JP5336188B2 - エネルギー源使用の最適化 - Google Patents
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Description
本発明の別の態様は、船舶の燃料効率を最適化する方法(3)であって、上記船舶のコンピュータシミュレーションモデル(7、10)を記憶するステップであって、当該モデルは、燃料効率に関して最適化される、記憶するステップと、1つ又は複数のセンサ(9)から少なくとも1つの信号を受け取るステップと、当該信号に依存して、上記コンピュータ生成シミュレーションモデルから1つ又は複数の最適化パラメータを生成するステップと、当該パラメータをヒューマンマシンインタフェース(12)に、又は随意に、制御システム(11)に出力するステップとを含む、船舶の燃料効率を最適化する方法に関する。
PLC プログラム可能な論理コントローラ
OPC PLC及び他の機器と通信するための規格の集まり
OPCサーバ 基礎を成すプロトコルをカプセル化して、1つ又は複数のPLCとの通信を処理する
OPCクライアント 1つ又は複数のOPCサーバに接続して、PLCの値の読み出し又は書き込みを行う
NMEA 全米船舶電子機器協会通信規格
メタパワー 回転軸のトルク・パワー測定システム
Ack 肯定応答(認識したことを認める)
GPS 全地球測位システム
タグ 監視され、且つ/又は制御され、システムに記録されるアイテムであり、温度測定値、圧力値、他の測定から導出される値等であり得る
UI ユーザインタフェース
GUI グラフィカルユーザインタフェース
HMI ヒューマンマシンインタフェース
不感帯 値が変化可能な範囲
ツールチップ ツールチップとは、モニタ上のマウスカーソルが特定のオブジェクトに配置されているときに、何らかのテキストを表示するラベルである
Pdf ポータブルドキュメントフォーマット
RAID 独立ディスク冗長アレイ。性能を高めるため、又は耐故障性を提供するために使用されるディスクサブシステム
NA 該当せず
TCP 伝送制御プロトコル。TCPは、メッセージがすべて正確に送信されることを保証する
UDP ユーザデータグラムプロトコル。信頼性のある送出が求められない場合にTCPに代えて使用されるTCP/IPプロトコルスイート内のプロトコル
LAN ローカルエリアネットワーク
ODBC オープンデータベース接続。Windowsアプリケーションがネットワーク上のデータベースにアクセスするための共通言語を提供する、Microsoftからのデータベースプログラミングインタフェース
燃料 あらゆるエネルギー運搬媒体、例えば、化石燃料、水素
本文において説明する本発明の実施態様は、明らかに、多くの様式で変形が可能である。このような変形は、本発明の精神及び範囲からの逸脱とみなされるべきではなく、当業者に自明なこのようなすべての変更は、特許請求の範囲の内に含まれるものである。
・制御パラメータを初期化し(100)、アルゴリズムの実行を制御し、最適解が得られるか、又は最高試行数を超えるまで以下のステップを実行することによりコンピュータシミュレーションモデルをシミュレートするステップと、
・新テストセットを生成するステップ(101)と、
・旧テストセットを上記新テストセットで一時的に置き換えるステップ(102)と、
・制約変数を数えるステップ(103)と、
・上記モデルを解いて目的関数を計算するステップ(104)と、
・目的関数を最適化するステップ(105)と、
・最適解に達しない場合
・制約違反を計算する追加ステップ(106)と、
・最適値(ペナルティ関数)を計算する追加ステップ(107)と、
・ステップ(101)からもう一度開始する追加ステップと
を実行するステップと、
・最適化された目的関数を記憶するステップ(108)と、
・繰り返し数が制限内であるか否かを調べるステップ(109)と、
・最適化されたコンピュータシミュレーションモデルを出力して終了するステップ(110)と
を含む。結果得られる最適化されシミュレートされたコンピュータシミュレーションモデルは、所定の要件及び制約に従った船舶の最適な設計を表し、制約変数は、
主エンジンの最大数/最小数及び仕様、補助エンジンの最大数/最小数及び仕様、プロペラの最大数/最小数、種類、及び仕様、プロペラの最大径/最小径、船体全体の最大長/最小長及び設計、冷蔵ユニットの最大数/最小数、種類、及び仕様、排気の最大量/最小量
等の制限要因を含み、各シミュレーションで複数の制約変数を同時に選択することができる。
図6は、蒸発器(50)の図を示す。接続点を割り当てることにより、蒸発器の構成要素モデルが作成される。蒸発器が吸い込みラインに接続する点は点(51)と記される。接続点(55)は、膨張弁からの液体流入口である。接続点(53)は入水口であり、接続点(52)は出水口である。ラベル(54)は、計算された、構成要素コア内の周囲への熱損失を表す。これらの5つの接続点が、熱交換機に関連する伝熱を定義する。しかし、損失を表す(54)を除く各接続点には、4つの変数、すなわち流体種類、質量流量、圧力、及びエンタルピーが割り当てられる。
構成要素を共に縦続接続すると(図8参照)、縦続接続された構成要素は、前の構成要素からの情報を入口で継承する。継承の関係は、以下の一般化された1組の式で示すことができる。
・流体は流体種類
・Pは圧力
・hはエンタルピー
・mは質量流量
・Wは仕事
・Qは伝熱
・Param.はパラメータ
・Contr.var.は制御変数
・Design.var.は設計変数
上記4つの式中に8つの変数がある。しかし、これらの8つの変数は閉システムを完全には定義しない。システムを閉じるには、構成要素IIの出口を構成要素Iの入口に接続する4つの追加の式が必要である。システムを外部世界に接続するために、シンク構成要素、及びソース構成要素というさらに2つの構成要素が必要である。ソース構成要素及びシンク構成要素は変数を有さないが、流量、エンタルピー、及び圧力の各パラメータを含む。システムを外部世界に接続するために必要な4つの追加の式は、構成要素をシンク及びソースの各構成要素に接続することによりシステムに追加される。
設計をシミュレーションして最適化する場合、船舶を設計している操作者はヒューマンマシンインタフェース(5)(HMI)と対話して、要件研究(4)からの情報をコンピュータプログラムに供給する。これは、構成要素式及び構成要素費用係数を含む。情報供給後、操作者はシミュレーション・最適化モジュール(6)を実行し、シミュレーション・最適化モジュール(6)は、船舶の最適化モデル(7)を作成して送る。
2つの事例が研究される。一方の事例は蒸発温度に対する制約がTE=266度Kであり、他方の事例はTE=269度Kである。システムは、水350000kgを288度Kから276度Kに5時間以内に冷却するよう求められる。この作業の必要最小冷蔵能力QEはおよそ910kWである。
最適化問題は、目的関数及び設計変数が満たさなければならない制約という性能基準を含むコンピュータシミュレーションモデルに基づいて示される。一般化された形での最適化問題は、
熱制約は第2の組であり、対象となる以下の制約
マスタモデルは、391個の連続変数及び15個の2値変数を含む初期スーパーストラクチャに基づいて定式化される。このシミュレーションでは、3つの微分変数及び3つの制御変数も含まれる。
交差確率p’c∈[0,1]、
母集団サイズμ’∈{1,…,100}、
子集団サイズλ’∈{1,…,100}、
世代数G∈{10,…,500}、
突然変異率p’m∈[0,0.5]
交差点数z’∈{1,…,3}
を含む。
電気費は燃料費に基づき、0.04ユーロ/kWhであると仮定する。構成要素の価格及びその能力を図10の表に提供する。
クライアント
クライアントは、2つの構成、すなわち制御室(技術者)用の構成及びブリッジ(船長)用の構成をサポートすることができる。違いは、ナビゲーションペインを通じて使用者に提供すべきUI構成要素の数及びUI要素のサイズにある。
ナビゲーションペインでは、使用者が異なるユーザインタフェース(UI)構成要素間を行き来することができる。
タグ設定は、現在定義されているシステムタグ及び現在選択されているタグについての詳細情報を表示する。
航行制御は、航行(steaming)中に船舶を制御する際に操作者を支援する。航行制御UI構成要素は、操作者が航行制御構成及び制約を変更でき、状態を見られるようにする。異なる航行戦略を比較することもできる。
サーバ
サーバは主に、データの取得、記憶、及び配信、運転の最適化、メッセージの生成及び配信、リポートの生成を処理する。
データ取得
データ取得(DAQ)(37)を図16に示す。機械のPLC監視している異なるアイテムから測定値(22)を受け取り、制御信号(23)を制御装置に送る。さらに、GPS及び天気監視機器等の外部ソースから測定値及び情報(24)を受け取る。DAQ(37)は、メッセージ(25)をクライアントコンピュータに送り、またクライアントコンピュータから制御信号(26)を受信する。動作最適化モジュールも、DAQ(37)から測定信号(27)を受け取り、制御信号(28)をDAQ(37)に送る。DAQ(37)はまた、測定値に基づいてメッセージ(29)を生成する。DAQ(37)はまた、受け取った測定値から新しい値又はタグを導出する(30)。最後に、DAQ(37)は定期的に、履歴検索、監視、及び制御生成(32)のために値をデータベースに記録(記憶)する(31)。記録間隔は構成可能であるが、デフォルトは15秒である。
タグ
NMEAタグは特定のNMEAストリング及びフィールド番号にマッピングされる。例:
タグ「速度(ノット)」はNMEAストリング識別子VTG及びフィールド番号7にマッピングされる。DAQは以下のNMEAストリング:$GPVTG,89.68,T,,M,0.00,N,0.0,K*5Fを受け取る。タグ「速度(ノット)」の値は0.0ノット(7番目のフィールド)に設定される。
動作最適化及びメッセージ送出
動作最適化システム(OO)(33)は、測定値(27)を船に搭載されている機器の状態のDAQから受け取り、その情報を使用して、燃料効率を向上させる。これを達成するために、システムは、船のコンピュータシミュレーションモデル(7)を使用して、船舶の動作パラメータの最適値を見つける。次に、最適な動作パラメータが使用されて、船内の機器が制御され(23)、又はエネルギー効率をどのように向上させることができるかについて船舶の操作者にアドバイスが生成される(38)。
条件付き警告(40)は、クライアントコンピュータ(タグ設定)を介して船舶作業員により定義される。OOは、DAQ(27)から最新の測定値を受け取る。システム構成及び制約がデータベース(14)から読み取られるが、場合によっては、システムが開始された後に船舶作業員により構成することができる。変更可能な制約及び構成はデータベースで変更可能なものとして識別され、すべての変更を記録されるべきである。
構成(35)は、システム開始時にデータベース(14)からロードされ、これもまた、システム実行中に、例えば、システムにプロペラスラストの制御を行うように求める航行制御をオンにしているときに変更可能である。
OOシステムの主要ユニットは以下である。
最適化
最適化ユニット(10)は、各種最適化アルゴリズムを使用して、動作パラメータの最適値を見つける。OOシステムは、例えば、冷蔵システム、推進システム、及び漁具の制御を効率的に最適化するために使用できる最適化アルゴリズムを含む。最適化問題は、シミュレーションモジュール(7)を使用して目的関数を計算する複数の変数の線形又は非線形問題であることができる。外部ライブラリ内の最適化アルゴリズムをシステムに統合することも可能であるべきである。
状態検出
状態検出ユニット(34)は、機器の状態の測定値を監視し、船で実行されている動作を識別しようとする。考えられる状態は船毎に異なり、漁船の場合、例えば、考えられる状態は「トローリング」、「繰り出し」、「引き揚げ中」、「航行中」、「準備中」、及び「ポンプ中」であり得る。
調整
調整ユニット(35)は、適用される制約により最適化されない被制御値の調整に使用される。例えば、航行制御では、操作者は、船舶が一定速度で航行すべきであることを指定することができ、その速度を維持するためにプロペラスラストの調整が要求される。
メッセージ管理
メッセージ生成ユニット(37)は、情報を最適化ユニット(10)、状態検出ユニット(34)、及び調整ユニット(35)から受け取り、他のシステムに送信されるメッセージ(29)を生成する。送信メッセージ及びどのメッセージが受信確認又は承認されたかを追跡すべきである。メッセージ生成ユニットはまた、もはや該当しないメッセージを無効化すべきである。
制御信号
制御信号(23)は、サーバ(20)により制御される機器に送信される。DAQ(37)に送信される設定点であり、DAQ(37)は各瞬間に制御がどこにあるのかを判断し(自動制御が何らかの方法で使用者によりオーバライドされていることがある)、適当な場合、対応する機器を制御するPLCにOO制御信号を転送する。
アドバイス
アドバイスメッセージ(38)はクライアントコンピュータに送信され、そこで表示される。アドバイスメッセージ(38)は以下の情報を含む。
操作を実行することにより節約される推定燃料量
アドバイスに記述されている操作をシステムから実行できる場合(被制御オブジェクトを通じて)、確認アクションが操作に添付され、操作が使用者により確認される場合、操作はシステムにより実行される
警告
警告(39)は、船を指定の制約内で制御できないことをシステムが検出した場合に生成されるショートテキストメッセージである。例えば、システムが、船が或る指定時間前に目的地に到着すべきであるという制約付きで1マイル当たりのオイル使用量を最小限にすることを目的としてプロペラスラストを制御するように構成される場合、システムは、目的地に時間制約以内に到着することができないことを検出した場合に警告を生成すべきである。
条件付きアラート
条件付きアラート(40)メッセージは、条件に関連するメッセージストリングを含む。
数値結果
数値結果(41)メッセージは、HMIに表示されている各変数毎に送信される。メッセージは以下の情報、すなわちシミュレーションに使用される実測値(利用可能な場合)、最適値、及び最適値と実測値とのずれ(測定が利用可能な場合)を含む。
状態
OOは、船で実行中の操作を検出し、現在の状態(42)を識別するメッセージを送信すべきである。
状態時間(43)
OOは、現在の状態で費やされた時間を測定し、メッセージを送信する。状態群で費やされた時間も測定することができる。
達成可能な節約
達成可能な節約(44)メッセージは、各サブシステム(推進、冷蔵、又は漁具)での可能なエネルギー節約の推定及び達成可能な合計節約推定を含む。
リポート生成
リポートジェネレータは、データベース(14)から情報を抽出し、情報を処理し、リポートの形態で使用者に提示する役割を有する。最終使用者に提示されるリポートは、最終使用者の要求パラメータ及びリポートビューアUI構成要素を通じてのナビゲーションに基づく。
データ処理
異なるデータ記憶装置を使用するための設定可能性。DAQ(37)に関連するデータ記憶装置への接続性。データ記憶装置及び使用者要求パラメータからのデータのフェッチ。
リポート作成
使用者が見てブラウジングできるリポートを表示する機能。リポートをHTML、PDF、エクセルで表示する機能。リポートを購読のためにスケジュールし電子メール送信する機能。
リポート再使用性
リポートは、同様の応用分野、すなわち同様の漁獲操作の漁船間で再使用可能であるべきである。
データ品質
リポートの作成に必要なデータは、応用分野、顧客ニーズ、並びにDAQ及び航行サマリから利用可能なデータに依存する。
Claims (10)
- 船舶の燃料効率を最適化する方法であって、
前記船舶のエネルギーを消費するシステムのコンピュータシミュレーションモデルを記憶するステップであって、該モデルは、燃料効率に関して最適化された、ステップと、
センサネットワークからセンサ信号を受けるステップであって、該センサネットワークは複数のセンサから形成された、ステップと、
前記センサ信号に依存して、前記コンピュータシミュレーションモデルから1つ又は複数の最適化されたパラメータを生成するステップと、
前記最適化されたパラメータを出力するステップと、
出力された前記最適化されたパラメータを、前記エネルギーを消費するシステムを含む前記船舶のシステムを制御するコントローラに伝えるステップと、
前記センサネットワークからの前記センサ信号を、更なるシミュレーションのためにデータベースに記憶するステップと
を含み、
前記船舶の前記エネルギーを消費するシステムが含むコア構成要素は前記コンピュータシミュレーションモデルが含むモデル構成要素として表され、該モデル構成要素は、前記コア構成要素の特徴を表すデータ群からの定義された特徴を有し、前記コンピュータシミュレーションモデルにおいて、各モデル構成要素の前には1つ以下のモデル構成要素が接続され、前記最適化されたパラメータは前記コア構成要素の入力パラメータであり、
前記センサネットワークは、前記船舶を監視するために、エンジン、構造及び外部のパラメータを様々な種類のデータとして収集し、該データに基づく前記センサ信号を出力するように構成された
ことを特徴とする、方法。 - 前記コア構成要素は、前記センサ信号に基づいて、動作最適化アルゴリズム及びユーザ設定に従い自動的に制御されるように構成された、請求項1に記載の方法。
- 前記センサネットワークは、1つ又は複数の他のパラメータを監視するように構成された、請求項1又は2に記載の方法。
- エンジンのパラメータは、
排気ガス温度と、
給気圧と、
給気温度と、
エンジン速度(RPM)と、
冷却水温度と、
潤滑油温度と、
潤滑油圧と、
燃料油温度と、
燃料油圧と、
燃料消費量と
を含むパラメータ群から選択された1つ又は複数のパラメータを含む、請求項1又は2に記載の方法。 - 構造のパラメータは、
燃料油タンクの液面高さと、
水タンクの液面高さと、
バラストタンクの液面高さと、
保持温度と、
実速度と
を含むパラメータ群から選択された1つ又は複数のパラメータを含む、請求項1又は2に記載の方法。 - 外部のパラメータは、
天気状況と、
位置と、
実速度と、
時刻と、
海流と、
天気予報と
を含むパラメータ群から選択された1つ又は複数のパラメータを含む、請求項1又は2に記載の方法。 - 他のパラメータは、
電力出力と、
プロペラパワー出力と、
必要冷蔵能力と、
冷蔵リソースと、
補助パワーリソースと、
船舶表面速度と
を含むパラメータ群から選択された1つ又は複数のパラメータを含む、請求項3に記載の方法。 - 前記出力を、ヒューマンマシンインタフェースを介して操作者に伝えるステップを更に含む請求項1又は2に記載の方法。
- 前記コントローラが、出力された前記最適化されたパラメータに依存して前記エネルギーを消費するシステムを含む前記船舶のシステムを制御するステップを更に含む請求項1又は2に記載の方法。
- コンピュータプログラム又はコンピュータプログラム一式を含むコンピュータ可読データ記憶媒体であって、前記コンピュータプログラム又はコンピュータプログラム一式は、プロセッサで実行されると、前記プロセッサに請求項1又は2に記載の方法を実行させるように構成された、コンピュータ可読データ記憶媒体。
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