上限值和所述下限值的区间内运行，即是变化的瞬时供油量也有一定的变化区间，其不能将瞬时供油量变化为在该瞬时供油量下驱动船舶主机的转数超过所述上限值或低于所述下限值，以保证船舶主机的运行安全和/或保证船舶主机运行的经济性。
进一步地，在本实施方式中，在主动反馈控制船舶运行参数前，所述配置模块100用于可预先配置一预设瞬时供油量，所述控制模块200用于在常规航行时，通过控制油门开度，保持所述船舶主机在所述预设瞬时供油量下运行，直至所述船舶所受阻力改变。
进一步地，在本实施方式中，可通过航行积累的经验设置所述预设瞬时供油量，也可以通过运算模块300计算所述预设瞬时供油量。
所述运算模块300可用于：根据航行路程和最长允许航行时间，计算航行允许最慢速度；并根据航行允许最慢速度和船舶在静水中航行的主机负载，计算出所需的瞬时供油量，以作为预设瞬时供油量。一般地，在船舶航行中，从起点到终点的所花费的航行时间可是一个可允许波动的区间，例如从常熟港到秦皇岛港的航行时间可在50小时至55小时内，此时最长允许航行时间即是55小时。这样，即可根据航行路程和最长允许航行时间计算出航行允许的最慢速度。上面说过，在海航的过程中，不可能一直是逆流或者顺流，故以船舶在静水中航行的主机负载作为参考进行计算，获得预设瞬时供油量。本方式因采用的是最长允许航行时间，可找到最小的预设瞬时供油量。
所述运算模块300还可配合所述控制模块200，所述控制模块200用于逐渐变化所述船舶主机的瞬时供油量，所述运算模块300用于分别计算每一瞬时供油量下航行预定路程所对应的油耗；并计算出航行预定路程油耗最少的瞬时供油量，以作为预设瞬时供油量。在本方案中，可在船舶开始航行后即逐渐变化所述船舶主机的瞬时供油量，也可在船舶进入常规航行后，再逐渐变化所述船舶主机的瞬时供油量，并可根据每一个瞬时供油量下趋于稳定的航速（因为在船舶改变瞬时供油量后，需要经过一个延时，才能反映到船舶的航行速度上，而在水中，航行速度比较难精确停留在一个值上，只能是趋于稳定），计算航行预定路程（如100海里）所对应的油耗。这样，在尝试过多个瞬时供油量后，即可找出航行预定路程油耗最少的瞬时供油量。当然，在本方式中，可每经过一个周期（通常为15分钟）变化所述船舶主机的瞬时供油量一次，以让变化后的瞬时供油量能够反映至船舶的航行速度上。这样的方案，可更为智能的寻找到适合船舶且较优的预设瞬时供油量。
当然，在逐渐变化所述船舶主机的瞬时供油量前，也可先采用上述所计算出的最小的预设瞬时供油量进行航行。
当所述船舶节能航行的控制装置对应于上述第三实施方式时，其相对于对应第二实施方式的装置而言，区别在于，在本实施方式中，所述运算模块300用于判断所述船舶在所述航行过程中所受阻力是否改变，且所受阻力的变化量是否大于等于预设阈值。只有当船舶所受阻力的变化量大于等于预设阈值时，所述控制模块200才相应改变船舶的运行参数。这是因为在船舶航行的过程中，若频繁的发生阻力变化，导致需要频繁的改变船舶的运行参数（如瞬时供油量），是不利于节能的。
因此，在本实施方式中，需要配置模块100预先配置一预设阈值，这样，只有当船舶所受阻力的变化量大于等于预设阈值时，才相应地改变对船舶主机的瞬时供油量，如此，可对船舶的节能更加有利。
进一步地，计算所受阻力的变化量可通过传感装置获得，亦可通过所述船舶的对地速度和对水速度的相对关系，和/或船舶的对地速度的改变反应出所受阻力的情况。
当所述船舶节能航行的控制装置对应于上述第四实施方式时，其相对于对应第二实施方式的装置而言，区别在于，所述监测模块400用于监测船舶的对地速度和对水速度，以判断船舶当前的受阻力情况，即是判断船舶当前是处于顺流或逆流。
同时，所述运算模块300还用于计算船舶的对地速度和对水速度的差值（地水差），以判断是否需要所述控制模块200改变船舶主机的瞬时供油量，所述控制模块用于：
若所述船舶的对地速度快于对水速度，且两者速度的差值大于等于预设值，则通过控制当前油门开度增加对船舶主机的瞬时供油量；
若所述船舶的对水速度快于对地速度，且两者速度的差值大于等于预设值，则通过控制当前油门开度减少对船舶主机的瞬时供油量。
一般地，若船舶的对地速度和对水速度的差值大于等于0.5节（航行的速度单位）时，则控制油门开度对船舶的瞬时供油量进行调整。
当所述船舶节能航行的控制装置对应于上述第五实施方式时，其相对于对应第三实施方式的装置而言，区别在于，所述监测模块400可仅监测船舶的对地速度，以通过船舶的对地速度来判断船舶当前的受阻力情况，即是判断船舶当前是处于顺流或逆流。
所述运算模块300用于通过计算船舶的对地速度的变化量，以判断是否需要所述控制模块200改变船舶主机的瞬时供油量，所述控制模块200用于：
若所述船舶的对地速度变大，且当变化量大于等于预设值，则通过控制当前油门开度增加对船舶主机的瞬时供油量；
若所述船舶的对地速度变小，且当变化量大于等于预设值，则通过控制当前油门开度减少对船舶主机的瞬时供油量。
一般地，若船舶的对地速度的变化量大于等于0.5节（航行的速度单位）时，则控制油门开度对船舶的瞬时供油量进行调整。
当所述船舶节能航行的控制装置对应于上述第六实施方式时，相对于上述实施方式，所述船舶节能航行的控制装置的重点用于，通过寻优的方式确定较为优化的瞬时供油量，并通过计算到的优选瞬时供油量进行航行，以优化船舶航行的油耗，所述装置包括：
控制模块200，用于逐渐变化船舶主机的瞬时供油量；
运算模块300，用于分别计算每一瞬时供油量下航行预定路程所对应的油耗；以及计算出航行预定路程油耗最少的瞬时供油量，并以所述瞬时供油量进行航行。
在本实施方式中，可在船舶开始航行后即逐渐变化所述船舶主机的瞬时供油量，也可在船舶进入常规航行后，再逐渐变化所述船舶主机的瞬时供油量，并可根据每一个瞬时供油量下趋于稳定的航速（因为在船舶改变瞬时供油量后，需要经过一个延时，才能反映到船舶的航行速度上，而在水中，航行速度比较难精确停留在一个值上，只能是趋于稳定），计算航行预定路程（如100海里）所对应的油耗。这样，在尝试过多个瞬时供油量后，即可找出航行预定路程油耗最少的瞬时供油量。当然，在本方式中，可每经过一个周期（通常为15分钟）变化所述船舶主机的瞬时供油量一次，以让变化后的瞬时供油量能够反映至船舶的航行速度上。这样的方案，可更为智能的寻找到适合船舶且较优的预设瞬时供油量。
进一步地，一般船舶的主机都有其运行的安全区间，过慢的主机转速会导致船舶主机停机；过快的主机转速则会导致船舶主机爆缸。另外，柴油发动机主机转速特性（转速和油耗呈三次方关系）表明，主机低速时进气气体流速慢，燃油雾化不良，热量损失多，油耗高；主机高转速时机械损失大，油耗也大，故此在主机转速太高或太低时油耗都会相应增大，这样在主机转速范围内存在一个理想的经济转速。
为避免上述变化瞬时供油量而导致船舶主机运行超出该安全区间，或保持船舶主机运行在经济转速的区间内，所述装置还包括配置模块100，所述配置模块100用于配置所述船舶主机转速的上限值和下限值。如此，可通过控制油门开度控制所述船舶主机在所述上限值和所述下限值的区间内运行，即是变化的瞬时供油量也有一定的变化区间，其不能将瞬时供油量变化为在该瞬时供油量下驱动船舶主机的转数超过所述上限值或低于所述下限值，以保证船舶主机的运行安全和/或保证船舶主机运行的经济性。
进一步地，所述装置还包括监测模块400，其监测模块400、运算模块300、控制模块200具体功能可协同的判断在合适需要调整船舶主机的瞬时供油量。具体参上述实施方式，在此不再赘述。
如图10所示，通过实际船舶航行时所采集的一段时间内船舶航行趋势图进行举例说明，以更加容易理解本发明的船舶节能航行控制方法及装置的节油效果。在该趋势图中，船舶节能航行控制方法及装置所采用的是船舶对地速度和对水速度的关系来判断船舶所受的阻力，这仅是为了证明本发明的船舶节能航行控制方法及装置所带来的节油效果的举例，上述各种实施方式相对传统的定主机转速航行和定主机功率航行均对船舶航行的节油效果有不同层度的提升。
参图中6号线，为船舶的地水差曲线，该曲线向下凹进的部分为船舶所受阻力增大（逆流）时的状态，向上凸起的部分为船舶所受阻力减小（顺流）时的状态。
对照图中2号线，其表示船舶主机的瞬时供油量，可以看出，当船舶处于所受阻力增加时，船舶主机的瞬时供油量会相应减少，当船舶所受阻力减小时，船舶主机的瞬时供油量会相应增加。但在图10的中间部分，虽然船舶所受阻力还在不断增加，但对船舶主机的瞬时供油量却保持一个相对稳定的状态，这示意出了当时船舶主机转速已经达到所设定的下限值，不能继续减少对船舶主机的瞬时供油量。参图10的尾部，2号线突然向上陡增，为人为打舵所导致的瞬时供油量突然增加。
对照图中7号线，其表示的船舶的百海里油耗，可以明显看出，虽然在船舶受阻力增大时，船舶的百海里油耗相对阻力较小时有所增加（这是必然的结果），但从总体曲线来观测，整体的百海里油耗趋势是减少的。同时，也可以看出，在船舶所受阻力增加或减少时，通过计算出航行预定路程油耗最少的瞬时供油量，可更为智能的寻找到适合当前船舶所受阻力情况下的瞬时供油量，更大程度的节约了船舶航行的油耗。
从上述计算结果和实际记录的船舶指数曲线可以看出，在行驶相同的距离的情况下，能够大大减少油耗。
上述实施方式是从船舶航行效能角度出发，把着眼点放到船舶运行时的外部条件（例如风流、水流等）对船舶的影响上来，研究风流、水流对船舶航行阻力的发生机理，以使得船舶航行油耗得到相应降低。
特别是本发明的第二至第五实施方式的控制方法和对应第二至第五实施方式的控制装置，可通过不断调整船舶航行参数和状态来适应不断变化的风流、水流，可使油耗得到进一步地降低。
通过实践，我们得出本发明的船舶航行控制方法及装置具有如下优势：
1、在一定的海况条件下，采用本发明的船舶航行控制方法及装置，船舶航行在一定航线内（1000海里）燃油的消耗比现有的平均减少5%~10%，且随着航行距离的增长，节油的效果还会有所提高。
2、如果在一定的海域内，两艘同类型的船舶航行相同的航线，在不增加航行时间条件下，采用本发明的船舶航行控制方法及装置的船舶的节油效果可以达到平均减少5%~8%左右。
3、假如以一年为期，采用本发明的船舶航行控制方法及装置的船舶，在同样的主机运行时间段内，可以达到同类型船舶天油耗的最低值。
4、在一定的时间段内，采用本发明的船舶航行控制方法及装置，在同一类型船舶中可创造单航次耗油的最低值。
5、本发明的船舶航行控制方法及装置能实现对船舶运行设备、系统进行实时监控，提高设备管理水平。
6、本发明的船舶航行控制方法及装置能实现对船舶油料的监控管理，能监控和正确计算瞬时供油量。
以国内北煤南运为例， 2013年，秦皇岛港煤炭下水量23827万吨、唐山港煤炭下水量18646万吨、黄骅港下水量达17100万吨。三港总量为59573万吨。国内沿海运输代表船型35000吨级海轮，每年的平均运输量在70万吨，共需要850艘。按当年每艘船舶年油耗在3500吨左右，采用本发明的船舶航行控制方法及装置的船舶按减少5%~10%计算，每年能减少用油175~350吨。850艘船每年能减少用油148750~297500吨。目前燃油价格为每吨4300元，则每年可节约燃油成本6.396~12.792亿元。整个国内沿海运输船舶在2500艘左右，则每年可节约燃油成本18.81~36.12亿元。
另外，由于燃油的减少二氧化碳的排放量也随之减少，按照每吨重油排放二氧化碳3.5吨计算，采用本发明技术的运煤船舶850艘每年可减排52.06~104.12万吨，整个国内沿海运输船舶在2500艘左右，则每年少减排二氧化碳153.12~294万吨，同时可以减少更多的其它物体（如二氧化硫）等的排放。
以上实施方式仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施方式对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施方式技术方案的精神和范围。
Claims (16)
1.一种船舶节能航行的控制方法，其特征在于，所述方法包括：
逐渐变化船舶主机的瞬时供油量，分别计算每一瞬时供油量下航行预定路程所对应的油耗；
计算出航行预定路程油耗最少的瞬时供油量，并以所述瞬时供油量进行航行。
2.根据权利要求1所述的船舶节能航行的控制方法，其特征在于，所述方法还包括：
配置主机转速的上限值和下限值，以通过控制瞬时供油量控制所述主机在所述上限值和所述下限值的区间内运行。
3.根据权利要求1所述的船舶节能航行的控制方法，其特征在于，所述方法包括：
在常规航行时，当船舶在航行过程中所受阻力改变，且所受阻力的变化量大于等于预设阈值时，相应的改变所述船舶的运行参数；
若所述船舶所受阻力变小，则通过控制当前油门开度增加对船舶主机的瞬时供油量；
若所述船舶所受阻力变大，则通过控制当前油门开度减少对船舶主机的瞬时供油量。
4.根据权利要求3所述的船舶节能航行的控制方法，其特征在于，所述方法还包括：
若所述船舶所受阻力变小且变化量大于等于预设阈值时，则逐渐增加对所述船舶主机的瞬时供油量，并实时计算每一瞬时供油量下航行预定路程所对应的油耗，以找出航行预定路程油耗最少的优选瞬时供油量，并保持所述优选瞬时供油量继续航行，直至船舶所受阻力改变且变化量大于等于预设阈值；
若所述船舶所受阻力变大且变化量大于等于预设阈值时，则逐渐减小对所述船舶主机的瞬时供油量，并实时计算每一瞬时供油量下航行预定路程所对应的油耗，以找出航行预定路程油耗最少的优选瞬时供油量，并保持所述优选瞬时供油量继续航行，直至船舶所受阻力改变且变化量大于等于预设阈值。
5.根据权利要求1所述的船舶节能航行的控制方法，其特征在于，所述方法包括：
在常规航行时，实时检测船舶的对地速度和对水速度；
若所述船舶的对地速度快于对水速度，且两者速度的差值大于等于预设值，则通过控制当前油门开度增加对船舶主机的瞬时供油量；
若所述船舶的对水速度快于对地速度，且两者速度的差值大于等于预设值，则通过控制当前油门开度减少对船舶主机的瞬时供油量。
6.根据权利要求5所述的船舶节能航行的控制方法，其特征在于，所述方法具体包括：
若所述船舶的对地速度快于对水速度，则逐渐增加对所述船舶主机的瞬时供油量，并实时计算每一瞬时供油量下航行预定路程所对应的油耗，以找出航行预定路程油耗最少的优选瞬时供油量，并保持所述优选瞬时供油量继续航行；
若所述船舶的对地速度慢于对水速度，则逐渐减小对所述船舶主机的瞬时供油量，并实时计算每一瞬时供油量下航行预定路程所对应的油耗，以找出航行预定路程油耗最少的优选瞬时供油量，并保持所述优选瞬时供油量继续航行；
重复执行上述步骤。
7.根据权利要求1所述的船舶节能航行的控制方法，其特征在于，所述方法包括：
实时检测船舶的对地速度；
常规航行时，在相同瞬时供油量下，
若所述船舶的对地速度变大，且当变化量大于等于预设值，则通过控制当前油门开度增加对船舶主机的瞬时供油量；
若所述船舶的对地速度变小，且当变化量大于等于预设值，则通过控制当前油门开度减少对船舶主机的瞬时供油量。
8.根据权利要求7所述的船舶节能航行的控制方法，其特征在于，所述方法包括：
若所述船舶的对地速度变大且变化量大于等于预设值，则逐渐增加对所述船舶主机的瞬时供油量，并实时计算每一瞬时供油量下航行预定路程所对应的油耗，以找出航行预定路程油耗最少的优选瞬时供油量，并保持所述优选瞬时供油量继续航行；
若所述船舶的对地速度变小且变化量大于等于预设值，则逐渐减小对所述船舶主机的瞬时供油量，并实时计算每一瞬时供油量下航行预定路程所对应的油耗，以找出航行预定路程油耗最少的优选瞬时供油量，并保持所述优选瞬时供油量继续航行；
重复执行上述步骤。
9.一种船舶节能航行的控制装置，其特征在于，所述装置包括：
控制模块，用于逐渐变化船舶主机的瞬时供油量，
运算模块，用于分别计算每一瞬时供油量下航行预定路程所对应的油耗；以及计算出航行预定路程油耗最少的瞬时供油量，并以所述瞬时供油量进行航行。
10.根据权利要求9所述的船舶节能航行的控制装置，其特征在于，所述装置包括：
配置模块，用于配置主机转速的上限值和下限值，以通过控制瞬时供油量控制所述主机在所述上限值和所述下限值的区间内运行。
11.根据权利要求9所述的船舶节能航行的控制装置，其特征在于，所述装置包括：
监测模块，用于实时监测船舶在航行过程中所受阻力；
运算模块，用于判断所述船舶在所述航行过程中所受阻力是否改变，且所受阻力的变化量是否大于等于预设阈值；
控制模块，用于在常规航行时，若所述船舶所受阻力变小且变化量大于等于预设阈值，则通过控制当前油门开度增加对船舶主机的瞬时供油量；若所述船舶所受阻力变大且变化量大于等于预设阈值，则通过控制当前油门开度减少对船舶主机的瞬时供油量。
12.根据权利要求11所述的船舶节能航行的控制装置，其特征在于，所述控制模块用于：
若所述船舶所受阻力变小且变化量大于等于预设阈值时，则逐渐增加对所述船舶主机的瞬时供油量，并实时计算每一瞬时供油量下航行预定路程所对应的油耗，以找出航行预定路程油耗最少的优选瞬时供油量，并保持所述优选瞬时供油量继续航行，直至船舶所受阻力改变且变化量大于等于预设阈值；
若所述船舶所受阻力变大且变化量大于等于预设阈值时，则逐渐减小对所述船舶主机的瞬时供油量，并实时计算每一瞬时供油量下航行预定路程所对应的油耗，以找出航行预定路程油耗最少的优选瞬时供油量，并保持所述优选瞬时供油量继续航行，直至船舶所受阻力改变且变化量大于等于预设阈值。
13.根据权利要求9所述的船舶节能航行的控制装置，其特征在于，所述装置包括：
监测模块，用于实时检测船舶的对地速度和对水速度；
运算模块，用于计算所述船舶的对地速度和对水速度的差值；
控制模块，用于在常规航行时，若所述船舶的对地速度快于对水速度，且两者速度的差值大于等于预设值，则通过控制当前油门开度增加对船舶主机的瞬时供油量；若所述船舶的对水速度快于对地速度，且两者速度的差值大于等于预设值，则通过控制当前油门开度减少对船舶主机的瞬时供油量。
14.根据权利要求13所述的船舶节能航行的控制装置，其特征在于，所述控制模块用于：
若所述船舶的对地速度快于对水速度，则逐渐增加对所述船舶主机的瞬时供油量，并实时计算每一瞬时供油量下航行预定路程所对应的油耗，以找出航行预定路程油耗最少的优选瞬时供油量，并保持所述优选瞬时供油量继续航行；
若所述船舶的对地速度慢于对水速度，则逐渐减小对所述船舶主机的瞬时供油量，并实时计算每一瞬时供油量下航行预定路程所对应的油耗，以找出航行预定路程油耗最少的优选瞬时供油量，并保持所述优选瞬时供油量继续航行。
15.根据权利要求9所述的船舶节能航行的控制装置，其特征在于，所述装置包括：
监测模块，用于实时检测船舶的对地速度；
运算模块，用于判断在相同瞬时供油量下，所述船舶的对地速度的变化量是否大于等于预设值；
控制模块，用于在常规航行时，若所述船舶的对地速度变大，且当变化量大于等于预设值，则通过控制当前油门开度增加对船舶主机的瞬时供油量；若所述船舶的对地速度变小，且当变化量大于等于预设值，则通过控制当前油门开度减少对船舶主机的瞬时供油量。
16.根据权利要求15所述的船舶节能航行的控制装置，其特征在于，所述控制模块用于：
若所述船舶的对地速度变大且变化量大于等于预设值，则逐渐增加对所述船舶主机的瞬时供油量，并实时计算每一瞬时供油量下航行预定路程所对应的油耗，以找出航行预定路程油耗最少的优选瞬时供油量，并保持所述优选瞬时供油量继续航行；
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |