CN113264163B - 一种船舶能效管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船舶能效管理方法，分为航行阶段能效管理和航行结束时的能效管理两个过程，航行阶段能效管理通过获取历史最优推进主机转速推动船舶运行，并每间隔一段时间对航速进行修正；航行结束时对每个能效指标进行获取并建立相应的走势曲线。本发明将当前航次的相关环境参数作为筛选条件，在历史参数中选择最优的推进主机转速作为初始推进主机转速，以此来控制船舶航行，可以在航行开始时，就能以较为优化的能效进行航行，提高航行的能效利用率。

Description

一种船舶能效管理方法

技术领域

本发明涉及船舶能效管理技术领域，具体涉及一种船舶能效管理方法。

背景技术

中国船级社发布的GD14-2018《船舶智能能效管理检验指南》已于2018年9月1日生效，规范规定了船舶能效在线智能监控一般要求，其中第2.5.2章关于船舶能效及排放指标评估的要求为：根据船舶历史数据(设计、试航)、同型船数据或结合船舶实时数据通过自学习功能，建立船舶能效及排放指标评估标准；根据船舶设备监测数据，实时计算船舶能效及排放指标，并与能效及排放指标评估标准进行对比；按需生成船舶能效及排放评估分析报告。

中国船级社发布的《智能船舶规范》已于2020年3月1日生效，在第五章智能能效管理内容里定义智能能效管理是指基于船舶航行状态、耗能状况的监测数据和信息，对船舶能效状况、航行及装载状态等进行评估，为船舶提供评估结果和航速优化、基于纵倾优化的最佳配载等解决方案，实现船舶能效实时监控、评估及优化，以不断提高船舶能效管理水平。

当前，已经在行业占有一定市场的具备类似功能的产品的工作原理是通过对关键航行数据和设备工况数据的采集，在航次结束后计算出总燃油消耗和总航行距离的比值，意义为单位航行距离所消耗的燃油量，定义为能效效率，而且一个航次的能效效率值唯一。然后系统将当前航次的能效效率和历史上所有航次的能效效率做排序，判定这个航次的能效效率处于怎么怎样的水平。该产品对船舶能效的评估手段虽然可以对每个航次的能效进行指标化的计算和水平评估，但是却有两个不足之处：其一，评估时效是滞后性的，也就是说系统在船舶航行过程中是无法对实时的能效状态进行评估和优化；其二，能效指标单调，只反映了船舶总体的能效效率，确忽略了推进效率指标，推进效率是船舶整个推进装置在航次中消耗燃油量和航行里程的比值，这个指标可以间接的反映出推进装置的折旧和老化程度。

因此，本发明的一种船舶能效管理方法，其发明目的是为了解决船舶在实际营运航行过程中可以对船舶能效的状态进行实时评估和优化的关键技术难点。通过系统的自学习功能，结合历史数据有针对性的找到船舶关键工况的最优解，从而可以进一步的对船舶实时能效进行量化的控制和管理，达到节约能耗的效果。

发明内容

本发明提供了一种船舶能效管理方法，以解决现有技术中对船舶航行能效评估、管理过程单一性的问题。

本发明提供了一种船舶能效管理方法，具体包括：

步骤1：获取船舶当前航段的环境参数；

步骤2：在历史环境参数数据中根据当前航段的环境参数获取数个与之相近的航行控制参数；

步骤3：在数个航行控制参数中选择最优的航行控制参数所对应的推进主机转速作为初始推进主机转速，根据初始推进主机转速控制船舶航行；

步骤4：以预设间隔调整时间为间隔，获取当前剩余里程以及当前航速，根据当前剩余里程与当前航速计算预计到达时间；

步骤5：当预计到达时间满足航次要求时，以当前航速继续航行；

当预计到达时间不满足航次要求时，执行步骤51至步骤53；

步骤51：根据剩余里程以及航次允许的最晚达到时间计算最慢到达航速，根据最慢到达航速获取最慢推进主机转速；

步骤52：根据最慢推进主机转速控制船舶航行，并以预设间隔时间提升航速档位直至最高档位，逐一计算每次预设间隔时间内的推进效率；

步骤53：选择推进效率值最小的推进效率对应的推进主机转速，以此推进主机转速控制船舶航行；

步骤6：返回步骤4直至航次完成；

步骤7：将本次航段的各项参数进行存储，并根据历史参数评估本次航段的各项能效指标。

进一步地，在所述步骤2中，当无法在历史环境参数数据中根据当前航段的环境参数获取与之相近的航行控制参数时，直接跳转至步骤4执行。

进一步地，所述步骤7中还包括：建立航段与推进主机转速的曲线函数。

进一步地，所述步骤3中，在数个航行控制参数中选择最优的航行控制参数所对应的推进主机转速；根据航段与推进主机转速的曲线函数计算当前航段的推进主机转速，根据获取的两个推进主机转速获取初始推进主机转速。

进一步地，所述步骤3中，根据获取的两个推进主机转速获取初始推进主机转速的具体方法包括：

当与航行控制参数对应的推进主机转速与通过曲线函数获取的推进主机转速相差小于20％时，选择与航行控制参数对应的推进主机转速作为初始推进主机转速；

当与航行控制参数对应的推进主机转速与通过曲线函数获取的推进主机转速相差大于20％时，选择通过曲线函数获取的推进主机转速作为初始推进主机转速。

进一步地，所述步骤7中各项能效指标包括：船舶能效运营指数、单位海里燃料消耗量、单位运输功燃料消耗量、单位海里CO₂排放量、单位运输功CO₂排放量、载货量利用率、降速比、推进效率、能效效率、其他效率、单位时间推进滑失率，其中，

其他效率＝能效效率-推进效率

本发明的有益效果：

本发明将当前航次的相关环境参数作为筛选条件，在历史参数中选择最优的推进主机转速作为初始推进主机转速，以此来控制船舶航行，可以在航行开始时，就能以较为优化的能效进行航行，提高航行的能效利用率。本发明在航行过程中，也实时获取航行速度，结合剩余里程计算预计到达时间，并根据预计达到时间是否满足要求来实时调整航速。本发明在航行时实时调整航速时采用逐级调整航速档位，计算各档位下的推进效率，并选择最优的推进效率下的推进主机转速进行航行，可以时刻根据船舶当前航行状态调整航速，达到最优的能效。本发明在航行结束后，将航行中所有获取的参数进行计算和存储，可作为基础数据，提高后续航行初始推进主机转速的选择准确性，同时可以根据历史数据对船舶各个能效指标进行评估。本发明还建立了航段与推进主机转速直接的曲线函数，可以通过曲线的走向预估推进主机的折旧速率，同时可以在后续航行中对初始推进主机转速的选择起到辅助作用，使得初始推进主机转速的选择更加准确。

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为本发明具体实施例中船舶航行过程中的控制流程示意图。

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。

本发明实施例提供一种船舶能效管理方法，具体包括：

步骤1：获取船舶当前航段的环境参数，环境参数包括：纵倾、四角吃水、风速、风向、水流速度、水流方向；

步骤2：当在历史环境参数数据中根据当前航段的环境参数能获取数个与之相近的航行控制参数时，执行步骤3；

当无法在历史环境参数数据中根据当前航段的环境参数获取与之相近的航行控制参数时，直接跳转至步骤4执行；

当历史数据不足时，也可以跳过后续获取初始推进主机转速的过程，可以避免系统在初期使用时无法获取初始推进主机转速的情况。

步骤3：在数个航行控制参数中选择最优的航行控制参数所对应的推进主机转速；根据航段与推进主机转速的曲线函数计算当前航段的推进主机转速，根据获取的两个推进主机转速获取初始推进主机转速，

当与航行控制参数对应的推进主机转速与通过曲线函数获取的推进主机转速相差小于20％时，选择与航行控制参数对应的推进主机转速作为初始推进主机转速；

当与航行控制参数对应的推进主机转速与通过曲线函数获取的推进主机转速相差大于20％时，选择通过曲线函数获取的推进主机转速作为初始推进主机转速。

初始推进主机转速的选取尤为重要，如果航行环境参数变化不大，船舶会一直以该转速推动船舶前行。从历史环境参数数据中选择数个与当前航次的环境参数相近的航行控制参数，再从数个航行控制参数选择一个最优的航行控制参数，并获取最优的航行控制参数对应的推进主机转速，可以将该推进主机转速作为初始推进主机转速。但只通过从数个航行控制参数选择一个最优的航行控制参数所对应的推进主机转速，可能会出现该推进主机转速是较早前某一天与本次航行环境参数最接近的情况下的推进主机转速，当时的推进主机的工况肯定优于当前推进主机的工况，当时的推进主机转速满足了航行要求，但是不能代表在当前的推进主机的工况下用获取的推进主机转速就能满足航行要求，所以本发明从航次和推进主机转速的曲线函数预估出一个推进主机转速，这个推进主机转速可以直接反应出推进主机的折旧情况，但该推进主机转速是不能反应环境参数的，所以将该推进主机转速与通过最优航行控制参数所对应的推进主机转速进行结合，来获取最优的初始推进主机转速。当与航行控制参数对应的推进主机转速与通过曲线函数获取的推进主机转速相差较小时，说明与航行控制参数对应的推进主机转速较为合理，反之则说明通过曲线函数获取的推进主机转速，虽未选择与航行控制参数对应的推进主机转速，但此时的推进主机转速更加贴近推进主机的工况，如果此时推进主机转速不够最优，也后续可以根据实时情况更新推进主机转速。

步骤4：以预设间隔调整时间为间隔，获取当前剩余里程以及当前航速，根据当前剩余里程与当前航速计算预计到达时间；

由于航行时间、距离跨度都较大，所以海况的变化也时常发生，船舶的航行状态就会受到影响，期初的初始推进主机转速就不一定能满足当前的情况，可能无法支持船舶能在规定时间内完成航次，所以需要对推进主机转速进行实时的调整，调整的依据在当前的航速下完成剩余里程的预计到达时间是否满足要求。

步骤5：当预计到达时间满足航次要求时，以当前航速继续航行；

当预计到达时间不满足航次要求时，执行步骤51至步骤53；

步骤51：根据剩余里程以及航次允许的最晚达到时间计算最慢到达航速，根据最慢到达航速获取最慢推进主机转速；

步骤52：根据最慢推进主机转速控制船舶航行，并以预设间隔时间提升航速档位直至最高档位，逐一计算每次预设间隔时间内的推进效率；

步骤53：选择推进效率值最小的推进效率对应的推进主机转速，以此推进主机转速控制船舶航行；

当预计到达时间不满足航次要求，说明当前的推进主机转速下的航速不能满足航行要求，所以需要对推进主机转速进行更新。首先是获取一个能满足完成剩余里程的最慢航速，此航速不考虑推进效率，船舶以此航速航行一段时间，然后获取该时间段内的推进效率，后续以预设间隔时间逐渐提升档位，获取每个档位下的推进效率，最后从这些推进效率中选择一个最优的推进效率，以此推进效率下的档位航速控制船舶航行。此时的航速必定大于最慢航速，如果船舶以此航速继续航行，在下一次优化推进主机转速之前，其能效是最优的。

步骤6：返回步骤4直至航次完成；

步骤7：将本次航段的各项参数进行存储，并根据历史参数评估本次航段的各项能效指标，同时建立航段与推进主机转速的曲线函数。

各项能效指标包括：船舶能效运营指数、单位海里燃料消耗量、单位运输功燃料消耗量、单位海里CO₂排放量、单位运输功CO₂排放量、载货量利用率、降速比、推进效率、能效效率、其他效率、单位时间推进滑失率，其中，

其他效率＝能效效率-推进效率

能效指标评估是在船舶完成一个航次后对整个航次的能效指标进行评估的评估手段，目的是为了验证船舶在同样航线和载货量的情况下，同比相同条件的历史航次，对能效的管控达到怎样的水平，而且在航次开始前使用本评估手段，也能对将要开始的航次进行能效管理预规划。

第一步，在船舶正常运营使用过程中，会按照航次为单位，对每个航次的整体能效指标和关键设备的运行工况进行存储；

第二步，在航次结束后，管理人员输入评估条件，按照顺序依次是航段开始港口代码、航段结束港口代码和载货量，然后开始评估；

第三部，依据评估条件筛选出符合筛选条件的历史相同航段的能效指标及其对应的设备工况以及航行数据，并生成规范格式的文件报表。

其中航段开始港口代码、航段结束港口代码基本限制了船舶航线的筛选范围，即航行距离条件筛选限制；航段的起止时间基本限制了船舶的时间筛选范围，即季节筛选限制；载货量限制了船舶的载货量的筛选条件，即船舶总重量限制。经过这4个条件筛选后得出的航段，基本上航行的距离误差不大、受季节性影响的程度误差也有限，受船舶自重误差也可以剔除，目的是使下面各能效指标的评估更加科学。

第四部，在筛选出来的列表中，将推进效率和能效效率和其他效率作为三个重要的评估指标，

各能效指标中，推进效率、能效效率、其他效率是三个较为重要的评估指标，推进效率是船舶的推进设备做功产生的能量消耗和总航行里程的比值，即单位海里推进做功消耗的能量，反映的是船舶用于推进的设备在航段中能量利用率的综合表现；

其他效率是船舶用于推进设备做功产生的能量消耗之外其他的能量消耗和总航行里程的比值，即单位海里其他设备做功消耗的能量，反映的船舶用于发电、制冷、制热等设备在航段中能量利用率的综合表现；

能效效率是船舶整体能量消耗和总航行里程的比值，即单位海里船舶能量的消耗，反映的是船舶整体能量利用率的综合表现。

随着船舶使用年限的增长以及其设备老化是影响船舶能效指标的一个重要因素，但是设备折旧老化的监控技术又是相当专业且复杂的技术，不便于实施。本能效评估方案虽然未对设备折旧的指标进行采集和计算，但是在具体实施的时候却通过指标的输出考虑到设备折旧因素。因为随着船舶和设备的折旧，通过数据积累可以看出其能效指标总体会呈现由好向差的趋势。

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)

1.一种船舶能效管理方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：获取船舶当前航段的环境参数；

步骤2：在历史环境参数数据中根据当前航段的环境参数获取数个与之相近的航行控制参数；

当无法在历史环境参数数据中根据当前航段的环境参数获取与之相近的航行控制参数时，直接跳转至步骤4执行；

步骤3：在数个航行控制参数中选择最优的航行控制参数所对应的推进主机转速；根据航段与推进主机转速的曲线函数计算当前航段的推进主机转速，根据获取的两个推进主机转速获取初始推进主机转速，根据初始推进主机转速控制船舶航行；其中，根据获取的两个推进主机转速获取初始推进主机转速的具体方法包括：

当与航行控制参数对应的推进主机转速与通过曲线函数获取的推进主机转速相差小于20％时，选择与航行控制参数对应的推进主机转速作为初始推进主机转速；

当与航行控制参数对应的推进主机转速与通过曲线函数获取的推进主机转速相差大于20％时，选择通过曲线函数获取的推进主机转速作为初始推进主机转速；

步骤4：以预设间隔调整时间为间隔，获取当前剩余里程以及当前航速，根据当前剩余里程与当前航速计算预计到达时间；

步骤5：当预计到达时间满足航次要求时，以当前航速继续航行；

当预计到达时间不满足航次要求时，执行步骤51至步骤53；

步骤51：根据剩余里程以及航次允许的最晚达到时间计算最慢到达航速，根据最慢到达航速获取最慢推进主机转速；

步骤52：根据最慢推进主机转速控制船舶航行，并以预设间隔时间提升航速档位直至最高档位，逐一计算每次预设间隔时间内的推进效率；

步骤53：选择推进效率值最小的推进效率对应的推进主机转速，以此推进主机转速控制船舶航行；

步骤6：返回步骤4直至航次完成；

步骤7：将本次航段的各项参数进行存储，并根据历史参数评估本次航段的各项能效指标，建立航段与推进主机转速的曲线函数。

2.如权利要求1所述的船舶能效管理方法，其特征在于，所述步骤7中各项能效指标包括：船舶能效运营指数、单位海里燃料消耗量、单位运输功燃料消耗量、单位海里CO₂排放量、单位运输功CO₂排放量、载货量利用率、降速比、推进效率、能效效率、其他效率、单位时间推进滑失率，其中，

其他效率＝能效效率-推进效率

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