CN115195971A - 船舶能效管理系统、方法及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种船舶能效管理系统、方法及存储介质，其中系统包括数据采集子系统和数据处理子系统；数据采集子系统用于检测船舶的当前运行模式以及在船舶航行状态下实时采集与船舶耗能相关的耗能数据、与船舶的运行特征相关的特征数据；数据处理子系统用于根据当前运行模式下的耗能数据以及特征数据确定当前行进模式下的能耗指标对应的能耗值，并将能耗值与预设的能耗阈值相比较，若能耗值大于所述能耗阈值，则生成能耗决策，以供操控人员根据能耗决策调整船舶的耗能设备的状态，不同的运行模式下确定适合于当前运行模式的能耗值的数据，使得能耗值的计算更加准确、全面反映出当前运行模式下的能耗情况。
Description
技术领域
本发明涉及水运交通技术领域，特别涉及一种船舶能效管理系统、方法及存储介质。
背景技术
内河混合动力散货船通常是通过柴油、LNG(Liquefied Natural Gas，液化天然气)、电三种能源提供动力，因此，其能效管理系统组成复杂、设计难度大、工况需求复杂，对系统的安全可靠和计算精度要求高，涉及到动力装置、能量管理、船舶货运等多个技术领域。内河混合动力散货船通常具有PTO(POWER TAKE OUT，即主机带动轴带发电机发电，输出功率到电网)模式、PTI(POWER TAKE IN,即轴带发电机当电机使用，轴带发电机需输入功率到主推进轴系，与主机一起推进)模式、PTH(POWER TAKE HOME，一种应急处理模式，轴带发电机当电机使用，发电机组供电给轴带发电机来驱动螺旋桨，主机不作用)模式、柴油推进模式(即只有主机带动推进轴系驱动螺旋桨，轴发不作用)等不同运行模式。
目前，针对船舶能效管理方面的研究，大多都是针对常规动力型式或简单的柴电混合动力型式海船，并没有考虑到内河混合动力散货船这种动力复杂动力系统，更没有将PTO、PTI、PTH和柴油直推等不同模式切换下的能耗能效评估和能效管理系统方法。
发明内容
本发明提供了一种船舶能效管理系统、方法及存储介质，针对于不同的运行模式下确定适合于当前运行模式的能耗值的数据，使得能耗值的计算更加准确、全面反映出当前运行模式下的能耗情况，具体方案如下：
第一方面，提供一种船舶能效管理系统，所述系统包括数据采集子系统和数据处理子系统；
所述数据采集子系统用于检测船舶的当前运行模式以及在船舶航行状态下实时采集与船舶耗能相关的耗能数据、与船舶的运行特征相关的特征数据；
所述数据处理子系统用于根据所述当前运行模式下的所述耗能数据以及所述特征数据确定所述当前行进模式下的能耗指标对应的能耗值，并将所述能耗值与预设的能耗阈值相比较，若所述能耗值大于所述能耗阈值，则生成能耗决策，以供操控人员根据所述能耗决策调整所述船舶的耗能设备的状态。
进一步地，所述能耗指标为整船能耗评估，并且在所述当前运行模式为PTO模式、PTI模式以及柴油推进模式中的任一种的情况下，所述耗能数据为通过燃油流量计采集的主机柴油流量，通过燃气流量计采集的机组燃气流量，所述特征数据为通过计程仪采集的船舶航速以及船舶航行距离；
在所述当前运行模式为PTO模式、PTI模式以及柴油推进模式中的任一种的情况下，所述数据处理子系统还用于根据所述主机柴油流量以及所述机组燃气流量分别确定主机燃油消耗量以及机组燃气消耗量，将所述机组燃气消耗量以等效的方式转换为机组柴油消耗量，并将所述机组柴油消耗量以及所述主机柴油消耗量之和作为整船柴油消耗量，再根据所述船舶航速以及所述船舶航行距离确定不同航速下的单公里等效柴油消耗值；
其中，若所述单公里等效柴油消耗值大于对应的阈值范围，则所述数据处理子系统判定所述能耗状态为耗能高，并生成相应的能耗决策。
进一步地，在所述当前运行模式为PTH模式的情况下，所述耗能数据为通过燃气流量计采集的机组燃气流量，所述特征数据为所述船舶速度以及所述船舶航行距离；
在所述当前运行模式为PTH模式的情况下，所述数据处理子系统还用于根据所述机组燃气流量确定机组燃气消耗量，将所述机组燃气消耗量以等效的方式转换为机组柴油消耗量，并将所述机组柴油消耗量作为整船柴油消耗量，再根据所述船舶航速以及所述船舶航行距离确定不同航速下的单公里等效柴油消耗值；
其中，若所述单公里等效柴油消耗值大于对应的阈值范围，则所述数据处理子系统判定所述能耗状态为耗能高，并生成相应的所述能耗决策。
进一步地，所述能耗指标为整船的能耗分布；
若所述当前运行模式为PTO模式、PTI模式以及柴油推进模式中的任一种，则所述耗能数据为通过燃油流量计采集的主机燃油流量，通过燃气流量计采集的机组燃气流量，通过电能计采集电网主要负载耗电量，所述数据处理子系统还用于根据所述主机燃油流量以及所述机组燃气流量确定实时推进系统能量消耗值，根据电网主要负载耗电量确定实时电力系统能耗值，并基于所述实时推进系统能耗值以及所述实时电力系统能耗值确定船舶的动态能耗分布；
若所述当前运行模式为PTH模式，则所述耗能数据为通过燃气流量计采集的机组燃气流量，通过电能计采集电网主要负载耗电量，所述数据处理子系统还用于根据所述机组燃气流量确定实时推进系统能量消耗值，根据电网主要负载耗电量确定实时电力系统能耗值，并基于所述实时推进系统能耗值以及所述实时电力系统能耗值确定船舶的动态能耗分布；
所述数据处理子系统还用于根据耗能设备的试航实验结果确定所述船舶的静态能耗分布，以及根据所述实时推进系统能耗值以及所述实时电力系统能耗值确定所述船舶的动态能耗分布；
其中，若所述动态能耗分布中推进功占比低于所述静态能耗分布中推进功的占比，则所述数据处理子系统判定所述能耗状态为耗能高，并生成相应的所述耗能决策。
进一步地，所述能耗指标为主机和机组性能评估，并且在当前运行模式为柴油推进模式的情况下，所述耗能数据为通过燃油流量计采集的主机燃油流量，所述特征数据为通过监测报警系统采集的主机转速；
在当前运行模式为柴油推进模式的情况下，所述数据处理子系统还用于根据所述主机燃油流量确定主机燃油消耗量，并基于所述主机燃油消耗量计算主机燃油消耗率，将船舶在实际运行过程中的实际主机燃油消耗率，实际主机转速与试航数据中的试航主机燃油消耗率以及对应的试航主机转速进行比较以确定偏离度，从而确定主机性能评估值；
其中，若所述主机性能评估值小于对应的阈值范围，则所述数据处理子系统生成所述主机性能的评估结果。
进一步地，在当前运行模式为PTH推进模式的情况下，所述耗能数据为通过燃气流量计采集的机组燃气消耗量，所述特征数据为通过监测报警系统采集的机组输出功率；
在当前运行模式为PTH推进模式的情况下，所述数据处理子系统还用于根据所述机组燃气流量确定机组燃气消耗量计算机组燃气消耗率，根据船舶在实际运行过程中的实际机组燃气消耗率，实际机组输出功率与试航数据中的试航机组燃气消耗率以及对应的试航机组输出功率的比较结果确定偏离度，从而确定机组性能评估值；
其中，若所述机组性能评估值小于对应的阈值范围，则所述数据处理子系统生成所述机组性能的评估结果。
进一步地，所述数据处理子系统还用于根据所述当前运行模式下的所述耗能数据，碳排放系数，以及所述特征数据确定所述当前行进模式下的能效指标对应的能效值，并将所述能效值与对应的能效阈值相比较，若所述能效值大于所述能效阈值，则生成所述能效决策。
进一步地，所述能效指标为船舶能效营运指数、单位距离燃料消耗量、单位运输功燃料消耗量、单位距离CO2排放和单位运输量CO2排放；
其中，在所述当前运行模式为PTO模式，PTI模式以及柴油推进模式中的任一种模式的情况下，所述耗能数据为通过燃油流量计采集的主机柴油流量，以及通过燃气流量计采集的机组燃气流量，所述特征数据为通过计程仪采集的船舶航速以及船舶航行距离；
所述数据处理子系统还用于根据柴油的碳排放系数，柴油的热值以及所述主机柴油消耗量，所述燃气的碳排放系数，燃气的热值以及所述机组燃气消耗量，所述船舶航速以及所述船舶航行距离确定所述能效指标对应的能效值。
进一步地，在所述当前运行模式为PTH模式的情况下，所述耗能数据为通过燃气流量计采集的机组燃气流量，所述特征数据为通过计程仪采集的船舶航速以及船舶航行距离；
所述数据处理子系统还用于根据所述机组燃气流量确定机组燃气消耗量，根据所述燃气的碳排放系数，燃气的热值以及所述机组燃气消耗量，所述航速以及所述航行距离确定所述能效指标对应的能效值。
进一步地，所述数据采集子系统还用于通过风速风向仪采集风速风向数据，以及通过卫星定位系统采集经纬度位置参数，并且所述耗能数据为通过燃油流量计采集的主机累计燃油流量，燃气流量计采集的机组累计燃气流量，所述特征数据为通过轴功率仪采集的输出功率，通过监测报警系统采集的主机转速以及机组输出功率；
所述数据处理子系还用于根据所述航线风速风向数据，所述经纬度位置参数，所述主机累计燃油流量，所述机组累计燃气流量，所述输出功率，所述主机转速以及机组输出功率，并结合航次计划、航行成本，对所述船舶的航速进行优化从而确定最优航速。
进一步地，所述特征数据还包括通过四角吃水传感器采集的艏吃水、艉吃水和舯吃水，通过计程仪采集的船舶航速；
所述数据采集子系统还用于采集装载计算机的稳性与强度校核结果，以及来自船员输入的船舶实际载重吃水；
所述数据处理子系统还用于根据船舶实际的所述艏吃水、艉吃水和舯吃水，所述船舶航速，所述稳性与强度校核结果，以及所述船舶实际载重吃水对所述船舶的纵倾进行优化从而确定优化后的艏吃水值以及艉吃水值。
进一步地，所述系统还包括监管交互平台，所述监管交互平台用于展示所述数据处理子系统传送的所述能耗决策，所述能效决策，所述最优航速，所述优化后的艏吃水值以及艉吃水值，以供所述操控人员根据所述能耗决策，所述能效决策，所述最优航速，所述优化后的艏吃水值以及艉吃水值确认并输入用于调整所述耗能设备的状态的指令。
进一步地，所述的数据处理子系统还用于对船舶实际燃料加装、航行过程中的燃料转换进行信息管理，并基于能耗和能效指标计算和评估的基础上，生成相应的能耗和能效数据日、月、季、年以及航次报告。
第二方面，提供一种船舶能效管理方法，所述方法包括：
检测船舶的当前运行模式以及在船舶航行状态下实时采集与船舶耗能相关的耗能数据、与船舶的运行特征相关的特征数据；
根据所述当前运行模式下的所述耗能数据以及所述特征数据确定所述当前行进模式下的能耗指标对应的能耗值，并将所述能耗值与预设的能耗阈值相比较，若所述能耗值大于所述能耗阈值，则生成能耗决策，以供操控人员根据所述能耗决策调整所述船舶的耗能设备的状态。
第三方面，提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如前所述的船舶能效管理方法。
通过本发明的方案，不同的运行模式下，用于计算能耗指标对应的能耗值的耗能数据以及特征数据是不同的，由此，可以在不同的运行模式下确定适合于当前运行模式的能耗值的计算方法，使得能耗值的计算更加准确、全面反映出当前运行模式下的能耗情况，从而在能耗值大于能耗阈值生成更加符合实际能耗情况的能耗决策。进一步地，通过数据处理子系统还可以通过对能效指标对应的能效值进行分析，从而提供能效决策，对航速以及纵倾优化从而得到最优航速，优化后的艏吃水值以及艉吃水值，以使操控人员能够更加准确地调整耗能设备的状态，进而提高了内河混合动力散货船的能效管理的准确性以及管理效率，并且对船舶实际燃料加装、航行过程中的燃料转换进行信息管理，并基于能耗和能效指标计算和评估的基础上，生成相应的能耗和能效数据日、月、季、年以及航次报告便于工作人员后期进行管理。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明中船舶能效管理系统的架构图；
图2为本发明实施例中的整船能耗评估的流程图；
图3为本发明实施例中的能耗分布评估的流程图；
图4为本发明实施例中的主机和机组性能评估的流程图；
图5为本发明实施例中的能效指标评估的流程图；
图6为本发明实施例中的航速优化的流程图；
图7为本发明实施例中的纵倾优化的流程图；
图8为本发明实施例中船舶能效管理方法的流程图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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做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。
在整个说明书中，对“一个实施方式”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施方式中”、“在实施方式中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和/或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。
实施例一
如图1所示，本发明提供了一种船舶能效管理系统，该系统包括数据采集子系统10和数据处理子系统20；
数据采集子系统10用于检测船舶的当前运行模式以及在船舶航行状态下实时采集与船舶耗能相关的耗能数据、与船舶的运行特征相关的特征数据；
数据处理子系统20用于根据当前运行模式下的耗能数据以及特征数据确定当前行进模式下的能耗指标对应的能耗值，并将能耗值与预设的能耗阈值相比较，若能耗值大于能耗阈值，则生成能耗决策，以供操控人员根据能耗决策调整船舶的耗能设备的状态。
进一步地，本实施例中对于能耗分析采用的是数据处理子系统20中的能耗评估模块。如图1所示，数据采集子系统10包括位于船舶的机舱的第一数据采集模块101，位于船舶的驾控台的第二数据采集模块102。第一数据采集模块101包括燃油流量计1011，燃气流量计1012，轴功率仪1013，电能计1014，模式切换装置1015以及监测报警系统1016，其中轴功率仪1013以及电能表1014可以为多个，示例性地，包括两个轴功率仪1013，以及，四个电能表1014，燃油流量计1011用于采集主机进出口管路燃油温度、密度、瞬时流量以及累计流量，燃气流量计1012用于采集机组燃气累计流量、瞬时流量，轴功率仪1013用于推进轴系转速、扭矩和输出功率，电能计1014用于电网主要负载耗电量，模式切换装置1015用于采集PTO、PTI、PTH、柴油直推模式等不同模式的模式信号，监测报警系统1016用于采集主机转速、排气温度压力等热力参数，机组输出功率等热力参数。第二数据采集模块102包括风速风向仪1021，卫星定位系统1022，计程仪1023，测探仪1024，装载仪1025以及四角吃水传感器1026，其中，风速风向仪1021用于船舶运行过程中的测量风速、风向，卫星定位系统1022用于测量经纬度坐标、UTC日期时间，计程仪1023用于测量船舶航行距离、航速(对水)，测探仪1024用于测量船舶压载水舱、油舱和燃料日用柜液位，装载仪1025用于确定稳性和强度校核结，四角吃水传感器1026用于采集船舶艏艉吃水、左右舯吃水。
在本实施例中，针对内河混合动力散货船是否处于航行状态判断功能，主要是通过轴功率仪1013和计程仪1023分别采集船舶艉轴转速和航速信号后，由数据处理子系统20进行阈值判断的方法来实现，当船舶艉轴转速和航速均低于阈值时，数据处理子系统20判定船舶已处于停泊状态；当船舶的艉轴转速和航速高于阈值时，数据处理子系统20判定船舶正处于航行状态，此后可以通过模式切换采集模块103采集动力系统的当前运行模式。
数据采集子系统实时采集与船舶耗能相关的耗能数据包括通过燃油流量计1011，燃气流量计1012以及电能计1014采集的与船舶耗能相关的耗能数据，特征数据包括通过轴功率仪1013，风速风向仪1021，卫星定位系统1022，计程仪1023，测探仪1024，装载仪1025以及四角吃水传感器1026采集的与船舶的运行特征相关的特征数据。
位于机舱内的机舱监测采集箱30与第一数据采集模块101中的每一个数据采集装置连接，并将第一数据采集模块101采集到的数据发送至数据处理子系统20，位于驾控台的串口服务器40与第二数据采集模块102中的每一个数据采集装置通过网线连接，并将第二数据采集模块102采集到的数据发送至数据处理子系统20。
在本实施例中，不同的运行模式下，用于计算能耗指标对应的能耗值的耗能数据以及特征数据是不同的，由此，可以在不同的运行模式下确定适合于当前运行模式的能耗值的计算方法，使得能耗值的计算更加准确、全面反映出当前运行模式下的能耗情况，从而在能耗值大于能耗阈值生成更加符合实际能耗情况的能耗决策，以使操控人员能够更加准确地调整耗能设备的状态，进而提高了内河混合动力散货船的能效管理的准确性以及管理效率。
进一步地，本实施例为不同运行模式下能耗指标的评估，船舶采用的是柴-气-电混合动力系统，主机采用柴油机，机组采用LNG气体机，所以船舶的燃油类型为柴油+LNG形式，不同运行模式下的能耗指标的评估方法不同。
第一方面，如图2所示，能耗指标为整船能耗评估：
整船能耗评估指标为不同航速下单公里等效油耗，相应的数据处理子系统20用于对整船能耗评估的整船能耗评估模块，所用到的耗能数据主要包括由燃油流量计1011采集的柴油流量、来自燃气流量计1012的燃气流量，所用到的特征数据主要包括由计程仪1023采集的船舶航速和船舶航行距离。
在当前运行模式为PTO模式、PTI模式以及柴油推进模式中的任一种的情况下，船舶的燃料消耗均包含主机的柴油和机组的LNG燃气，耗能数据为通过燃油流量计采集的主机柴油流量，通过燃气流量计采集的机组燃气流量，特征数据为船舶航速和船舶航行距离，整船能耗评估模块用于根据主机柴油流量确定主机燃油消耗量，根据机组燃气流量确定机组燃气消耗量，将机组燃气消耗量以等效的方式转换为机组柴油消耗量，并将机组柴油消耗量以及主机柴油消耗量之和作为整船柴油消耗量，再根据船舶航速以及船舶航行距离确定不同航速下的单公里等效柴油消耗值。
而对于PTH模式，此时主机已经不做功，因此燃料消耗只包含LNG，因此耗能数据主要包括由燃气流量计采集的机组燃气流量，特征数据主要包括由计程仪1023采集的船舶航速和船舶航行距离，数据处理子系统20还用于根据机组燃气流量确定机组燃气消耗量，将机组燃气消耗量以等效的方式转换为机组柴油消耗量，并将机组柴油消耗量作为整船柴油消耗量，再根据船舶航速以及船舶航行距离确定不同航速下的单公里等效柴油消耗值。
在本实施例中，能耗评估标准的建立需要结合船舶试航试验的燃料消耗数据和历史航行过程中记录的燃料消耗数据，在以上能耗指标计算的基础上，数据处理子系统20定期计算当前航行过程中的单公里等效柴油消耗值，并且数据处理子系统20可以从数据库中获取该航速以及航行距离对应的阈值范围，并根据所计算的当前单公里等效柴油消耗值和该航速以及航行距离对应的阈值范围进行对比分析，若单公里等效柴油消耗值大于对应的阈值范围，则表明当前船舶能耗较高，并给出相应的能耗决策，例如减少主机油门开度，关闭大功率辅助机械，若公里等效柴油消耗值在对应的阈值范围内，则表明当前船舶能耗水平处于正常状态。
第二方面，如图3所示，能耗指标为整船的能耗分布：
整船的能耗分布从两大方面分别开展分析：一方面是船舶推进系统(包括主机、传动系统、推进装置等)，另一方面是船舶电力系统(包括机组、电力网、用电负载等)。
在当前运行模式为PTO模式、PTI模式以及柴油推进模式中的任一种的情况下，船舶的燃料消耗均包含主机的柴油和机组的LNG燃气，耗能数据为通过燃油流量计1011采集的主机柴油流量，通过燃气流量计1012采集的机组燃气流量，通过电能计1014采集的电网主要负载耗电量，数据处理子系统20包括对整船的能耗分布的能耗分布评估模块，能耗分布评估模块根据燃油流量计1011以及燃气流量计1012采集的主机柴油流量以及机组燃气流量确定主机燃油消耗量以及机组燃气消耗量并确定实时推进系统能量消耗值，根据电网主要负载耗电量确定实时电力系统能耗值，基于实时推进系统能耗值以及实时电力系统能耗值确定船舶的动态能耗分布。
而对于PTH模式，此时主机已经不做功，因此燃料消耗只包含LNG，因此耗能数据主要包括由燃气流量计采集的机组燃气流量，通过电能计1014采集的电网主要负载耗电量，能耗分布评估模块根据燃气流量计1012采集的机组燃气流量确定机组燃气消耗量，并基于机组燃气消耗量确定实时推进系统能量消耗值，根据电网主要负载耗电量确定实时电力系统能耗值，基于实时推进系统能耗值以及实时电力系统能耗值确定船舶的动态能耗分布。
数据处理子系统20还可以从数据库中获取船舶的耗能设备的试航实验结果，并且基于此确定船舶的静态能耗分布数据，在相同工况下，若动态能耗分布中推进功占比低于静态能耗分布中推进功的占比，则数据处理子系统判定主机推进能量利用率低，并生成相应的能耗决策，示例性地，能耗决策可以为降低转速或减小油门开度。
第三方面，如图4所示，能耗指标为主机和机组性能评估：
对于主机和机组性能评估计算，通过船舶试航试验获得反映主机油耗性能的燃油消耗率随转速的变化曲线和反映机组性能的燃气消耗率随机组功率变化曲线。数据处理子系统20可以从数据库中获取反映主机油耗性能的燃油消耗率随转速的变化曲线和反映机组性能的燃气消耗率随机组功率变化曲线。对于主机和机组性能评估主要涉及到的运行模式为柴油推进模式以及PTH模式。数据处理子系统20包括对主机和机组性能评估计算的性能评估模块。
在当前运行模式为柴油推进模式的情况下，主要是对主机性能进行评估，耗能数据为通过燃油流量计采集的主机燃油流量，特征数据为通过监测报警系统采集的主机转速，性能评估模块用于根据主机燃油流量确定主机燃油消耗量，再根据主机燃油消耗量确定主机燃油消耗率，将船舶在实际运行过程中的实际主机燃油消耗率，实际主机转速与试航数据中的试航主机燃油消耗率以及对应的试航主机转速进行比较以确定偏离度，从而确定主机性能评估值；中，若主机性能评估值小于对应的阈值范围，则性能评估模块生成主机性能的评估结果。
在当前运行模式为PTH推进模式的情况下，主要是对机组性能进行评估，耗能数据为通过燃气流量计采集的机组燃气流量，特征数据为通过监测报警系统采集的机组输出功率，性能评估模块还用于根据机组燃气流量确定机组燃气消耗量，并根据机组燃气消耗量计算机组燃气消耗率，根据船舶在实际运行过程中的实际机组燃气消耗率，实际机组输出功率与试航数据中的试航机组燃气消耗率以及对应的试航机组输出功率的比较结果确定偏离度，从而确定机组性能评估值；其中，若机组性能评估值小于对应的阈值范围，则性能评估模块生成机组性能的评估结果。
更进一步地，为了分析用于推进的有效能耗情况，在能耗评估中还需要分别在柴油模式下和PTH模式下通过燃油流量计以及燃气流量计采集的数据确定特定航速下船舶的每公里油耗值和气耗值。为了进一步地了解主机和机组的耗能情况，还需要确定主机和机组的能耗指标为燃料小时消耗量、日消耗量以及航次消耗量，并根据燃料密度区分燃料类型。
实施例二
与实施例一不同的是，本实施例在实施例一的基础上增加了对于能耗的分析，如图5所示，为不同运行模式下能效指标的评估，采用的是数据处理子系统中的能效评估模块，具体为：
能效指标的计算分析和评估需要在不同运行模式下燃料消耗计算的基础上能够自动计算EEOI(Ship Energy Efficiency Operation Indicator，即船舶能效营运指数)、单位距离燃料消耗量、单位运输功燃料消耗量、单位距离CO2排放和单位运输量CO2排放。
数据处理子系统20包括能效评估模块，用于根据当前运行模式下的耗能数据，碳排放系数，以及特征数据确定当前行进模式下的能效指标对应的能效值，并将能效值与对应的能效阈值相比较，若能效值大于能效阈值，则生成能效决策。
在当前运行模式为PTO模式，PTI模式以及柴油推进模式中的任一种模式的情况下，耗能数据为通过燃油流量计1011采集的主机柴油流量，以及通过燃气流量计1012采集的机组燃气流量，特征数据为通过计程仪1023采集的船舶航速以及船舶航行距离，能效评估模块用于根据主机柴油流量确定主机柴油消耗量，根据机组燃气流量确定机组燃气消耗量，并根据柴油的碳排放系数，柴油的热值以及主机柴油消耗量，燃气的碳排放系数，燃气的热值以及机组燃气消耗量，船舶航速以及船舶航行距离确定能效指标对应的能效值。
在当前运行模式为PTH模式的情况下，耗能数据为通过燃气流量计采集的机组燃气流量，特征数据为通过计程仪采集的船舶的航速以及船舶的航行距离，机组评估模块还用于根据机组燃气流量确定机组燃气消耗量，根据燃气的碳排放系数，燃气的热值以及机组燃气消耗量，航速以及航行距离确定能效指标对应的能效值。
能效评估的指标为不同运行模式和不同航速下的EEOI值和单位距离CO2排放量，用于来衡量当前营运期间内船舶能效水平的高低，若能效值高于能效评估标准对应的能效阈值，则表达船舶当前碳排放和能效超出合理区间，从而生成能效决策，示例性地，能效决策可以为提醒船员通过主机降速或关闭多余负载等措施，减少能耗和碳排放。
实施例三
本实施例中与实施例二不同的是，在实施例二的基础上增加了航速优化，如图7所示，数据处理子系统20包括航速优化模块，航速优化模块能够根据船舶性能参数、推进系统参数等，结合航次计划、航线特点、航行成本核算分析等，实现主要以经济效益最大化的航速优化功能。
具体的，数据采集子系统10还用于通过风速风向仪1021采集风速风向数据，以及通过卫星定位系统1022采集经纬度位置参数，并且耗能数据为通过燃油流量计1011以及燃气流量计1012采集的主机累计燃油流量，机组累计燃气流量，特征数据为通过轴功率仪1013采集的输出功率，通过监测报警系统1016采集的主机转速以及机组输出功率；
航速优化模块还用于根据航线风速风向数据，经纬度位置参数，主机累计燃油流量，机组累计燃气流量，输出功率，主机转速以及机组输出功率，并结合航次计划、航行成本，对船舶的航速进行优化从而确定最优航速。
为实现综合经济效益最大化，需要建立高精度的航速优化模型，因此该模块拟采用灰盒方法进行航速优化的设计。首先，前期应用白盒方法即机理模型计算油耗及气耗。在初步划分航段基础上，根据动态规划算法，优化航段划分，并确定所有可能航段及各航段所有可能航速，进而计算油耗及气耗，最后通过动态规划算法寻优，确定最优方案。后期，当船舶运行3个月至半年以后，可以建立航速优化的黑盒模型，即大数据模型，对机理模型的数据库进行修正。此时，结合白盒和黑盒模型可得到的灰盒航速优化方案，该灰盒模型相比单一应用白盒或黑盒的方法，精度更高。
实施例四
本实施例中与实施例三不同的是，在实施例三的基础上增加了纵倾优化，如图6所示，是对于船舶的纵倾优化，数据处理子系统20包括纵倾优化模块，纵倾优化模块能够根据目标船舶的载重吃水工况、航速信息等，结合装载计算机对安全航行稳性要求、港口吃水限制和视线要求等约束条件，实现基于主机功率需求最小的纵倾优化，并进行主机节能率的计算。
在航次开始前，船员根据输入本航次计划中的常用航速、实际载重吃水进行纵倾优化，预估主机功率需求和节能比例等，系统应能提供与目标船舶载重吃水和航速相适应的艏吃水和艉吃水建议，具体地，纵倾优化所用到的特征数据包括通过四角吃水传感器1026采集的艏吃水、艉吃水和舯吃水，通过计程仪1023采集的船舶航速；另外，数据采集子模块还用于采集装载仪1025的稳性与强度校核结果，以及来自船员输入的船舶实际载重吃水；纵倾优化模块用于根据船舶实际的艏吃水、艉吃水和舯吃水，船舶航速，稳性与强度校核结果，以及船舶实际载重吃水对船舶的纵倾进行优化从而确定优化后的艏吃水值以及艉吃水值。
基于最小化主机功率需求的纵倾优化在满足船舶安全航行稳性要求、港口吃水限制和视线要求等约束的条件下，通过优化船舶的艏吃水和艉吃水，降低船舶航行阻力和功率需求，减少燃油的消耗。
更进一步地，优化后的艏吃水值和艉吃水值能够满足装载仪1025的稳性和强度要求，以及港口吃水、视线要求等限制约束。
更进一步地，经过基于最小化主机功率需求的纵倾优化，可获得优化后的艏吃水值和艉吃水值。之后，需要通过机桨匹配关系对优化前后主机功率需求进行估算，并计算优化后的节能率，以衡量纵倾优化功能的实际经济效益，在获得优化后的数据处理子系统20补充船舶的纵倾性能数据库。
实施例六
本实施例在实施例一直实施例六的基础上增加了监管交互平台30，管理交互平台30除了用于展示数据处理子系统20传送的能耗决策，能效决策，最优航速，优化后的艏吃水值以及艉吃水值，以供操控人员根据能耗决策，能效决策，最优航速，优化后的艏吃水值以及艉吃水值确认并输入用于调整耗能设备的状态的指令。
数据处理子系统20通过4G通讯模块60与岸端的云端服务器70无线连接，并通过云端服务器70与岸端监管平台80无线连接，从而数据处理子系统20以及岸端监管平台80可以进行数据交互。
进一步地，数据处理子系统还包括信息管理模块，用于对船舶实际燃料加装、航行过程中的燃料转换进行信息管理，并基于能耗和能效指标计算和评估的基础上，生成相应的能耗和能效数据日、月、季、年以及航次报告，从而便于工作人员根据航次报告对船舶进行管理。
如图8所示，本发明还提供了一种船舶能效管理方法，该方法包括：
S801、检测船舶的当前运行模式以及在船舶航行状态下实时采集与船舶耗能相关的耗能数据、与船舶的运行特征相关的特征数据；
S802、根据当前运行模式下的耗能数据以及特征数据确定当前行进模式下的能耗指标对应的能耗值，并将能耗值与预设的能耗阈值相比较，若能耗值大于能耗阈值，则生成能耗决策，以供操控人员根据能耗决策调整船舶的耗能设备的状态。
进一步地，能耗指标为整船能耗评估；
在当前运行模式为PTO模式、PTI模式以及柴油推进模式中的任一种的情况下，根据主机柴油流量以及机组燃气流量分别确定主机燃油消耗量以及机组燃气消耗量，将机组燃气消耗量以等效的方式转换为机组柴油消耗量，并将机组柴油消耗量以及主机柴油消耗量之和作为整船柴油消耗量，再根据船舶航速以及船舶航行距离确定不同航速下的单公里等效柴油消耗值；
其中，若单公里等效柴油消耗值大于对应的阈值范围，则判定能耗状态为耗能高，并生成相应的能耗决策。
进一步地，在当前运行模式为PTH模式的情况下，根据机组燃气流量确定机组燃气消耗量，将机组燃气消耗量以等效的方式转换为机组柴油消耗量，并将机组柴油消耗量作为整船柴油消耗量，再根据船舶航速以及船舶航行距离确定不同航速下的单公里等效柴油消耗值；
其中，若单公里等效柴油消耗值大于对应的阈值范围，则判定能耗状态为耗能高，并生成相应的能耗决策。
进一步地，能耗指标为整船的能耗分布；
若当前运行模式为PTO模式、PTI模式以及柴油推进模式中的任一种的情况下，根据主机燃油流量以及机组燃气流量确定实时推进系统能量消耗值，根据电网主要负载耗电量确定实时电力系统能耗值，并基于实时推进系统能耗值以及实时电力系统能耗值确定船舶的动态能耗分布；
若所述当前运行模式为PTH模式，根据机组燃气流量确定实时推进系统能量消耗值，根据电网主要负载耗电量确定实时电力系统能耗值，并基于实时推进系统能耗值以及实时电力系统能耗值确定船舶的动态能耗分布；
根据耗能设备的试航实验结果确定船舶的静态能耗分布，以及根据实时推进系统能耗值以及实时电力系统能耗值确定船舶的动态能耗分布；
其中，若动态能耗分布中推进功占比低于静态能耗分布中推进功的占比，则判定能耗状态为耗能高，并生成相应的耗能决策。
进一步地，能耗指标为主机和机组性能评估；
在当前运行模式为柴油推进模式的情况下，根据主机燃油流量确定主机燃油消耗量，并基于主机燃油消耗量计算主机燃油消耗率，将船舶在实际运行过程中的实际主机燃油消耗率，实际主机转速与试航数据中的试航主机燃油消耗率以及对应的试航主机转速进行比较以确定偏离度，从而确定主机性能评估值；
其中，若主机性能评估值小于对应的阈值范围，则生成主机性能的评估结果，并将评估结果发送至管理交互平台，以供展示。
进一步地，在当前运行模式为PTH推进模式的情况下，根据机组燃气流量确定机组燃气消耗量计算机组燃气消耗率，根据船舶在实际运行过程中的实际机组燃气消耗率，实际机组输出功率与试航数据中的试航机组燃气消耗率以及对应的试航机组输出功率的比较结果确定偏离度，从而确定机组性能评估值；
其中，若机组性能评估值小于对应的阈值范围，则生成机组性能的评估结果，并将评估结果发送至管理交互平台，以供展示。
进一步地，根据当前运行模式下的耗能数据，碳排放系数，以及特征数据确定当前行进模式下的能效指标对应的能效值，并将能效值与对应的能效阈值相比较，若能效值大于能效阈值，则生成能效决策。
进一步地，能效指标为船舶能效营运指数、单位距离燃料消耗量、单位运输功燃料消耗量、单位距离CO2排放和单位运输量CO2排放；
其中，在当前运行模式为PTO模式，PTI模式以及柴油推进模式中的任一种模式的情况下，根据柴油的碳排放系数，柴油的热值以及主机柴油消耗量，燃气的碳排放系数，燃气的热值以及机组燃气消耗量，船舶航速以及船舶航行距离确定能效指标对应的能效值。
进一步地，在当前运行模式为PTH模式的情况下，根据机组燃气流量确定机组燃气消耗量，根据燃气的碳排放系数，燃气的热值以及机组燃气消耗量，航速以及航行距离确定能效指标对应的能效值。
进一步地，根据风速风向数据，经纬度位置参数，主机累计燃油流量，机组累计燃气流量，输出功率，主机转速以及机组输出功率，结合航次计划、航行成本对船舶的航速进行优化从而确定最优航速。
进一步地，根据船舶的实际艏吃水、艉吃水和舯吃水，船舶航速，稳性与强度校核结果，以及船舶实际载重吃水对船舶的纵倾进行优化从而确定优化后的艏吃水值以及艉吃水值。
进一步地，对船舶实际燃料加装、航行过程中的燃料转换进行信息管理，并基于能耗和能效指标计算和评估的基础上，生成相应的能耗和能效数据日、月、季、年以及航次报告。
本发明还提供了一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如前所述的船舶能效管理方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例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；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例技术方案的精神和范围。
Claims (15)
1.一种船舶能效管理系统，其特征在于，所述系统包括数据采集子系统和数据处理子系统；
所述数据采集子系统用于检测船舶的当前运行模式以及在船舶航行状态下实时采集与船舶耗能相关的耗能数据、与船舶的运行特征相关的特征数据；
所述数据处理子系统用于根据所述当前运行模式下的所述耗能数据以及所述特征数据确定所述当前行进模式下的能耗指标对应的能耗值，并将所述能耗值与预设的能耗阈值相比较，若所述能耗值大于所述能耗阈值，则生成能耗决策，以供操控人员根据所述能耗决策调整所述船舶的耗能设备的状态。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述能耗指标为整船能耗评估，并且在所述当前运行模式为PTO模式、PTI模式以及柴油推进模式中的任一种的情况下，所述耗能数据为通过燃油流量计采集的主机柴油流量，通过燃气流量计采集的机组燃气流量，所述特征数据为通过计程仪采集的船舶航速以及船舶航行距离；
在所述当前运行模式为PTO模式、PTI模式以及柴油推进模式中的任一种的情况下，所述数据处理子系统还用于根据所述主机柴油流量以及所述机组燃气流量分别确定主机燃油消耗量以及机组燃气消耗量，将所述机组燃气消耗量以等效的方式转换为机组柴油消耗量，并将所述机组柴油消耗量以及所述主机柴油消耗量之和作为整船柴油消耗量，再根据所述船舶航速以及所述船舶航行距离确定不同航速下的单公里等效柴油消耗值；
其中，若所述单公里等效柴油消耗值大于对应的阈值范围，则所述数据处理子系统判定所述能耗状态为耗能高，并生成相应的能耗决策。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，在所述当前运行模式为PTH模式的情况下，所述耗能数据为通过燃气流量计采集的机组燃气流量，所述特征数据为所述船舶速度以及所述船舶航行距离；
在所述当前运行模式为PTH模式的情况下，所述数据处理子系统还用于根据所述机组燃气流量确定机组燃气消耗量，将所述机组燃气消耗量以等效的方式转换为机组柴油消耗量，并将所述机组柴油消耗量作为整船柴油消耗量，再根据所述船舶航速以及所述船舶航行距离确定不同航速下的单公里等效柴油消耗值；
其中，若所述单公里等效柴油消耗值大于对应的阈值范围，则所述数据处理子系统判定所述能耗状态为耗能高，并生成相应的所述能耗决策。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述能耗指标为整船的能耗分布；
若所述当前运行模式为PTO模式、PTI模式以及柴油推进模式中的任一种，则所述耗能数据为通过燃油流量计采集的主机燃油流量，通过燃气流量计采集的机组燃气流量，通过电能计采集电网主要负载耗电量，所述数据处理子系统还用于根据所述主机燃油流量以及所述机组燃气流量确定实时推进系统能量消耗值，根据电网主要负载耗电量确定实时电力系统能耗值，并基于所述实时推进系统能耗值以及所述实时电力系统能耗值确定船舶的动态能耗分布；
若所述当前运行模式为PTH模式，则所述耗能数据为通过燃气流量计采集的机组燃气流量，通过电能计采集电网主要负载耗电量，所述数据处理子系统还用于根据所述机组燃气流量确定实时推进系统能量消耗值，根据电网主要负载耗电量确定实时电力系统能耗值，并基于所述实时推进系统能耗值以及所述实时电力系统能耗值确定船舶的动态能耗分布；
所述数据处理子系统还用于根据耗能设备的试航实验结果确定所述船舶的静态能耗分布，以及根据所述实时推进系统能耗值以及所述实时电力系统能耗值确定所述船舶的动态能耗分布；
其中，若所述动态能耗分布中推进功占比低于所述静态能耗分布中推进功的占比，则所述数据处理子系统判定所述能耗状态为耗能高，并生成相应的所述耗能决策。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述能耗指标为主机和机组性能评估，并且在当前运行模式为柴油推进模式的情况下，所述耗能数据为通过燃油流量计采集的主机燃油流量，所述特征数据为通过监测报警系统采集的主机转速；
在当前运行模式为柴油推进模式的情况下，所述数据处理子系统还用于根据所述主机燃油流量确定主机燃油消耗量，并基于所述主机燃油消耗量计算主机燃油消耗率，将船舶在实际运行过程中的实际主机燃油消耗率，实际主机转速与试航数据中的试航主机燃油消耗率以及对应的试航主机转速进行比较以确定偏离度，从而确定主机性能评估值；
其中，若所述主机性能评估值小于对应的阈值范围，则所述数据处理子系统生成所述主机性能的评估结果。
6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，在当前运行模式为PTH推进模式的情况下，所述耗能数据为通过燃气流量计采集的机组燃气消耗量，所述特征数据为通过监测报警系统采集的机组输出功率；
在当前运行模式为PTH推进模式的情况下，所述数据处理子系统还用于根据所述机组燃气流量确定机组燃气消耗量计算机组燃气消耗率，根据船舶在实际运行过程中的实际机组燃气消耗率，实际机组输出功率与试航数据中的试航机组燃气消耗率以及对应的试航机组输出功率的比较结果确定偏离度，从而确定机组性能评估值；
其中，若所述机组性能评估值小于对应的阈值范围，则所述数据处理子系统生成所述机组性能的评估结果。
7.如权利要求1至6任一项所述的系统，其特征在于，所述数据处理子系统还用于根据所述当前运行模式下的所述耗能数据，碳排放系数，以及所述特征数据确定所述当前行进模式下的能效指标对应的能效值，并将所述能效值与对应的能效阈值相比较，若所述能效值大于所述能效阈值，则生成所述能效决策。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述能效指标为船舶能效营运指数、单位距离燃料消耗量、单位运输功燃料消耗量、单位距离CO2排放和单位运输量CO2排放；
其中，在所述当前运行模式为PTO模式，PTI模式以及柴油推进模式中的任一种模式的情况下，所述耗能数据为通过燃油流量计采集的主机柴油流量，以及通过燃气流量计采集的机组燃气流量，所述特征数据为通过计程仪采集的船舶航速以及船舶航行距离；
所述数据处理子系统还用于根据柴油的碳排放系数，柴油的热值以及所述主机柴油消耗量，所述燃气的碳排放系数，燃气的热值以及所述机组燃气消耗量，所述船舶航速以及所述船舶航行距离确定所述能效指标对应的能效值。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，在所述当前运行模式为PTH模式的情况下，所述耗能数据为通过燃气流量计采集的机组燃气流量，所述特征数据为通过计程仪采集的船舶航速以及船舶航行距离；
所述数据处理子系统还用于根据所述机组燃气流量确定机组燃气消耗量，根据所述燃气的碳排放系数，燃气的热值以及所述机组燃气消耗量，所述航速以及所述航行距离确定所述能效指标对应的能效值。
10.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述数据采集子系统还用于通过风速风向仪采集风速风向数据，以及通过卫星定位系统采集经纬度位置参数，并且所述耗能数据为通过燃油流量计采集的主机累计燃油流量，燃气流量计采集的机组累计燃气流量，所述特征数据为通过轴功率仪采集的输出功率，通过监测报警系统采集的主机转速以及机组输出功率；
所述数据处理子系还用于根据航线风速风向数据，所述经纬度位置参数，所述主机累计燃油流量，所述机组累计燃气流量，所述输出功率，所述主机转速以及机组输出功率，并结合航次计划、航行成本，对所述船舶的航速进行优化从而确定最优航速。
11.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述特征数据还包括通过四角吃水传感器采集的艏吃水、艉吃水和舯吃水，通过计程仪采集的船舶航速；
所述数据采集子系统还用于采集装载计算机的稳性与强度校核结果，以及来自船员输入的船舶实际载重吃水；
所述数据处理子系统还用于根据船舶实际的所述艏吃水、艉吃水和舯吃水，所述船舶航速，所述稳性与强度校核结果，以及所述船舶实际载重吃水对所述船舶的纵倾进行优化从而确定优化后的艏吃水值以及艉吃水值。
12.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述系统还包括监管交互平台，所述监管交互平台用于展示所述数据处理子系统传送的所述能耗决策，所述能效决策，最优航速，所述优化后的艏吃水值以及艉吃水值，以供所述操控人员根据所述能耗决策，所述能效决策，所述最优航速，所述优化后的艏吃水值以及艉吃水值确认并输入用于调整所述耗能设备的状态的指令。
13.如权利要求12所述的系统，其特征在于，所述的数据处理子系统还用于对船舶实际燃料加装、航行过程中的燃料转换进行信息管理，并基于能耗和能效指标计算和评估的基础上，生成相应的能耗和能效数据日、月、季、年以及航次报告。
14.一种船舶能效管理方法，其特征在于，所述方法包括：
检测船舶的当前运行模式以及在船舶航行状态下实时采集与船舶耗能相关的耗能数据、与船舶的运行特征相关的特征数据；
根据所述当前运行模式下的所述耗能数据以及所述特征数据确定所述当前行进模式下的能耗指标对应的能耗值，并将所述能耗值与预设的能耗阈值相比较，若所述能耗值大于所述能耗阈值，则生成能耗决策，以供操控人员根据所述能耗决策调整所述船舶的耗能设备的状态。
15.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求14所述的船舶能效管理方法。
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