[發(fā)明專利]一種船舶的智能能效管理方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110721638.4
• 申請日: 2021-06-28
• 公開（公告）號: CN113361014B
• 公開（公告）日: 2023-05-23
• 發(fā)明（設計）人: 左毅;賀寶華;李珊珊;李心宇;朱永潔;李鐵山
• 申請（專利權）人: 大連海事大學
• 主分類號: G06F30/15
• 分類號: G06F30/15;G06F30/27;G06F18/211;G06F18/23;G06N3/0442;G06N3/08;G06F119/06;G06F119/08
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 魯保良;李洪福

1.一種船舶的智能能效管理方法，其特征在于：通過智能集成平臺獲取機艙檢測報警系統(tǒng)、流量計以及通導設備的數(shù)據(jù)，進行分析處理，提供能效管理設備檢測及能效優(yōu)化輔助決策，具體包括以下步驟：

A、船舶數(shù)據(jù)采集

對船舶狀態(tài)、航行環(huán)境、設備狀態(tài)和燃油狀態(tài)進行檢測和數(shù)據(jù)收集；所述船舶狀態(tài)包括航速、艏向、吃水和縱傾的實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)；所述航行環(huán)境包括風速、風向、水溫和水深的實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)；所述設備狀態(tài)包括主機、發(fā)電機和鍋爐的能耗數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)；所述狀態(tài)包括燃油消耗、燃油存量和油品質(zhì)量的實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)；

B、能耗實時分析與評估

對船舶進行能耗分布評估、能效指標計算、航行能效分析和能效評估；具體計算方法如下：

B1、船舶主要設備能耗分布計算如下：

Q_f＝P_e+P_m+Q_loss+Q_ic+Q_ex+Q_sr+Q_qt

式中：

Q_f——單位時間燃料燃燒放出的總熱量，kW；

P_e——有效功率，kW；

P_m——機械損失功率，kW；

Q_loss——單位時間冷卻介質(zhì)帶走的熱量，kW；

Q_ic——單位時間中冷器冷卻介質(zhì)帶走的熱量，kW；

Q_ex——單位時間廢氣帶走的熱量，kW；

Q_sr——單位時間散熱量，kW；

Q_qt——單位時間內(nèi)其他熱量損失，kW；

所述主要設備包括主機、輔機及鍋爐；

B2、能效運營指數(shù)計算如下：

一個航次的燃油單耗計算公式為：

式中：j為燃油類型；FC_j為在航程中燃油j的消耗量；m_cargo為載貨量，單位為噸；D為對應于所載貨物的距離，單位為海里；

一個航段的能效營運指數(shù)EEOI的基本表達式為：

式中：j為燃油類型；FC_j為在航程中燃油j的消耗量；C_Fj為燃油j的燃油量與CO₂排放量的轉換系數(shù)；m_cargo為載貨量，單位為噸；D為對應于所載貨物的距離，單位為海里；

B3、主要設備能量利用效率計算公式如下：

式中：

η——能量利用效率；

E_e——有效利用能量，kJ；

E_s——供給能量，kJ；

E_l——損失能量，kJ；

所述主要設備包括主機、輔機和鍋爐；

C、主要設備能效狀態(tài)評估

C1、數(shù)據(jù)預處理：通過智能集成平臺收集數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)預處理，得到具有參考意義的船舶狀態(tài)、航行環(huán)境、設備狀態(tài)和燃油狀態(tài)；

C2、特征提取：采取兩種特征提取方法，即統(tǒng)計特征和時間序列特征；

所述統(tǒng)計特征分為兩部分：一部分包括平均值mean、方差variance、平均差分meandifference、眾數(shù)mode和中位數(shù)median；另一部分包括下邊緣Min、下四分位數(shù)Q1、中位數(shù)median、上四分位數(shù)Q3和上邊緣Max；

所述時間序列特征提取步驟如下：

C21、在進行階層聚類之前，確定時間序列特征點的個數(shù)k，即采用k個特征點表征此幀內(nèi)數(shù)據(jù)的特征；

C22、計算相鄰時間兩個數(shù)據(jù)點之間的歐式距離；對歐式距離最小的兩個點，取這兩點的平均值進行合并；

C23、轉步驟C22直到得到需要的k個時間序列特征點；在進行時間序列特征提取過程后，得到一系列聚類中心c₁,c₂,…,c_k；這些聚類中心按照時間順序進行排列，表示幀內(nèi)數(shù)據(jù)的時間序列特征；

C3、特征融合：為了同時考慮能耗數(shù)據(jù)的分布情況和時間序列特性，將統(tǒng)計特征與時間序列特征進行融合，將兩個特征向量組合成復向量，對于輸入特征x和y，z＝x+iy，其中i是虛數(shù)單位，z是融合后的特征；

C4、狀態(tài)分析：將所提取到的融合特征輸入到長短期記憶網(wǎng)絡LSTM模型中，并使用以下均方根誤差RMSE對比預估精度：

當出現(xiàn)誤差浮動超過規(guī)定值的異常狀況時，智能集成平臺及時提示報警；

D、節(jié)能減排輔助決策

為更加直觀的表示船舶的能效狀況等級，將燃油單耗和EEOI指數(shù)代入如下目標函數(shù)：

其中，α和β表示權重系數(shù)；j為燃油類型；FC_j為在航程中燃油j的消耗量；C_Fj為燃油類型j的燃油量與CO₂排放量的轉換系數(shù)；m_cargo為載貨量，單位為噸；D為對應于所載貨物的距離，單位為海里；

根據(jù)目標函數(shù)的大小將船舶的能效狀況分為一級、二級、三級和四級；一級表示能量有效利用水平高、能耗最低；二級表示能量有效利用水平較高、比較節(jié)能；三級表示處于整體樣本的平均水平；四級表示能量有效利用水平較低、能耗較高；

從能量損失和能量有效利用兩個方面進行節(jié)能減排輔助決策：一級給予“能效狀況良好，繼續(xù)保持”的決策；二級給予“提高主機效率，選擇合適航速”的決策；三級給予“提高主機效率，選擇合適航速、航線，保持最近縱傾”的決策；四級給予“主機、航速、航線優(yōu)化，保持最近縱傾，提高船-機-槳匹配度，能量綜合梯級利用和加強余熱回收”的決策；

E、為船東及船員提供一系列能效管理工具

能效管理工具包括燃料管理、污底管理、裝卸貨能效管理和報告輸出；航行過程中對燃料加裝的種類及轉換信息進行管理顯示；定時提醒船員進行污底檢測，保證船體光滑，減小阻力降低能耗；提前規(guī)劃航線所經(jīng)排放控制區(qū)，提供溫室氣體排放監(jiān)測報告，確保符合排放控制區(qū)的排放要求；在船舶裝卸貨時實時監(jiān)測船舶能效；對接船東公司，提供指定格式的能效管理相應報告供船員審閱并發(fā)送船管部門，提供報告至少包括：午時報、燃料航次耗用報告、航次能效評估報告和排放報告。