CN104950718A - 一种混合动力船舶机电综合信息监控方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种混合动力船舶机电综合信息监控方法及装置，根据动力系统的实时状态计算实时动力电池供电续航力与实时液化天然气供电续航力，实时监测全船机电设备的运行情况，并提供损管操演方案。该方法及装置具有实时性好、信息量大、操作简单、可靠性强等优点，使船长准确掌握动力系统的使用状态，同时提高了航行决策的科学性。

Description

一种混合动力船舶机电综合信息监控方法及装置

技术领域

本发明属于船舶机电设备监控领域，特别涉及一种动力电池和液化天然气燃气轮机供电的混合动力船舶机电综合信息监控方法及装置。

背景技术

目前混合动力船舶各集控设备的设计思路仍沿用传统的模式，分布于机舱各处，网络基本无互通，信息基本无共享。机电综合信息显控装置尚未实现对全船机电设备的信息集中监测和控制管理，而且需要采集的参数种类繁多。

混合动力船舶上船长在航行时，船长需要根据动力装置、推进装置、辅助装置、配电装置等全船机电设备的工作情况下达航行命令。长期以来船长主要通过各部位工作人员的电话汇报了解全船机电设备的运行情况，这种口头传递信息方式比较原始，不能满足现代船舶信息化要求，而且实时性较差、信息量较小，不便于船长对全船机电设备的实时监控，无法为船长的航行决策提供技术支持。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的为提供一种混合动力船舶机电综合信息监控方法及装置，采用CAN总线实时监测全船机电设备的运行情况，采用硬接线形式对关键设备进行远程遥控，采用警钟鸣音器和舱间灯光信号装置、指挥电话机等设备进行战斗指挥，根据动力系统的实时状态采用高效算法预测混合动力船舶实时续航力，并提供损管操演方案。该方法及装置具有实时性好、信息量大、操作简单、可靠性强等优点，使船长准确掌握动力系统的使用状态，同时提高了航行决策的科学性。

一方面，本发明提供一种混合动力船舶机电综合信息监控方法。该方法包括：

实时采集机电设备数据信息；

以采集的数据为源数据，计算实时续航力；

依据计算出的实时续航力，实时监控数据，操控被监控的设备。

本技术方案中，所述实时采集机电设备数据信息采用WONDERWARE软件通过双冗余以太网、现场总线的方式实时采集。

本技术方案中，所述计算实时续航力具体包括：

计算实时动力电池供电续航力；

计算实时液化天然气供电续航力；

并计算实时动力电池供电续航力与实时液化天然气供电续航力之和。

本技术方案中，，所述依据计算出的实时续航力，实时监控数据，操控被监控的设备具体包括：

实时监控数据显示、辅助决策信息、数据存储及备份；

启动工控机，显示器上显示其他机电设备实时状态、辅助决策信息，通过人机接口单元对其他机电设备远程操控；

通过显控单元遥操其他机电设备的启停和应急停机，通过通讯单元与其他机电设备的操作人员进行通讯；

接收报警信息，报警信息显示在显示器上，对报警信息进行相应的处理。

进一步地，所述计算实时动力电池供电续航力的步骤具体包括：

测量全船动力电池剩余可用能量W；

传感器实时采集全船辅机耗电功率瞬时值、推进电机输入功率瞬时值，分别记为P_f、P_t；

计算单位时间周期T内，全船辅机耗电功率平均值P_A、推进电机输入功率平均值P_B，即：

$P_A=\frac{{\∫}_0^T{P}_f\mathrm{dt}}{T}$

$P_B=\frac{{\∫}_0^T{P}_t\mathrm{dt}}{T}$

传感器实时采集瞬时航速，记为S，计算单位时间周期T内平均航速值S，即：

$S=\frac{{\∫}_0^T{S}_1\mathrm{dt}}{T}$

计算动力电池供电续航力L₁：

$L_1=\frac{W}{P_A+P_B}\×S,W\≥0$

L₁＝0   W＜0。

进一步地，所述计算实时液化天然气供电续航力的步骤具体包括：

传感器实时采集全船M个液化天然气罐的充满率，分别记为c_i，i＝1，2，…，M；

查阅液化天然气罐的特性，记单位充满率时液化天然气质量为m₀，计算全船剩余可用液化天然气质量m_S：

$m_S=m_0\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{c}_i$

记船员一天生活(厨房、澡堂等)耗气量为m₂₄，计算全船艇员每小时耗气量：

m_h＝m₂₄/24

传感器实时采集全船N台燃气轮机瞬时功率、瞬时耗气率，分别记为P_ri、η_i，i＝1，2，…，N，每隔单位时间周期T内计算N台燃气轮机平均每小时耗气量，即：

$\mathrm{\η}=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\∫}_0^T{P}_{\mathrm{ri}}{\mathrm{\η}}_i\mathrm{dt}}{T}$

传感器实时采集瞬时航速，记为S₁；

计算单位时间周期T内平均航速值S，即：

$S=\frac{{\∫}_0^T{S}_1\mathrm{dt}}{T}$

计算液化天然气供电续航力L₂：

$L_2=\frac{m_S}{\mathrm{\η}+m_h}\×S,m_S\≥0$

L₂＝0   m_S＜0

计算实时续航力L：

L＝L₁+L₂。

另一方面，本发明提供一种混合动力船舶机电综合信息监控装置，所述装置包括机架、显示器、显控单元、台面、通讯单元、人机接口单元、机柜、工控机，机架的前部设有显示器、显控单元和台面，显控单元、通讯单元和人机接口单元嵌入台面面板上，机柜与机架相连且位于机架、台面下部，工控机安装在机柜内部，机架包括一个可拆卸的后盖板，机架内部两侧焊有接线导杆，机架经隔振器减振后固定安装在基座上。

进一步地，所述的显控单元经故障诊断后通过硬接线自动遥控或手动遥操其他关键机电设备的启停和应急停机。

本发明与现有技术相比具有的有益效果：(1)将机电设备信息优化集中显示，便于对各设备进行集中控制管理，提高机电设备集成优化水平；(2)提高机电设备信息交互共享能力，站在平台管理的角度，统筹规划机电设备综合控制，有利于优化操纵人员设置；(3)机电设备采用“管理层、控制层、设备层”的三级管控和“软操、硬操”互为备份的操作模式，提高操作可靠性，改善船员的操作使用环境；(4)采用功能模块化、多元化扩展接口的设计思路，确保设备的开放性和持续升级能力，提升综合保障水平；(5)采用标准化软/硬件、网络通讯接口，提高设备标准化水平；(6)辅助决策通过科学的优化和决策，可以为混合动力船舶船长随时提供各种工况下动力系的统性能参数预测，供船长进行决策参考，从而提高动力使用方案的科学性，确保航行任务的可靠完成；(7)损管操演既可指导机电部门长或损管值日进行日常的损管组织操演，又可以在出现损管险情时，协助机电部门长按正确的步骤完成操作，解决了损管训练和损管险情中的操作难题。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为一种混合动力船舶机电综合信息监控装置的正视图；

图2为一种混合动力船舶机电综合信息监控装置的侧视图；

图3为一种混合动力船舶机电综合信息监控装置的A向视图；

图4为一种混合动力船舶机电综合信息监控装置的B向视图；

图5为一种混合动力船舶机电综合信息监控装置的C向视图；

图6为实时续航力计算流程图。

结合附图在其上标记以下附图标记：机架1、显示器2、显控单元3、台面4、通讯单元5、人机接口单元6、机柜7、工控机8，后盖板9，接线导杆10，隔振器11。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1-5为本发明实施例一混合动力船舶机电综合信息监控装置结构示意图。图1-5中，装置包括：机架1、显示器2、显控单元3、台面4、通讯单元5、人机接口单元6、机柜7、工控机8，后盖板9，接线导杆10，隔振器11。

如图1-5所示，机架1的前部设有显示器2、显控单元3和台面4，显控单元3、通讯单元5和人机接口单元6嵌入台面4面板上，机柜7与机架1相连且位于机架1、台面3下部，工控机8安装在机柜7内部，机架1包括一个可拆卸的后盖板9，机架1内部两侧焊有接线导杆10，机架1经隔振器11减振后固定安装在基座上。

本实施例一混合动力船舶机电综合信息监控方法。该方法包括如下步骤：

步骤101：实时采集机电设备数据信息；

具体地，本技术方案中，所述实时采集机电设备数据信息采用WONDERWARE软件通过双冗余以太网、现场总线的方式实时采集。

步骤102：以采集的数据为源数据，计算实时续航力；

具体地，本技术方案中，所述计算实时续航力具体包括：

计算实时动力电池供电续航力；

计算实时液化天然气供电续航力；

并计算实时动力电池供电续航力与实时液化天然气供电续航力之和。

进一步地，所述计算实时动力电池供电续航力的步骤具体包括：

步骤201：测量全船动力电池剩余可用能量W；

步骤202：传感器实时采集全船辅机耗电功率瞬时值、推进电机输入功率瞬时值，分别记为P_f、P_t；

步骤203：计算单位时间周期T内，全船辅机耗电功率平均值P_A、推进电机输入功率平均值P_B，即：

$P_A=\frac{{\∫}_0^T{P}_f\mathrm{dt}}{T}$

$P_B=\frac{{\∫}_0^T{P}_t\mathrm{dt}}{T}$

步骤204：传感器实时采集瞬时航速，记为S₁；计算单位时间周期T内平均航速值S，即：

$S=\frac{{\∫}_0^T{S}_1\mathrm{dt}}{T}$

步骤205：计算动力电池供电续航力：

$L_1=\frac{W}{P_A+P_B}\×S,W\≥0$

L₁＝0   W＜0。

所述计算实时液化天然气供电续航力的步骤具体包括：

步骤301：传感器实时采集全船M个液化天然气罐的充满率，分别记为c_i，i＝1，2，…，M；

步骤302：查阅液化天然气罐的特性，记单位充满率时液化天然气质量为m₀，计算全船剩余可用液化天然气质量m_S：

$m_S=m_0\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{c}_i$

步骤303：船员一天生活(厨房、澡堂等)耗气量为m₂₄，计算全船艇员每小时耗气量：

m_h＝m₂₄/24

步骤304：传感器实时采集全船N台燃气轮机瞬时功率、瞬时耗气率，分别记为P_ri、η，i＝1，2，…，N，每隔单位时间周期T内计算N台燃气轮机平均每小时耗气量，即：

$\mathrm{\η}=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\∫}_0^T{P}_{\mathrm{ri}}{\mathrm{\η}}_i\mathrm{dt}}{T}$

步骤305：传感器实时采集瞬时航速，记为S₁，计算单位时间周期T内平均航速值S，即：

$S=\frac{{\∫}_0^T{S}_1\mathrm{dt}}{T}$

步骤306：计算液化天然气供电续航力：

$L_2=\frac{m_S}{\mathrm{\η}+m_h}\×S,m_S\≥0$

L₂＝0   m_S＜0

计算实时续航力L：

L＝L₁+L₂。

步骤103：依据计算出的实时续航力，实时监控数据，操控被监控的设备。

本技术方案中，所述依据计算出的实时续航力，实时监控数据，操控被监控的设备具体包括：

实时监控数据显示、辅助决策信息、数据存储及备份；

启动工控机，显示器上显示其他机电设备实时状态、辅助决策信息，通过人机接口单元对其他机电设备远程操控；

通过显控单元遥操其他机电设备的启停和应急停机，通过通讯单元与其他机电设备的操作人员进行通讯；

接收报警信息，报警信息显示在显示器上，对报警信息进行相应的处理。

一种混合动力船舶机电综合信息监控方法的操作步骤如下：

1)使用前应检查交流电源供电是否正常、各开关均应置于关或停止位置；

2)将电源转换开关置于供电，显控单元上电源指示灯亮指示工控机8、显示器2和显控单元3已供电；

3)工控机8开机，显示器2上显示其他机电设备实时状态信息，通过人机接口单元6对其他机电设备进行软操；

4)通过显控单元3遥操其他机电设备的启停和应急停机，通过通讯单元5对其他机电设备的操作人员进行指挥；

5)当出现报警时，蜂鸣器响，报警信息在显示器上可提供查询，消音按钮进行消音。

图6为实时续航力计算流程图。如图6所示，所述的辅助决策，其特征在于包括实时续航力预测、损管操演，其特征在于包括实时续航力预测、损管操演，实时续航力预测含动力电池供电续航力和液化天然气供电续航力，预测误差小于5％，损管操演由停泊状态进水损管操演、航行状态进水损管操演、封闭舱室训练损管操演、电气设备灭火损管操演等方案组成；

附算例：

所述的动力电池供电续航力，其特征在于包括如下步骤：

1)测量全船动力电池剩余可用能量W＝1090KWh；

2)传感器实时单位时间周期T内(该算例中为单位时间周期T取0.1小时，即6分钟)采集全船辅机耗电功率瞬时值、推进电机输入功率瞬时值，记录于表1；

表1全船辅机耗电功率瞬时值、推进电机输入功率瞬时值记录表

3)计算单位时间周期T内全船辅机耗电功率平均值P_A、推进电机输入功率平均值P_B，即：

$P_A=\frac{{\∫}_0^T{P}_f\mathrm{dt}}{T}=42.25\mathrm{KW}$

$P_B=\frac{{\∫}_0^T{P}_t\mathrm{dt}}{T}=31.99\mathrm{KW}$

4)传感器实时采集瞬时航速，单位为节(Kn)，记录于表2；

表2瞬时航速记录表

5)计算单位时间周期T内平均航速值S，单位为节(Kn)：

$S=\frac{{\∫}_0^T{S}_1\mathrm{dt}}{T}=16.52\mathrm{Kn}$

6)计算动力电池供电续航力L₁，单位为海里(nmile)：

$L_1=\frac{W}{P_A+P_B}\×S=242.55\mathrm{nmile},W\≥0$

所述的液化天然气供电续航力，其特征在于它的步骤如下：

1)传感器实时采集全船6个液化天然气罐的充满率，记录于表3；

表3液化天然气罐的充满率记录表

液氧罐序号	Xi
		1	0.71
2	0.83
		3	0.86
4	0.93
		5	0.95
6	0.96

2)查阅液化天然气罐的特性，记单位充满率时液化天然气质量为50000kg，计算全船剩余可用液化天然气质量m_s，即：

$m_S=m_0\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{X}_i=262000\mathrm{kg}$

3)记船员一天生活(厨房、澡堂等)耗气量为6kg，计算全船艇员每小时耗气量：

m_h＝m₂₄/24＝0.25kg

4)传感器实时采集全船2台燃气轮机瞬时功率、瞬时耗气率，记录于表4、表5；

表4 1#燃气轮机的瞬时功率和瞬时耗气率实时监测值

表5 2#燃气轮机的瞬时功率和瞬时耗气率实时监测值

计算单位时间周期T内2台燃气轮机平均每小时耗气量，即：

$\mathrm{\η}=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\∫}_0^{0.1}{P}_{\mathrm{ri}}{\mathrm{\η}}_i\mathrm{dt}}{0.1}=88.84\mathrm{kg}$

5)传感器实时采集瞬时航速，单位为节(Kn)，记录于表6；

表6瞬时航速记录表

6)计算单位时间周期T内平均航速值S，单位为节(Kn)，即：

$S=\frac{{\∫}_0^{0.1}{S}_1\mathrm{dt}}{0.1}=27.35\mathrm{Kn}$

7)计算液化天然气供电续航力，单位为海里(nmile)：

$L_2=\frac{m_S}{\mathrm{\η}+m_h}\×S=80432\mathrm{nmile},m_S\≥0$

8)计算实时续航力L，单位为海里(nmile)：

L＝L₁+L₂＝80674.55nmile

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例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。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种混合动力船舶机电综合信息监控方法，其特征在于，所述方法包括：

实时采集机电设备数据信息；

以采集的数据为源数据，计算实时续航力；

依据计算出的实时续航力，实时监控数据，操控被监控的设备。

2.根据权利要求1所述的混合动力船舶机电综合信息监控方法，其特征在于，所述实时采集机电设备数据信息采用WONDERWARE软件通过双冗余以太网、现场总线的方式实时采集。

3.根据权利要求1所述的所述的混合动力船舶机电综合信息监控方法，其特征在于，所述计算实时续航力具体包括：

计算实时动力电池供电续航力；

计算实时液化天然气供电续航力；

并计算实时动力电池供电续航力与实时液化天然气供电续航力之和。

4.根据权利要求1所述的混合动力船舶机电综合信息监控方法，其特征在于，所述依据计算出的实时续航力，实时监控数据，操控被监控的设备具体包括：

实时监控数据显示、辅助决策信息、数据存储及备份；

启动工控机，显示器上显示其他机电设备实时状态、辅助决策信息，通过人机接口单元对其他机电设备远程操控；

通过显控单元遥操其他机电设备的启停和应急停机，通过通讯单元与其他机电设备的操作人员进行通讯；

接收报警信息，报警信息显示在显示器上，对报警信息进行相应的处理。

5.根据权利要求3所述的混合动力船舶机电综合信息监控方法，其特征在于，所述计算实时动力电池供电续航力的步骤具体包括：

测量全船动力电池剩余可用能量W；

传感器实时采集全船辅机耗电功率瞬时值、推进电机输入功率瞬时值，分别记为P_f、P_t；

计算单位时间周期T内，全船辅机耗电功率平均值P_A、推进电机输入功率平均值P_B，即：

$P_A=\frac{{\∫}_0^T{P}_f\mathrm{dt}}{T}$

$P_B=\frac{{\∫}_0^T{P}_t\mathrm{dt}}{T}$

传感器实时采集瞬时航速，记为S₁，计算单位时间周期T内平均航速值S：

$S=\frac{{\∫}_0^T{S}_1\mathrm{dt}}{T}$

计算单位时间周期T内动力电池供电续航力L₁：

$L_1=\frac{W}{P_A+P_B}\×S$    W≥0

L₁＝0   W＜0。

6.根据权利要求3所述的混合动力船舶机电综合信息监控方法，其特征在于，所述计算实时液化天然气供电续航力的步骤具体包括：

传感器实时采集全船M个液化天然气罐的充满率，分别记为c_i，i＝1，2，…，M；

单位充满率时液化天然气质量为m₀，计算全船剩余可用液化天然气质量m_S：

$m_s=m_0\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{c}_i$

全船艇员一天生活耗气量为m₂₄，计算全船艇员每小时耗气量m_h：

m_h＝m₂₄/24

传感器实时采集全船N台燃气轮机瞬时功率、瞬时耗气率，分别记为P_ri、η_i，i＝1，2，…，N，每隔单位时间周期T计算N台燃气轮机平均每小时耗气量η，即：

$\mathrm{\η}=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\∫}_0^T{P}_{\mathrm{ri}}{\mathrm{\η}}_i\mathrm{dt}}{T}$

传感器实时采集瞬时航速，记为S₁，计算单位时间周期T内平均航速值S，即：

$S=\frac{{\∫}_0^T{S}_1\mathrm{dt}}{T}$

计算液化天然气供电续航力L₂：

$L_2=\frac{m_s}{\mathrm{\η}+m_h}\×S$    m_S≥0

L₂＝0   m_S＜0。

7.根据权利要求3所述的混合动力船舶机电综合信息监控方法，其特征在于，所述计算实时动力电池供电续航力与实时液化天然气供电续航力之和L的计算公式为：

L＝L₁+L₂。

8.一种混合动力船舶机电综合信息监控装置，其特征在于，所述装置包括机架、显示器、显控单元、台面、通讯单元、人机接口单元、机柜、工控机，机架的前部设有显示器、显控单元和台面，显控单元、通讯单元和人机接口单元嵌入台面面板上，机柜与机架相连且位于机架、台面下部，工控机安装在机柜内部，机架包括一个可拆卸的后盖板，机架内部两侧焊有接线导杆，机架经隔振器减振后固定安装在基座上。

9.根据权利要求8所述的混合动力船舶机电综合信息监控装置，其特征在于，所述的显控单元经故障诊断后通过硬接线自动遥控或手动遥操其他关键机电设备的启停和应急停机。