基于数字孪生的船舶能效管理系统功能验证平台技术方案

公开了一种基于数字孪生的船舶能效管理系统功能验证平台。通过接收能效管理系统将应用的船舶的能效数据以及船型参数，构建能够真实反映船舶的几何、物理、航行姿态及通航环境情况的数字孪生体，利用数字孪生体进行实船航行过程中能耗虚拟仿真，同时利用能效管理系统对船舶的数字孪生体进行能效优化，并融合智能算法作为有效性分析对比的工具，采用实

【技术实现步骤摘要】
基于数字孪生的船舶能效管理系统功能验证平台


[0001]本专利技术涉及船舶能效管理系统性能验证平台。

技术介绍

[0002]水路运输具有运量大、成本低、运输环境友好等优势，对国民经济的发展和国际贸易起着重要的支撑作用。然而，不断增高的燃料成本以及日益严格的污染气体排放法规给船舶的营运与能效优化管理带来了诸多挑战。目前，对于船舶节能减排的应用主要是通过给船舶安装能效管理系统来完成。
[0003]船舶能效管理系统是船舶营运管理的重要手段，对能效的统筹管理可以提高船舶能效水平，降低船舶营运成本。该系统具有研究变量多、结构复杂、不同船舶的能效管理系统有所差别等特点，导致在初期研发阶段，验证系统有效性时会有巨大的工作量，同时也不可避免的会出现人为失误而导致结果的偏差，降低开发人员的工作效率。

技术实现思路

[0004]本专利技术提出了一种基于数字孪生的船舶能效管理系统功能验证平台，在不需要将处于实验室阶段的能效管理系统安装于实船的情况下，对其功能的有效性进行测试与验证。可以降低开发成本、实验试错成本，提高能效系统的研发效率。促进船舶能效优化研究的发展，该产品对市场竞争力的提升具有重要意义。
[0005]根据实施例，提供一种基于数字孪生的船舶能效管理系统功能验证平台，包括：
[0006]传输单元，接收待测能效管理系统将应用的船舶的航行数据，所述航行数据包含能耗数据和通航环境数据；
[0007]实船数字孪生体，其为船舶及通航环境的数字孪生模型，通过集成整个航次船舶航行过程中船舶状态和通航环境的历史数据，利用设计的数字孪生模型模拟仿真整个航次全时域航行状态，形成虚拟的数字孪生体，利用设计数字孪生体模拟分析整个航次的能耗数据，用于验证所述待测能效管理系统的有效性；
[0008]数据传输接口，将所述实船数字孪生体中模拟仿真的航行过程数据导入所述待测能效管理系统，将所述待测能效管理系统中优化的真实能耗优化数据传输到真实能耗优化数据端口以备验证；
[0009]能效功能测试平台模块，利用所述实船数字孪生体模拟仿真的结果数据，以及所述待测能效管理系统的优化数据，判定所述待测能效管理系统的优化效果。
[0010]在一些示例中，所述实船数字孪生体包括：
[0011]数据存储调度模块，接收所述传输单元接收的全航行数据，并且将其分类储存为环境及航行状态数据和实船能耗数据，来模拟仿真实船舶航行状态，具体包括：模拟全航程的通航环境状况，作为所述待测能效管理系统的优化参考；模拟全航程的燃油消耗，作为验证的参考量；
[0012]虚拟能耗数据库，用来人为设置全航程不同航段的通航环境状况，并预测对应虚
拟能耗数据；此外将人为设置全航程不同航段的通航环境状况，作为所述待测能效管理系统的优化参考。
[0013]在一些示例中，通过数字孪生技术将所述数据存储调度模块、所述虚拟能耗数据库和所述能效功能评估平台集成在一个系统，并利用三维视图软件，构建一个包含该集成系统的人机交互三维图视场景，所述三维图视场景包含在电脑显示端还原船舶(实船)模型、船舶(实船)能耗模型和船舶(实船)航行周围所行驶航段的连续桥区、弯曲航段、开阔水域及受限水域。
[0014]在一些示例中，以所述接收单元接收的通航环境数据，来模拟仿真全航程的通航环境状况和真实燃油消耗状况；同时将所述模拟的通航环境状况作为所述待测能效管理系统的优化参考，从而得出真实能耗优化数据，比较所述真实能耗数据与所述真实能耗优化数据；
[0015]是以人为设置全航程不同航段的通航环境状况，并根据训练完成的预测模型库得到虚拟能耗数据；同时将所述人为设置全航程不同航段的通航环境状况作为所述待测能效管理系统的优化参考，从而得出相应的真实能耗优化数据，比较所述虚拟能耗数据与所述真实能耗优化数据；
[0016]如果所述真实能耗数据大于所述真实能耗优化数据，则表明所述待测能效管理系统的优化策略有效，否则所述待测能效管理系统的优化策略无效；如果所述虚拟能耗数据大于所述真实能耗优化数据，则表面所述待测能效管理系统的优化策略有效，否则表明所述待测能效管理系统的优化策略无效。
[0017]在一些示例中，对实船数字孪生体仿真的能效数据进行监控：按时空划分包含实时数据和历史数据；按照内容划分包含船舶的营运数据、通航环境实时数据、纵倾优化相关数据以及结合智能算法所派生的优化数据、预测数据和能效评估数据。
附图说明
[0018]下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细说明。
[0019]图1、图2是基于数字孪生的船舶能效管理系统功能验证平台结构框图。
具体实施方式
[0020]本专利技术公开了一种基于数字孪生的船舶能效管理系统功能验证平台。通过收集大量的船舶航行状态参数，同时结合机器学习和评估算法，构建了数据驱动的数字孪生平台，将其用于验证为实船研制的能效管理系统能否达到节能减排效果。如图1、图2，该验证平台结构包含传输单元、数据传输接口、数据存储调度模块、虚拟能耗数据库、能耗功能评估平台。所述验证平台通过接收实船(即待测能效管理系统将应用的船舶)的能效数据以及船型参数，构建能够真实反映实船的几何、物理、航行姿态及通航环境情况的数字孪生体，结合机器学习技术派生出虚拟能耗数据库；建立虚实空间的联系，通过数据的集成共享，利用数字孪生体模拟仿真的功能，建立虚拟空间与物理空间之间的实时全状态、多属性、多尺度的映射。利用数字孪生体，进行船舶航行过程中能耗虚拟仿真，同时对接待测能效管理系统对实船的数字孪生体进行能效优化，并融合智能算法作为有效性分析对比的工具，采用实
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实、实
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虚等两验证方式，评估所述待测能效管理系统优化前后的效果。本专利技术具有首创性，
该平台具有对处于实验室阶段的能效管理系统产品进行测试和验证功能，消除了将能效管理系统安装于实船测试过程中所产生的研发成本、实验试错成本，提高能效系统的研发效率，同时也消除验证过程中出现的人为失误。本专利技术对船舶能效管理系统的验证与推广提供技术支撑。
[0021]待测的船舶能效管理系统由研发人员提供，根据不同船舶的特征，所开发的能效管理系统的能效优化策略也不尽相同。能效管理系统一般包括数据采集单元、数据通讯单元、数据处理单元和数据储存单元。
[0022]所述数据采集单元是利用多种传感器来采集船舶推进系统参数、燃油消耗参数和通航环境参数。所述多种传感器包括动态扭力测试仪、油耗仪、温度传感器、风速风向仪、计程仪、测深仪和GPS(也可以采用北斗等)。所述动态扭力测试仪用于采集柴油发电机和电动机的转速和转矩，所述油耗仪用于采集柴油机的油耗数据，所述风速风向仪用于采集船舶所处环境的风速和风向，所述计程仪用于采集船舶行驶路程，所述测深仪用于采集船舶所处水域水位深度，所述GPS用于采集船舶当前位置信息。
[0023]所述数据通讯单元包括串口服务器、以太网交换机和协议转换器。其中所述数据采集单元通过串行通讯接口与所述串口服务器连接，所述串口本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于数字孪生的船舶能效管理系统功能验证平台，其特征在于，包括：传输单元，接收待测能效管理系统将应用的船舶的航行数据，所述航行数据包含能耗数据和通航环境数据；实船数字孪生体，其为船舶及通航环境的数字孪生模型，通过集成整个航次船舶航行过程中船舶状态和通航环境的历史数据，利用设计的数字孪生模型模拟仿真整个航次全时域航行状态，形成虚拟的数字孪生体，利用设计数字孪生体模拟分析整个航次的能耗数据，用于验证所述待测能效管理系统的有效性；数据传输接口，将所述实船数字孪生体中模拟仿真的航行过程数据导入所述待测能效管理系统，将所述待测能效管理系统中优化的真实能耗优化数据传输到真实能耗优化数据端口以备验证；以及能效功能测试平台模块，利用所述实船数字孪生体模拟仿真的结果数据，以及所述待测能效管理系统的优化数据，判定所述待测能效管理系统的优化效果。2.根据权利要求1所述的基于数字孪生的船舶能效管理系统功能验证平台，其特征在于，所述实船数字孪生体包括：数据存储调度模块，接收所述传输单元接收的全航行数据，并且将其分类储存为环境及航行状态数据和能耗数据，来模拟仿真实船舶航行状态，具体包括：模拟全航程的通航环境状况，作为所述待测能效管理系统的优化参考；模拟全航程的燃油消耗，作为验证的参考量；虚拟能耗数据库，用来人为设置全航程不同航段的通航环境状况，并预测对应虚拟能耗数据；此外将人为设置全航程不同航段的通航环境状况，作为所述待测能效管理系统的优化参考。3.根据权利要求2所述的基于数字孪生的船舶能效管理系统功能验证平台，其特征在于，通过数字孪生技术将所述数据存储调度...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁裕鹏，胡东亮，王康豫，陈明爽，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：