一种船用智能能效管理系统

1.本发明涉及一种管理系统，属于交通运输工程航运领域，尤其涉及一种船用智能能效管理系统。


背景技术：

2.随着环境保护要求的提高，imo、欧盟、中国海事局等都提出了对于航运排放的申报检验要求，为满足mrv排放的监测、报告和验证要求，提高营运能源利用率，降低排放是航运企业提高航运效益、保障社会责任的必然选择；国际海事组织(imo)也在第62次会议提出两项船舶能效评判标准：船舶能效管理计划(seemp)和能效设计指数(eedi)；该标准从船舶设计、建造、营运等各个环节采用相关节能降耗的措施来提高船舶综合能效水平。
3.随着船舶管理向数字化、信息化、智能化方向发展，智能船舶等概念的提出，船舶能效管理的数字化及智能化应用逐渐成为未来船舶节能减排发展的重要需求；采用智能化的船舶智能能效管理系统是希望集监测、分析、报告和管理于一体，对船舶进行实时监控、航行评估、数据分析与报告管理；由于船上机电设备种类繁多，系统结构复杂，随着全电力船舶的发展，对船舶能效的产生、管理、分配也愈发困难，对于船东而言，能效管理的工作贯穿经营、机务、海务、技术保障和环保等多个业务口径，但船东通常较难整理出完整的功能需求，因此传统的能效管理系统在船舶营运过程中，存在能效水平较低、能耗较高，而且能源利用率较低的问题。
4.公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本技术的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。


技术实现要素：

5.本发明的目的是克服现有技术中存在的能效水平较低、能耗较高，而且能源利用率较低的问题的缺陷与问题，提供一种能效水平较高、能耗较低，而且能源利用率较高的一种船用智能能效管理系统。
6.为实现以上目的，本发明的技术解决方案是：一种船用智能能效管理系统，所述能效管理系统包括硬件设备层、软件管理层与数据库；
7.所述设备层包括数据感知设备、数据采集设备、数据处理设备以及通信设备；
8.所述数据感知设备用于获取船舶实时航行状态数据；
9.所述数据感知设备与所述数据采集设备通信连接，所述数据采集设备用于获取数据感知设备采集到的数据并将数据发送给数据处理设备；
10.所述数据处理设备用于分析存储数据采集设备采集的感知数据，并对船舶运行状态进行决策优化；
11.所述通信设备与所述数据采集设备通信连接，用于船舶与港口的数据通信；
12.所述软件管理层包括系统管理模块、数据监控模块、数据处理能效指标计算模块、能效辅助决策模块、航速优化模块、报表模块，用于对船舶航行状态数据及能耗、能效指标
进行统计分析。
13.所述数据感知设备包括至少一个用于获取船舶实时状态数据的传感器；
14.所述数据采集设备包括至少一个获取传感器数据的模拟信号采集模块；
15.所述数据处理设备包括至少一个用于存储数据的存储介质与至少一个用于处理数据的处理单元；
16.所述通信设备包括至少一个用于船舶与港口通信的卫星通信设备与至少一个gprs设备。
17.所述传感器包括能耗设备传感器与外部环境传感器；
18.所述能耗设备传感器获取的数据包括能耗设备的功率、扭矩、转速、瞬时油耗、船舶吃水、航速与航向；
19.所述外部环境传感器获取的数据包括风向、风速、浪高、水流速度与水流方向。
20.所述数据处理设备为工业控制计算机。
21.所述模拟信号采集模块与工业控制计算机的通信接口为rs-485。
22.所述rs-485通信协议为modbus协议，所述通信设备通信协议为nema-0183协议。
23.所述系统管理模块功能包括船舶基本信息查询、柴油机信息查询、通信端口配置、信号通道配置与仪表显示范围配置；
24.所述数据监控模块功能包括传感器实时数据显示与船位查询；
25.所述数据处理能效指标计算模块功能包括数据处理、基础数据计算与能效指标计算；
26.所述能效辅助决策模块功能包括能耗功率数据实时查询、能耗功率历史数据查询、能耗指标对比分析与能效运营指数和二氧化碳排放指标对比分析；
27.所述航速优化模块功能包括单位时间油耗查询、到港时间预测与航速优化；
28.所述报表模块功能包括月度、季度、年度报表生成与航次报表生成。
29.所述数据库中的数据包括采集数据、基本信息数据、计算数据与决策数据。
30.所述数据库的设计方法包括：新奥尔良法与计算机软件辅助软件设计，然后将其部署至sqlserver平台。
31.所述软件管理层对数据进行统计分析包括能效指标与能耗指标；其中，能效指标包括：能效运营指数、单位距离二氧化碳排放量与单位运输量二氧化碳排放量；能耗指标包括：单位小时燃料消耗量、燃料日消耗量、单位距离燃料消耗量与单位运输功燃料消耗量。
32.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
33.1、本发明一种船用智能能效管理系统中，能效管理系统包括硬件设备层、软件管理层与数据库；设备层包括数据感知设备、数据采集设备、数据处理设备以及通信设备；其中数据感知设备用于获取船舶实时航行状态数据；数据感知设备与所述数据采集设备通信连接，数据采集设备用于获取数据感知设备采集到的数据并将数据发送给数据处理设备；数据处理设备用于分析存储数据采集设备采集的感知数据，并对船舶运行状态进行决策优化；通信设备与所述数据采集设备通信连接，用于船舶与港口的数据通信；软件管理层包括系统管理模块、数据监控模块、数据处理能效指标计算模块、能效辅助决策模块、航速优化模块、报表模块，用于对船舶航行状态数据及能耗、能效指标进行统计分析；本设计在应用中，通过硬件设备层采集船舶航行时的实时数据并利用软件管理层与数据库对数据进行整
理分析，实时监控船舶各项能耗和能效指标，从而提高能效管理水平，降低能耗。因此，本发明不仅能效管理水平较高，而且可以降低能耗。
34.2、本发明一种船用智能能效管理系统中，软件管理层对数据进行统计分析包括能效指标与能耗指标；其中，能效指标包括：能效运营指数、单位距离二氧化碳排放量与单位运输量二氧化碳排放量；能耗指标包括：单位小时燃料消耗量、燃料日消耗量、单位距离燃料消耗量与单位运输功燃料消耗量。本设计在应用中，针对主要设备的耗油情况、二氧化碳排放情况与能效运营指数，通过多角度的能效分析，可以对船舶能效进行综合评估，辅助船员决策，提高船舶整体的能效管理水平，从而降低能耗，提高能源利用率。因此，本发明不仅可以降低能耗，而且可以提高能源利用率。
35.3、本发明一种船用智能能效管理系统中，数据库的设计方法采用新奥尔良法与计算机软件辅助软件设计，然后将其部署至sqlserver平台；本设计在应用中，新奥尔良法与计算机软件辅助软件设计，采用规范的设计方法，可以为数据库提供合适的存储结构，合理利用存储空间，优化数据交换效率，提升能效管理水平。因此，本发明能效管理水平较高。
附图说明
36.图1是本发明的结构示意图。
37.图2是本发明中的软件管理层的结构示意图。
38.图3是本发明中的实施例2中的能效管理系统初步e-r图。
39.图4是本发明中的实施例2中的能效管理系统e-r图。
40.图5是本发明中的实施例3中的硬件设备安装位置示意图。
41.图6是本发明中的实施例4中计算某时间段单位小时燃料消耗量和某航段单位小时燃料消耗量流程图。
42.图7是本发明中的实施例4中选定时间段日燃油消耗量统计流程图。
43.图8是本发明中的实施例4中某时间段单位距离油耗计算流程图。
44.图9是本发明中的实施例4中能耗设备j的单位运输功油耗。
45.图10是本发明中的实施例4中某航次能效运营指数的计算程序流程图。
46.图中：硬件设备层1、软件管理层2、数据库3、数据感知设备101、数据采集设备102、数据处理设备103、通信设备104、系统管理模块201、数据监控模块202、数据处理能效指标计算模块203、能效辅助决策模块204、航速优化模块205、报表模块206、工业控制计算机4、视频信号放大器5、4g路由器6、机舱复视器7、数据信号采集板8、若干传感器9、流量计传感器91、压力式液位传感器92、扭矩功率遥测系统93、gps传感器10、4g天线11、gps传感器天线12、轴功率仪13。
具体实施方式
47.以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
48.参见图1—图2，一种船用智能能效管理系统，所述能效管理系统包括硬件设备层1、软件管理层2与数据库3；
49.所述设备层1包括数据感知设备101、数据采集设备102、数据处理设备103以及通信设备104；
50.所述数据感知设备101用于获取船舶实时航行状态数据；
51.所述数据感知设备101与所述数据采集设备102通信连接，所述数据采集设备102用于获取数据感知设备101采集到的数据并将数据发送给数据处理设备103；
52.所述数据处理设备103用于分析存储数据采集设备102采集的感知数据，并对船舶运行状态进行决策优化；
53.所述通信设备104与所述数据采集设备102通信连接，用于船舶与港口的数据通信；
54.所述软件管理层2包括系统管理模块201、数据监控模块202、数据处理能效指标计算模块203、能效辅助决策模块204、航速优化模块205与报表模块206，用于对船舶航行状态数据及能耗、能效指标进行统计分析。
55.所述数据感知设备101包括至少一个用于获取船舶实时状态数据的传感器；
56.所述数据采集设备102包括至少一个获取传感器数据的模拟信号采集模块；
57.所述数据处理设备103包括至少一个用于存储数据的存储介质与至少一个用于处理数据的处理单元；
58.所述通信设备104包括至少一个用于船舶与港口通信的卫星通信设备与至少一个gprs设备。
59.所述传感器包括能耗设备传感器与外部环境传感器；
60.所述能耗设备传感器获取的数据包括能耗设备的功率、扭矩、转速、瞬时油耗、船舶吃水、航速与航向；
61.所述外部环境传感器获取的数据包括风向、风速、浪高、水流速度与水流方向。
62.所述数据处理设备103为工业控制计算机。
63.所述模拟信号采集模块与工业控制计算机的通信接口为rs-485。
64.所述rs-485通信协议为modbus协议，所述通信设备104通信协议为nema-0183协议。
65.所述系统管理模块201功能包括船舶基本信息查询、柴油机信息查询、通信端口配置、信号通道配置与仪表显示范围配置；
66.所述数据监控模块202功能包括传感器实时数据显示与船位查询；
67.所述数据处理能效指标计算模块203功能包括数据处理、基础数据计算与能效指标计算；
68.所述能效辅助决策模块204功能包括能耗功率数据实时查询、能耗功率历史数据查询、能耗指标对比分析与eeoi和二氧化碳排放指标对比分析；
69.所述航速优化模块205功能包括单位时间油耗查询、到港时间预测与航速优化；
70.所述报表模块206功能包括月度、季度、年度报表生成与航次报表生成。
71.所述数据库3中的数据包括采集数据、基本信息数据、计算数据与决策数据。
72.所述数据库3的设计方法包括：新奥尔良法与计算机软件辅助软件设计，然后将其部署至sqlserver平台。
73.所述软件管理层2对数据进行统计分析包括能效指标与能耗指标；其中，能效指标包括：能效运营指数、单位距离二氧化碳排放量与单位运输量二氧化碳排放量；能耗指标包括：单位小时燃料消耗量、燃料日消耗量、单位距离燃料消耗量与单位运输功燃料消耗量。
74.本发明的原理说明如下：
75.本设计中，数据采集板8安装在机舱集控室内，可以有效减少传感器16至数据采集板8的通信距离，提高通信稳定性；4g天线11、gps传感器天线12属于与外界通信的桥梁，需要在不受任何遮蔽干扰的开阔区域，因此安装在罗经甲板上。
76.实施例1：
77.参见图1—图10，一种船用智能能效管理系统，所述能效管理系统包括硬件设备层1、软件管理层2与数据库3；所述设备层1包括数据感知设备101、数据采集设备102、数据处理设备103以及通信设备104；所述数据感知设备101用于获取船舶实时航行状态数据；所述数据感知设备101与所述数据采集设备102通信连接，所述数据采集设备102用于获取数据感知设备101采集到的数据并将数据发送给数据处理设备103；所述数据处理设备103用于分析存储数据采集设备102采集的感知数据，并对船舶运行状态进行决策优化；所述通信设备104与与所述数据采集设备102通信连接，用于船舶与港口的数据通信；所述软件管理层2包括系统管理模块201、数据监控模块202、数据处理能效指标计算模块203、能效辅助决策模块204、航速优化模块205与报表模块206，用于对船舶航行状态数据及能耗、能效指标进行统计分析；所述软件管理层2对数据进行统计分析包括以下：单位小时燃料消耗量、燃料日消耗量、单位距离燃料消耗量、单位运输功燃料消耗量、单位距离二氧化碳排放量、单位运输量二氧化碳排放量以及能效运营指数。
78.实施例2：
79.基本内容同实施例1，不同之处在于：
80.参见图2—图4，所述软件管理层2包括系统管理模块201、数据监控模块202、数据处理能效指标计算模块203、能效辅助决策模块204、航速优化模块205与报表模块206；所述数据库3中的数据包括采集数据、基本信息数据、计算数据与决策数据，基于数据库3得到能效管理系统初步e-r图；将软件管理层2中的模块数据与数据库3相结合，得到能效管理系统e-r图。
81.实施例3：
82.基本内容同实施例2，不同之处在于：
83.参见图5，基于某散货船，其包括四角吃水仪与主要功耗设备的进油流量计；其船舶智能能效管理系统的硬件设备包括：工业控制计算机4、视频信号放大器5、4g路由器6、机舱复视器7、数据信号采集板8、若干传感器9、gps传感器10、4g天线11、gps传感器天线12、轴功率仪13；所述工业控制计算机4、视频信号放大器5与4g路由器6安装于理货室内，所述机舱复视器7与数据信号采集板8安装于机舱集控室的集控台中，所述gps传感器10的接线盒安装于驾驶台内，所述4g天线11与gps传感器天线12安装于罗经甲板上；所述若干传感器9根据测量设备的位置不同安装在船舶不同位置处；所述若干传感器9包括流量计传感器91(优选为椭圆齿轮流量计并配套流量数显计数器)、压力式液位传感器92(优选为量程范围为0m—10m，电流信号数据输出为4ma—20ma)与扭矩功率遥测系统93(优选为单通道、非接触式、感应供电式系统)；所述数据信号采集板8包括2块rs—485通信8通道4ma—20ma的亚当模块与一块量程范围为0hz—50hz，0v—5v高低电平的rs—485通信的频率脉冲信号采集模块。
84.应用中，gps传感器10、轴功率仪13、四角吃水仪与主要功耗设备的进油流量计，这
些传感器可以基本满足系统对船舶能效的监控管理；其中椭圆齿轮流量计能够实现高精度测量管道中的液体流量，是典型的容积式流量计，并且它具有能测量高温、高粘度液体以及量程范围大等特点；其中四角吃水仪主要监控部位为船艏、船舯左舷、船舯右舷与船艉，即测量船舶四角吃水。
85.实施例4：
86.基本内容同实施例3，不同之处在于：
87.参见图6；单位小时燃料消耗量是指平均一个小时内各类燃料的消耗量，计算能耗设备j的单位小时燃料消耗量计算公式如下：
[0088][0089]
其中：ctj为能耗设备j的单位时间燃油消耗量(j＝1,2,3)；
[0090]
t0为计算时间段的时间起点，t1计算时间段的时间重点，单位为小时；
[0091]
参见图7，燃料日消耗量是指船舶在航行过程一天所消耗的燃料统计结果；本能效管理系统为方便操作者对每天数据统计量的了解，在界面交互上，加入对天数和截止日期的选择来进行燃料日消耗量的统计工作；例如，船员在日燃料消耗计算界面上选择前10天，则系统将会根据选择时的日期向前推算10天，取10天前0点至计算时间点的所有瞬时油耗数据，然后又按照时间段00:00-23:59将数据分割成10天的数据，计算时间的当天一般不满足一天的数据量，故只计算已经记录的数据即可；而“前20天”、“前30天”的选项，其计算原理与前面相同，为提高计算的便利性，系统内还添加了时间节点选项，即操作人员可以根据自己需求在日期控件上选择前面任意一个具体日期作为“前10天”的时间截止点；例如，选择“2019年1月1日”作为时间节点和“前10天”的选项，系统将自动计算“2018年12月23号至2019年1月1日”的每日燃料消耗量；
[0092]
参见图8，单位距离燃料消耗量可以从船舶航行距离的层面上对船舶运营过程燃料消耗进行评估；能耗设备j的单位距离油耗计算公式如下：
[0093][0094]
其中：csj为能耗设备j的单位距离油耗(j＝1,2,3)；s为计算时间段或航段的船舶航行里程；
[0095]
参见图9，单位运输功燃料消耗量可以表示征船舶运输能耗效率，单位运输功燃料消耗量计算公式如下：
[0096][0097]
其中：cpj为第i航段能耗设备j的单位运输功油耗(j＝1,2,3)；n为航段数；q
i.j
为第i航段能耗设备j的油耗，包括航行和停泊油耗；si为第i航段航程；
[0098]
单位运输量二氧化碳排放量是指船舶在航行过程中，船舶每单位运输量情况下的二氧化碳排行情况，在一定程度上从货物的运输效率上进行对船舶能效情况的比较和评估；能耗设备j的单位运输量二氧化碳排放量计算公式如下：
[0099][0100]
其中：esj能耗设备j的单位距离二氧化碳排放量；cfj为能耗设备j对应的燃料油的二氧化碳转化系数(j＝1，2，3)；q
i.j
为第i航段能耗设备j的油耗，包括航行和停泊油耗；si为第i个航段航程；
[0101]
参见图10，能效运营指数(eeoi)是指船舶在营运过程中单位运输周转量的情况下所排放的二氧化碳量，即燃油消耗所产生的二氧化碳2与运输周转量(货物/人的运输量和航行距离的乘积)的比值，主要用来衡量计算时期内船舶能效的高低；作为系统能效水平的一个综合指标，eeoi的计算涉及船舶的自身数据和船舶营运数据，船舶自身数据主要是累计油耗数据，如各类燃料的消耗量和各类燃油的二氧化碳转化因子，而船舶营运数据则指船舶的载货量或者载客量，以及在该航次或航段的航程；本系统对eeoi的计算评估从两方面进行，一方面是以航次为单位的eeoi值计算，另一方面是以时间为参照单位的计算；以航次为单位进行eeoi计算，其计算公式如下：
[0102][0103]
其中：fcj为燃油j在一个航次中的消耗量；cfj为j类型的燃油量和二氧化碳量转换系数；m
cargo
为此航次中船舶运输的货物、teu、乘客数量或船舶的总吨；d为对应于所载货物所做的功的距离；
[0104]
从时间方面对eeoi进行数据计算，主要以月度eeoi值和年度eeoi值为计算指标；月度eeoi是指取某个月的能效数据，分别分析计算每天的eeoi水平，并将其显示到相应的图表上，以供使用者对该月每日的eeoi情况有所了解；同理，年度eeoi分析也是将该年所收集的能效数据按月进行计算分析，最终形成该年12个月每月的对比图表和年平均eeoi值；由于eeoi值计算公式涉及船舶营运数据中的载货量，根据载货量的性质，其在一个航段甚至一个航次不发生改变，或许有轻微变化；故在对eeoi按时间维度进行计算时，必须考虑其中是否存在一个完整的航次，如果存在多个航次，则需对航次eeoi值进行平均来得到月度eeoi值，同理可以对季度、年度eeoi值进行计算，其计算公式如下：
[0105][0106]
其中：i为航段数；j为燃料油类型；fc
i，j
为船舶在航段i中燃油j的消耗量；cfj为燃油j的燃油量与二氧化碳排放量的转化系数；
[0107]
实施例5：
[0108]
基本内容同实施例1，不同之处在于：
[0109]
所述数据库3的逻辑结构优选采用第三范式进行设计，其中存在部分关系表没有关键字段，完全依赖于其他表，主要起表与表之间的数据关联作用。
[0110]
在数据库逻辑结构设计时，不仅需理清数据库各表间的关联关系和实施方案；还
需根据数据表中每项属性的特点设定合理的数据类型(string、char、float等)、数据长度和数据值范围等参数，以便数据库提供合适的存储结构，合理利用存储空间。
[0111]
本发明中的数据库物理模型：结合能效管理系统的概念模型和逻辑结构设计，本系统借助powerdesigner的物理模型辅助设计模块设计部署了sqlserver数据库的数据库物理模型；模型中除概念模型出现的各表属性字段外，还存在很多关联字段，即外键，作为关联各表的依赖项。
[0112]
本发明中的远程同步功能是采用sqlserver数据平台中的复制订阅功能进行实现；而该功能中的“事务复制”对数据库提出的基本要求是每个被同步的数据表需要设立相应的主键进行标识；为满足该要求，同时便于系统对各项监测数据和计算数据的查询和检索，对没有主键的监测数据表都添加自增数列字段“num”作为主键。
[0113]
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。