用于预测船只的性能的方法和系统的制作方法

用于预测船只的性能的方法和系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用以产生预测船只的性能的模型的计算机实现方法。该方法包括步骤：借助于操作期间的与船只有关的因素与呈现依赖所述因素所取决于的初级动态输入数据的参数之间的关系来创建用于模拟船只性能的初始模型。在船只的操作期间从传感器获得测量以便产生将在模型中使用的新动态输入数据的集合。通过在所述模型中使用所述产生的输入数据而不是初级动态输入数据来计算用于船只性能的模拟结果。然后将该模拟结果与实际船只操作相比较。如果模拟结果与实际操作之间的差超过定义的阈值标准，则通过借助于新的测量反复地产生要在模型中使用的动态输入数据的新集合来改进此模型直至满足定义的质量标准为止。本发明还涉及一种执行此类方法和计算机程序的系统。
【专利说明】用于预测船只的性能的方法和系统

【技术领域】
[0001]本发明涉及用于预测船只的性能的方法和系统和计算机程序。

【背景技术】
[0002]在远洋船中，使用例如油或有时天然气之类的燃料作为能源并使用柴油引擎作为主引擎。在大型海船中，可存在使船的发电机或主推机器旋转的若干柴油引擎。燃料在港中或在航行期间通过燃料车(fuel tanker)输送给海船。还可能存在可用的不同种类的燃料和并行地且同时地驱动的若干柴油引擎。
[0003]功率产生和推进系统已经是用于连续调整、控制和监视以便实现最佳效率的目标。功率控制是船只的控制系统的基本部分。同样地，控制推进系统以通过使用可用电和/或初级能量(primary energy)来产生所需功率。然而，在实践中，能量的充足性不如设备及其控制系统的效率那么关键。
[0004]通过控制船上的单独设备的功率，可以高效地且经济地消耗能量。这例如适用于单独推进单元、泵送设备、照明和加热设备及其他辅助设备。
[0005]与不同的燃料和设备有关的所有这些因素，包括燃料的价格、质量和可用性，都影响海船的总能量效率，并且应在船只的动力设备(power plant)的优化和配置中考虑在内。
[0006]用于船上的调平(trim)和动力设备配置的动态优化的当前技术方案通常是基于在各种阶段处要求人类监督的模型，或者依赖于基于设计数据或其他此类设计相关静态信息的模型。另外，此类优化模型当前要求初始建模(流体动力或数值)以及船体/推进器老化或其阻力改变时的校准或重新建模。模型的可靠性因此在一段时间内退化，然后，它们对其节省成本的目的而言不再有用。
[0007]在WO公开2011/161211中提出了用于基于设计数据的高效能量控制的技术方案的示例，其公开了用于基于不同的输入数据来控制海船中的能量消耗的方法和布置的示例，所述输入数据诸如操作数据、路线数据、天气预报和不同的环境因素。还将与燃料本身有关的数据考虑在内，例如燃料类型、燃料成本等。基于已基于所述输入数据而计算的预测来管理能量消耗设备的能量平衡。
[0008]WO公开2007/017908提出了一种通过使得设计者可能采用帮助船的设计的工具来增加船只设计效率的设计工具。该设计工具还用来通过从传感器接收信号并根据传感器信息模拟操作来优化操作中的船只的操作成本且相应地调整能量系统。该公开是鉴于仅依赖于设计数据的技术方案的改进，因为其也考虑到传感器信息以便在操作期间控制能量平衡。
[0009]本发明的目的是开发用于创建模拟模型本身并用于使用所创建的模型来改进船只性能以便最小化燃料消耗的改进方法和系统。
[0010]在本申请中使用的术语在申请正文中使用以下术语调平(TRM):纵向(俯仰)方向上的船只的浮动倾度，即船只的船头和船尾的下沉之间的差。
[0011]横倾(LIST):横向(滚转)方向上的船只的浮动倾度。
[0012]吃水深度(DRAFT):船只的船身中部下沉。
[0013]浮动位置(FLOATING POSIT1N):调平、吃水深度或横倾或调平、吃水深度和横倾的任何组合。浮动位置影响船只的排量(di spIacement )、湿表面和水阻力。
[0014]动力设备配置(POWER PLANT CONFI⑶RAT1N):不同功率发生和消耗设备(例如柴油发电机、轴发电机、废热回收系统等)之间的负载的共享/分配。
[0015]最优动力设备配置(OPTIMAL POWER PLANT CONFI⑶RAT1N):履行诸如燃料消耗、排放等优化标准的不同功率发生和消耗设备之间的负载的分配。
[0016]船只行为/船只性能(SHIP BEHAV1UR/SHIP PERFORMANCE):描述船只的实际功能，包括例如船只的移动、能量消耗、燃料消耗以及排放。
[0017]船只操作(SHIP OPERAT1N):描述了船只的机动和操舵及控制动作以便驱动引擎和电气设备并使船只移动。
[0018]船(VESSEL)与船只(SHIP)以同义词方式使用
海洋状况(SEA STATE):由浪高、波浪周期、波浪方向、涌浪、风致波浪(wind-1nducedwave)等确定的海洋状况。


【发明内容】

[0019]借助于用以产生预测船只性能的模型的计算机实现方法来实现该目的。该方法包括步骤:借助于操作期间的与船只有关的因素与呈现依赖所述因素所取决于的初级动态输入数据的参数之间的关系来创建用于模拟船只性能的初始模型。在船只的操作期间从传感器获得测量结果以便产生将在模型中使用的新的动态输入数据的集合。通过在所述模型中使用所述产生的输入数据而不是初级动态输入数据来计算用于船只性能的模拟结果。然后将该模拟结果与实际船只操作相比较。如果模拟结果与实际操作之间的差超过定义的阈值标准，则通过借助于新的测量结果反复地产生要在模型中使用的动态输入数据的新集合来改进此模型直至满足定义的质量标准为止。
[0020]用于预测船只性能的船只中的本发明的系统具有用以执行上述方法的装置。因此，该系统包括具有模拟船只性能的计算机模型的处理器单元。该模型定义关于船只操作的因素与呈现所述因素所取决于的动态输入参数的参数之间的关系。该模型具有用于学习所述因素与动态输入参数之间的相关性的装置、用于在船只的操作期间连续地获得测量结果并用于将该测量结果用于产生将在模型中使用的新动态输入参数集合而不是早先在初始模型中使用的输入参数的装置、用于通过使用所述模型中的所述产生的输入数据来计算用于船只性能的新模拟结果的装置、用于将优化模拟结果与实际船只操作相比较的装置以及用于更新初始模型以用作另一操作中的模型并进一步更新该模型直至该模型满足预置质量标准为止的装置。该系统还包括向处理器给出船只操作期间的测量结果的信号的传感器。
[0021]本发明的计算机程序产品在船只中的处理器单元中运行并组成模拟船只的性能的模型。该模型定义关于船只性能的因素与呈现所述因素所取决于的动态输入参数的参数之间的关系。该程序执行步骤:自动地学习所述因素与动态输入参数之间的相关性、在模拟中连续地使用新的动态输入参数的集合而不是早先所使用的输入参数，该新的动态输入参数是在船只操作期间从来自传感器的测量结果产生的，并对其本身进行更新直至其满足预置质量标准预置质量标准为止。
[0022]本发明的优选实施例具有从属权利要求的特性。
[0023]本发明的方法和系统可以例如用于船上能量产生的优化或用于船只位置，诸如调平、吃水深度或横倾的优化。在前述情况下，用于模拟船只性能的模型模拟燃料消耗、能量消耗和能量产生，并且在后一种情况下，其根据浮动位置来模拟船只推进能量消耗。船只的调平被定义为船首和船尾的下沉之间的差，吃水深度被定义为船的下沉(在船身中部)，并且横倾被定义为在船只的横向方向上的永久倾角。
[0024]当将本发明用于能量产生的优化时，获得告知船上的当前状况的测量，并且通过用能量优化模拟模型的模拟来找到具有最低能量需要的动力设备配置。该动力设备配置可以包括柴油引擎、柴油发电机、轴发电机)、轴电动机、废热回收系统以及用不同的燃料工作的机器和发电机等。本文中的动力设备配置指的是不同功率发生设备之间的负载分配。
[0025]因此，该模型继续改进其本身直至其满足预定义完成和质量标准为止。停止标准可以包括例如针对信号的预期变化范围相比较的输入信号的变化范围、与先前看到的数据相比较的新输入数据的附加信息内容、模型的预测性能、模型参数的统计显著性、数据量的统计显著性等。该模型还监视输入数据的质量，诸如其基于预测和测量值之间的差的动态来评估测量信号的可靠性以及输入信号的行为。另外，可以由模型来监视输入信号与输出信号之间的相互相关性，并且如果测量输入信号之间的相关性改变，则模型能够基于测量历史、当前值来估计量。除估计之外，一旦已训练了模型，可能通过使用该模型来识别传感器的故障。
[0026]在质量控制中，监视测量之间的关系、测量的特有动态和测量的物理变化。这可以借助于例如船只的速度来举例说明。船只是非常大的整体，并且其速度不能非常快速地改变。该模型可通过将速度测量与船只的先前状态和其他测量相比较来将不可能的变化和无意义的变化或被定义成过大的差异考虑在内并且决定该测量是否能够信任。如果该测量不能信任，则模型可以决定例如将其忽略。
[0027]另一示例与测量误差有关。船只的最大速度是已知的，并且如果测量值例如超过它，则其可能是物理上不可能的值并可以从训练数据中删除。通过使用该模型，可以忽略这些测量，或者可以基于来自其他测量、先前值、描述测量的关系的信息和动态而将其估计为是某个其他值。
[0028]将被用于动力设备的实际配置的模拟船只性能的模型是非常复杂的，因为其取决于很多的因素。某些因素可能受到影响，因为它们涉及用于操作船只的设备，并且在本文中称为动态因素。
[0029]在创建模型中要考虑的静态因素可例如与船只的构造和设计有关，并且在操作期间不再是可改变的。
[0030]例如，能量消耗、燃料消耗和能量产生以及由于船只的诸如调平、吃水深度或横倾之类的船浮动位置而引起的附加能量消耗由静态因素和可变动态因素两者确定。某些变量对于给定旅行而言可以是固定的，诸如路线及燃料的类型和成本，在这种情况下其对于该特定旅行而言是静态的。有时，这些变量可从用于给定旅行的初始计划改变。
[0031]相对于动态因素，它们并不是简单地由船只的设计确定，而是还受到船只操作期间的外部条件的影响，诸如天气和海流、海洋深度、速度、排放目标以及操作因素，例如横倾和例如港口操作模式之类的操作模式及开放性操作模式驱动或机动操作模式的使用，其具有不同种类的需求。其他因素包括例如路线、船只的速度、燃料成本和/或排放值。
[0032]在现有技术技术方案中，基于估计消耗并借助于用于例如高效燃料消耗的模拟模型来管理和优化不同设备的能量负载平衡，用于例如高效燃料消耗的模拟模型可以预测能量的需要并用来分配单独能量消耗设备的负载。
[0033]本发明提供了一种自动学习模拟模型，其通过利用传感器信息在船只的操作期间在没有人类交互的情况下自动地改进其本身。
[0034]在一个实施例中，该模型相对于单独设备的能量消耗与外部条件之间的关系而连续地更新其本身并学习给定情况和不同设备的能量负载如何影响总燃料和能量消耗。
[0035]在另一实施例中，该模型相对于船只浮动位置与外部和操作条件之间的关系而连续地更新其本身并学习给定情况如何影响船只位置以及由于浮动位置的变化而引起的增加的阻力和能量消耗。该模型继续改进其本身直至其满足预定义完成和质量标准为止。停止标准可以包括例如针对信号的预期变化范围相比较的输入信号的变化范围、与先前看到的数据相比较的新输入数据的附加信息内容、模型的预测性能、模型参数的统计显著性、数据量的统计显著性等。
[0036]该模型被用于在模型已变得足够好时改进船只的操作，即当其能够比现有模型更准确地预测总能量和燃料消耗或可变动态因素之间的相互关系时。其在其满足针对例如预测燃料和能量消耗(亦即通过使用测量作为输入数据借助于模型而计算的)与船只的控制单元在整个旅行期间知道的实际燃料和能量消耗之间的允许差而设定的某些质量标准时被取用。
[0037]该模型然后可以用来呈现用于应如何相对于能量负载的分配或不同能量消耗设备的使用持续时间而改变动力设备配置的建议和设定点。替代地，可以给出用于改变船只浮动位置、诸如船只的调平的建议。
[0038]因此，本发明提供了一种用于创建模型的方法，该模型基于各种动态输入数据来预测例如能量消耗和燃料消耗，并通过利用供模型用于进行决定的阈值标准来连续地改进其本身直至在给定公差内满足预置阈值质量标准为止。这样，周期性地重新检查模型性能。
[0039]与依赖于设计或理论数据或迷你级数据的现有技术方法相反，本发明的模型的自由参数是使用实际操作数据而估计的，或者模型可完全基于该实际操作数据。由于模型是自学习的，所以不需要人类交互以估计模型以用于例如动力设备配置和调平的优化。
[0040]模型的自动改进是通过针对上述完成标准进行检查而进行的。并且，长时间段内的质量检查是在没有人类交互的情况下进行的。
[0041]本发明由于实际操作数据和更简单的燃料节省技术方案的使用而提供了更准确的燃料节省优化技术方案，由于模型的自我学习性质，其并不是如此工作密集的。时域中的模型的变化等于系统的退化、改进或保持。
[0042]接下来，借助于某些说明性方案和实施例来描述本发明，本发明不限于此。

【专利附图】

【附图说明】
[0043]图1以框图形式呈现了本发明的第一示例实施例。
[0044]图2呈现了本发明的第一示例实施例的流程图。
[0045]图3以框图形式呈现了本发明的第二示例实施例。
[0046]图4呈现了本发明的第二示例实施例的流程图。

【具体实施方式】
[0047]图1以框图形式呈现了本发明的第一实施例。在本实施例中，将本发明用于预测船只上的能量消耗设备的能量平衡和燃料消耗，由此，模型根据动力设备配置来模拟动力设备的性能。
[0048]图1图示出船只的控制系统、船上条件以及能量产生和消耗及燃料消耗之间的交互性。控制系统包括用于模拟船只的性能的模型和能量优化功能，其在本发明中用来改进模型并确定最燃料高效的动力设备配置以产生当前所需能量。
[0049]船只中的能量消耗设备是与推进能量有关的那些，其职责是将船只从出发港移动并引导至目的港。其他能量消耗设备部分地独立于船只的移动，诸如用于照明、泵送、加热、冷却、蒸汽产生以及用于船只操作的其他内部过程的辅助设备。
[0050]与船只的能量消耗有关的若干因素和参数在船只的实际操作中以及船上的不同引擎和辅助设备上的能量负载的分配中被考虑在内。
[0051]能量和燃料消耗由静态因素和可变动态参数两者确定。静态参数可与船只的设计或例如给定路线有关。
[0052]相对于动态参数，能量和燃料消耗不仅由不同设备的相互作用确定，而且还受到船只操作期间的外部条件和操作参数的影响，外部条件诸如天气、风、海洋状况、海流、海洋深度、环境温度、环境湿度、大气压、海水温度，操作参数诸如推进力和辅助设备的使用、约束、速度、排放目标、操作小时以及操作模式，例如港中的驱动、公海驱动或机动驱动，其具有不同种类的需要。
[0053]在本发明中，创建用于模拟船只的性能的初始模拟模型。该模型定义在操作期间与船只有关的因素(诸如能量负载、燃料消耗和能量分配)与呈现所述因素所取决于的动态输入数据的参数之间的关系。用自学习机制来改进初始模型，以便定义将在船只的操作期间使用的模拟模型。初始模型可以基于早先的知识，并且然后直接地基于船上收集的数据来创建初始模型。
[0054]然后实现该初始模型以实时地模拟动力设备的性能并改进其本身直至其变得足够好为止。一旦该模型满足预定义质量标准，则其开始为用户提供如何改变动力设备配置以便节省燃料的指令。
[0055]图1的框图由表示机器、传感器、控制和管理单元以及数据处理单元的方框组成。来自方框的箭头描述方框的输出且到方框的箭头描述方框的输入。
[0056]动力设备I被安装在船上以充当将机械功率转换成电功率的具有发电机的功率发生资源，以及其他可能的发电引擎，例如燃气涡轮机、往复式柴油机和燃气引擎、锅炉或核反应堆。作为副产物，动力设备产生热能，其能够部分地从排气和冷却回路回收。
[0057]由功率管理系统2来平衡操作船只所需的分别地用附图标记7和8表示的功率/能量的需求和产生。
[0058]动力设备I针对船只的需要产生所需功率，并产生用于推进器的推进功率。因此，动力设备I向推进系统和在图1中表示为单元5的所有电功率消耗和辅助设备供应7能量。
[0059]来自动力设备I的信息将经由信号和数据收集功能单元6被传送至控制单元以获得从负载点到可用功率的所有基本数据以便找到系统上的正确能量平衡。例如，判定能量产生设备的数目和负载共享以便在动力设备配置中尽可能高效地产生所需功率。
[0060]控制单元包括用于基于从传感器、能量优化单元3和功率管理系统2接收到的信号来模拟船只的能量和燃料消耗的模型4。
[0061]控制单元的功率管理系统2借助于动力设备配置来控制船只的总功率产生和输送，根据该配置，还确定不同设备上的能量负载的分配。
[0062]控制单元的功率管理系统2还可以覆盖附加功能，诸如消耗设备在引擎和设备的启动和停止的做出决定总的功率泄处(shedding)(由于超过能量的可用量而将一部分分配断开连接)。
[0063]存在被连接到功率管理系统2的用户接口，借助于该用户接口，示出最佳动力设备配置，如果在总能量平衡管理方面可能的话。如果期望的话，该优化可以将安全限制和逻辑因素考虑在内。功率管理系统2必须注意存在足够的可用能量。优化系统3建议用户在当前情况中应如何操作动力设备，并且用户然后在现有功率管理系统中进行改变。替代地，优化系统3可以直接地向功率管理系统2给出最佳配置，其然后自动地采取所需的动作。
[0064]该控制单元还可以控制实际负载泄出分布(profile)和系统的负载泄出。控制单元还将基于从动力设备配置接收到的过程参考而高效地控制被连接到系统的辅助消耗设备。
[0065]能量优化3的功能由模拟模型4执行。该模拟模型是基于燃料和能量消耗及动力设备中的设备的使用而创建的，并且因此描述以不同的配置和设置产生所需功率/能量所需要的燃料量。
[0066]本发明目的在于借助于最佳动力设备配置来操作船只，其力图借助于从传感器和系统接收到的信号和也被连续地改进的模拟模型而被连续地改进。
[0067]由优化给出的最佳动力设备配置基于例如关于路线、天气、海洋和/或调度预报的预报9以及实际环境条件10，例如天气、风、海洋状况、海流、海洋深度、环境温度、环境湿度、大气压和/或海水温度。另外，考虑操作的约束，诸如不同操作模式下的所需自旋功率储量以及机器的维护、故障或其他意外停机。
[0068]路线信息包括港口数据并给出关于从出发点至目的地的港口和这些点之间的任何中间点的可用信息。该控制单元在考虑输入数据的情况下创建路线规划，并计算海船在从出发点到终点的航行期间将面对的外力，并且借助于船只性能模型和船只的当前操作来计算用于能量和燃料消耗的估计。
[0069]在模型中，还作为表示动态输入数据的参数而将操作条件11考虑在内。这些在用于推进和辅助系统以及排放目标的第一手动操作设置和基本负载中。其他可能操作条件包括例如速度数据、由定义海船或船只根据其进行操作的特定细节的数据和指令组成的操作模式，比如例如公海模式或港口模式，如果这些能够预先预测的话。此外，操作小时定义不同操作模式的持续时间及其序列，并且也可以在模型中使用。燃料成本给出要使用的燃料类型和过程。
[0070]燃料/燃料质量测量单元13具有可用燃料及其特性的信息以便找到最高效的操作方式。由该单元提供的信息使得引擎能够以高效的方式进行操作并将排放目标考虑在内。由燃料/燃料质量单元13来监视和显示燃料消耗12以及将其记录为信号以用于优化
关于预报9、环境条件10、操作条件11的信息和燃料信息以及各种设备5的能量消耗和总能量消耗7是用传感器或仪表经由信号和数据收集功能单元6而收集到控制单元的。并且收集动力设备I的操作和配置的信号。
[0071]描述船只的当前行为的信号被用作将在尝试找到用于动力设备I的更好配置的连续能量优化3中使用的用于模拟模型4的部分输入。
[0072]通过利用在船只的操作期间连续地收集的新鲜信息来连续地改进模拟模型4。因此收集新鲜的预报信息9、关于环境条件的信息10、操作条件11、燃料13以及能量产生8，其由单元6指示并被馈送为输入用于模型学习以及用于通过使用能量优化模拟模型4来执行优化3。
[0073]模型4可能还具有来自引擎的输入(在图中未示出)。来自引擎的输入还由排放信息组成，由此，引擎的排放被输入到模型，以便将排放与由规则或管理机构设定的排放目标相比较，并将排放的量限制在目标值以下。该优化还可以将排放目标和约束考虑在内。
[0074]用于被用于连续能量优化的模拟模型4的输入由用于船只操作的当前操作参数的信息和船上条件两者以及环境条件测量和预报组成。船上条件的信息由在船只操作期间船上的信号形成传感器且由单元6指示的信号给出。该信号直接地或通过数据库被处理器接收并被为了利用影响能量和燃料消耗的动态参数的新鲜信息而创建的在系统中使用的模拟模型处理。
[0075]所获得的信号表示在船只操作期间来自传感器的测量结果并用于产生将在模拟模型中使用的新动态输入数据的集合。然后通过在模拟模型中使用所述产生的输入数据来计算用于船只性能的新模拟结果。然后将模拟结果与如上所述作为部分输入而被接收的实际船只操作相比较。
[0076]如果模拟结果与实际操作之间的差异超过定义的阈值标准，则通过重新定义负载的分配、燃料和能量消耗以及例如外部因素和与操作及排放有关的因素之类的其他动态输入数据之间的关系来改进模型。
[0077]所述新输入数据被能量优化模拟模型4考虑在内以便进行用于能量和燃料消耗的改进的预测。如由传感器给出的所述新输入数据包括在创建初始模型时使用的相同种类的输入数据，即预报9、环境条件10、操作条件12、燃料13和能量产生8及来自引擎的效率曲线和排放。当然，某些输入数据可能未改变。能量优化模型可根据能量管理程序的修改而具有其他输入，并且在某些实施例中，在模型中可能并不使用提到的所有这些输入。所有变化都属于本发明的范围。
[0078]例如，可以将路线信息、调度和预报用于评估未来需要，因此以避免关掉单独设备，但是当仅针对瞬时功率需要而完成优化时并不考虑这些因素。
[0079]可以通过改进当前动力设备配置而在能量管理中利用在本发明中使用的模型。
[0080]影响系统级效率的推进效率及推进特征和现象被集成和建模在程序中。基于由模拟模型计算的预测，向控制单元建议能量平衡管理和可能的负载泄出以改进动力设备配置。
[0081]图2呈现了本发明的第一实施例的流程图。产生模拟用于船只的能量和燃料消耗的模型。在本实施例中，模型优化高效的能量和燃料消耗以及能量产生。
[0082]在第一步骤I中，借助于操作期间的与船只有关的因素与呈现所述因素所取决于的初级动态输入的参数之间的关系来创建用于模拟能量和燃料消耗的初始模型。所述参数由船只操作期间的外部条件、操作条件、能量产生、能量消耗、燃料消耗和动力设备配置的信息组成。
[0083]在步骤2中，在船只的操作期间从传感器获得测量结果以便产生将在模型中使用的新动态输入数据的集合。传感器在操作期间连续地测量关于在步骤I中使用的所述参数信息的新鲜数据。关于这点的新鲜意指与早先被用作模型中的动态输入的先前参数值相比在时间上较晚测量的结果。
[0084]在步骤3中通过在所述模型中使用在步骤2中产生的输入数据来计算用于动力设备性能的模拟结果。这意味着通过使用所述模型中的输入数据的新集合来实现模拟结果。
[0085]然后将该模拟结果与在步骤4中作为部分输入而接收到的当前船只操作相比较。
[0086]如果模拟结果与实际操作之间的差异在步骤5中所考虑的用于质量的定义的阈值标准内，则不再需要改进模型，并且可以在步骤6中将最佳动力设备配置的计算以及用于改进动力设备配置的指令发送到控制单元。
[0087]然后重复步骤3— 5直至满足定义的质量标准为止。
[0088]相对于例如总燃料消耗与能量产生设备之间的能量分配来针对适当操作设置某些质量标准和约束。并且，例如排放目标对质量标准和约束起到作用。
[0089]如果模拟结果与实际操作之间的差异在步骤5中所考虑的用于质量的定义的阈值标准内，则不再需要改进模型，并且可以在步骤6中将用于改进动力设备配置的指令发送到控制单元。
[0090]图3以框图形式呈现了本发明的第二实施例。在本实施例中，将本发明用于船只浮动位置，诸如调平优化，由此该模型模拟船只的性能。
[0091]图3图示出船只的控制系统、船上条件以及船只浮动位置之间的交互性。控制系统包括用于模拟最佳船只浮动位置的模型。这意味着调平、横倾或吃水深度，即使在下文中为了简单起见有时仅提到调平。
[0092]并且在被用于船只浮动位置优化的本发明的第二实施例中，船上信号被寄存。此类信号可能包括天气、波浪和海流数据以及路线和调度的信息。这些信号描述外部条件、例如吃水深度的操作参数、速度、稳定器的使用、例如船体、推进器和机器的设备条件及改变船只的纵向倾度、即调平所需的压舱水的泵送有关的因素。并且，将推进系统的动态信号考虑在内，诸如轴功率、推进器螺距等。
[0093]可以使用路线信息和天气预报来改变调平或者不改变，即使当前条件应要求其。这是针对不同因素的评估的问题。要改变调平花费相当长的时间，几个小时。因此，在某些情况下保持当前调平可能更好(更佳)，例如，当目的地已关闭时。
[0094]路线信息和天气、海流和海洋状况预报可以作为附加信号帮助理解即将出现的条件。这防止在当前调平对于即将出现的条件而言接近于最佳时的情况下防止调平改变，即使当前条件应要求改变调平。这是针对不同因素的评估的问题。对于大型船只而言，要在调平方面进行大的调整可能花费相当长的时间，因为其可以要求泵送若干吨的压舱水。因此，在某些情况下，例如当目的地已关闭时，或者如果当前调平在不久的将来的操作条件下变成最佳，则保持当前调平可能更好(更佳)。
[0095]用所收集数据来训练该模型。监视所收集数据和信息内容的可用性和质量，并在训练模型之前去除可能的错误测量。可以存在基于被训练的早先知识的初始模型，或者然后该初始模型还基于在操作期间所收集的数据。
[0096]用包括如在图中指示的质量评价模块的学习机制来训练该模型。当模型准备好使用时，收集当前情况的信息(实时数据)，并且通过将模型用于优化并可能由于优化结果而改变船只浮动位置来确定最佳调平(或最佳吃水深度或横倾)。可以在优化中将改变调平(不是必需的)所需的能量考虑在内。通过在船只内从船头侧向船尾侧或相反地泵送压舱水或者接受更多压舱水或向海中泵送压舱水来改变调平。
[0097]并且，如果期望的话，可以在优化中将安全和稳定性极限7’考虑在内。
[0098]在用户接口 2’上为用户示出了优化结果。用户然后可以基于稳定性和安全检查而通过使用压舱控制系统2’来改变浮动位置。还可能使压舱系统自动地改变浮动位置。
[0099]压舱控制系统2’被连接到船只系统I’，其在这里为公共块，仅仅用以示出用于能量产生、辅助系统、推进系统、操作和机动设备、移动阻力等的动作，包括用以使船只在动态条件下移动的能量和用以在动态条件下操作船只内部过程的能量。
[0100]改变船只浮动位置改变船只湿表面和船头波形成，并且因此实现用以使船以期望速度移动的从推进系统需要的功率。推进、辅助和电气系统影响能量和燃料消耗，并且可能在船只浮动位置的优化中具有影响，并且因此在数据库中收集信息。
[0101]用于模型改进的信息将经由信号和数据收集功能单元6’而被传送至控制单元以获得从加载点到可用功率的所有基本数据以便找到船只的最佳浮动位置。
[0102]船只的控制单元包括用于模拟船只浮动位置的模型4’以及控制船只浮动位置的压舱控制系统2’。根据来自压舱控制系统2’进行的优化的指令来执行用于操作船只浮动位置的实践过程和程序。
[0103]存在被连接到压舱控制系统的用户接口，如果在总体管理方面可能，则借助于该接口示出最佳船只浮动位置。该优化可以将安全极限考虑在内。
[0104]由模拟模型4’来执行船只浮动位置优化3’的功能。基于影响船只浮动位置、能量消耗和设备使用的条件来创建模拟模型。
[0105]由用于压舱控制系统的优化给出的当前船只浮动位置基于预报9’实际环境条件10’(例如天气、海流、风、海洋状况、海洋深度)和操作条件11’(例如速度、稳定器、方向舵动作、推进器螺距、RPM、轴功率、燃料消耗以及吃水深度)以及设备条件5’(船体、推进器推进系统、引擎条件)两者。
[0106]在模型4’中，还作为动态输入参数将操作条件11’考虑在内。这些在用于推进和辅助系统、排放目标以及约束的第一手动操作设置和基本负载中。其他可能操作条件包括例如速度数据、由定义海船或船只根据其进行操作的特定细节的数据和指令组成的操作模式，例如公海模式或港口模式，如果这些能够预先预测的话。此外，操作小时定义不同操作模式的持续时间及其序列，并且也可以在模型中使用。燃料成本给出要使用的燃料类型和过程。
[0107]燃料/燃料质量单元13’具有可用燃料及其特性的信息且告知控制单元以便找到最高效的操作方式。
[0108]用传感器或仪表经由信号和数据收集功能单元6’向控制单元收集关于预报9’、环境条件10’、操作条件11’和燃料信息的信息。
[0109]使用船只的当前操作作为用于模拟模型4’的部分输入以在被交互地连接到模型4’的连续调平优化中使用。作为调平的替代，可能优化吃水深度或横倾。
[0110]通过利用在船只的操作期间连续地收集的新鲜信息来连续地改进模拟模型4’。因此，收集新鲜的预报信息9’、关于环境条件的信息10’、设备条件5’、操作条件11’、燃料5’以及推进能量产生8’，其由单元6’指示并被作为输入馈送以便由调平优化模拟模型4’执行优化功能3’。
[0111]该信号直接地或经由数据库被处理器接收并被在利用影响例如能量消耗的动态参数的新鲜信息而创建的系统中所使用的模拟模型来处理。
[0112]所获得的信号表示在船只操作期间来自传感器的测量结果并用于产生将在模拟模型中使用的新动态输入数据的集合。然后通过在模拟模型中使用所述产生的输入数据来计算用于船只性能的模拟结果。然后将优化的模拟结果与如上所述作为部分输入而被接收的实际船只操作相比较。
[0113]如果模拟结果与实际操作之间的差异超过定义的阈值标准，则通过重新定义能量消耗与船只阻力之间的关系以及例如外部因素和与操作及排放有关的因素之类的动态输入数据来改进模型。
[0114]所述新输入数据被调平优化模拟模型4’考虑在内以便进行改进的预测。当然，某些输入数据可能未改变。该模型根据所使用的实施例可具有其他输入，并且在某些实施例中，在模型中可能不使用所有这些输入。所有变化都属于本发明的范围。
[0115]例如，可以将路线信息、调度和预报用于评估未来需要，从而避免可能在不远的将来导致次最佳技术方案的控制动作，但是当仅针对瞬时功率需要而完成优化时并不考虑这些因素。
[0116]图4呈现了本发明的第二实施例的流程图。产生预测与用于船只的能量消耗、燃料消耗和能量产生有关的操作参数的模型。在本实施例中，该模型优化用于船只的最佳调平。
[0117]在第一步骤I中，借助于与船只的调平有关的因素与呈现取决于所述因素的初级动态输入数据的参数之间的关系来创建用于模拟船只性能的初始模型。所述参数由船只的操作期间的外部条件和操作条件的信息组成。该初始模型可以基于早先的知识，或者其可以基于在船只的操作期间所收集的数据来创建。
[0118]在步骤2中，在船只的操作期间从传感器获得测量以便产生将在模型中使用的新动态输入数据的集合。传感器在操作期间连续地测量关于在步骤I中使用的所述参数信息的新鲜数据。关于这点的新鲜意味着与早先被用作模型中的动态输入的先前参数值相比在时间上较晚测量的结果。
[0119]在步骤3中通过在所述模型中使用在步骤2中产生的输入数据来计算用于船只性能的新的模拟结果。这意味着在所述模型中通过使用输入数据的新集合以便获得能够用所述新输入数据来计算的多个可能结果并通过选择最接近于用于船只操作的设定质量标准的结果来实现模拟结果。
[0120]然后将该优化的模拟结果与在步骤4中作为部分输入而接收到的当前船只操作相比较。
[0121]如果模拟结果与实际操作之间的差异超过在步骤5中考虑的针对质量的定义的阈值标准，则在步骤7中通过重新定义在操作期间与船只有关的因素与呈现所述因素所取决于的初级动态输入数据的参数之间的关系来改进模型。
[0122]然后重复步骤3— 5直至满足定义的质量标准为止。
[0123]相对于例如总燃料消耗与能量产生设备之间的能量分配来针对适当操作设定某些质量标准和约束。并且，例如排放目标对质量标准和约束起作用。
[0124]如果模拟结果与实际操作之间的差异在步骤5中所考虑的用于质量的定义的阈值标准内，则不再需要改进模型，并且计算最佳浮动位置以及可以在步骤6中将用于改进调平的指令发送到控制单元。
[0125]本领域的技术人员理解的是可以将本发明用于对船只中的其他系统进行建模。在图1一4中，存在被建模且部分地基于操作期间的测量的具体系统。在第二实施例中，通过对使船只移动所需的能量有影响的压舱系统来影响船只的浮动位置。在第一实施例中，影响动力设备的配置，其具有燃料消耗(或排放或其他目标)的影响。
【权利要求】
1.一种用以产生预测船只的性能的模型的计算机实现的方法，包括步骤 a)借助于操作期间的与船只有关的因素与呈现所述因素所取决于的初级动态输入数据的参数之间的关系来创建用于模拟船只性能的初始模型， b)在船只的操作期间从传感器获得测量结果以便产生将在模型中使用的新动态输入数据的集合， c)通过在所述模型中使用所述产生的输入数据而不是初级动态输入数据来模拟船只的性能， d)将模拟结果与实际船只操作相比较， e)如果模拟结果与实际操作之间的差异超过定义的阈值标准，则改进模型， f)重复步骤b)— e)直至满足定义的质量标准为止。
2.权利要求1的方法，其特征在于所述模型被用于根据船只动力设备配置来预测船只上的能量消耗设备的能量平衡和船只的燃料消耗，由此，其模拟船只动力设备的性能，所述性能描述船只的能量消耗、燃料消耗和能量产生及设备之间的负载的分配及它们与外部和操作因素的关系。
3.权利要求1的方法，其特征在于所述模型被用于根据船只浮动位置、诸如船只的调平、吃水深度或横倾来预测能量和燃料消耗，由此，其描述浮动位置、能量和燃料消耗之间的关系及它们的与外部和操作因素的关系。
4.权利要求1和2的方法，其特征在于另一步骤g)其中，当满足定义的质量标准时通过利用在权利要求1的步骤b)中获得的新动态输入数据来优化所述动力设备配置。
5.权利要求1和3的方法，其特征在于另一步骤g)，其中，通过利用在权利要求1的步骤b)中获得的新动态输入数据来优化船只浮动位置。
6.权利要求1、2、3、4或5中的任一项的方法，其特征在于通过重新定义模型中的关系以便获得比先前的结果更接近于所述阈值标准的模拟结果来改进步骤e)中的所述模型。
7.权利要求1、2、3、4、5或6的方法，其特征在于表示动态输入数据的所述参数由船只操作期间的外部条件的信息组成，诸如天气、风、海洋状况、海流、海洋深度、波浪、环境温度、环境湿度、大气压和/或海水温度。
8.权利要求1、2、3、4、5、6或7的方法，其特征在于表示动态输入数据的所述参数由船只操作期间的操作条件的信息组成，诸如船只设备的操作设置，诸如推进、辅助或机动设备、用于推进和辅助系统的基本负载、排放、约束、速度数据、操作模式和/或燃料信息。
9.权利要求1、3、5、6、7或8的方法，其特征在于表示操作期间的动态输入数据的所述参数由船只操作期间的船只设备(例如，推进、辅助和机动设备)的操作条件和状态的信息组成，诸如路线和调度、吃水深度、速度、稳定器的使用、方向舵动作、RPM、吃水深度、推进器螺距以及例如船体、推进器和机器的其他设备条件和与改变诸如调平之类的船只位置所需的压舱水的泵送有关的因素。
10.权利要求1、2、3、4、5、6、7、8或9的方法，其特征进一步在于如果所获得的测量被评估为是错误的，则通过忽略测量或基于来自其他测量的信息和动态、先前值和/或描述测量的关系来连续地监视和估计测量数据质量和可靠性以及模型质量和建模结果。
11.一种用于预测船只的性能的船只中的系统，该系统包括a)处理器单元，其具有计算机模型，所述模型 一模拟船只的性能， 一定义关于船只性能的因素与呈现所述因素所取决于的动态输入参数的参数之间的关系， 一具有用于学习所述因素与动态输入参数之间的相关性的装置，并且具有 一用于在船只的操作期间连续地获得测量并用于将该测量结果用于产生将在模型中使用的新动态输入参数的集合而不是早先在初始模型中使用的输入参数的装置， 一用于通过在所述模型中使用所述产生的输入数据来计算用于船只性能的模拟结果的装置， 一用于将优化的模拟结果与实际船只操作相比较的装置， 一用于更新初始模型以作为另一操作中的模型使用并进一步更新模型直至该模型满足预置质量标准为止的装置， b)传感器，将船只操作期间的测量结果用信号发送到处理器。
12.权利要求11的系统，其特征在于所述模型模拟动力设备的性能，所述性能描述船只的能量消耗、燃料消耗和能量产生及设备之间的负载的分配及它们与外部和操作因素的关系O
13.权利要求11的系统，其特征在于所述模型被用于根据船只浮动位置、诸如船只的调平、吃水深度或横倾来预测船只的燃料或能量消耗，由此，其描述浮动位置、能量和燃料消耗之间的关系及它们与外部和操作因素的关系。
14.权利要求11、12或13的系统，其特征在于模型具用于如果所获得的测量被评估为是错误的，则通过忽略测量或基于来自其他测量的信息和动态、先前值和/或描述测量的关系来连续地监视和评估测量数据质量和可靠性以及模型质量和建模结果的装置。
15.一种在船只中的处理器单元中运行的计算机程序产品，由模拟船只的性能的模型组成，该模型定义与船只性能有关的因素与呈现所述因素所取决于的动态输入参数的参数之间的关系，并执行步骤 一自动地学习所述因素与动态输入参数之间的相关性， 一在模拟中使用新动态输入参数的集合而不是早先所使用的输入参数，该新动态输入参数从在船只操作期间来自传感器的测量结果产生，以及 一更新其本身直至其满足预置质量标准预置质量标准为止。
【文档编号】G05D1/00GK104507793SQ201380040555
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2013年5月31日 优先权日:2012年6月1日
【发明者】特沃 K. 申请人:Abb 技术有限公司