CN112373348B - 一种无人自助式海上充电方法及其充电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人自助式海上充电系统，供如权利要求1的无人自助式海上充电方法运行，其特征在于，包括：数个海上可充电平台、船只信号收发器、中央处理器；海上可充电平台与中央处理器通讯连接，海上可充电平台向中央处理器发送电量信号及坐标信号，并可为船只提供充电；船只信号收发器与中央处理器通讯连接，船只信号收发器用于采集船只的实时海况信息和船只剩余电量，向中央处理器发送数据信号，并接收中央处理器反馈的海上可充电平台坐标；中央处理器基于电量信号及坐标信号、数据信号产生满足充电条件的海上可充电平台坐标。本发明提高了充电方法的对环境适应性和对船只适配性，增强了充电任务整体流程的人机交互性。

Description

一种无人自助式海上充电方法及其充电系统

技术领域

本发明涉及海上充电，具体涉及一种无人自助式海上充电方法及其充电系统。

背景技术

随着世界范围内人类社会对能源侧结构改革的需求的日益增长，海洋作为人类生存领域中的重要一环，也是其中不可忽视、不可或缺的一部分。在海洋中应用的机械设备与陆地上应用的机械设备之间，存在着由使用环境的差异所带来的差别。例如陆地上的货运车辆在加油、运输的过程中产生的“漏油”问题对环境造成的污染程度远不及海洋中的航运货轮的燃油泄露所造成的污染严重，尤其在发展“绿色航运”的当今时代，如何减少、避免对海洋的污染破坏是一个值得整个人类社会深思和重视的问题。

能源侧结构改革和海洋环境保护共同推动了航海技术的发展，未来电力推进技术将取代传统的海洋设备所使用的机械推进技术，电能将成为海洋设备使用的主要能源。现阶段海洋设备的发电主要由柴油机等机器利用化石燃料发电，之后的发展趋势是使用清洁发电技术和大容量储能设备提供所需电能。对此，电动汽车及其充电方式的应用和发展可以提供经验。与电动汽车类似的是，随着使用电能为主要能源的海洋设备的数量的增多，海上充电的需求也将日益增长。

由于海洋占地球表面积的71％这一特点，海上充电服务只有网络化覆盖之后，才能为数量日益增长的各类船舶提供便捷的充电服务，单体化的海上充电平台难以应对可以预期的、必然存在的、数量庞大的船舶充电需求。而现有的关于海上充电方法及充电系统的专利数目较少，并且已有的海上充电方法及充电系统基本上针对的都是极小规模的船舶充电需求的场景，并未形成网络化覆盖的服务规模，缺乏实际应用价值。与此同时，由多个单体的海上充电平台组成的充电网络，也缺乏合理的控制方法为在充电网络中为充电平台分配充电任务，船舶的充电效率较低，并且充电网络的资源利用率低下。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种无人自助式海上充电方法及其充电系统，以解决现有技术中海上充电方法缺乏使用价值和能源利用率低的问题。

本发明提供了一种无人自助式海上充电方法，包括如下步骤：

步骤1：以船型为类别，根据包括海况信息、船只剩余电量、船只剩余里程的船只剩余里程参考训练集，通过运用最小二程参数估计法的多元线性回归模型建立该船型的船只剩余里程参考值模型；

步骤2：当收到船只发起充电请求时，根据船只发送的船型信息选择对应的船只剩余里程参考值模型，将船只发送的海况信息、船只剩余电量输入进船只剩余里程参考值模型获得船只剩余里程参考值；

步骤3：根据船只剩余里程参考值计算平台搜索半径；获取以船只坐标为圆点，平台搜索半径为半径的指定区域内的所有海上可充电平台，并依照海上可充电平台与船只的距离，由近至远给指定区域内的所有海上可充电平台进行编号；

步骤4：根据海上可充电平台与船只的距离远近构建该海上可充电平台的降权系数；逐一计算船只行驶到各个海上可充电平台的预期耗电量；

根据降权系数、预期耗电量对海上可充电平台的可充电量进行优化，具体公式如下：

其中，

为优化后的平台可充电量；K_q为降权系数；e为平台当前电量；e_q为预期耗电量。

步骤5：当有至少一个海上可充电平台优化后的可充电量大于等于船只需求电量时，将与船只距离最近的海上可充电平台的坐标发送给船只；

当所有海上可充电平台优化后的可充电量均小于船只需求电量时，将优化后的可充电量最大的海上可充电平台的坐标发送给船只；

步骤6：将船只需求电量作为预扣电量发送给步骤5中选择的海上可充电平台，海上可充电平台将实际电量减去预扣电量作为可充电量。

进一步地，所述步骤3中根据船只剩余里程参考值计算平台搜索半径的计算公式如下：

L_f＝p*L；

其中，L_f为平台搜索半径；p为缩减率，取值范围为0.6～0.8；L为船只剩余里程参考值。

进一步地，所述步骤3中获取以船只坐标为圆点，平台搜索半径为半径的指定区域具体为：

当船只用途为作业船只时，指定区域为以船只坐标为圆点，平台搜索半径为半径的圆形区域。

进一步地，所述步骤3中获取以船只坐标为圆点，平台搜索半径为半径的指定区域具体为：

当船只用途为航运船只时，指定区域为以船只坐标为顶点，船只航运方向为中轴线，顶角为90°，半径为平台搜索半径的扇形区域。

进一步地，所述步骤4中根据海上可充电平台与船只的距离远近构建该海上可充电平台的降权系数的具体公式如下：

其中，K_q为降权系数；r为平台和船只的距离；l为搜索半径为半径。

本发明还提供了一种承载无人自助式海上充电方法的无人自助式海上充电系统，包括：数个海上可充电平台、船只信号收发器、中央处理器；

所述海上可充电平台与所述中央处理器通讯连接，所述海上可充电平台向所述中央处理器发送电量信号及坐标信号，并可为船只提供充电；

所述船只信号收发器与所述中央处理器通讯连接，所述船只信号收发器用于采集船只的实时海况信息和船只剩余电量，向所述中央处理器发送数据信号，并接收所述中央处理器反馈的海上可充电平台坐标；

所述中央处理器基于海上可充电平台发送的电量信号及坐标信号、船只信号收发器发送的数据信号产生满足充电条件的海上可充电平台坐标。

本发明的有益效果：

1.海洋环境复杂多变的特性使得船只的航行充满了不确定性，本发明中的充电方法在为海上可充电平台分配充电任务时，将实时海况作为影响因素纳入了计算流程，提高了充电方法的对环境适应性和对船只适配性，增强了充电任务整体流程的人机交互性；

2.本发明公开的海上充电方法综合考虑了船只前往各个海上可充电平台时由航行距离间的差异以及多个船只同时使用某一海上可充电平台充电的可能性所带来的影响，修正了各个海上可充电平台在每一次充电任务的平台选择过程中的竞争性，更加合理地分配海上可充电平台，从而提高了船只的充电效率和海上充电网络的资源利用率；

3.海洋环境较陆地更为恶劣，提供人工服务的成本过于高昂，而通过本发明中的海上充电系统方式提供充电服务时，船只仅仅需要和海上可充电平台进行电连接，其他工作可交由充电系统中的中央处理器操作，从而实现了无人自助式地充电，降低了服务的运营成本；

4.本发明中的充电系统对于整个充电任务整体流程中的船只、海上可充电平台没有型号、品牌及种类上的限制，对于船只仅要求安装船只信号收发器，对于海上可充电平台仅要求具有与中央处理器数据通讯和为船只充电的能力，大大提示了充电系统的应用性和普及性，并且整个充电系统的总体架构使得其大规模覆盖式地应用成为了可能，提高了本发明的实际应用价值。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1为本发明系统的结构图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明具体实施例公开了一种无人自助式海上充电方法，包括以下步骤：

步骤1：以船型为类别，根据包括海况信息、船只剩余电量、船只剩余里程的船只剩余里程参考训练集，通过运用最小二程参数估计法的多元线性回归模型建立该船型的船只剩余里程参考值模型；

每种船型的船只剩余里程参考训练集皆由1000组海况信息、船只剩余电量和船只剩余里程组成，i＝1，2，...，1000，此时第i组训练集记为Π_i：(λ_i，μ_i，ξ_i，ρ_i，η_i，τ_i，L_i)，其中λ_i表示船只剩余电量，表示μ_i环境温度，ξ_i表示风速，ρ_i表示浪的有义波高，σ_i表示浪的谐峰周期，τ_i表示浪的平均波长，L_i表示船只剩余里程。

多元线性回归模型为：

L_i＝β_i0+β_i1λ_i+β_i2μ_i+β_i3ξ_i+β_i4ρ_i+β_i5η_i+β_i6τ_i+ε_i

其中，为7个解释变量，β_i0，β_i1，…，β_i6分别为回归常数和变回归系数，ε_i为随机误差，ε_i～(0，σ²)。

设损失函数为：

求损失函数H_i在最小值条件下回归参数的估计值，

即

为便于计算，记：λ_i＝x_i1，μ_i＝x_i2，ξ_i＝x_i3，ρ_i＝x_i4，η_i＝x_i5，τ_i＝x_i6。

则：

对各参数求偏导

即

则可得

可写成矩阵形式：X^TXβ＝XTY，则参数解为：

则可得到参数的估计值：

由于ε_i满足条件：E(ε_i)＝0，var(ε_i)＝σ²，则剩余里程参考值模型为：

其中，L为剩余里程参考值，λ表示船只剩余电量，μ表示环境温度，ξ表示风速，ρ表示浪的有义波高，η表示浪的谐峰周期，τ表示浪的平均波长。

步骤2：当收到船只发起充电请求时，根据船只发送的船型信息选择对应的船只剩余里程参考值模型，将船只发送的海况信息、船只剩余电量输入进船只剩余里程参考值模型获得船只剩余里程参考值；

将此时的船只记为α，船只α发送的海况信息、船只剩余电量为：Ψ_α：(λ_α，μ_α，ξ_α，ρ_α，η_α，τ_α)，由步骤1可知，船只α对应的剩余里程参考值值模型记为L_α，则：

步骤3：根据船只剩余里程参考值计算平台搜索半径；获取以船只坐标为圆点，平台搜索半径为半径的指定区域内的所有海上可充电平台，并依照海上可充电平台与船只的距离，由近至远给指定区域内的所有海上可充电平台进行编号；

取l＝80％L_α为船只α的充电网络搜索半径，假设以船只α的当前坐标(N33°40′34”，E126°50′20”)为x-y坐标系原点，即(0，0)。

首先根据船只α的工作用途为

赋值，当船只的工作用途为航运时，如邮轮、货轮时，令

当船的工作用途为作业时，如渔船、海道测量船时，令

当

时，搜索区域Λ为Λ：x²+y²＝l²，即一个圆心在x-y坐标系原点、半径为l的圆形。

当

时，搜索区域Λ为一个扇形区域，扇形圆心角顶点坐标为(0，0)，角弧度为90°，在x-y坐标系中关于x轴对称，即为圆形x²+y²＝l²的一部分。

确定搜索区域Λ后首先为区域内所有的海上可充电平台编号，此时搜索区域Λ内有S个海上可充电平台，第i个海上可充电平台为A_i，i＝1，2，...，S，并计算船只α与A_i的距离R_i，i＝1，2，...，S；

然后根据距离R_i从小到大为海上可充电平台A_i重新编号，重新编号之后S个海上可充电平台表示为a_i，i＝1，2，...，S；

则此时第i个海上可充电平台a_i与船只α的距离记为r_i，i＝1，2，...，S，其中r₁≤r₂≤…≤r_S：

当船只用途为航运船只时，指定区域为以船只坐标为顶点，船只航运方向为中轴线，顶角为90°，半径为平台搜索半径的扇形区域。

搜索区域Λ为一个扇形区域，扇形圆心角顶点坐标为(0，0)，角弧度为90°，在x-y坐标系中关于x轴对称，即为圆形x²+y²＝l²的一部分

步骤4：根据海上可充电平台与船只的距离远近构建该海上可充电平台的降权系数；逐一计算船只行驶到各个海上可充电平台的预期耗电量；

根据降权系数、预期耗电量对海上可充电平台的可充电量进行优化，具体公式如下：

其中，

为优化后的平台可充电量；K_q为降权系数；e为平台当前电量；e_q为预期耗电量；

降权系数的具体公式如下：

其中，K_q为降权系数；r为平台和船只的距离；l为搜索半径为半径

计算船只行驶到各个海上可充电平台的预期耗电量e_qi的公式为e_qi＝e_α·r_i，其中e_α为船只α的单位航行里程耗电量参考值，r_i为第i个海上可充电平台a_i与船只α的距离；

根据降权系数和预期耗电量优化海上可充电平台的充电能力，优化后海上可充电平台的可充电量修正值

的计算公式为

其中e_i为第i个平台的可充电量；

可充电量修正值

为考虑船只行驶到第i个海上可充电平台所会产生的预期中的电能消耗情况和由选中某个海上可充电平台后的航行距离间的差异所带来的影响之后，对于海上可充电平台的充电能力的优化结果。

步骤5：当有至少一个海上可充电平台优化后的可充电量大于等于船只需求电量时，将与船只距离最近的海上可充电平台的坐标发送给船只；

船只需求电量记为E，当

时，比较所有可充电量修正值

的海上可充电平台的距船只α距离r_j，选取距船只α最近的海上可充电平台a_k，k＝1，2，...，S，作为本次充电任务中被选中的平台。

当所有海上可充电平台优化后的可充电量均小于船只需求电量时，将优化后的可充电量最大的海上可充电平台的坐标发送给船只；

船只需求电量记为E，当

时，比较所有海上可充电平台的可充电量修正值

选取可充电电量修正值最大的海上可充电平台a_n，n＝1，2，...，S作为本次充电任务中被选中的平台。

步骤6：将船只需求电量作为预扣电量发送给步骤5中选择的海上可充电平台，海上可充电平台将实际电量减去预扣电量作为可充电量。

将本次充电服务中的船只α的船只需求电量记为E_α，被选中执行本次充电任务的海上可充电平台记为B_α，海上可充电平台B_α的可提供充电服务的实际电量记为C_α，

考虑到海上可充电平台B_α在未来可能存在的其他充电任务，修正海上可充电平台B_α的充电能力，令e_α＝C_α-E_α，式中，E_α对于海上可充电平台B_α而言为其预扣电量，e_α为海上可充电平台B_α的可充电量。

本发明具体实施例还提供了一种承载无人自助式海上充电方法的无人自助式海上充电系统，如图1所示，包括：数个海上可充电平台、船只信号收发器、中央处理器；

海上可充电平台与中央处理器通讯连接，海上可充电平台向中央处理器发送电量信号及坐标信号，并可为船只提供充电；

电量信号包括海上可充电平台的可充电量和实际电量

船只信号收发器与中央处理器通讯连接，船只信号收发器用于向中央处理器发送数据信号，并接收中央处理器反馈的海上可充电平台坐标；

船只信号收发器与中央处理器通讯连接，船只信号收发器用于采集船只的实时海况信息和船只剩余电量，向中央处理器发送数据信号，并接收中央处理器反馈的海上可充电平台坐标；

数据信号包括船只的当前坐标、船只需求电量；

中央处理器基于海上可充电平台发送的电量信号及坐标信号、船只信号收发器发送的数据信号产生满足充电条件的海上可充电平台坐标。

虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (2)

1.一种无人自助式海上充电方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：以船型为类别，根据包括海况信息、船只剩余电量、船只剩余里程的船只剩余里程参考训练集，通过运用最小二程参数估计法的多元线性回归模型建立该船型的船只剩余里程参考值模型；

步骤2：当收到船只发起充电请求时，根据船只发送的船型信息选择对应的船只剩余里程参考值模型，将船只发送的海况信息、船只剩余电量输入进船只剩余里程参考值模型获得船只剩余里程参考值；

步骤3：根据船只剩余里程参考值计算平台搜索半径；获取以船只坐标为圆点，平台搜索半径为半径的指定区域内的所有海上可充电平台，具体为：

当船只用途为作业船只时，指定区域为以船只坐标为圆点，平台搜索半径为半径的圆形区域；

当船只用途为航运船只时，指定区域为以船只坐标为顶点，船只航运方向为中轴线，顶角为90°，半径为平台搜索半径的扇形区域；其中，根据船只剩余里程参考值计算平台搜索半径的计算公式如下：

L_f＝p*L；

其中，L_f为平台搜索半径；p为缩减率，取值范围为0.6～0.8；L为船只剩余里程参考值；

并依照海上可充电平台与船只的距离，由近至远给指定区域内的所有海上可充电平台进行编号，

步骤4：根据海上可充电平台与船只的距离远近构建该海上可充电平台的降权系数；逐一计算船只行驶到各个海上可充电平台的预期耗电量；

根据降权系数、预期耗电量对海上可充电平台的可充电量进行优化，具体公式如下：

其中，

为优化后的平台可充电量；K_q为降权系数；e为平台当前电量；e_q为预期耗电量；

根据海上可充电平台与船只的距离远近构建该海上可充电平台的降权系数的具体公式如下：

其中，K_q为降权系数；r为平台和船只的距离；l为搜索半径为半径；

步骤5：当有至少一个海上可充电平台优化后的可充电量大于等于船只需求电量时，将与船只距离最近的海上可充电平台的坐标发送给船只；

当所有海上可充电平台优化后的可充电量均小于船只需求电量时，将优化后的可充电量最大的海上可充电平台的坐标发送给船只；

步骤6：将船只需求电量作为预扣电量发送给步骤5中选择的海上可充电平台，海上可充电平台将实际电量减去预扣电量作为可充电量。

2.一种无人自助式海上充电系统，供如权利要求1所述的无人自助式海上充电方法运行，其特征在于，包括：数个海上可充电平台、船只信号收发器、中央处理器；

所述海上可充电平台与所述中央处理器通讯连接，所述海上可充电平台向所述中央处理器发送电量信号及坐标信号，并可为船只提供充电；

所述船只信号收发器与所述中央处理器通讯连接，所述船只信号收发器用于采集船只的实时海况信息和船只剩余电量，向所述中央处理器发送数据信号，并接收所述中央处理器反馈的海上可充电平台坐标；

所述中央处理器基于海上可充电平台发送的电量信号及坐标信号、船只信号收发器发送的数据信号产生满足充电条件的海上可充电平台坐标。

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