CN115326164A - 一种船舶燃油箱油位及燃油消耗实时监测系统 - Google Patents

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CN115326164A CN202211057539.1A CN202211057539A CN115326164A CN 115326164 A CN115326164 A CN 115326164A CN 202211057539 A CN202211057539 A CN 202211057539A CN 115326164 A CN115326164 A CN 115326164A
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Abstract

本发明涉及船舶燃油监测技术领域，且公开了一种船舶燃油箱油位及燃油消耗实时监测系统，包括系统主机和人机显示单元，所述系统主机包括采集系统、中央处理单元和通讯单元。本发明通过将压力传感器的实际检测数值传输至压力数据修正单元中，将其与存储单元中的校准压力值组中的元素数值进行对比，获取压力传感器的实际检测数值所对应的i值，再通过i值确定标准压力值组中DS(i+1)与DSi元素的数值，以及校准压力值组中DCi与DC(i+1)元素的数值，利用修正公式对压力传感器的实际检测数值进行修正，提高作为计算油箱的油位h值公式中的p值的精确度，从而提高对油箱的油位h值计算的精确度。

Description

一种船舶燃油箱油位及燃油消耗实时监测系统
技术领域
本发明涉及船舶燃油监测技术领域，具体为一种船舶燃油箱油位及燃油消耗实时监测系统。
背景技术
船舶节能管理面向的是一个复杂的油-机-环境的综合系统，由于船舶营运过程中油耗模式复杂，船舶管理中，油耗管理又是长期困扰管理人员的难题，受海上环境变化莫测的影响，船舶的油耗具有“测不准”的现象。相应地，船舶决策油耗问题所用到的数据，通常数据量巨大、来源多样、类型多样。当前船舶燃油箱，通常都配置的普通液位计，供现场观察油箱液位即可，这样的模式精度低(大于10mm的精度)，无数据采集功能，燃油液位的详细信息，无法进行船舶自动化系统，也无法实现自动化的燃油液位自动监测，主机及发电机组的燃油消耗。
发明内容
针对背景技术中提出的现有船舶燃油箱油位及燃油消耗实时监测系统在使用过程中存在的不足，本发明提供了一种船舶燃油箱油位及燃油消耗实时监测系统，具备实时监测、精确度高的优点，解决了上述背景技术中提出的问题。
本发明提供如下技术方案：一种船舶燃油箱油位及燃油消耗实时监测系统，包括系统主机和人机显示单元，所述系统主机包括采集系统、中央处理单元和通讯单元；
所述采集系统包括船舶数据采集单元，用于采集船舶油耗相关的原始数据；
采集系统还包括航况数据采集单元，用于采集船舶航行时海况数据以及船舶的航行数据；
所述中央处理单元接收采集系统的数据，并对数据进行计算、存储以及传输；
所述通讯单元连接在中央处理单元和人机显示单元之间，并对中央处理单元和人机显示单元的数据进行双向传输；
所述人机显示单元，用于获取中央处理单元通过通讯单元传输的数据并显示在显示屏上，以及通过人机显示单元向中央处理单元写入数据。
优选的，所述船舶采集单元包括油箱油位采集模块，所述油箱油位采集模块连接有油位传感器，油位传感器安装在油箱内部，用于获取油箱的油位数据，所述油位传感器为压力传感器或磁致液位传感器；
船舶采集单元还包括转速采集模块，所述转速采集模块连接有转速传感器，转速传感器安装在主机或者辅机上，用于获取主机或辅机的实际转速数据；
船舶采集单元还包括燃油流量采集模块，所述燃油流量采集模块连接燃油流量计，所述燃油流量计安装在主机或辅机的输油管道入口，用于获取向主机或辅机输入的油量数据。
优选的，所述航况数据采集单元的输入端连接有航行数据系统、海浪监测仪和倾斜角度传感器；
所述航行数据系统是船舶自由系统，航行数据系统向航况数据采集单元输送的数据包括航速、航向、船舶总重、船舶外形数据、风向、风速；
所述海浪监测仪安装在船舶外壁上，用于监测海面海浪状态，海浪监测仪向航况数据采集单元输送的数据包括海况、海浪波形、海浪波高、海浪波向和海浪周期；
所述倾斜角度传感器安装在油箱上，用于测量油箱倾斜角度，并将油箱倾斜角度数据输送给航况数据采集单元。
优选的，所述中央处理单元包括存储单元、数据处理单元和数据传输单元；
所述存储单元内存储有标准压力值组DSn、与标准压力值组DSn对应的校准压力值组DCn，以及修正压力值集DM；还存储有非规则油箱的高度和容积的对应系数kh；还存储有振动-压力值模型；
所述数据处理单元包括实时液位计算单元、实时油箱油量计算单元以及实时燃油消耗率计算单元；
所述实时液位计算单元根据设置在油箱内的压力传感器检测的数值计算油箱的油位；
所述实时油箱油量计算单元根据油箱的油位h计算油箱燃油量；
所述实时燃油消耗率计算单元根据每小时燃油消耗量以及发动机的有效功率计算燃油消耗率；
所述数据传输单元，接收采集系统输送的数据并传输给存储单元和数据处理单元，及将数据处理单元输送的数据传输至通讯单元，及接收通讯单元输送的数据并传输至存储单元。
优选的，针对船舶上使用压力传感器作为油位传感器的情况，所述实时液位计算单元内设有压力数据防振补偿单元和压力数据修正单元；
所述压力数据防振补偿单元根据航况数据采集单元的数据和振动-压力值模型，对压力传感器的实际检测数值进行补偿；
所述压力数据修正单元根据标准压力值组DSn及对应的校准压力值组DCn对压力传感器的实际检测数值进行修正；
所述压力数据防振补偿单元、压力数据修正单元可分别单独对压力传感器的实际检测数值进行补偿或者修正；或者先通过压力数据防振补偿单元对压力传感器的实际检测数值进行补偿后，再通过压力数据修正单元对上述补偿后的数值进行修正；经过压力数据防振补偿单元、压力数据修正单元单独计算或者组合计算的结果作为实时液位计算单元的输入值p。
优选的，所述压力数据修正单元的修正计算方法如下：
第一步：把压力传感器的实际检测数值Da在校准压力值组DCn的数值中进行对比，使Da满足：DCi≤Da＜DC(i+1)，得到i值，其中i∈n；
第二步：计算修正压力值Dm，公式如下：
Figure BDA0003825704540000041
第三步：将修正压力值Dm存储在修正压力值集DM中。
优选的，构造所述振动-压力值模型的算法为人工神经网络算法，振动-压力值模型训练时的输入量为船舶的航行数据，包括航速、航向、船舶总重、船舶外形数据、风向、风速、海况、海浪波形、海浪波高、海浪波向和海浪周期、油箱倾斜角度，还包括船舶油箱中油的种类、粘度、温度、船舶油箱内壁与油的浸润度，还包括试验油箱中的压力传感器实际检测数值，输出量为压力传感器补偿值。
本发明具备以下有益效果：
1、本发明通过将压力传感器的实际检测数值传输至压力数据修正单元中，将其与存储单元中的校准压力值组中的元素数值进行对比，获取压力传感器的实际检测数值所对应的i值，再通过i值确定标准压力值组中DS(i+1)与DSi元素的数值，以及校准压力值组中DCi与DC(i+1)元素的数值，利用修正公式对压力传感器的实际检测数值进行修正，提高作为计算油箱的油位h值公式中的p值的精确度，从而提高对油箱的油位h值计算的精确度。
2、本发明通过利用试验油箱以及航况数据采集单元采集的数据训练构造油液的振动-压力值模型，根据船舶航行过程中实时采集到的航况数据作为输入量，经过振动-压力值模型输出压力传感器补偿值，对船舶航行时油液在油箱中的振动而造成的压力传感器实际检测值进行补偿，从而进一步提高作为计算油箱的油位h值公式中的p值的精确度。
3、本发明通过油位传感器、转速传感器以及燃油流量计对船舶机舱中油箱的油位、主机或辅机的转速以及输送至主机、辅机的油量，利用数据传输单元实时计算油箱的油位、燃油消耗率以及油箱油量，实现对船舶的燃油消耗实时、自动化监测的功能。
附图说明
图1为本发明系统结构示意图；
图2为本发明数据处理单元结构框图；
图3为本发明采集系统的连接示意图。
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，本领域普通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。
请参阅图1，一种船舶燃油箱油位及燃油消耗实时监测系统，包括系统主机和人机显示单元，系统主机包括采集系统、中央处理单元和通讯单元；
采集系统包括船舶数据采集单元，用于采集船舶的油耗原始数据；船舶采集单元包括油箱油位采集模块，油箱油位采集模块连接有油位传感器，油位传感器安装在油箱内部，用于获取油箱的油位数据，油位传感器在每个油箱安装一个，通常为两个主油箱，两个日用油箱，油位传感器为压力传感器或磁致液位传感器。
压力传感器为高精度压力传感器，主要用于不方便布置磁致液位传感器的场景，通常可用于旧船改装，精度为0.1％，量程可选用0-40kPa，选用压力传感器时，需要将采集到的压力数值通过公式转换成油箱的油位数值。
磁致液位传感器可用于新造船舶，或者方便安装的老旧船舶，精度为±1mm，量程为0-4000mm，若选用磁致液位传感器，则可直接获得油箱的油位数值h。
舶采集单元还包括转速采集模块，转速采集模块连接有转速传感器，转速传感器安装在主机或者辅机上，用于获取主机或辅机的实际转速数据，转速传感器采用计频模式，精度为一个脉冲，如附图3所示，在每台主机上配置一个，辅机根据情况配置，辅机也可不做配置，一般有两台主机，两台辅机。转速传感器测量的为转速N(r/min)，配合预先通过人机显示平台向中央处理器存储的有效转速Te(N.m)，从而计算有效功率Pe。计算公式如下：
Figure BDA0003825704540000061
采集系统还包括航况数据采集单元，用于采集船舶航行时海况数据以及船舶的航行数据；航况数据采集单元的输入端连接有航行数据系统、海浪监测仪和倾斜角度传感器；
航行数据系统是船舶自由系统，航行数据系统向航况数据采集单元输送的数据包括航速、航向、船舶总重、船舶外形数据、风向、风速；
海浪监测仪安装在船舶外壁上，用于监测海面海浪状态，海浪监测仪向航况数据采集单元输送的数据包括海况、波形、波高、波向和周期；
倾斜角度传感器安装在油箱上，用于测量油箱倾斜角度，并将油箱倾斜角度数据输送给航况数据采集单元
中央处理单元接收采集系统的数据，并对数据进行计算、存储以及传输；参阅附图2，中央处理单元包括存储单元、数据处理单元和数据传输单元；存储单元中存储的都是数据处理单元需要的且通过人机显示单元预先输入的数据；数据传输单元，接收采集系统输送的数据并传输给存储单元和数据处理单元，以及将数据处理单元输送的数据传输至通讯单元，以及接收通讯单元输送的数据并传输至存储单元。
数据处理单元包括实时液位计算单元、实时油箱油量计算单元以及实时燃油消耗率计算单元；
实时液位计算单元是根据设置在油箱内的压力传感器检测的数值计算油箱的油位，计算公式为：
Figure BDA0003825704540000071
其中，ρ代表柴油的密度，g是重力加速度，h代表油箱的油位。
而若设置在油箱内的是磁致液位传感器则不需要实时液位计算单元进行计算，而是直接获得油箱的油位h。
另外，直接通过压力传感器的实际检测值作为上述公式的p进行计算时，压力传感器的精确度为0.1％，实际测量时，转换后的液位误差约±4mm(按照油箱高度为4米计算)，因此误差较大，本系统在实时液位计算单元中设置压力数据修正单元，对压力传感器的实际检测值进行修正后，再将修正后的数值作为上述计算公式的p值。压力数据修正单元的修正步骤如下：
第一步：把压力传感器的实际检测数值Da在校准压力值组DCn的数值中进行对比，使Da满足：DCi≤Da＜DC(i+1)，得到i值，其中i∈n；
第二步：计算修正压力值Dm，公式如下：
Figure BDA0003825704540000072
第三步：将修正压力值Dm存储在修正压力值集DM中。
其中，标准压力值组DSn、校准压力值组DCn、修正压力值集DM预先设置在存储单元内，校准压力值组DSn＝{Ds0＝0；DS1＝5；DS2＝10；Ds3＝15；Ds4＝20；Ds5＝25；Ds6＝30；Ds7＝35；Ds8＝40}，(n＝0,1,…,8),校标准压力值组DSn是以压力传感器检测范围0-40kPa进行分段。
校准压力值组DCn＝{Dc0；Dc1；Dc2；Dc3；Dc4；Dc5；Dc6；Dc7；Dc8}中存储的数据与标准压力值组DSn的值对应，当油箱内的油量为0kPa时，对应Ds0＝0，此时，记录压力传感器的实际检测值作为Dc0并存储在校准压力值组DCn中，当油箱内的油量为5kPa时，对应Ds1＝5，此时，记录压力传感器的实际检测值作为Dc1并存储在校准压力值组DCn中，依次测量n＝(2,3…,8)时对应的校准压力值组DCn的元素值。
在使用过程中，当压力传感器的实际检测值为Da时，将Da与校准压力值组DCn中的元素进行比较，确定i值，然后根据i值在标准压力值组DSn和校准压力值组DCn中确定各自对应的元素，并将元素值代入到上述修正公式中进行计算获得修正压力值Dm，并写入修正压力值集DM中供查阅。
另外，由于船舶在海上航行，不可避免要受到海浪、风等因素的作用而使得油箱不处于竖直状态，当油箱倾斜或者振动时，安装在油箱中的压力传感器实时测得的实际压力值与油箱处于正常竖直状态时的压力值不同，因此，本系统在实时液位计算单元设置压力数据防振补偿单元。压力数据防振补偿单元根据预先写入存储单元的振动-压力值模型以及航况数据采集单元输送至数据处理单元的参数获取压力传感器补偿值。
首先，采用人工神经网络算法构造振动-压力值模型，振动-压力值模型训练的输入量为：船舶的航行数据，包括航速、航向、船舶总重、船舶外形数据、风向、风速、海况、海浪波形、海浪波高、海浪波向和海浪周期、油箱倾斜角度，还包括船舶油箱中油的种类、粘度、温度，以及船舶油箱内壁与油的浸润度，还包括试验油箱中的压力传感器实际检测数值，输出量为压力传感器补偿值。由于船舶航行在海上，因此船舶以及油箱的振动与船舶的航速有关，而海上的风向影响船舶的航速，船舶的航向影响船舶的振动情况；海面上的海浪会使得船舶振动，因此模型输入量数据包括海况、海浪波形、海浪波高、海浪波向和海浪周期；船舶外形数据对压力传感器的数值影响在于，在同等海况、海浪波形等参数下，船舶的长度和宽度与船舶受到海浪影响后的振动频率相关，例如，船舶长度越长，船舶的受到海浪影响而产生的振动的频率越小；由于船舶在航速不同时，选用不同种类的油，如清油、重油，油的种类、粘度以及温度对油在油箱中的振动情况均会有影响，例如，油的温度高，油的粘度降低，在同等振动强度下，油振动的幅度会更大，因此，油对油箱中的压力传感器的压力值会有影响；船舶油箱内壁与油的浸润度决定了油与油箱内壁之间的张力，若张力大，则在同等振动强度下，油相对油箱的振动幅度小，因此也会影响压力传感器的检测数值。油箱倾斜角度不同时，固定在油箱中且位置不变的压力传感器所检测到的压力值不同，因此油箱倾斜角度也与压力传感器的实际检测数值有关。其中海况、海浪波形等数据可以通过在船舶外壁上设置的海浪监测仪获取，也可以利用通讯单元联网或者从岸基系统中获取；油的种类、船舶油箱内壁与油的浸润度通过人机显示单元写入并输送至存储单元内，油的粘度、油温可以通过在油箱中设置粘度传感器、温度传感器测量，或者根据油的种类以及油的粘度与温度关系，通过测得油温而计算出油的粘度。
上述训练的输入数据的采集，通过在船舶上设置与主油箱、日用油箱同种类的试验油箱，试验油箱与主油箱材质、结构均相同，且试验油箱内存储定量与主油箱中相同种类油，并在试验油箱中安装油位传感器，试验油箱与主油箱安装在船舶的最相近的位置，试验油箱内存放定量的油，将压力传感器补偿值与试验油箱内油的实重量对比，当对比的差在设定范围内时，则训练完成，否则，继续进行训练。
压力数据防振补偿单元、压力数据修正单元可分别单独对压力传感器的实际检测数值进行补偿或者修正；或者先通过压力数据防振补偿单元对压力传感器的实际检测数值进行补偿后，再通过压力数据修正单元对上述补偿后的数值进行修正；经过压力数据防振补偿单元、压力数据修正单元单独计算或者组合计算的结果作为实时液位计算单元的输入值p。
实时油箱油量计算单元根据油箱的油位h计算油箱燃油量，
对于规则油箱，计算公式为：
V＝S×h
其中，V表示油箱油量，S表示油箱截面积，h为油箱的油位；
对于非规则油箱，计算公式为：
V＝kh×h
其中，kh储存在存储单元内的油箱高度和容积的对应系数，h为油箱的油位；
实时燃油消耗率计算单元根据每小时燃油消耗量以及发动机的有效功率计算燃油消耗率，计算公式为：
be＝1000×B/Pe；
其中，
Figure BDA0003825704540000101
B—每小时的燃油消耗量，kg/h；
Pe—有效功率，kW；
be—发动机每输出1kW·h的有效功所消耗的燃油量称为有效燃油消耗率，单位为g/(kW·h)；
每小时的燃油消耗量B有两个获取途径：
①、根据每小时的油箱液位变化，计算燃油消耗量B＝ΔV×ρ，
其中：ΔV为1小时的燃油容积差异；
②、使用主机或辅机燃油管入口的燃油流量计的测量结果，B＝ΔV×ρ，
其中：ΔV为1小时的燃油流量计检测结果。
通讯单元连接在中央处理单元和人机显示单元之间，并对中央处理单元和人机显示单元的数据进行双向传输，通讯单元可采用4G、5G网络对数据进行传输。
人机显示单元，人机显示单元上设置有读出模块和写入模块，读出模块可具有云端数据传输功能，可使用U盘输出、网络(4G、5G)的模式完成数据导出，写入模块用于向中央处理单元的存储单元写入预存数据。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种船舶燃油箱油位及燃油消耗实时监测系统，包括系统主机和人机显示单元，其特征在于：所述系统主机包括采集系统、中央处理单元和通讯单元；
所述采集系统包括船舶数据采集单元，用于采集船舶油耗相关的原始数据；
采集系统还包括航况数据采集单元，用于采集船舶航行时海况数据以及船舶的航行数据；
所述中央处理单元接收采集系统的数据，并对数据进行计算、存储以及传输；
所述通讯单元连接在中央处理单元和人机显示单元之间，并对中央处理单元和人机显示单元的数据进行双向传输；
所述人机显示单元，用于获取中央处理单元通过通讯单元传输的数据并显示在显示屏上，以及通过人机显示单元向中央处理单元写入数据。
2.根据权利要求1所述的一种船舶燃油箱油位及燃油消耗实时监测系统，其特征在于：所述船舶采集单元包括油箱油位采集模块，所述油箱油位采集模块连接有油位传感器，油位传感器安装在油箱内部，用于获取油箱的油位数据，所述油位传感器为压力传感器或磁致液位传感器；
船舶采集单元还包括转速采集模块，所述转速采集模块连接有转速传感器，转速传感器安装在主机或者辅机上，用于获取主机或辅机的实际转速数据；
船舶采集单元还包括燃油流量采集模块，所述燃油流量采集模块连接燃油流量计，所述燃油流量计安装在主机或辅机的输油管道入口，用于获取向主机或辅机输入的油量数据。
3.根据权利要求1所述的一种船舶燃油箱油位及燃油消耗实时监测系统，其特征在于：所述航况数据采集单元的输入端连接有航行数据系统、海浪监测仪和倾斜角度传感器；
所述航行数据系统是船舶自由系统，航行数据系统向航况数据采集单元输送的数据包括航速、航向、船舶总重、船舶外形数据、风向、风速；
所述海浪监测仪安装在船舶外壁上，用于监测海面海浪状态，海浪监测仪向航况数据采集单元输送的数据包括海况、海浪波形、海浪波高、海浪波向和海浪周期；
所述倾斜角度传感器安装在油箱上，用于测量油箱倾斜角度，并将油箱倾斜角度数据输送给航况数据采集单元。
4.根据权利要求1所述的一种船舶燃油箱油位及燃油消耗实时监测系统，其特征在于：所述中央处理单元包括存储单元、数据处理单元和数据传输单元；
所述存储单元内存储有标准压力值组DSn、与标准压力值组DSn对应的校准压力值组DCn，以及修正压力值集DM；还存储有非规则油箱的高度和容积的对应系数kh；还存储有振动-压力值模型；
所述数据处理单元包括实时液位计算单元、实时油箱油量计算单元以及实时燃油消耗率计算单元；
所述实时液位计算单元根据设置在油箱内的压力传感器检测的数值计算油箱的油位；
所述实时油箱油量计算单元根据油箱的油位h计算油箱燃油量；
所述实时燃油消耗率计算单元根据每小时燃油消耗量以及发动机的有效功率计算燃油消耗率；
所述数据传输单元，接收采集系统输送的数据并传输给存储单元和数据处理单元，及将数据处理单元输送的数据传输至通讯单元，及接收通讯单元输送的数据并传输至存储单元。
5.根据权利要求4所述的一种船舶燃油箱油位及燃油消耗实时监测系统，其特征在于：针对船舶上使用压力传感器作为油位传感器的情况，所述实时液位计算单元内设有压力数据防振补偿单元和压力数据修正单元；
所述压力数据防振补偿单元根据航况数据采集单元的数据和振动-压力值模型，对压力传感器的实际检测数值进行补偿；
所述压力数据修正单元根据标准压力值组DSn及对应的校准压力值组DCn对压力传感器的实际检测数值进行修正；
所述压力数据防振补偿单元、压力数据修正单元可分别单独对压力传感器的实际检测数值进行补偿或者修正；或者先通过压力数据防振补偿单元对压力传感器的实际检测数值进行补偿后，再通过压力数据修正单元对上述补偿后的数值进行修正；经过压力数据防振补偿单元、压力数据修正单元单独计算或者组合计算的结果作为实时液位计算单元的输入值p。
6.根据权利要求5所述的一种船舶燃油箱油位及燃油消耗实时监测系统，其特征在于：所述压力数据修正单元的修正计算方法如下：
第一步：把压力传感器的实际检测数值Da在校准压力值组DCn的数值中进行对比，使Da满足：DCi≤Da＜DC(i+1)，得到i值，其中i∈n；
第二步：计算修正压力值Dm，公式如下：
Figure FDA0003825704530000031
第三步：将修正压力值Dm存储在修正压力值集DM中。
7.根据权利要求4所述的一种船舶燃油箱油位及燃油消耗实时监测系统，其特征在于：构造所述振动-压力值模型的算法为人工神经网络算法，振动-压力值模型训练时的输入量为船舶的航行数据，包括航速、航向、船舶总重、船舶外形数据、风向、风速、海况、海浪波形、海浪波高、海浪波向和海浪周期、油箱倾斜角度，还包括船舶油箱中油的种类、粘度、温度、船舶油箱内壁与油的浸润度，还包括试验油箱中的压力传感器实际检测数值，输出量为压力传感器补偿值。
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