CN112381406A - 一种基于船岸协同的船舶能效管理大数据系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于船岸协同的船舶能效管理大数据系统及方法，本发明系统由船载能效采集单元、船载有线数据传输单元、船载能效管理单元、船岸无线数据传输单元、岸基能效管理单元组成。船载能效采集单元包括燃油流量计、轴功率仪、轴转速仪、GPS、多普勒流速仪、风速风向仪。船载能效管理单元包括船载能效控制器和船载能效客户端。岸基能效管理单元的核心是岸基能效服务器端，用来建立岸基中心数据库。岸基能效服务器端包括岸基能效数据处理系统、岸基能效数据挖掘与评估系统、岸基能效在线预报系统和船端/岸基交互系统。本发明在岸端实现了对多艘船舶的能效统一管理，提高了航运公司对船队的能效管理效率。
Description
技术领域
本发明属于船端岸基协同能效关联以及数据挖掘相关技术领域，具体涉及一种基于船岸协同的船舶能效管理大数据系统及方法。
背景技术
全球气候变暖和温室气体的排放备受社会各界关注，航运业对温室气体的排放产生了很大影响。为了在保证船舶正常航行和不严重影响航运公司的经济效益的情况下实现船舶的节能减排，对船舶能效管理的研究十分必要。航运公司拥有大量的船舶，船舶有时进行单船运输，有时整个船队进行航运工作。为达到节能减排的目的，航运公司需要实时掌握单船或船队的能效情况，并且及时进行反馈。目前船岸一体化、船岸通信技术十分成熟。因此，将船上的能效数据分析和能效管理功能移到岸上，建立船岸协同的船舶能效大数据管理平台，能够更高效且系统地服务于航运公司在岸端对船队能效的整体管理，是本发明解决的问题。
发明内容
本发明的发明目的在于提供一种基于船岸协同的船舶能效管理大数据系统及方法。它能够在岸上对远航船舶的能效数据进行分析，对船舶能效进行管理，更高效且系统地服务于航运公司在岸端对船队能效的整体管理。它能在能效数据的处理以及其经验化过程中，起到智能管理船舶的作用，充分挖掘船舶数据的潜在价值，有助于促进智慧航运的发展。它还能实时预测船舶的航行状态，并提出航行建议，从而为其提供最佳航行方案。此系统为船舶以最佳效率航行提供了理论支持和有利保障。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明系统的技术方案为一种基于船岸基协同的船舶能效管理大数据系统，其特征在于，包括：船载能效采集单元、船载有线数据传输单元、船载能效管理单元、船岸无线数据传输单元、岸基能效管理单元；
所述的船载能效采集单元、船载有线数据传输单元、船载能效管理单元依次连接；
所述的船载能效管理单元、船岸无线数据传输模块、岸基能效管理单元依次连接；
所述岸基能效管理单元的核心是岸基能效服务器端，用于建立岸基中心数据库；
所述岸基能效服务器端包括：岸基能效数据处理系统、岸基能效数据挖掘与评估系统、岸基能效在线预报系统、船端/岸基交互系统，这四个系统均为软件系统；
所述船载能效采集单元包括：燃油流量计、轴功率仪、轴转速仪、GPS、多普勒流速仪、风速风向仪，所述船载能效采集单元对船舶运行实时数据和通航环境实时数据进行监测收集；
所述燃油流量计用于采集油耗数据、所述轴功率仪采集用于轴功率数据、所述轴转速仪用于采集轴转速数据、所述GPS用于采集航行位置及对地航速、所述多普勒流速仪用于采集航道水流速度数据、所述风速风向仪用于采集风速风向数据；
所述船载能效管理单元包括：船载能效控制器、船载能效客户端；
所述船载有线数据传输单元将所述船载能效采集单元采集到的油耗数据、轴功率数据、轴转速数据、航行位置、对地航速、航道水流速度数据、风速风向数据传输到船载能效控制器；
所述船载能效控制器实现人机交互，显示采集到的数据；
所述船载能效客户端包括：提示与预警模块、数据实时展示模块、反馈模块；
所述船载能效客户端可让船上人员与岸基中心数据库之间进行能效数据的联系与反馈；
所述船载能效客户端基于Android和iOS两种操作系统开发，船载能效客户端服务于各个船舶，为船上管理人员所使用；管理人员要进行身份核验进入系统，身份验证模块数据统一连接于岸基数据库，对航行起到一定安全保障作用；
所述提示与预警模块用于显示岸基管理平台发送给船端的预警信息和航行建议，在船岸信息一体化基础上，岸基综合数据分析，给出科学建议或预警，实现岸基管理船队的系统功能；
所述数据实时展示模块，软件与船端能效控制器进行对接，定时获得船舶相关数据并更新于展示界面上；船舶数据包括静态数据和动态数据；静态数据可从船舶基本资料和报表获取；动态数据于各类型数据采集点及船舶运营公司对接定时获取；各类船舶数据分区展示，互不干扰，易于查询；
所述反馈模块，方便船员对异常数据进行记录，而且可以及时发送反馈信息到岸基能效数据库中心，实现了对船舶航行的状态信息全面核查以保障顺利通航。
所述岸基能效管理单元完成船端能效数据在岸端的挖掘分析及船岸的信息交互。岸基能效管理单元可实行一对多服务，即建立岸基中心数据库可服务于若干个船舶或航运公司的整个船队。
所述岸基能效数据处理系统，岸上基站根据船端和岸基建立的通讯协议获取基于远端缓存机制的能效相关数据，进一步将报文解析成明文，同时对报文中的能效数据进行配备，即根据报文中的呼号将相应能效数据分流到与相应船舶编号对应的各个数据表中。然后系统将船端收集到的相关能效数据进行能效数据预处理，最终将标准化、正确和适用的干净数据存入岸基中心数据库中。
所述岸基能效数据挖掘与评估系统，根据得到的清洁有效的单个船舶或整个航运公司船队的能效数据，借助机器学习算法，应用数据挖掘技术对具有统计规律和复杂关系的参数(如航速、油耗、风速)进行分析并发现其中参数间的潜在规律(如油耗与风速间的变化规律)。此外该系统通过能效数据对船舶能效进行评估，通过计算EEOI来判断一段航程内船舶的CO2排放量是否达标，同时系统能够将影响船舶能效的因素进行定位，即判别各因素对船舶能耗影响程度的大小，以便后期模型分析时能够及时预警与快速提出航行意见。
所述岸基能效在线预报系统，通过借助能效评估在线寻找能效标杆，以此判断能效指标是否合格。此系统是岸基服务器的核心系统，其运用的算法和模型为船舶在实际运行过程中提供了重要信息。
所述船端/岸基交互系统，实现船载能效客户端与岸基能效服务器端之间的信息交互。该系统使得服务器端的船舶能效管理建议能够实时地展现于客户端软件上，并且船员能够通过船载客户端及时反馈船舶实际运行过程中的突发情况。
一种基于船岸基协同的船舶能效管理大数据方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：能效数据处理；
步骤2：能效数据评估定位；
步骤3：能效数据挖掘分析；
步骤4：能效数据在线预报。
步骤1所述能效数据处理所用到的方法为：
将船端收集到的上述能效数据接收后，岸上基站接受到的是船队或者多条船舶的数据信息，首先将各条船舶不同性质和属性的能效相关数据归类，对油耗mi、功率pi、转速ni、航速vi等船舶运行数据和风速fi、流速ui等通航环境数据进行分类储存。
将通航环境数据中缺失值、重复值、异常值数据进行筛选剔除预处理，得到预处理后通航环境数据；
所述缺失值筛选剔除预处理,采用热平台插补法添加值,即在非缺失样本集合中找到与含此缺失值样本相似的样本,在缺失样本处填充入对应的数值；
所述重复值筛选剔除预处理,要先对样本集按照油耗排序,再计算相邻样本间的欧氏距离,如果相似度大于95％,删除其中一个样本；
所述异常值筛选剔除预处理,将样本集合利用panda库下的describe方法进行分析,找出离群点并剔除，最终得到标准化、正确和适用的干净数据。
步骤2所述能效数据评估的计算公式为：
式中：CFj——CO2排放因子，即燃油j的消耗量与CO2排放量的转换系数；
D——船舶航行里程，单位为nm；
FCj——为船舶燃料消耗总量，单位为t；
mcargo——载货量，单位为t，标准箱或人；
j——为燃料种类；
此部分数据均可从船载能效客户端的数据实时展示模块获取。
步骤3所述能效数据挖掘所应用的算法为：
首先要对已经预处理的数据再进行去中心标准化处理，将各种指标量纲合理化；
在本模型中，需要的观测数据为船舶能效营运指数EEOI、以及预处理后的油耗m、功率p、转速n、航速v；
其中EEOI作为模型中的目标变量，其他作为解释变量x，将这些数据进行去中心标准化处理，使得满足以下要求：
其中，EEOIi为岸基采集的同类型船的相同状况下的多条船舶的能效营运指数，n为采集到的船舶样本数量，p为模型所需其他参数(m，p，n，v)的种类数，值为4。
所要建立的模型表示如下：
EEOIleht为岸基采集的同类型船的相同状况下的其他多条船舶的能效营运指数，e为模型误差。
应用Lasso regression方法对上述模型进行拟合，利用去中心标准化处理好的样本数据进行训练。
步骤4所述能效数据在线预报的方法为：
根据前述岸基能效数据挖掘与评估系统中所建立的能效数据指标模型对该时间段船舶的运行状态进行评判和对下一时间段船舶的运行状况进行预判，再通过船端/岸基交互系统将航行建议实时显示到船载能效客户端的提示与预警模块。若船舶运行的能效数据指标在正常标准阈值内，则经过岸基能效在线预报管理系统评判后，客户端会显示“运行正常、继续航行”的提示；若船舶运行的能效指标严重超标或航行出现故障，则经岸基能效在线预报管理系统评判后，客户端会显示“超限航行”或“航行故障”警示，并提供合理的能效解决方案。
本发明优点在于：
其一，此发明适用于多条船舶，能够有效整合船队的航行能效数据信息，有利于航运公司能够实现船舶航运的高效管理；
其二，此发明在处理和挖掘大量能效数据方面效果显著，能够充分利用其航运过程中所产生能效数据的潜在价值，有利于促进互联网+航运业的发展；
其三，此发明对于船舶的航行状态能够做出有效评估，并能在线预测能效数据，为船舶的智能航行提供建议，有利于智慧航运的发展。
附图说明
图1：本发明的船岸基协同的能效管理大数据平台架构图。
图2：本发明的能效数据管理平台运行流程图。
图3：本发明的船载能效管理软件的结构图。
具体实施方式
为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施方式，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方式仅用以解释基于船岸基协同的船舶能效管理大数据系统以及本发明中C/S架构下的船载能效客户端和岸基能效服务器端。
本发明的发明目的在于提供一种基于船岸协同的船舶能效管理大数据平台。将传统船舶行业的能效管理领域和大数据平台进行有机结合，以能效数据为驱动、以大数据技术为手段，建立一种基于船岸协同的船舶能效管理大数据平台。针对船舶在运营过程中产生的海量结构化或非结构化数据，可利用机器学习算法和大数据计算框架，建立与能效相关的大数据模型，进行多维度分析和挖掘各类静态数据和动态数据。充分发挥能效数据在船舶运行过程中的潜在价值，从而实现船舶在运营过程中所产生的海量能效数据的集中存储、统一管理、深度挖掘、高效分析以及可视化应用。因此大数据平台主要解决面向能效数据的采集、传输、存储、管理、计算、挖掘、分析和应用。
下面结合图1至图3介绍本发明的具体实施方式。
第一实施方式：一种基于船岸基协同的船舶能效管理大数据系统
本发明第一实施方式系统的技术方案为一种基于船岸基协同的船舶能效管理大数据系统，包括：船载能效采集单元、船载有线数据传输单元、船载能效管理单元、船岸无线数据传输单元、岸基能效管理单元；
所述的船载能效采集单元、船载有线数据传输单元、船载能效管理单元依次连接；
所述的船载能效管理单元、船岸无线数据传输模块、岸基能效管理单元依次连接；
所述岸基能效管理模块用于建立岸基中心数据库；
所述岸基能效管理单元包括：岸基能效数据处理系统、岸基能效数据挖掘与评估系统、岸基能效在线预报系统、船端/岸基交互系统，这四个系统均为软件系统；
所述船载能效采集单元包括：燃油流量计、轴功率仪、轴转速仪、GPS、多普勒流速仪、风速风向仪，所述船载能效采集单元对船舶运行实时数据和通航环境实时数据进行监测收集；
所述燃油流量计用于采集油耗数据、所述轴功率仪采集用于轴功率数据、所述轴转速仪用于采集轴转速数据、所述GPS用于采集航行位置及对地航速、所述多普勒流速仪用于采集航道水流速度数据、所述风速风向仪用于采集风速风向数据；
所述燃油流量计选型为：NV～OVAL容积式燃油流量计；
所述轴功率仪选型为：TQ201H-T光电非接触式轴功率仪；
所述轴转速仪选型为：TQ201H-T光电非接触式轴转速仪；
所述GPS选型为：XZ003-USB接收机；
所述多普勒流速仪选型为：LSH10-1A非接触式超声波多普勒流速仪；
所述风速风向仪选型为：LVFSZ-31风速风向仪；
所述船载能效管理单元包括：船载能效控制器、船载能效客户端；
所述船载有线数据传输单元将所述船载能效采集单元采集到的油耗数据、轴功率数据、轴转速数据、航行位置、对地航速、航道水流速度数据、风速风向数据传输到船载能效控制器；
所述船载能效控制器实现人机交互，显示采集到的数据；
所述船载能效客户端包括：提示与预警模块、数据实时展示模块、反馈模块；
所述船载能效客户端可让船上人员与岸基中心数据库之间进行能效数据的联系与反馈；
所述船载能效客户端基于Android和iOS两种操作系统开发，船载能效客户端服务于各个船舶，为船上管理人员所使用；管理人员要进行身份核验进入系统，身份验证模块数据统一连接于岸基数据库，对航行起到一定安全保障作用；
所述提示与预警模块用于显示岸基管理平台发送给船端的预警信息和航行建议，在船岸信息一体化基础上，岸基综合数据分析，给出科学建议或预警，实现岸基管理船队的系统功能；
所述数据实时展示模块，软件与船端能效控制器进行对接，定时获得船舶相关数据并更新于展示界面上；船舶数据包括静态数据和动态数据；静态数据可从船舶基本资料和报表获取；动态数据于各类型数据采集点及船舶运营公司对接定时获取；各类船舶数据分区展示，互不干扰，易于查询；
所述反馈模块，方便船员对异常数据进行记录，而且可以及时发送反馈信息到岸基能效数据库中心，实现了对船舶航行的状态信息全面核查以保障顺利通航。
所述岸基能效管理单元完成船端能效数据在岸端的挖掘分析及船岸的信息交互。岸基能效管理单元可实行一对多服务，即建立岸基中心数据库可服务于若干个船舶或航运公司的整个船队。
所述岸基能效数据处理系统，岸上基站根据船端和岸基建立的通讯协议获取基于远端缓存机制的能效相关数据，进一步将报文解析成明文，同时对报文中的能效数据进行配备，即根据报文中的呼号将相应能效数据分流到与相应船舶编号对应的各个数据表中。然后系统将船端收集到的相关能效数据进行能效数据预处理，最终将标准化、正确和适用的干净数据存入岸基中心数据库中。
所述岸基能效数据挖掘与评估系统，根据得到的清洁有效的单个船舶或整个航运公司船队的能效数据，借助机器学习算法，应用数据挖掘技术对具有统计规律和复杂关系的参数(如航速、油耗、风速)进行分析并发现其中参数间的潜在规律(如油耗与风速间的变化规律)。此外该系统通过能效数据对船舶能效进行评估，通过计算EEOI来判断一段航程内船舶的CO2排放量是否达标，同时系统能够将影响船舶能效的因素进行定位，即判别各因素对船舶能耗影响程度的大小，以便后期模型分析时能够及时预警与快速提出航行意见。
所述岸基能效在线预报系统，通过借助能效评估在线寻找能效标杆，以此判断能效指标是否合格。此系统是岸基服务器的核心系统，其运用的算法和模型为船舶在实际运行过程中提供了重要信息。
所述船端/岸基交互系统，实现船载能效客户端与岸基能效服务器端之间的信息交互。该系统使得服务器端的船舶能效管理建议能够实时地展现于客户端软件上，并且船员能够通过船载客户端及时反馈船舶实际运行过程中的突发情况。
一种基于船岸基协同的船舶能效管理大数据方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：能效数据处理；
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步骤1所述能效数据处理所用到的方法为：
将船端收集到的上述能效数据接收后，岸上基站接受到的是船队或者多条船舶的数据信息，首先将各条船舶不同性质和属性的能效相关数据归类，对油耗mi、功率pi、转速ni、航速vi等船舶运行数据和风速fi、流速ui等通航环境数据进行分类储存。
将通航环境数据中缺失值、重复值、异常值数据进行筛选剔除预处理，得到预处理后通航环境数据；
所述缺失值筛选剔除预处理,采用热平台插补法添加值,即在非缺失样本集合中找到与含此缺失值样本相似的样本,在缺失样本处填充入对应的数值；
所述重复值筛选剔除预处理,要先对样本集按照油耗排序,再计算相邻样本间的欧氏距离,如果相似度大于95％,删除其中一个样本；
所述异常值筛选剔除预处理,将样本集合利用panda库下的describe方法进行分析,找出离群点并剔除，最终得到标准化、正确和适用的干净数据。
步骤2所述能效数据评估的计算公式为：
式中：CFj——CO2排放因子，即燃油j的消耗量与CO2排放量的转换系数；
D——船舶航行里程，单位为nm；
FCj——为船舶燃料消耗总量，单位为t；
mcargo——载货量，单位为t，标准箱或人；
j——为燃料种类；
此部分数据均可从船载能效客户端的数据实时展示模块获取。
步骤3所述能效数据挖掘所应用的算法为：
首先要对已经预处理的数据再进行去中心标准化处理，将各种指标量纲合理化；
在本模型中，需要的观测数据为船舶能效营运指数EEOI、以及预处理后的油耗m、功率p、转速n、航速v；
其中EEOI作为模型中的目标变量，其他作为解释变量x，将这些数据进行去中心标准化处理，使得满足以下要求：
其中，EEOIi为岸基采集的同类型船的相同状况下的多条船舶的能效营运指数，n为采集到的船舶样本数量，p为模型所需其他参数(m，p，n，v)的种类数，值为4。
所要建立的模型表示如下：
EEOIleht为岸基采集的同类型船的相同状况下的其他多条船舶的能效营运指数，e为模型误差。
应用Lasso regression方法对上述模型进行拟合，利用去中心标准化处理好的样本数据进行训练。
步骤4所述能效数据在线预报的方法为：
根据前述岸基能效数据挖掘与评估系统中所建立的能效数据指标模型对该时间段船舶的运行状态进行评判和对下一时间段船舶的运行状况进行预判，再通过船端/岸基交互系统将航行建议实时显示到船载能效客户端的提示与预警模块。若船舶运行的能效数据指标在正常标准阈值内，则经过岸基能效在线预报管理系统评判后，客户端会显示“运行正常、继续航行”的提示；若船舶运行的能效指标严重超标或航行出现故障，则经岸基能效在线预报管理系统评判后，客户端会显示“超限航行”或“航行故障”警示，并提供合理的能效解决方案。
第二实施方式：C/S架构下一种船载能效客户端
所述船载能效客户端是C/S架构下的一款软件，服务于船舶上的工作人员。所述船载能效客户端包括提示与预警模块、数据实时展示模块、反馈模块。客户端软件各界面上简洁明晰，各类型数据按其特点实时动态展示和图形化展示以提升船员工作效率，方便船舶控制中心更加直观地了解船舶航行状态、科学掌控船舶。
所述提示与预警模块用于显示岸基管理平台发送给船端的预警信息和航行建议，在船岸信息一体化基础上，岸基综合数据分析，给出科学建议或预警，实现岸基管理船队的系统功能。
所述数据实时展示模块，软件与船端能效控制器进行对接，定时获得船舶相关数据并更新于展示界面上。船舶数据包括静态数据和动态数据。静态数据可从船舶基本资料和报表获取。动态数据于各类型数据采集点及船舶运营公司对接定时获取。各类船舶数据分区展示，互不干扰，易于查询。
所述反馈模块，方便船员对异常数据进行记录，而且可以及时发送反馈信息到岸基能效数据库中心，实现了对船舶航行的状态信息全面核查以保障顺利通航。
所述船载能效客户端可让船上人员与岸基中心数据库之间进行能效数据的联系与反馈。船载能效客户端是服务于各个船舶的，是船上管理人员所使用的。其基本功能主要有以下几个方面：
其一，可用来查看各种与能效相关的数据，包括静态数据、动态数据(包括通航环境信息、船舶能效数据、船舶物流信息等)。
其二，如遇到船舶能耗超标、航行状态不经济的情况，船载能效客户端软件可接收来自岸基能效服务器端中的紧急警示，并会接收到来自岸基能效在线预报系统的航行建议提示，从而及时调整船舶的运行状态。
其三，在航行过程中若出现突发情况，则可以通过客户端软件上的反馈模块将具体情形反馈至岸基能效管理单元。
第三实施方式：C/S架构下一种岸基能效服务器端
所述岸基能效管理单元的核心是岸基能效服务器端，建立岸基中心数据库。岸基能效管理单元通过建立不同存储形态的数据仓库，如对数据实时性要求不高的静态数据可运用Hadoop架构建立结构化的离线数据仓库，从而建立船舶能效中心数据库(在岸端)。平台的运用层体现在船端、岸基的协同交互，通过船载能效客户端的数据实时展示界面实现能效数据的可视化，从而发挥船舶在运行过程中产生的能效数据的价值。岸基能效管理大数据平台在保证稳定性和准确性的前提下完成船端能效数据向岸基传输及船岸的信息交互。岸基能效管理单元可实行一对多服务，即建立一个岸基中心数据库可服务于若干个船舶或航运公司的整个船队。岸基能效管理大数据平台采用“分布式数据库”，实现船端与岸端、单船与船队系统的能效数据统一管理，主要解决船岸能效数据交互传输和船舶能效管理任务。
所述岸基能效服务器端包括岸基能效数据处理系统、岸基能效数据挖掘与评估系统、岸基能效在线预报系统和船端/岸基交互系统。
所述岸基能效数据处理系统，岸上基站通过无线通讯技术将船端收集到的静态数据和动态数据在内的相关能效数据进行接收后，进行能效数据预处理。通过数据清洗技术，利用不同的数据处理组件来对接收的结构化数据和非结构化数据作不同的处理，将原始数据中缺失值、异常值数据进行筛选和剔除，最终得到标准化、正确和适用的干净数据。
然后，系统对报文中的能效数据进行配备，即根据报文中的呼号将相应能效数据分流到与相应船舶编号对应的各个数据表中。若不存在该船舶的数据表，则系统会及时建立该船舶的数据表并持续进行数据接收任务。在此过程中应建立数据标准，能够通过设定的规则进行自动补全、去重、归一化等标准化处理。
所述岸基能效数据挖掘与评估系统根据得到的清洁有效的单个船舶或整个航运公司船队的能效数据，借助机器学习算法，如Lasso regression、Random forest，应用数据挖掘技术对具有统计规律和复杂关系的参数进行分析并发现其中参数间的潜在规律。
岸基能效数据评估系统通过能效数据对船舶的能效进行评估，进行EEOI的统计与计算，同时系统可以将影响船舶能效的因素进行定位，以便后期模型分析时能够及时预警与快速修复。
岸基能效数据挖掘系统可以实现对单船(或航运公司的船队)的能效情况进行挖掘分析。各个船舶编号所建立的数据表各自实现模型分析，对于具有相同数据指标的同型船，能效模型可进行直接调度使用。这样可实现相同模型无缝转移到其他船舶编号的模型系统中运行，而使平台具备复杂的多航运场景分析能力，大大提高实时数据分析应用的能力。
所述岸基能效在线预报系统通过借助能效评估在线寻找能效标杆，以此判断能效指标是否合格。系统的主要任务是根据岸基能效数据挖掘与评估系统中所建立的能效数据指标模型对该时间段船舶的运行状态进行评判和对下一时间段船舶的运行状况进行预判，再通过船端/岸基交互系统将航行建议实时显示到船载能效客户端的提示与预警模块。若船舶运行的能效数据指标在正常标准阈值内，则经过岸基能效在线预报管理系统评判后，客户端会显示“运行正常、继续航行”的提示；若船舶运行的能效指标严重超标或航行出现故障，则经岸基能效在线预报管理系统评判后，客户端会显示“超限航行”或“航行故障”警示，并提供合理的能效解决方案。
此系统是岸基服务器的核心系统，需要通过船端/岸基协同交互系统将预测到的航行状态信息展示到船载客户端的岸基显示与预警模块。同时在线预报的结果是基于数据挖掘系统中大数据智能建模集约化分析后得到的，是通过对当前能效数据参数综合分析后进行系统化预测得到的。
在保证船型一定、航线确定的情况下尽量降低运营成本，选择出既确保船舶按照班期航行，又能让主机以节能转速运行的最优航行建议，为船舶的经济航行和节能环保提供保障。船舶航行由于受到外界通航环境的影响，因此每隔一定的时间需要重新对船舶运行进行重新评判，并预测下一运行时段的能效运营情形，判断和选择出最优航行建议，保证船舶在不同通航环境条件和载况下能够以经济行驶。
所述船端/岸基交互系统的功用是实现船载能效客户端与岸基能效服务器端之间的信息交互，即保证C/S构架的成功实现。该系统使得服务器端的船舶能效管理建议能够实时地展现于客户端软件上，并且船员能够通过船载客户端及时反馈船舶实际运行过程中的突发情况。一方面，如若船舶处于不环保、不经济的航行状态，能效在线预报系统首先会对能效数据进行评估诊断，判断其能耗是否超标、航行状态是否不经济，然后会根据此时刻的能效数据与所建模型进行综合性地智能对比，得出耗能高、废气排放量大的原因所在，然后匹配最佳的能效解决方案后，服务器端的船端/岸基交互系统可将超限警报信号及时显示在船端客户端软件上，以方便船舶及时调整航行状态。另一方面，如若船端遇到海上突发情况，则船员可以通过客户端软件上的反馈模块向岸基中心数据库实时反馈，而船端/岸端交互系统会自行处理反馈情况，提供紧急响应方案，并通过该系统回馈至船端客户端。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (3)
1.一种基于船岸基协同的船舶能效管理大数据系统，其特征在于，包括：船载能效采集单元、船载有线数据传输单元、船载能效管理单元、船岸无线数据传输单元、岸基能效管理单元；
所述的船载能效采集单元、船载有线数据传输单元、船载能效管理单元依次连接；
所述的船载能效管理单元、船岸无线数据传输模块、岸基能效管理单元依次连接；
所述岸基能效管理单元的核心是岸基能效服务器端，用于建立岸基中心数据库；
所述岸基能效服务器端包括：岸基能效数据处理系统、岸基能效数据挖掘与评估系统、岸基能效在线预报系统、船端/岸基交互系统，这四个系统均为软件系统；
所述船载能效采集单元包括：燃油流量计、轴功率仪、轴转速仪、GPS、多普勒流速仪、风速风向仪，所述船载能效采集单元对船舶运行实时数据和通航环境实时数据进行监测收集；
所述燃油流量计用于采集油耗数据、所述轴功率仪采集用于轴功率数据、所述轴转速仪用于采集轴转速数据、所述GPS用于采集航行位置及对地航速、所述多普勒流速仪用于采集航道水流速度数据、所述风速风向仪用于采集风速风向数据；
所述船载能效管理单元包括：船载能效控制器、船载能效客户端；
所述船载有线数据传输单元将所述船载能效采集单元采集到的油耗数据、轴功率数据、轴转速数据、航行位置、对地航速、航道水流速度数据、风速风向数据传输到船载能效控制器；
所述船载能效控制器实现人机交互，显示采集到的数据；
所述船载能效客户端包括：提示与预警模块、数据实时展示模块、反馈模块；
所述船载能效客户端可让船上人员与岸基中心数据库之间进行能效数据的联系与反馈；
所述船载能效客户端基于Android和iOS两种操作系统开发，船载能效客户端服务于各个船舶，为船上管理人员所使用；管理人员要进行身份核验进入系统，身份验证模块数据统一连接于岸基数据库，对航行起到一定安全保障作用；
所述提示与预警模块用于显示岸基管理平台发送给船端的预警信息和航行建议，在船岸信息一体化基础上，岸基综合数据分析，给出科学建议或预警，实现岸基管理船队的系统功能；
所述数据实时展示模块，软件与船端能效控制器进行对接，定时获得船舶相关数据并更新于展示界面上；船舶数据包括静态数据和动态数据；静态数据可从船舶基本资料和报表获取；动态数据于各类型数据采集点及船舶运营公司对接定时获取；各类船舶数据分区展示，互不干扰，易于查询；
所述反馈模块，方便船员对异常数据进行记录，而且可以及时发送反馈信息到岸基能效数据库中心，实现了对船舶航行的状态信息全面核查以保障顺利通航。
2.根据权利要求1所述的基于船岸基协同的船舶能效管理大数据系统，其特征在于：
所述岸基能效管理单元完成船端能效数据在岸端的挖掘分析及船岸的信息交互；岸基能效管理单元可实行一对多服务，即建立岸基中心数据库可服务于若干个船舶或航运公司的整个船队；
所述岸基能效数据处理系统，岸上基站根据船端和岸基建立的通讯协议获取基于远端缓存机制的能效相关数据，进一步将报文解析成明文，同时对报文中的能效数据进行配备，即根据报文中的呼号将相应能效数据分流到与相应船舶编号对应的各个数据表中；然后系统将船端收集到的相关能效数据进行能效数据预处理，最终将标准化、正确和适用的干净数据存入岸基中心数据库中；
所述岸基能效数据挖掘与评估系统，根据得到的清洁有效的单个船舶或整个航运公司船队的能效数据，借助机器学习算法，应用数据挖掘技术对具有统计规律和复杂关系的参数(如航速、油耗、风速)进行分析并发现其中参数间的潜在规律(如油耗与风速间的变化规律)；此外该系统通过能效数据对船舶能效进行评估，通过计算EEOI来判断一段航程内船舶的CO2排放量是否达标，同时系统能够将影响船舶能效的因素进行定位，即判别各因素对船舶能耗影响程度的大小，以便后期模型分析时能够及时预警与快速提出航行建议；
所述岸基能效在线预报系统，通过能效评估在线寻找能效标杆，以此判断能效指标是否合格；此系统是岸基服务器的核心系统，其运用的算法和模型为船舶在实际运行过程中提供了重要信息；
所述船端/岸基交互系统，实现船载能效客户端与岸基能效服务器端之间的信息交互；该系统使得服务器端的船舶能效管理建议能够实时地展现于客户端软件上，并且船员能够通过船载客户端及时反馈船舶实际运行过程中的突发情况。
3.一种利用权利要求1所述的基于船岸基协同的船舶能效管理大数据系统进行基于船岸基协同的船舶能效管理大数据方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：能效数据处理；
步骤2：能效数据评估定位；
步骤3：能效数据挖掘分析；
步骤4：能效数据在线预报；
步骤1所述能效数据处理所用到的方法为：
将船端收集到的上述能效数据接收后，岸上基站接受到的是船队或者多条船舶的数据信息，首先将各条船舶不同性质和属性的能效相关数据归类，对油耗mi、功率pi、转速ni、航速vi等船舶运行数据和风速fi、流速ui等通航环境数据进行分类储存；
将通航环境数据中缺失值、重复值、异常值数据进行筛选剔除预处理，得到预处理后通航环境数据；
所述缺失值筛选剔除预处理,采用热平台插补法添加值,即在非缺失样本集合中找到与含此缺失值样本相似的样本,在缺失样本处填充入对应的数值；
所述重复值筛选剔除预处理,要先对样本集按照油耗排序,再计算相邻样本间的欧氏距离,如果相似度大于95％,删除其中一个样本；
所述异常值筛选剔除预处理,将样本集合利用panda库下的describe方法进行分析,找出离群点并剔除，最终得到标准化、正确和适用的干净数据；
步骤2所述能效数据评估的计算公式为：
式中：CFj——CO2排放因子，即燃油j的消耗量与CO2排放量的转换系数；
D——船舶航行里程，单位为nm；
FCj——为船舶燃料消耗总量，单位为t；
mcargo——载货量，单位为t，标准箱或人；
j——为燃料种类；
此部分数据均可从船载能效客户端的数据实时展示模块获取；
步骤3所述能效数据挖掘所应用的算法为：
首先要对已经预处理的数据再进行去中心标准化处理，将各种指标量纲合理化；
在本模型中，需要的观测数据为船舶能效营运指数EEOI、以及预处理后的油耗m、功率p、转速n、航速v；
其中EEOI作为模型中的目标变量，其他作为解释变量x，将这些数据进行去中心标准化处理，使得满足以下要求：
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应用Lasso regression方法对上述模型进行拟合，利用去中心标准化处理好的样本数据进行训练；
步骤4所述能效数据在线预报的方法为：
根据前述岸基能效数据挖掘与评估系统中所建立的能效数据指标模型对该时间段船舶的运行状态进行评判和对下一时间段船舶的运行状况进行预判，再通过船端/岸基交互系统将航行建议实时显示到船载能效客户端的提示与预警模块；若船舶运行的能效数据指标在正常标准阈值内，则经过岸基能效在线预报管理系统评判后，客户端会显示“运行正常、继续航行”的提示；若船舶运行的能效指标严重超标或航行出现故障，则经岸基能效在线预报管理系统评判后，客户端会显示“超限航行”或“航行故障”警示，并提供合理的能效解决方案。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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