基于多源协同调控的船舶能效一体化智能管理平台与方法

本发明涉及多源协同调控船舶的综合管理，尤其涉及基于多源协同调控的船舶能效一体化智能管理平台与方法。

背景技术：

1、船舶绿色低碳发展是落实国家“双碳”发展战略、满足日益严格的排放法规的必然要求。船舶运行能效提升与排放控制技术是船舶绿色低碳发展的重点和难点。

2、现有研究对多变环境要素与船舶航行状态、“船-机-桨-帆”等多源动力系统运行状态的耦合作用机理研究较为缺乏，尚未建立时变航行条件下基于多源协同调控的绿色船舶能效智能优化管理方法，缺乏集能量供给、能量传递、航行优化能量转换、能量消耗、能量匹配、能效评估于一体的船舶能效多源协同优化平台，难以保证时变工况下多源动力系统的运行性能和能效水平。因此，研发基于多源协同调控的绿色船舶能效智能优化管理平台与方法对进一步促进航运业低碳化的发展具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明提供一种基于多源协同调控的船舶能效一体化智能管理平台与方法，以克服由于缺乏集能量供给、能量传递、航行优化、能量转换、能量消耗、能量匹配、能效评估于一体的船舶能效多源协同优化平台和方法，难以保证时变工况下多源动力系统的运行性能和能效水平的技术问题。

2、一种基于多源协同调控的船舶能效一体化智能管理平台，包括能效评估单元、能量优化匹配单元、能量供给管理单元、航行优化管理单元、能量转换管理单元以及能量消耗管理单元；

3、所述能效评估单元用于计算船舶能效评价指数并基于船舶能效评价指数对船舶co2排放及船舶能效进行分析与评估，并将分析与评估结果反馈给所述能量优化匹配单元；

4、所述能量优化匹配单元基于船舶能效一体化智能优化管理模型以及所述能效评估单元反馈的分析与评估结果，以使得船舶油耗最低为优化目标，选取影响船舶油耗的主机润滑效果参数、主机转速参数、气层与涂层减阻机构的参数、风帆机构的参数、航行位置参数以及船舶纵倾角参数作为变量进行协同优化得到最优值，并将优化得到的最优值分别传输给所述能量供给管理单元、航行优化管理单元、能量转换管理单元以及能量消耗管理单元；

5、所述能量供给管理单元基于所述能量优化匹配单元传输的主机润滑效果参数最优值及主机转速的最优值实现对发动机的润滑机构以及发动机油门齿条的优化和控制；

6、所述航行优化管理单元基于所述能量优化匹配单元传输的航行位置及船舶纵倾角参数的最优值实现对船舶的舵角以及船舶配载的控制和优化；

7、所述能量转换管理单元基于所述能量优化匹配单元传输的风帆机构的参数最优值实现对风帆机构的控制和优化；

8、所述能量消耗管理单元基于所述能量优化匹配单元传输的气层与涂层减阻机构的参数最优值实现对气层与涂层减阻机构的优化。

9、具体地，所述能量优化匹配单元基于船舶能效一体化智能优化管理模型以及所述能效评估单元反馈的分析与评估结果，以使得船舶油耗最低为优化目标，选取影响船舶油耗的主机润滑效果参数、主机转速参数、气层与涂层减阻机构的防污涂层参数和气泡参数、风帆机构的风翼攻角参数、航行位置参数以及船舶纵倾角参数作为变量进行协同优化得到最优值，所述船舶能效一体化智能优化管理模型为：

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11、

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16、

17、式中：qtotal表示船舶总油耗量；m表示航段数量；fq表示船舶单位距离能耗计算函数；vs,i表示第i个航段的船舶航速；va,i表示第i个航段的相对风速，hi表示第i个航段的浪高；αi表示第i个航段的风翼攻角；ni表示第i个航段的主机转速；τ表示船舶的防污涂层参数；μi表示第i个航段的气泡参数；表示第i个航段的船舶纵倾角；ηti表示第i个航段的能量传递过程总效率；βi表示第i个航段的航行位置；δi表示第i个航段的主机润滑效果参数；si表示第i个航段的航行距离；ttotal表示总航行时间；tlimit表示限制要求航行时间。

18、具体地，所述能量供给管理单元基于所述能量优化匹配单元传输的主机润滑效果参数最优值实现对发动机的润滑机构的优化；

19、所述主机润滑效果参数由所述润滑机构中的润滑剂粘度、润滑泵工作压力和润滑剂流量控制，所述润滑效果参数的表达式为：

20、δ＝f(w,p,q)

21、式中：w表示润滑剂粘度，p表示润滑泵工作压力，q表示润滑剂流量。

22、具体地，所述能量优化匹配单元在对风帆机构的参数进行协同优化时，所述风帆机构对船舶的助推力为：

23、tsail＝nk×fx

24、式中：tsail为风帆机构对船舶的助推力；nk为风帆安装风翼的个数；fx为沿着船舶航行方向的风翼助推力，表示为：

25、fx＝0.5cxρava2a

26、式中：va为相对风速；ρa为空气密度；a为风帆投影面积；cx为风翼攻角α和相对风向角γ的函数，表示为：

27、cx＝f(α,γ)

28、具体地，还包括能量传递管理单元，用于计算船舶主机产生的能量的能量传递过程总效率并传输给所述能量优化匹配单元，使所述能量优化匹配单元能够基于能量传递过程总效率计算船舶总油耗量，所述能量传递过程总效率表示为：

29、ητ＝ηε·ηs·ηg·ηo·ηh·ηr

30、式中：ητ为能量传递过程总效率；ηε为船舶主机有效效率；ηs为轴系传递效率；ηg为齿轮箱传递效率；ηo为螺旋桨淌水效率；ηh为船体效率；ηr为螺旋桨相对旋转效率。

31、具体地，所述能效评估单元计算船舶能效评价指数并基于船舶能效评价指数对船舶co2排放及船舶能效进行分析与评估，具体步骤为：

32、先获取船舶航行数据，包括目标船舶的类型、运输货物种类、船舶航行距离、燃料类型和油耗量；对获取的数据进行清洗与预处理；根据预处理后的数据计算船舶能效评价指数；基于船舶能效评价指数进行co2排放及船舶能效的分析与评估，并将评估结果反馈给所述能量优化匹配单元，其中，计算船舶能效评价指数的公式为：

33、

34、式中：eship表示船舶能效评价指数；qtotal表示船舶总油耗量；ccarbon表示燃料的co2排放因子；mcargo表示载货量；d表示船舶单航次的航行里程。

35、一种基于多源协同调控的船舶能效一体化智能管理的方法，包括如下步骤：

36、s1：构建如权利要求1所述的基于多源协同调控的船舶能效一体化智能管理平台；

37、s2：通过所述能效评估单元获得船舶能效分析与评估结果并反馈给所述能量优化匹配单元；

38、s3：所述能量优化匹配单元基于船舶能效一体化智能优化管理模型以及所述能效评估单元反馈的分析与评估结果，以使得船舶油耗最低为优化目标，将影响船舶油耗的主机润滑效果参数、主机转速参数、气层与涂层减阻机构的防污涂层参数和气泡参数、风帆机构的风翼攻角参数、航行位置参数以及船舶纵倾角参数作为变量进行协同优化；

39、s4：重复s2-s3，得到主机润滑效果参数、主机转速参数、气层与涂层减阻机构的防污涂层参数和气泡参数、风帆机构的风翼攻角参数、航行位置参数以及船舶纵倾角参数的最优值，并将优化得到的最优值分别传输给所述能量供给管理单元、航行优化管理单元、能量转换管理单元以及能量消耗管理单元；

40、s5：所述能量供给管理单元、航行优化管理单元、能量转换管理单元以及能量消耗管理单元基于得到的最优值进行优化和控制。

41、具体地，s2中，所述能效评估单元计算船舶能效评价指数并基于船舶能效评价指数对船舶co2排放及船舶能效进行分析与评估，具体步骤为：

42、先获取船舶航行数据，包括目标船舶的类型、运输货物种类、船舶航行距离、燃料类型和油耗量；对获取的数据进行清洗与预处理；根据预处理后的数据计算船舶能效评价指数；基于船舶能效评价指数进行co2排放及船舶能效的分析与评估，并将评估结果反馈给所述能量优化匹配单元，其中，计算船舶能效评价指数的公式为：

43、

44、式中：qtotal表示船舶总油耗量；ccarbon表示燃料的co2排放因子；mcargo表示载货量；d表示船舶单航次的航行里程。

45、具体地，s3中，所述船舶能效一体化智能优化管理模型为：

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49、

50、

51、

52、

53、式中：qtotal表示船舶总油耗量；m表示航段数量；fq表示船舶单位距离能耗计算函数；vs,i表示第i个航段的船舶航速；va,i表示第i个航段的相对风速，hi表示第i个航段的浪高；αi表示第i个航段的风翼攻角；ni表示第i个航段的主机转速；τ表示船舶的防污涂层参数；μi表示第i个航段的气泡参数；表示第i个航段的船舶纵倾角；ηti表示第i个航段的能量传递过程总效率；βi表示第i个航段的航行位置；δi表示第i个航段的主机润滑效果参数；si表示第i个航段的航行距离；ttotal表示总航行时间；tlimit表示限制要求航行时间。

54、有益效果：本发明基于多源协同调控的船舶能效一体化智能管理平台与方法，通过能效评估单元评估当前船舶能效，通过能量优化匹配单元确定出与油耗相关参数的最优值，使得各个能量优化管理单元基于最优值进行优化和控制，实现集能量供给、能量传递、航行优化、能量转换、能量消耗、能量匹配和能效评估于一体，从而提高船舶的能效和性能表现，减少能源浪费和污染排放，还能确保船舶在不同工况下的高效运行，降低运营成本。