基于模糊聚類和遺傳算法的船舶能效管理控制平臺及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及船舶能效監(jiān)測與提升技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于模糊聚類和遺傳算 法的船舶能效管理控制平臺及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著全球氣候變暖和CO2溫室氣體排放的增加，《國際防止船舶造成污染公約》 (MARP0L公約）附則VI締約國于2011年7月15日在海洋環(huán)境保護委員會第62次會議上 一致通過，標(biāo)志著世界首部行業(yè)性的具有強制實施效力的全球溫室氣體減排規(guī)定誕生了。 航運業(yè)面臨越來越大的節(jié)能減排壓力，如何采取合理的措施提高船舶能效、降低排放是航 運業(yè)亟待解決的問題。國際海事組織（頂〇)制定了能效設(shè)計指數(shù)（EEDI)和能效營運指數(shù) (EEOI)評價指標(biāo)，分別從設(shè)計和運行管理兩方面來探索提高船舶能效的有效途徑。船舶在 航行的過程中由于受環(huán)境的影響，使得船舶偏離了最佳的工況點，從而使得船舶多數(shù)時間 運行在能效較低的狀態(tài)。此外，船舶駕駛員在操作的過程中無法直觀的獲取船舶當(dāng)前的能 耗狀態(tài)信息，多數(shù)情況下是憑經(jīng)驗控制船舶在既定的航速下運行，不僅降低了船舶的經(jīng)濟 性而且增加了 〇)2的排放。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：提供一種基于模糊聚類和遺傳算法的船舶能效管理 控制平臺及方法，實時監(jiān)測船舶的能耗狀態(tài)，并消除或降低環(huán)境因素對船舶能耗的影響，避 免預(yù)先設(shè)定航速的不合理性，從而達到節(jié)能減排的目的。
[0004] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案為：一種基于模糊聚類和遺傳算法 的船舶能效管理控制平臺，其特征在于：它包括：
[0005] 傳感器組，用于采集控制所需的參數(shù)；
[0006] 下位機系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集模塊和下位機通訊模塊，數(shù)據(jù)采集模塊用于采集離散 型參數(shù)、獲取傳感器組采集的參數(shù)，下位機通訊模塊用于將所有參數(shù)全部上傳、接收控制命 令并發(fā)送給相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)；
[0007] 上位機系統(tǒng)，包括上位機通訊模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和船舶能效綜合 管理控制模塊；上位機通訊模塊用于接收下位機通訊模塊上傳的所有參數(shù)、向下位機通訊 模塊發(fā)送控制命令；數(shù)據(jù)存儲模塊用于將所有參數(shù)進行存儲；數(shù)據(jù)處理模塊用于調(diào)用數(shù)據(jù) 存儲模塊中的參數(shù)、將接收的所有參數(shù)解析并提供給船舶能效綜合管理控制模塊；船舶能 效綜合管理控制模塊用于利用解析后的參數(shù)，基于模糊聚類和遺傳算法，實時計算船舶當(dāng) 前的能效營運指數(shù)，確定船舶的最佳航速、供電形式及負載的工作狀態(tài)，并可自動輸出控制 命令。
[0008] 按上述方案，所述的上位機系統(tǒng)還包括人機界面，用于顯示所有參數(shù)和船舶當(dāng)前 的能效營運指數(shù)、提供數(shù)據(jù)存儲模塊的調(diào)用端口、以及輸入控制命令。
[0009] 按上述方案，所述的傳感器組包括油耗傳感器、扭矩轉(zhuǎn)速傳感器、風(fēng)速風(fēng)向傳感 器、航速航向傳感器、水流速度傳感器、主機參數(shù)傳感器、電網(wǎng)參數(shù)傳感器組和水深傳感器。 [0010] 按上述方案，所述的上位機通訊模塊和下位機通訊模塊之間包括三種通訊類型： 下位雙CAN通訊、串行通訊及上位雙冗余以太網(wǎng)通訊；下位雙CAN通訊通過CAN 口服務(wù)器統(tǒng) 一采集離散型參數(shù)并通訊上傳至上位機；串行通訊通過串口服務(wù)器采集各端口的傳感器組 采集的參數(shù)，在CAN 口服務(wù)器和串口服務(wù)器內(nèi)將采集來的所有參數(shù)映射至以太網(wǎng)，供上位 機系統(tǒng)訪問。
[0011] 利用上述基于模糊聚類和遺傳算法的船舶能效管理控制平臺實現(xiàn)的控制方法，其 特征在于：利用采集到的所有參數(shù)，采取模糊聚類的方法對通航環(huán)境進行聚類分析，并通過 多元非線性回歸分析的方法得到船舶營運指數(shù)與通航環(huán)境的動態(tài)響應(yīng)關(guān)系，以船舶營運指 數(shù)最小為目標(biāo)，以主機轉(zhuǎn)速為優(yōu)化變量，以滿足全船的功率需求為約束，采取遺傳算法進行 動態(tài)尋優(yōu)，確定不同通航環(huán)境下的主機最佳轉(zhuǎn)速、供電形式及負載的工作狀態(tài)，自動輸出控 制命令。
[0012] 按上述方法，所述的所有參數(shù)包括油耗、扭矩轉(zhuǎn)速、風(fēng)速風(fēng)向、航速航向、水流速度 與水深數(shù)據(jù)。
[0013] 按上述方法，該方法還包括人機界面和手動模式，
[0014] 人機界面用于顯示所有參數(shù)和船舶當(dāng)前的能效營運指數(shù)、提供數(shù)據(jù)存儲模塊的調(diào) 用端口、以及輸入控制命令；
[0015] 手動模式下，由操作人員根據(jù)人機界面顯示的所有參數(shù)和船舶當(dāng)前的能效營運指 數(shù)，確定不同通航環(huán)境下的主機最佳轉(zhuǎn)速、供電形式及負載的工作狀態(tài)，通過人機界面手動 輸入并發(fā)送控制命令給相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)。
[0016] 按上述方法，所述的控制命令包括主機轉(zhuǎn)速控制命令、自動卸載控制命令和/或 主發(fā)軸發(fā)切換控制命令，其中主發(fā)軸發(fā)切換控制命令為主發(fā)發(fā)電機、軸帶發(fā)發(fā)電機切換控 制命令。
[0017] 按上述方法，所述的采取模糊聚類的方法對通航環(huán)境進行聚類分析具體為：采集 到的所有參數(shù)構(gòu)成通航環(huán)境要素數(shù)據(jù)，將整個航段的通航環(huán)境要素數(shù)據(jù)以向量的形式表 示；采用模糊傳遞閉包法對通航環(huán)境要素進行分類。
[0018] 按上述方法，所述的通過多元非線性回歸分析的方法得到船舶營運指數(shù)與通航環(huán) 境的動態(tài)響應(yīng)關(guān)系，具體為：
[0019] 利用模糊聚類的方法得出的通航環(huán)境要素的分類，提取同種類的通航環(huán)境要素數(shù) 據(jù)及所計算的能效營運指數(shù)，分別繪制能效營運指數(shù)與各通航環(huán)境要素之間的散點圖，采 用多元非線性回歸函數(shù)確定能效營運指數(shù)與各通航環(huán)境要素的關(guān)系，從而對能效營運指數(shù) 計算公式進行修正，獲得不同種類通航環(huán)境要素下的能效營運指數(shù)計算公式。
[0020] 按上述方法，所述的采取遺傳算法進行動態(tài)尋優(yōu)具體為：
[0021] 把主機轉(zhuǎn)速編碼為染色體，利用迭代的方式進行選擇、交叉以及變異運算來交換 種群中染色體的信息，最終生成符合優(yōu)化目標(biāo)的染色體，即滿足約束條件下的能效營運指 數(shù)最小所對應(yīng)的主機最佳轉(zhuǎn)速值，根據(jù)此最佳轉(zhuǎn)速值輸出控制命令。
[0022] 本發(fā)明的有益效果為：通過設(shè)計一種基于模糊聚類和遺傳算法的船舶能效管理控 制平臺及方法，在不同的通航環(huán)境下，實時監(jiān)測船舶當(dāng)前的能耗狀態(tài)并通過人機界面進行 實時顯示，從而為船舶操縱者提供參考，并可以通過基于模糊聚類和遺傳算法的船舶能效 綜合管理與控制模型確定船舶的最佳航速所對應(yīng)的主機轉(zhuǎn)速，在航行環(huán)境允許的情況下， 可自動控制主機在此轉(zhuǎn)速下運行，通過優(yōu)化控制主機的轉(zhuǎn)速可以提升船舶的能效水平，并 消除或降低環(huán)境因素對船舶能耗的影響，規(guī)避預(yù)設(shè)航速的不合理性，從而節(jié)能環(huán)保、降低排 放。
【附圖說明】
[0023] 圖1為本發(fā)明一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024] 圖2為本發(fā)明一實施例的通信原理圖。
[0025] 圖3為本發(fā)明一實施例的控制流程圖。
【具體實施方式】
[0026] 以下將對本發(fā)明的實施例給出詳細的說明。盡管本發(fā)明將結(jié)合一些【具體實施方式】 進行闡述和說明，但需要注意的是本發(fā)明并不僅僅只局限于這些實施方式。相反，對本發(fā)明 進行的修改或者等同替換，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
[0027] 另外，為了更好的說明本發(fā)明，在下文的【具體實施方式】中給出了眾多的具體細節(jié)。 本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，沒有這些具體細節(jié)，本發(fā)明同樣可以實施。在另外一些實例中，對 于大家熟知的方法、流程、元件和電路未作詳細描述，以便于凸顯本發(fā)明的主旨。
[0028] 圖1為本發(fā)明一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖，基于模糊聚類和遺傳算法的船舶能效管 理控制平臺包括：傳感器組，用于采集控制所需的參數(shù)（本實施例中傳感器組包括油耗傳 感器、扭矩轉(zhuǎn)速傳感器、風(fēng)速風(fēng)向傳感器、航速航向傳感器、水流速度傳感器、主機參數(shù)傳 感器、電網(wǎng)參數(shù)傳感器組和水深傳感器）；下位機系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集模塊和下位機通訊模 塊，數(shù)據(jù)采集模塊用于采集離散型參數(shù)、獲取傳感器組采集的參數(shù)，下位機通訊模塊用于將 所有參數(shù)全部上傳、接收控制命令并發(fā)送給相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)；上位機系統(tǒng)，包括上位機通訊 模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和船舶能效綜合管理控制模塊；上位機通訊模塊用于接 收下位機通訊模塊上傳的所有參數(shù)、向下位機通訊模塊發(fā)送控制命令；數(shù)據(jù)存儲模塊用于 將所有參數(shù)進行存儲；數(shù)據(jù)處理模塊用于調(diào)用數(shù)據(jù)存儲模塊中的參數(shù)、將接收的所有參數(shù) 解析并提供給船舶能效綜合管理控制模塊；船舶能效綜合管理控制模塊用于利用解析后的 參數(shù)，基于模糊聚類和遺傳算法，實時計算船舶當(dāng)前的能效營運指數(shù)（EEOI)，確定船舶的最 佳航速、供電形式及負載的工作狀態(tài)，并自動輸出控制命令。
[0029] 上位機通訊模塊和下位機通訊模塊之間包括三種通訊類型：下位雙CAN通訊、串 行通訊及上位雙冗余以太網(wǎng)通訊。如圖2所示，下位雙CAN通訊通過CAN 口服務(wù)器統(tǒng)一采集 離散型參數(shù)并通訊上傳至上位機；串行通訊通過串口服務(wù)器采集各端口的傳感器組所采集 的參數(shù)，在CAN 口服務(wù)器和串口服務(wù)器內(nèi)將采集來的所有參數(shù)映射至以太網(wǎng)，供上位機系 統(tǒng)訪問。本實施例中，其中，傳感器所采集的航速航向、轉(zhuǎn)速扭矩、經(jīng)煒度、油耗、風(fēng)速風(fēng)向、 水流速度與水