一种风帆船运动状态优化节能控制系统与方法

技术领域

本发明涉及船舶风能应用及能效优化管理技术领域，尤其涉及一种风帆船运动状态优化节能控制系统与方法。

背景技术

风帆助航船舶通过使用风能作为辅助的动力来源，能够有效地降低船舶主机的燃油消耗，从而降低二氧化碳排放量，其对提高船舶能效水平具有重要意义，这种新能源助航船舶很好地符合可持续发展的要求，是航运业积极响应全球环保减排倡议的体现。

船舶运动状态在影响航行效率和经济性众多因素中占有重要地位，本发明中的运动状态指的是船舶在航行中的航向、纵倾和横摇等运动状态参数，其对船舶的航行阻力、航速和燃油消耗都有重要影响，对船舶运动状态进行优化可以提高航行效率，减少船舶在航行过程中的阻力，降低燃油消耗和运营成本，提高船舶的竞争力。

在风帆船运行过程中，大型风帆的加装使得该类船舶受风面积增加，运动状态更容易受到环境变化的影响，当环境变化使风帆产生横向力时会导致船舶更易产生横倾以及艏摇的情况，进而影响船舶航行阻力。当船舶运动状态发生变化时，船体水线以下的湿面积与几何形状也会发生相应变化，从而影响风帆船航行总阻力，同时，风帆船的运动状态也会影响风帆的助推效果以及整体阻力，进而影响风帆船的整体能耗水平。目前，风帆船的能效优化多集中于航速与航线的单独及联合优化，对风帆船运动状态的研究多为对船舶稳性的分析，而对风帆船运动状态优化控制以提高风帆船能效的研究有所欠缺，导致风帆船的能效水平有待进一步提升。

发明内容

基于此，为解决现有技术所存在的不足，特提出了一种风帆船运动状态优化节能控制系统与方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种风帆船运动状态优化节能控制系统，其特征在于，包括：船舶运动状态信息交互模块、风帆船运动辨识模型模块、风帆船油耗分析模块、风帆船运动优化节能分析模块以及风帆船运动状态优化控制模块；

其中，所述船舶运动状态信息交互模块用于存储第一船舶数据并为系统内其他模块提供数据交互服务，第一船舶数据包括风帆船基本参数及历史航行环境数据；

所述风帆船运动辨识模型模块用于基于第一船舶数据以及第二船舶数据，对不同航行环境下的风帆船运动状态进行识别；

所述风帆船油耗分析模块用于基于风帆船所对应的运动状态以及航行环境确定不同运动状态下的风帆船航行总阻力，进而获得不同运动状态下的风帆船的主机功率及油耗数据；

风帆船运动优化节能分析模块用于基于不同运动状态下的风帆船主机的油耗数据计算出相应的风帆船能效水平，并确定出风帆船能效水平最优时的风帆船最佳运动状态，并将风帆船最佳运动状态数据反馈至风帆船运动状态优化控制模块；

风帆船运动状态优化控制模块用于基于所述风帆船最佳运动状态数据调整控制命令以实现风帆船运动状态的优化操纵控制。

可选的，在其中一个实施例中，所述风帆船运动辨识模型模块包括：

运动辨识数据获取子模块，所述运动辨识数据获取子模块用于与所述船舶运动状态信息交互模块进行交互以获得第一船舶数据，并实时获取第二船舶数据，所述第二船舶数据至少包括风帆船实时航行数据；

黑箱运动辨识子模型，所述黑箱运动辨识子模型用于基于第一船舶数据以及第二船舶数据，对不同航行环境下的风帆船运动状态进行识别，以获得当前船舶运动状态数据；

自适应更新子模型，所述自适应更新子模型用于对所述黑箱运动辨识子模型的模型参数进行自适应更新。

可选的，在其中一个实施例中，所述黑箱运动辨识子模型采用具有风帆船四自由度运动辨识能力的辨识模型，即所述辨识模型用于将第一船舶数据以及第二船舶数据作为输入特征，将风帆船四自由度运动数据的速度变化率作为输出响应，获得当前船舶运动状态数据，所述风帆船四自由度运动数据包括船舶前进速度以及船舶分别绕x，y，z轴旋转的角速度(横摇、纵摇、艏摇)；其中，在以船舶本身为参考系的坐标系中，取船舶重心G为坐标原点，x轴取为垂直于船舶中横剖面，以指向船首为正；y轴取为垂直于中纵剖面，以指向右舷为正；z轴取为垂直于水线面，以指向龙骨为正；

则所述具有风帆船四自由度运动辨识能力的辨识模型对应的模型公式为

上述各式中，m表示船舶质量；a表示沿x轴方向前进的速度；X表示船舶在x轴方向上所受作用力；I

其中，相应的作用在风帆船上的外力及外力矩如式(5)～(8)所示：

X＝X

K＝K

E＝E

N＝N

式中，各个下角标H、P、R、Wing分别表示静风静浪环境中的船体、螺旋桨、舵、风帆，Wind、Wave分别表示环境干扰力风与波浪，则X

可选的，在其中一个实施例中，所述风帆船油耗分析模块包括：

风帆船航行阻力计算子模型，用于基于风帆船所对应的运动状态以及航行环境确定风帆船航行总阻力；

风帆船功率计算子模型，用于基于所述风帆船航行总阻力，确定风帆船主机功率数据；

风帆船油耗计算子模型，用于基于所述风帆船主机功率数据，确定风帆船油耗数据；

其中，风帆船功率计算子模型的模型公式为：

其中，

η

η

V

式中，P

所述风帆船油耗计算子模型的模型公式为：

Q

Q

Q

式中，Q

可选的，在其中一个实施例中，所述风帆船能效水平的计算公式为：

式中：EE

此外，为解决传统技术存在的不足，还提出了一种基于上述风帆船运动状态优化节能控制系统的风帆船运动状态优化节能控制方法，其具体包括如下步骤：

S1、通过所述船舶运动状态信息交互模块获取第一船舶数据；

S2、通过所述风帆船运动辨识模型模块获取第二船舶数据并结合第一船舶数据，对当前航行环境下的风帆船运动状态进行识别；

S3、通过所述风帆船油耗分析模块确定不同运动状态下的风帆船航行总阻力，进而获得不同运动状态下的风帆船的主机功率及油耗数据；

S4、根据第一船舶数据及风帆船的油耗数据，计算分析各运动状态下的风帆船能效水平，以风帆船能效水平最优为依据，获得风帆船的最佳参考运动状态；

S5、对最佳参考运动状态下的风帆船浮态及稳性进行分析以获取风帆船航行的浮态及稳性的分析结果；

S6、基于所述风帆船能效水平、浮态及稳性的分析结果，决策出满足浮态及稳性要求的风帆船能效水平最佳的运动状态，进而对风帆船进行控制。

此外，为解决传统技术在面对现有技术所存在的不足，还提出了一种计算机可读存储介质，包括计算机指令，当所述计算机指令在计算机上运行时，使得计算机执行所述的方法。

实施本发明实施例，将具有如下有益效果：

采用了上述技术之后，解决了传统因运动状态不当造成的风帆船阻力较高，导致船舶整体能效水平低，能耗较高的问题以实现现有风帆船的运动状态优化；进一步的，本发明通过得到风帆船最佳运动状态，进而能够减小风帆船的航行阻力，降低风帆船的整体能耗；得到的风帆船最佳运动状态后能够指导舵角的选择、风帆攻角的控制、船舶出港装载时的分配情况、航行过程中的油、水舱调换使用情况，使得船舶能够以最佳运动状态航行，提高了船舶能效水平。即本发明所提出的一种风帆船运动状态优化节能控制系统与方法，对进一步挖掘船舶能效提升潜力具有重要意义和应用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

其中：

图1为本发明所述风帆船运动状态优化节能控制系统示意图；

图2为本发明所述风帆船四自由度运动示意图；

图3为本发明所述风帆船运动状态优化方法流程图；

图4为本发明所述风帆船浮态及稳性分析流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。可以理解，本发明所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。举例来说，在不脱离本申请的范围的情况下，可以将第一元件称为第二元件，且类似地，可将第二元件为第一元件。第一元件和第二元件两者都是元件，但其不是同一元件。

在本实施例中，特提出了一种风帆船运动状态优化节能控制系统，如图1-2所示，其特征在于，包括：船舶运动状态信息交互模块、风帆船运动辨识模型模块、风帆船油耗分析模块、风帆船运动优化节能分析模块以及风帆船运动状态优化控制模块；

其中，所述船舶运动状态信息交互模块用于存储第一船舶数据并为系统内其他模块提供数据存储以及交互服务，第一船舶数据包括风帆船基本参数及历史航行环境数据；

所述风帆船运动辨识模型模块用于基于第一船舶数据以及第二船舶数据，对不同航行环境下的风帆船运动状态进行识别；

所述风帆船油耗分析模块用于基于风帆船所对应的运动状态以及航行环境确定不同运动状态下的风帆船航行总阻力，进而获得不同运动状态下的风帆船的主机功率及油耗数据；

风帆船运动优化节能分析模块用于基于不同运动状态下的风帆船主机的油耗数据计算出相应的风帆船能效水平，并确定出风帆船能效水平最优时的风帆船最佳运动状态，并将风帆船最佳运动状态数据反馈至风帆船运动状态优化控制模块；

风帆船运动状态优化控制模块用于基于所述风帆船最佳运动状态数据调整控制命令以实现风帆船运动状态的优化操纵控制。

基于上述各个功能模块相互协调配合能够解决传统的能耗分析过程中因运动状态不当造成的风帆船阻力较高，导致船舶整体能效水平低、能耗较高的问题；所述船舶运动状态信息交互模块为其他各个功能模块提供了数据交互的通道以及信息存储功能，所述风帆船运动辨识模型模块在对不同航行环境下的风帆船运动状态进行识别后，由所述风帆船油耗分析模块以及风帆船运动优化节能分析模块配合完成风帆船最佳运动状态的决策；获得风帆船最佳运动状态后能够指导舵角的选择、风帆攻角的控制、船舶出港装载时的分配情况、航行过程中的油、水舱调换使用情况，使得船舶能够以最佳运动状态航行，从而有效提高风帆船的能效水平。

其中，在一些具体的实施例中，所述船舶运动状态信息交互模块分别与风帆船运动辨识模型模块、风帆船能耗分析模块、风帆船运动状态优化控制模块、风帆船运动优化节能分析模块相连接，并为前述各模块提供数据交互服务通道，以便于实现各个模块之间的联动和协同作用，所述数据交互服务包括数据集成整理服务以及数据传输和信息共享服务；数据集成整理服务包括但不限于将不同地址来源、格式、特点和性质的系统数据整合起来，并将整合的数据统一存在数据库中，以解决数据的分布性和异构性的问题；所述系统数据包括但不限于风帆船基本参数(如风帆船船舶质量、载货量等)、海况信息(风速、风向、浪高等航行环境信息)与航行数据，航行数据包括但不限于船舶航速、风帆攻角、横倾角度，纵倾角度、艏摇角度等。

其中，在一些具体的实施例中，所述风帆船运动辨识模型模块包括：

数据获取子模块即运动辨识数据获取子模块，所述运动辨识数据获取子模块用于与所述船舶运动状态信息交互模块进行交互以获得第一船舶数据，并实时获取第二船舶数据，所述第二船舶数据至少包括风帆船实时航行数据；

黑箱运动辨识子模型，所述黑箱运动辨识子模型用于基于第一船舶数据以及第二船舶数据，对不同航行环境下的风帆船运动状态进行识别，以获得当前船舶运动状态数据；

自适应更新子模型，所述自适应更新子模型用于对所述黑箱运动辨识子模型的模型参数进行自适应更新。

在其中一个更具体的实施例中，所述黑箱运动辨识子模型采用具有风帆船四自由度运动辨识能力的辨识模型，即所述辨识模型用于将第一船舶数据以及第二船舶数据作为输入特征，将风帆船四自由度运动数据的速度变化率作为输出响应，获得当前船舶运动状态数据，所述风帆船四自由度运动数据包括船舶前进速度(沿x轴方向的运动)以及船舶分别绕x，y，z轴旋转的角速度即横摇数据(横摇以x轴为轴心的旋转运动)、纵摇数据(纵摇以y轴为轴心的旋转运动)、艏摇数据(艏摇以z轴为轴心的旋转运动)；所述黑箱运动辨识子模型基于下述风帆船四自由度运动模型对船舶航行数据进行整合及处理，具体的过程包括：

其中，在以船舶本身为参考系的坐标系中，取船舶重心G为坐标原点，x轴取为垂直于船舶中横剖面，以指向船首为正；y轴取为垂直于中纵剖面，以指向右舷为正；z轴取为垂直于水线面，以指向龙骨为正；

则所述具有风帆船四自由度运动辨识能力的辨识模型对应的模型公式为：

上述各式中，m表示船舶质量；a表示沿x轴方向前进的速度；X表示船舶在x轴方向上所受作用力；I

其中，相应的作用在风帆助航船舶上的外力及外力矩如式(5)～(8)所示：

X＝X

K＝K

E＝E

N＝N

式中，各个下角标H、P、R、Wing分别表示静风静浪环境中的船体、螺旋桨、舵、风帆，Wind、Wave分别表示环境干扰力风与波浪，则X

优选的，在利用风帆船航行过程中所采集到的相关数据信息，如船舶运动状态信息交互模块所储存的船舶基本参数及航行环境数据、运动状态数据进行分析时，可以通过采用支持向量机等方法，将传感器采集的航行速度、舵角、航向角、风帆弦向以及风速、风向、浪高等环境数据作为输入特征，以船舶前进速度，船舶绕x，y，z轴旋转的角速度四个自由度的速度变化率作为输出响应，建立能够有效预测识别船舶四自由度速度的黑箱运动辨识模型。

优选的，自适应更新子模型在对所述黑箱运动辨识子模型的模型参数进行自适应更新时，可通过采用滑动时间窗自适应更新等方法提高风帆船运动辨识模型的自适应性，即每隔一段时间，使用最新收集到的数据信息更新模型，使其能够适应船舶运动状态的变化，确保模型的准确性，并随着时间的推移进行修正和改进。

其中，在一些具体的实施例中，所述风帆船油耗分析模块包括：风帆船航行阻力计算子模型，用于基于风帆船所对应的运动状态以及航行环境确定风帆船航行总阻力；风帆船功率计算子模型，用于基于所述风帆船航行总阻力，确定风帆船主机功率数据；风帆船油耗计算子模型，用于基于所述风帆船主机功率数据，确定风帆船油耗数据。

在一些更具体的实施例中，风帆船航行阻力计算子模型用于对风帆船不同运动状态及航行环境条件下(即不同的风速、风向、浪高等情况)的船舶阻力进行计算分析，即基于风帆船航速、航程以及实际的海况信息即风速、风向和浪高等，构建风帆船航行阻力模型进行计算，风帆船航行阻力模型的公式如下所示：

式中，R

在一些更具体的实施例中，风帆船功率计算子模型的模型公式为：

其中，

η

η

V

式中，P

在一些更具体的实施例中，所述风帆船油耗计算子模型的模型公式为：

Q

Q

Q

式中，Q

在一些具体的实施例中，风帆船运动优化节能分析模块可以实现风帆船运动状态优化操纵控制的节能效果分析，具体而言，所述风帆船运动优化节能分析模块基于船舶运动状态信息交互模块获取船舶能效计算相关基本数据，以及风帆船能耗分析模块计算获得的不同运动状态下的风帆船油耗数据，计算出相应的风帆船能效水平，并确定出风帆船能效水平最优时的风帆船最佳运动状态，并将风帆船最佳运动状态数据反馈至风帆船运动状态优化控制模块；

在一些具体的实施例中，所述风帆船运动状态优化控制模块主要作用是基于风帆船运动辨识模型模块、风帆船能耗分析模块、风帆船运动优化节能分析模块的数据信息，通过改变风帆船的运动状态，计算不同运动状态下的船舶能耗(如根据不同运动状态及航行环境条件下的船舶能耗计算分析结果)，并对比分析不同运动状态及航行条件下的船舶能耗，从而获得不同航行条件下能效最佳(最低)的运动状态，在此基础上，通过对舵角的控制、风帆攻角的控制、油、水舱的调换使用等来控制船舶的运动状态，即所述风帆船运动状态优化控制模块用于基于所述风帆船最佳运动状态数据调整控制命令以实现风帆船运动状态的优化操纵控制。

其中，所述控制命令包括舵角控制命令、风帆攻角控制命令、优化装配提醒命令；所述舵角控制命令能够通过对舵角的控制来调整船舶艏摇角度和航向；通过对风帆攻角的控制来调整船舶横倾角度及风帆的助推力；优化装配提醒命令用于提醒用户进行货物装载位置的优化装配，以及油、水舱、压载水舱的优化配置和调配来调整船舶的纵倾及横倾角度，此优化数据可以通过预先进行基于神经网络的训练仿真来获得相应数据库并在使用过程中给出指导性建议；其中装载阶段即根据最佳运动状态以货物重量为指导，对货物进行调配，控制船舶的初始状态即初始纵倾、横倾角度。

通过下述公式计算风帆船能效水平，

式中：EE

基于上述方案对船舶阻力的计算可知，船舶油耗与船舶横倾角度、纵倾角度、艏摇角度等密切相关，对船舶各运动状态下的能效进行计算，获得能效最优时的风帆船最佳运动状态信息，包括航速、风帆攻角、船舶纵倾角、横倾角、艏摇角，并将风帆船最佳运动状态信息发送至风帆船运动状态优化控制模块，将各参数调控至最佳运动状态(船舶的航速、风帆攻角、纵倾角、横倾角、艏摇角)下航行。

基于相同的发明构思，本发明还提出了一种基于上述风帆船运动状态优化节能控制系统的风帆船运动状态优化节能控制方法，其图3所示，基于船舶运动状态信息交互模块得到的数据信息，对不同运动状态下的风帆船主机输出功率和油耗进行计算，获取不同运动状态下的风帆船油耗及能效水平，在此基础上，以风帆船能效水平最优为目标，计算获得不同海况下的风帆船最佳运动状态，并分析风帆船最佳运动状态下的节能效果，具体包括如下步骤：

S1、通过所述船舶运动状态信息交互模块获取第一船舶数据；

S2、通过所述风帆船运动辨识模型模块获取第二船舶数据并结合第一船舶数据，对当前航行环境下的风帆船运动状态进行识别，如基于风帆船的数据信息，构建前进、横摇、纵摇、艏摇四自由度的风帆船运动辨识模型；

S3、通过所述风帆船油耗分析模块确定不同运动状态下的风帆船航行总阻力，进而获得不同运动状态下的风帆船的主机功率及油耗数据；此步骤的目的是对特定航行环境条件下不同运动状态的风帆船阻力进行计算，在此基础上，计算获得不同运动状态下的风帆船主机功率，进而计算获得不同运动状态下风帆船油耗；

S4、根据第一船舶数据(如风帆船基本参数信息)及风帆船的油耗数据，计算分析各运动状态下的风帆船能效水平，以风帆船能效水平最优为依据，获得风帆船的最佳参考运动状态；

S5、对最佳参考运动状态下的风帆船浮态及稳性进行分析以获取风帆船航行的浮态及稳性的分析结果以确保风帆船航行的安全性与可靠性；

S6、基于所述风帆船能效水平、浮态及稳性的分析结果，决策出满足浮态及稳性要求的风帆船能效水平最佳的运动状态，进而对风帆船进行控制。

具体地，步骤S5中的船舶浮态及稳性分析，如图4所示，包括以下步骤：

S51、根据的船舶能效分析反馈的参考运动下的航行数据判断其是否满足船舶浮态性能要求，船舶浮态平衡条件满足如下公式：

式中，W表示船舶的重力；Δ表示船舶的浮力；B表示船舶浮心，具体位置为(X

S52、若参考运动状态满足S51中的船舶浮态平衡条件，则进行步骤S53对船舶稳性进行分析判断；若参考运动状态不满足S51中的船舶浮态平衡条件，则重新选择次一级的船舶运动状态数据，重复进行步骤S51对船舶浮态进行分析判断，直至满足船舶浮态平衡条件；

S53、根据满足船舶浮态的最优船舶运动状态数据，判断其是否满足船舶稳性条件要求，船舶稳性判别需满足如下条件：

(1)初稳性(船舶横倾的角度θ小于10°～15°)

式中，GM表示船舶的初稳性高度；M表示船舶稳心，具体位置为(X

(2)大倾角稳性(船舶横倾的角度θ大于10°～15°，或上甲板边缘开始入水)

S54、若参考船舶运动状态满足S53中的船舶稳性条件，则确定该运动状态为船舶最佳运动状态；若参考运动状态不满足S53中的船舶稳性条件，则选择次一级的船舶运动状态数据重复进行步骤S51、S52、S53进行判别。

基于相同的发明构思，本发明还提出了一种计算机可读存储介质，包括计算机指令，当所述计算机指令在计算机上运行时，使得计算机执行所述的方法。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。