СПОСОБ И СИСТЕМА ДЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СУДОВЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ
METHOD AND SYSTEM TO OPTIMISE SHIP POWER SUPPLY OPERATION

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение касается оптимизации использования источников энергии.
Уровень техники
Основными слагаемыми стоимости в судостроительной промышленности являются капитальные вложения и эксплуатационные расходы. Постройка судна представляет собой дорогостоящую задачу, в которой основные инвестиционные решения принимаются на стадии первичного проектирования, т.е. до того, как проект передается на судостроительную верфь. Например, полная стоимость постройки перерабатывающего сейнера для кошелькового лова длиной 84 м составляет около 20 миллионов евро. К этой сумме добавляются расходы на проектирование, включая создание предварительного проекта и его окончательную доработку, составляющие от 5 до 7% полной стоимости. Расходы на проектирование столь низки из-за наличия сильной и долгосрочной конкуренции между консультантскими компаниями и могут покрыть лишь создание основного инженерного проекта судна. В настоящее время на этом рынке появляются новые конкуренты, например польские консультантские компании, осваивающие западноевропейский рынок и предлагающие еще более низкие расценки на проектирование. Реакция на эту конкурентную ситуацию до сих пор выражалась в повышении уровня стандартизации конструкций судов, что позволяло консультантским компаниям продавать один и тот же проект нескольким разным судовладельцам. Повторное использование проектов судов связано с риском получения заказчиком неоптимального решения и, как следствие, неоптимальной работы судна в реальных условиях рыболовного промысла.
Производственные расходы и затраты на обслуживание представляют собой основные составляющие суммарной стоимости эксплуатации судна. Производственные расходы состоят главным образом из расходов на горюче-смазочные материалы, а значительную часть затрат на обслуживание составляют расходы на ремонт судна и такелажа, а также другие расходы, например на страхование судна.
Затраты на обслуживание могут изменяться от года к году, в частности, в случае повышения стоимости обслуживания, вызванного инспекцией страховых компаний.
Для производства энергии, используемой для работы двигателя и выработки электроэнергии, применяют подачу энергоносителя (топлива) в силовую установку, предусмотренную на борту судна. Коэффициент полезного использования подаваемого топлива составляет от 38 до 42%; остальная энергия расходуется на тепловые потери (например, охлаждение) и потери с выхлопом. Часть тепловой энергии используется на некоторых судах для производства пресной воды и для обогрева оборудования. На перерабатывающих судах, особенно на траулерах для ловли креветки и моллюсков, выхлопные газы используют для производства пара для перерабатывающего цеха.
Для судов были разработаны различные силовые установки, например традиционная система с дизельными двигателями, содержащая один основной дизельный двигатель и вспомогательные двигатели. Основной двигатель подает механическую энергию на гребной винт и на электрогенератор, который производит электрическую энергию для всех потребителей электроэнергии. Гребной винт чаще всего представляет собой винт с изменяемым шагом, причем тягу винта можно регулировать изменением шага винта. Известны также и другие системы, которые, однако, не получили широкого применения. Одна из таких систем представляет собой дизель-электрическую систему, в которой дизельные двигатели служат механическим приводом электрогенераторов, производящих электроэнергию для сети подачи электроэнергии. Гребной винт представляет собой винт с фиксированным шагом, приводимый в движение электродвигателем с изменяемой частотой, и тягу винта регулируют изменением частоты вращения винта. Другая система представляет собой гибридную дизельную систему и является комбинацией двух вышеописанных систем. В данной системе силовая установка аналогична используемой в традиционной системе за исключением того, что гребной винт соединен зубчатыми передачами как с дизельным двигателем, так и с электродвигателем. Электродвигатель может быть запущен в случае отказа основного двигателя или для содействия основному двигателю во вращении винта.
До сих пор проводилась значительная работа, направленная на минимизацию гидродинамического сопротивления корпуса и оптимизацию тяги гребного винта, а также на оптимизацию подсистем и компонентов. Однако крайне мало внимания уделялось общей конструкции судовой энергетической системы или изучению взаимодействия между подсистемами, корпусом судна и гребным винтом, а также связанного с ними энергопотребления.
В последние годы сроки проектирования и постройки судов постоянно сокращались; в настоящее время промежуток между подачей заказа и поставкой судна с верфи обычно составляет от 15 до 20 месяцев. Такое сравнительно короткое время выполнения заказа обеспечивается тщательным планированием проекта до начала судостроительных работ на верфи. Поэтому этапы предварительного проектирования и инженерного проектирования приобретают все большее значение, т.к. в настоящее время после начала судостроительных работ на верфи внесение в конструкцию судна изменений без задержки исполнения проекта стало затруднительным. До 80% стоимости проекта распределяется в соответствии с решениями, принятыми на этапе предварительного проектирования, в то время как на стадии инженерного проектирования распределяется 30% стоимости, а на стадии реализации - 10% стоимости проекта. Поэтому возможность влияния на стоимость проекта выше всего на стадии предварительного проектирования, на которой принимается большинство основных решений; на остальных стадиях проекта таких возможностей меньше. Это справедливо не только для судостроительной, но и для химической промышленности, в которой, по данным исследований, решения, принимаемые на стадии предварительного проектирования, определяют распределение приблизительно 80% суммарных затрат на реализацию проекта.
Наиболее широко распространенная процедура постройки нового судна предполагает, что судовладелец предлагает свой проект консультантской компании, которая проводит соответствующий анализ требований в тесном сотрудничестве с судовладельцем. Непосредственно после завершения анализа требований компания начинает работу над индивидуальным инженерным проектом для данного судовладельца. В альтернативном варианте судовладелец может приобрести у консультантской компании или судостроительной верфи уже спроектированное судно, тем самым вступив в группу судовладельцев, производящих постройку серии однотипных судов. Сравнение этих двух наиболее часто используемых схем показывает, что заранее спроектированные суда продают по более низким ценам, поскольку это дает консультантским компаниям и верфям возможность многократного использования конструкций. Недостаток заранее спроектированных судов заключается в том, что судовладелец имеет ограниченные возможности выбора в процессе постройки судна. С другой стороны, когда судно проектируется специально для данного судовладельца, это обеспечивает точное соответствие его конструкции предполагаемому использованию. Недостаток индивидуального проектирования часто заключается в более высокой инвестиционной стоимости судна.
Современные методы проектирования судов чаще всего основаны на обширном опыте участвующих в нем инженеров и их технических знаниях в области судостроения. Методы и конструкции могут использоваться повторно, а ценный опыт, накопленный в процессе реализации одного проекта, затем используется в последующих работах. Кроме того, вероятность получения экономически целесообразной конструкции с минимальными капитальными затратами и эксплуатационными расходами, т.е. с минимальной чистой приведенной стоимостью, ограничена. Все более жесткая конкуренция между компаниями данной отрасли, вызывающая снижение цен на проектирование и компоненты судов, а также общее увеличение размеров и сложности судов требуют применения новых, более эффективных методов проектирования. Существует потребность в более надежных методиках и инструментах, которые позволили бы инженерам проектировать более экономичные суда в разумные сроки и в рамках приемлемой стоимости проектировочных работ.
Современный процесс постройки судна начинается со стадии предварительного проектирования, за которой следует стадия окончательного проектирования, и заканчивается собственно постройкой судна. Стадии предварительного проектирования уделяется недостаточное внимание, в результате чего проект переходит от анализа требований непосредственно к инженерному проектированию.
Потребление топлива рыболовецкими судами, работающими в Северной Атлантике, за последние десятилетия значительно возросло. Существуют три основные причины такого роста. Во-первых, на судах устанавливают энергетические системы чрезмерного размера, что приводит к снижению суммарного энергетического кпд. Во-вторых, увеличивается масса рыболовных орудий, и, в-третьих, повышается сложность судовых энергетических систем. Проектирование рыболовецкого судна и его бортовой энергетической системы является сложной задачей, в которой на конструкцию судна влияют многочисленные факторы, например скорость, требуемая для различных операций, тип рыболовных орудий и методы их использования, а также необходимая мощность энергопотребления в зависимости от различных параметров, например размера ловушек. При проектировании рыболовецких судов конструкторы опираются на долговременный опыт и накопленные в течение долгого времени технические знания. Консультантские фирмы и судостроительные верфи предлагают все более низкие цены, что ограничивает возможности поиска остро необходимых усовершенствований в проектировании более эффективных судов. Компьютерное моделирование, имитационные эксперименты и оптимизация редко используются проектировщиками в связи с отсутствием разработанных методик и проектировочных средств.
Патентная публикация US 2005/0106953 A1 описывает гибридную движительную систему, содержащую основной дизельный двигатель, приводящий в движение судовую турбину, и электродвигатель. Номинальная выходная мощность электродвигателя составляет не менее 20% номинальной выходной мощности основного дизельного двигателя. Электродвигатель постоянно остается включенным и, в сочетании с гребным винтом с переменным шагом, поддерживает эффективный режим работы основного дизельного двигателя. Сочетание основного дизельного двигателя с электродвигателем также обеспечивает возможность разработки более экономичной конструкции или режима работы движительной системы.
Патентная публикация US 2004/0117077 A1 описывает изобретение, касающееся электрической системы судна, содержащей в качестве компонентов генераторы, элементы, потребляющие электроэнергию, например электромоторы, и судовую систему электропитания, снабженную распределительными элементами и т.п. Данная электрическая система отличается тем, что обеспечивает достаточное энергоснабжение во всех режимах работы судна, причем компоненты системы автоматически управляются стандартными цифровыми модулями.
Патентная публикация WO 96/14241 A1 описывает управляющее устройство, позволяющее обеспечить оптимальное использование энергии, подаваемой основным источником энергии судна. Энергию подают на двигатели, обеспечивающие перемещение судна в продольном направлении, и в некоторых случаях на двигатели, обеспечивающие перемещение судна в поперечном направлении, а также на имеющиеся двигатели, обеспечивающие работу других элементов судна. Устройство содержит электрическую схему управления, соединяющую основной источник энергии, генераторы и двигатели с системой маневрирования, с системой управления с программируемой логикой (PLS) и при необходимости с системой глобального позиционирования (GP). Система PLS получает информацию о требуемом перемещении судна, например, от системы маневрирования или от системы GP и передает двигателям регулирующие их работу управляющие импульсы, сформированные при помощи программы оптимизации данных так, чтобы обеспечить требуемое перемещение судна с минимальными затратами энергии.
Раскрытие изобретения
В соответствии с настоящим изобретением предлагается новая методика и новое средство проектирования для разработки общей конструкции и режимов работы энергетической системы судна. Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в повышении эффективности проектирования судов благодаря использованию проектировщиками усовершенствованной методики и применения ими средств, способствующих разработке более эффективных судов. Применение настоящего изобретения позволяет выполнить все задачи стадии предварительного проектирования и обеспечить разработку судов экономически выгодной конструкции. Кроме того, проектная модель используется для оптимизации текущих расходов на эксплуатацию работающего судна путем приема сигналов от сети датчиков, моделирования работы судна и соответствующей корректировки параметров энергетической системы. Таким образом, изобретение состоит из двух частей, которые, однако, являются неотъемлемыми компонентами общего целого: во-первых, способа оптимизации конструкции судов и, во-вторых, способа оптимизации режима работы судов.
В рамках настоящего изобретения термин «топливо» обозначает любой энергоноситель, например ископаемое топливо, водород и т.д. Использование других источников энергии не должно рассматриваться как выходящее за пределы существа и объема настоящего изобретения; специалисту в данной области очевидно, что любые подобные применения изобретения входят в объем изобретения, определяемый пунктами прилагаемой формулы.
В соответствии с одним из аспектов настоящее изобретение предлагает способ создания компьютерной имитационной модели судна, оптимизированной для обеспечения топливной эффективности, причем указанный способ включает в себя следующие шаги: создание компьютерной имитационной модели указанного судна на основе заранее определенных ограничений; оптимизацию указанной компьютерной имитационной модели для получения оптимизированной целевой функции; воспроизведение указанной компьютерной имитационной модели; анализ указанной оптимизированной целевой функции; причем создание указанной компьютерной имитационной модели включает в себя выбор, по меньшей мере, одного уравнения из набора уравнений, содержащего уравнения узла корпуса судна; уравнения узла движительной системы; и уравнения узла машин, механизмов и конструкций; и данных из набора данных, описывающих характеристики основных компонентов и конструкций судна, причем воспроизведение указанной компьютерной имитационной модели включает в себя применение значений из указанного набора данных, описывающих характеристики компонентов, к указанному набору уравнений для оптимизации топливной эффективности указанного судна, а анализ указанной оптимизированной целевой функции включает в себя сравнение конструктивных параметров указанной оптимизированной компьютерной имитационной модели с указанными заранее определенными ограничениями.
В соответствии с другим аспектом настоящее изобретение предлагает компьютерную программу или пакет компьютерных программ для выполнения в процессоре, причем при выполнении указанной программы или пакета программ процессор осуществляет описанный выше способ.
В соответствии с дальнейшим аспектом настоящее изобретение предлагает систему для создания оптимизированной компьютерной имитационной модели судна, содержащую интерфейс «человек-машина»; вычислительные средства; компьютерный программный продукт; базу данных, причем оператор создает компьютерную имитационную модель судна путем ввода конструктивных параметров в указанный интерфейс «человек-машина» и оптимизации указанной компьютерной имитационной модели путем выдачи указанным вычислительным средствам команды на осуществление указанных процедур воспроизведения и оптимизации, закодированных в указанной компьютерной программе, причем указанные вычислительные средства передают итоговую модель оператору через интерфейс «человек-машина» и обеспечивают возможность сохранения указанных результатов в памяти.
В соответствии с дальнейшим аспектом настоящее изобретение предлагает способ оптимизации процесса постройки судна для обеспечения топливной эффективности, предусматривающий использование вышеописанной системы.
В соответствии с дальнейшим аспектом настоящее изобретение предлагает способ оптимизации топливной эффективности судна, включающий в себя следующие шаги: сохранение компьютерной имитационной модели указанного судна, причем указанная модель оптимизирована для обеспечения топливной эффективности; получение, по меньшей мере, одного сигнала от одного или нескольких датчиков; формирование одного или нескольких оптимизированных параметров на основе указанной компьютерной имитационной модели с учетом указанных сигналов; вывод указанных параметров на интерфейс «человек-машина» или систему управления.
В соответствии с дальнейшим аспектом настоящее изобретение предлагает компьютерную программу или пакет компьютерных программ для выполнения в процессоре, причем при выполнении указанной программы или пакета программ процессор осуществляет способ оптимизации топливной эффективности судна.
В соответствии с дальнейшим аспектом настоящее изобретение предлагает устройство хранения данных, выполненное с возможностью чтения компьютером, содержащее компьютерную программу или, по меньшей мере, одну компьютерную программу из пакета компьютерных программ для оптимизации топливной эффективности судна.
В соответствии с дальнейшим аспектом настоящее изобретение предлагает систему для оптимизации топливной эффективности судна, содержащую процессор; хранилище данных, в котором содержится компьютерная имитационная модель судна, причем указанная модель оптимизирована для обеспечения топливной эффективности; и сеть датчиков для контроля параметров указанного судна; причем указанный процессор обеспечивает генерирование одного или нескольких оптимизированных параметров на основе указанной компьютерной имитационной модели с учетом одного или нескольких сигналов, полученных от указанной сети датчиков, и вывод указанных оптимизированных параметров на интерфейс «человек-машина» или систему управления.
Краткое описание чертежей
На чертежах:
- на фиг.1 представлена блок-схема основных частей методики по изобретению;
- на фиг.2 представлена схема модуля генерирования оптимизированных моделей;
- на фиг.3 представлена схема судовой системы оптимизации режима работы;
- на фиг.4 представлена схема модуля оптимизации режима работы;
- на фиг.5 представлена диаграмма состояний алгоритма оптимизации конструкции;
- на фиг.6 представлена схема теплообменника;
- на фиг.7 представлена схема модели теплообменника;
- на фиг.8 представлены два компонента модели, соединенные по каскадной схеме;
- фиг.9 иллюстрирует пример оптимизируемой системы охлаждения;
- на фиг.10 представлена таблица результатов оптимизации;
- на фиг.11 представлен график процесса оптимизации режимов работы в соответствии с вариантом 1;
- на фиг.12 представлен график процесса оптимизации режимов работы в соответствии с вариантом 2;
- на фиг.13 представлена таблица двух вариантов оптимизации;
- на фиг.14 представлен график процесса охлаждения в варианте 1;
- на фиг.15 представлена схема общей конфигурации и соединений;
- на фиг.16 представлена схема процедуры сбора данных;
- на фиг.17 представлена схема основных функций модуля оптимизации режимов работы.
Осуществление изобретения
Потребление топлива на судне зависит от совместной работы элементов машинной системы судна и подвержено влиянию внешних факторов, таких как погодные условия и течения. С учетом того, что затраты на топливо представляют собой одну из наиболее значительных статей расходов на судне, и учитывая отрицательное воздействие потребления топлива на окружающую среду, важно обеспечить его контроль и минимизацию.
В настоящем описании использована следующая терминология:
ПЛК
Программируемый логический контроллер
ОРС
Набор стандартов обмена данными с ПЛК и другим оборудованием
Сервер ОРС
Обеспечивает обмен информацией с одним или несколькими ПЛК и объединяет протоколы нижнего уровня
Клиент ОРС
Обеспечивает соединение с одним или несколькими серверами ОРС для чтения и записи значений в ПЛК
NMEA
National Marine Electronics Association (Стандарт связи Национальной ассоциации морской электроники США)
Meta Power
Система измерения мощности и вращающего момента валов
Ack
Подтверждение (распознавания)
GPS
Система глобального позиционирования
Метка
Элемент, контролируемый и/или управляемый и регистрируемый в системе; например, измеренное значение температуры, уровень давления, производное значение, рассчитанное по другим данным измерений, и т.п.
UI
User Interface (Интерфейс пользователя)
GUI
Graphical User Interface (Графический интерфейс пользователя)
HMI
Human Machine Interface (Интерфейс «человек-машина»)
Полоса нечувствительности
Диапазон допустимых изменений значения
Подсказка
Ярлык, отображающий текстовое сообщение при помещении курсора мыши на определенные объекты на экране монитора.
Pdf
Portable document format (Формат переносимых документов)
RAID
Redundant Array of Independent Disks (Избыточный массив независимых дисков). Дисковая подсистема, используемая для повышения производительности или обеспечения устойчивости к отказам.
NA
Неприменимо
TCP
Transmission Control Protocol (Протокол управления передачей). Протокол TCP обеспечивает полное и точное отправление сообщений.
UDP
User Datagram Protocol (Пользовательский протокол передачи данных). Протокол в наборе протоколов TCP/IP, используемый вместо TCP в случаях, когда надежность доставки не важна.
LAN
Local Area Network (Локальная сеть)
ODBC
Open DataBase Connectivity (Открытый интерфейс взаимодействия с базами данных). Интерфейс программирования баз данных производства компании Microsoft, предоставляющий приложениям Windows общий язык для доступа к сетевым базам данных.
Топливо
Любой энергоноситель, например ископаемое топливо, водород и т.п.
Разумеется, в описанный вариант осуществления изобретения могут быть внесены различные изменения. Такие изменения не должны рассматриваться как выходящие за рамки сущности и объема настоящего изобретения; специалисту в данной области очевидно, что любые подобные изменения входят в объем изобретения, определяемый пунктами прилагаемой формулы.
Нижеследующий неполный перечень уравнений приведен в целях иллюстрации методики создания вышеописанной компьютерной модели. Разумеется, приведенный перечень уравнений узлов модели не является исчерпывающим и не должен ограничивать сущность и объем настоящего изобретения. Возможное использование других уравнений, очевидное специалистам в данной области, не следует рассматривать как выходящее за рамки сущности и объема настоящего изобретения; специалисту в данной области очевидно, что любые подобные изменения входят в объем изобретения, определяемый пунктами прилагаемой формулы. Система уравнений компонентов, используемая для описания указанного судна, может быть выбрана из следующих групп: уравнения узла корпуса судна, включая уравнения для расчета: коэффициента заполнения судна, коэффициента плоскости ватерлинии, коэффициента полноты мидель-шпангоута, коэффициента продольной полноты, сопротивления трению, продольного положения центра водоизмещения, сопротивления выступающих частей, волнового сопротивления, вихревого сопротивления, сопротивления носовому давлению, аэродинамического сопротивления, скорости кильватерной струи и сопротивления гребного винта; уравнения узла тяги, включая уравнения для расчета коэффициента увеличения площади поверхности лопастей, кпд винта, коэффициента тяги и коэффициента момента винта, процесса сгорания топлива, суммарного кпд, среднего давления, удельного расхода топлива, коэффициента избытка воздуха при сгорании, тепловых потерь в охлаждающей воде теплообменника, тепловых потерь в смазочном масле теплообменника и теплопередачи в окружающую среду; уравнения узлов механизмов и конструкций, включая уравнения для расчета потерь давления в теплообменных трубах, процесса объемного кипения, процесса конвективного кипения, процесса пузырькового кипения, коэффициентов теплопередачи, потока вне труб испарителя, числа Рейнольдса, температуры конденсации, числа Прандтля и числа Нуссельта, причем вышеупомянутый набор уравнений описывает судно в соответствии с анализом требований (4) (заранее определенными требованиями).
Ниже приведено более подробное описание изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи. Как указано выше, общая методика, иллюстрируемая общей схемой (см. фиг.1), содержит две неотъемлемые части. Первая часть представляет собой способ, компьютерное программное обеспечение и систему для моделирования, а также средства оптимизации и моделирования для оптимизации конструкции судна с точки зрения топливной экономичности, см. схему (см. фиг.2). Вторая часть представляет собой способ, компьютерное программное обеспечение и систему для оптимизации топливной экономичности в процессе эксплуатации судна, см. схему (см. фиг.3).
Разработка простых описательных моделей энергетических систем не всегда требует применения систематических методов моделирования для обеспечения возможности общего контроля программного кода разработчиком модели. Однако использование систематических методов необходимо в разработке сложных моделей энергетических систем, включающих в себя сотни переменных, которые описывают участвующие в модели компоненты и системы. Все компоненты, такие как насосы, двигатели, силовые установки, а также трубы, электропроводка и оси, соединяющие различные основные компоненты, должны быть включены в модель. Каждому из компонентов могут соответствовать параметры, дифференциальные и алгебраические переменные, а также переменные управления. Параметры представляют собой входные переменные (исходные данные), а дифференциальные и алгебраические переменные (проектные переменные) должны быть рассчитаны или разрешены решающей системой. На первой стадии проектирования оператор должен ввести в компьютер характеристические переменные и значения для компонентов, которые будут использованы при постройке судна. Характеристические значения для всех компонентов сохраняют в базе данных; в конечном итоге получают сохраненную в компьютере библиотеку компонентов, причем содержащиеся в ней данные по компонентам могут впоследствии быть многократно использованы при создании различных моделей.
Процедура создания компьютерной модели включает в себя следующие шаги:
- (100) инициализация параметров управления, осуществляющих управление исполнением алгоритма, и воспроизведение компьютерной модели посредством нижеописанных операций до получения оптимального решения или превышения максимального числа попыток:
- (101) генерирование новой пробной конфигурации;
- (102) временная замена старой пробной конфигурации на указанную новую пробную конфигурацию;
- (103) расчет переменных ограничений;
- (104) разрешение указанной модели и вычисление целевой функции;
- (105) оптимизация целевой функции;
- в случае если оптимальное решение не получено, осуществление дополнительных шагов:
- (106) вычисление расхождений с ограничениями;
- (107) вычисление оптимального значения (штрафной функции); и
- возврат к шагу (101);
- (108) сохранение оптимизированной целевой функции;
- (109) проверка на превышение предельного числа итераций;
- (110) окончательное получение оптимизированной компьютерной модели;
причем итоговая оптимизированная и воспроизведенная компьютерная модель соответствует оптимальной конструкции судна с точки зрения удовлетворения заранее определенным требованиям и ограничениям, а переменные ограничений определяют предельные значения конструктивных параметров, например максимальное/минимальное количество и характеристики основных двигателей; максимальное/минимальное количество и характеристики вспомогательных двигателей; максимальное/минимальное количество, тип и характеристики гребных винтов; максимальный/минимальный диаметр винта; максимальную/минимальную суммарную длину и конструкцию корпуса судна; максимальное/минимальное количество, тип и характеристики охлаждающих установок; максимальный/минимальный объем цилиндров двигателей; причем для каждой модели может быть одновременно выбрано несколько переменных ограничений.
Рассмотрим в качестве иллюстрации данной концепции пример теплообменника и его компонентной модели.
На фиг.6 представлена схема испарителя (50). Компонентную модель испарителя формируют путем выделения точек соединения. Точка, в которой испаритель соединен с приемной линией, помечена как точка (51) соединения. Точка (55) соединения соответствует впуску жидкости от расширительного клапана. Точка (53) соединения соответствует впуску воды, а точка (52) соединения - выпуску воды. Элемент (54) обозначает тепловые потери в окружающую среду, вычисляемые в узле компонента. Данные пять точек соединения определяют теплопередачу, связанную с теплообменником. Однако с каждой из точек соединения кроме точки (54), которая обозначает потери тепла, связаны четыре переменные: тип флюида, массовый расход, давление и энтальпия.
Таким образом, соответствующий теплообменнику компонент (56) модели, представленный на фиг.6, содержит 5 соединителей с 17 выводами, которые необходимо соединить с теми компонентами модели, которые обеспечивают ввод в теплообменник, а также с последующими компонентами модели, связанными с теплообменником. Выводы (51x) соответствуют точкам, в которых испаритель соединен с приемной линией, причем выводы (51a, b, c, d) обозначают соответственно тип флюида (теплоносителя), массовый расход, давление и энтальпию. Аналогичным образом, выводы (55x) соответствуют точкам, в которых испаритель соединен с линией подачи флюида после расширительного клапана, причем выводы (55a, b, c, d) обозначают соответственно тип флюида (теплоносителя), массовый расход, давление и энтальпию. Выводы (53x) водяного охлаждения точно так же соответствуют точкам, в которых испаритель соединен с линией ввода охлаждающей воды, причем выводы (53a, b, c, d) обозначают соответственно тип флюида (теплоносителя), массовый расход, давление и энтальпию. Соответственно выводы (52x) соответствуют точкам, в которых испаритель соединен с линией вывода охлаждающей воды, причем выводы (52a, b, c, d) обозначают соответственно тип флюида (теплоносителя), массовый расход, давление и энтальпию. Наконец, вывод (54) представляет потери тепла в окружающую среду.
При соединении компонентов по каскадной схеме (см. фиг.8) каждый из составляющих каскад компонентов наследует на входе информацию, выводимую из предыдущего компонента. Отношения наследования можно проиллюстрировать следующей обобщенной системой уравнений.
Каждый компонент, например теплообменник, может быть определен обобщенным линейным уравнением, описывающим тип флюида, импульс, непрерывность и энергию:
где:
- Fluid - тип флюида,
- Р - давление,
- h - энтальпия,
- m - массовый расход,
- W - работа,
- Q - теплопередача,
- Param. - параметры,
- Contr. var. - переменные управления, а
- Design var. - проектные переменные.
Вышеприведенные четыре уравнения содержат восемь переменных. Однако эти восемь переменных не полностью описывают замкнутую систему. Чтобы сделать систему замкнутой, необходимы еще четыре уравнения, которые соединяют вывод компонента II с вводом компонента I. Еще два компонента необходимы для соединения системы с внешним миром - это компонент слива и компонент источника. Компоненты слива и источника не имеют переменных, но содержат параметры расхода, энтальпии и давления. Четыре дополнительные уравнения, необходимые для соединения системы с внешним миром, добавляют в систему путем соединения компонентов с компонентами слива и источника.
Как обсуждалось выше, каждый компонент (гребной винт, насос, теплообменник и т.д.) описывают при помощи уравнения компонента. Помимо характеристического уравнения, каждому компоненту приписан коэффициент стоимости.
В процессе моделирования и оптимизации конструкции оператор, осуществляющий проектирование судна, взаимодействуя с интерфейсом (5) «человек-машина» (HMI), вводит в компьютерную программу информацию, полученную из анализа (4) требований. Такая информация включает в себя уравнения компонентов и их коэффициенты стоимости. По завершении ввода информации оператор приводит в действие модуль (6) моделирования и оптимизации, который, в свою очередь, создает и выводит оптимизированную модель (7) судна.
Чтобы сформулировать задачу синтеза в виде задачи моделирования, оператор разрабатывает представления всех альтернативных конструкций, которые в дальнейшем рассматривают как кандидаты в возможное оптимальное решение. Для формулирования возможных альтернатив используют методику оптимизации суперструктуры. Использование данной методики при помощи технологий компьютерного моделирования позволяет оценить гораздо более широкий набор блок-схем, чем обычно удается рассмотреть при помощи известных методов разработки процессов. Основное назначение суперструктуры заключается в обеспечении возможности учета всех сложных связей между всеми потенциальными компонентами системы и выбора комбинации, минимизирующей или максимизирующей некоторую целевую функцию.
В качестве примера осуществления настоящего изобретения на фиг.9 представлена суперструктура однокаскадной рефрижераторной установки. Каждая функция системы включает в себя в каждом положении три возможных элемента (компонента) процесса. Наборы элементов процесса, входящих в систему, соединены между собой соединениями и разветвителями. Оптимизированная конструкция структуры создана с использованием переменных решений и ограничена наложенными на нее ограничениями задачи. На фиг.9 представлены следующие наборы элементов процесса: EV - три альтернативных охлаждающих насоса испарителя, EV - три разных варианта выбора размеров испарителя, СО - компрессоры, CD - конденсаторы и RC - три разных варианта выбора размеров насосов охлаждающей воды для испарителя. В процессе оптимизации выбирают один или несколько элементов процесса, которые включают в описание улучшенной блок-схемы с учетом ограничений оптимизации и целевого решения задачи.
Следующий пример касается конструкции системы охлаждения морской воды (системы RSW) сейнера для кошелькового лова.
Е
Е
E
Рассмотрены два варианта, в одном из которых температура испарения ограничена значением Т=266 К, а в другом - Т=269 К. Система должна обеспечивать охлаждение 350000 кг воды от 288 К до 276 К в течение 5 часов. Требуемая минимальная холодопроизводительность Q для данной задачи приблизительно равна 910 кВт.
tube
E
Максимальная скорость v в трубах теплообменника составляет 3,6 м/с, а минимальная допустимая температура T испарения равна 266 К (вариант 1) или 269 К (вариант 2).
Задачу оптимизации решают на основе компьютерной модели, включающей в себя критерии производительности - целевую функцию и ограничения, которым должны удовлетворять проектные переменные. В общем случае задача оптимизации имеет вид:
Минимизировать f(y)
k
При условиях: g(y) k=0, 1, …, m
L≤y≤U
k
ij
где f(y) - оптимизируемая целевая функция, g(y) - ограничения задачи, a L и U - векторы, содержащие соответственно нижние и верхние пределы значений y. Переменные у решения представляют значения, которые необходимо определить с использованием алгоритма оптимизации. В зависимости от конкретной решаемой задачи такие переменные могут иметь непрерывные (вещественные) и/или целые значения. При этом используют метод формулирования функции стоимости для каждого компонента в двоичных переменных. В таком случае для каждого компонента стоимость представляет собой постоянную величину, и задача сводится к выбору из нескольких разных типов компонентов, представленных в суперструктуре, с использованием двоичных переменных y, указывающих на то, включен ли данный тип компонента в модель.
i,j
Двоичная переменная получает значение 1 в случае, если данный тип компонента включен в модель, и значение 0 в противном случае. В такой формулировке определяют заранее установленный набор компонентов (суперструктуру), из которого по значениям двоичных переменных y выбирают несколько разных типов компонентов.
Используя такую формулировку с двоичными переменными, данную методику применяют для оптимизации системы охлаждения, представленной на фиг.9, которая иллюстрирует суперструктуру системы RSW (накопительный резервуар не представлен). Решаемая задача заключается в минимизации суммарной годовой стоимости эксплуатации при условии поддержания накопительного резервуара при заданной температуре.
Модель системы RSW рассматривается как модель частично целочисленного нелинейного программирования (Mixed Integer Non-Linear Programming, MINLP) устойчивого состояния, в которой для обозначения включения компонентов в конструкцию используют дискретные переменные. Нелинейные члены получают из вычислений площади теплообменников, кпд работы установки, термодинамических свойств и энергетических балансов. В задаче оптимизации описывают только соединения между каждыми двумя компонентами, которые и используют для выбора возможных компонентов.
ij
ij
ij
i1
i2
i3
i4
i5
ij
e
Задачу оптимизации формулируют следующим образом: определяют двоичные переменные y так, что y=1, если компонент типа i используют в положении j, и y=0, если данный компонент в данном положении не используют. На фиг.9 представлено 5 положений (RE, EV, CO, CD, RC) расположения компонентов, причем оборудование для каждой точки может быть выбрано из трех вариантов. Таким образом, задача включает в себя следующие двоичные переменные: y для насоса со стороны охлаждающей воды испарителя, y для испарителя, y для компрессора, y для конденсатора и y для насоса конденсатора. Целевая функция f(y) должна обеспечить минимизацию годового уровня расходов на питание и капиталовложения. W обозначает мощность, потребляемую компонентом i в положении j, c - стоимость электроэнергии, t - суммарное время эксплуатации за год, a Cij - капитальные затраты на эксплуатацию компонента i в положении j с учетом амортизации.
В результате получают следующую целевую функцию:
,
j
i
где n - количество возможных вариантов выбора оборудования в положении j, a n- количество положений. Расходы на содержание оборудования в модель не включены. В модели имеется два набора ограничений - конструктивные ограничения и термические ограничения. Первыми рассматривают конструктивные ограничения, чтобы обеспечить правильное размещение различных компонентов. Выбором компонентов управляют двоичные переменные так, что в каждом положении может быть выбран только один тип данного компонента:
Термические ограничения образуют второй набор и устанавливают следующие пределы:
E
Q≥910 кВт
E
T≥266 К (вариант 1) и 269 К (вариант 2)
EV,tube
v≤3,6 м/с
CD,tube
v≤3,6 м/с
Общую модель формируют на основе исходной суперструктуры с использованием 391 переменной с непрерывными значениями и 15 двоичных переменных. В модель также включены 3 дифференциальные переменные и 3 переменные управления.
Данные, вводимые в оптимизатор, включают в себя:
Вероятность смены варианта p′c ∈[0; 1]
Численность исходной популяции µ' ∈{1,…,100}
Численность дочерней популяции λ' ∈{1,…,100}
Число поколений G ∈{10,…,500}
Частота мутаций p′m ∈[0; 0,5]
Количество точек смены вариантов z′ ∈{1,…,3}
Целевая функция должна обеспечить минимальную годовую стоимость эксплуатации системы при ее работе в течение 4000 часов в год с учетом годового коэффициента капиталовложений, равного 0,2.
Стоимость электроэнергии основана на затратах на топливо и положена равной 0,04 евро/кВт. Стоимость компонентов и значения их производительности приведены в таблице на фиг.10.
Графики, представленные на фиг.11, иллюстрируют результаты работы оптимизатора в случае оптимизации варианта 1. Кривая (а) на этом графике соответствует лучшему решению в каждом поколении. Первое практически осуществимое решение, т.e. такое решение, в котором не нарушены конструктивные и внешние ограничения, найдено в поколении 5. После этого поиск оптимального решения продолжается. Через 17 поколений (в поколении 22) найдено лучшее решение (т.е. решение с более низкими затратами). В поколении 28 найдено еще более благоприятное решение. Это решение - лучшее из найденных на протяжении 100 поколений. Кривая (с) соответствует штрафной функции для каждого решения; следует отметить, что после 8 поколений, т.е. после нахождения первого практически осуществимого решения, штрафная функция равна нулю. Кривая (b) соответствует средней штрафной функции, значение которой колеблется в пределах от 2 до 0.
Е
Во втором варианте, проиллюстрированном на фиг.12, ограничение на температуру испарения (Т) равно 269 К, а не 266 К, как в варианте 1. В данном случае нахождение практически осуществимого решения требует большего числа поколений в связи с более значительными нарушениями ограничений на температуру испарения. Первое практически осуществимое решение получено через 79 поколений (см. кривую (с)). В поколении 90 обнаружено лучшее решение (с более низкими затратами). В оставшихся (от 90 до 100) поколениях более выгодного решения не сформировано.
Данные по лучшим найденным решениям приведены в таблице на фиг.13. В таблице обозначен выбор компонентов; результаты, полученные от оптимизатора, показывают, что суммарная годовая стоимость эксплуатации в варианте 1 несколько ниже, чем в варианте 2. Однако оптимальные значения вполне сопоставимы.
После оптимизации системы оптимальность системы может быть подтверждена воспроизведением модели. В данном примере воспроизведение модели проиллюстрировано оптимальным вариантом, т.е вариантом 1. Разумеется, аналогичное воспроизведение модели можно провести и для варианта 2. На графике, представленном на фиг.14, по левой оси ординат отложена температура в градусах Кельвина, а по правой - холодопроизводительность в ваттах и масса в килограммах. Кривая (а) показывает зависимость холодопроизводительности (Вт). Кривая (b) иллюстрирует температуру (К) в накопительном резервуаре. Кривая (с) соответствует температуре испарения (К). Воспроизведение модели начинают при температуре резервуара, равной 288 К, и массе охлаждаемой воды, равной 350000 кг. Имеются три периода охлаждения (см. фиг.14). Первый период (время предварительного охлаждения) длится от 0 секунд до 18000 секунд. Второй период длится от 18000 секунд (5 часов) до 25000 секунд. На этом этапе резервуар наполняют рыбой и охлаждают. Третий этап длится от 25000 секунд до 43200 секунд, причем на этом этапе в резервуар добавляют рыбу, поддерживая в нем заданную температуру. При добавлении рыбы в резервуар компрессор системы охлаждения останавливают и запускают снова на отметке 19800 секунд (5,5 часов).
Результаты воспроизведения модели (фиг.14, кривая b) показывают, что к концу этапа предварительного охлаждения (через 18000 секунд, или 5,0 часов) температура в резервуаре достигает значения 275,8 К. Температура испарения (фиг.14, кривая d) достигает к этому времени значения 268,5 К. В момент 0 (фиг.14, кривая а) холодопроизводительность системы составляет 1300 кВт в связи с высокой температурой испарения; к моменту 18000 секунд эта величина составляет чуть менее 910 кВт. В начале процесса масса воды составляет 350000 кг (фиг.14, кривая с), а в конце процесса, после добавления в резервуар двух уловов рыбы, масса воды и рыбы равна 710000 кг.
Воспроизведение модели показывает, что данный вариант (вариант 1) может удовлетворять проектным требованиям, установленным для системы. Низшая температура испарения в работающей системе в периоды 1 (охлаждение) и 2 (добавление рыбы в резервуар) равна 268,5 К, причем система способна охладить воду для хранения рыбы до этого уровня в течение пяти часов (180000 секунд). Суммарная годовая стоимость эксплуатации в данном варианте равна 78559 € (см. таблицу на фиг.13), а суммарный объем инвестиций составляет 223900 €.
Приведенные выше примеры и иллюстрации раскрывают методику и действие настоящего изобретения в приложении к частной задаче. При проектировании крупномасштабных энергетических систем, например для судов, моделируют каждую из рассматриваемых подсистем. Каждый компонент каждой из подсистем связывают с некоторыми уравнениями и/или параметрами. Чаще всего используют три семейства уравнений: уравнения узлов компонентов, уравнения связи между компонентами и уравнения стоимости компонентов.
Система (3) оптимизации режима работы представлена в общем виде на фиг.3. Система (3) соединена через программируемые логические контроллеры (ПЛК) с системой (9) машин и механизмов судна, а также с оборудованием (18), измеряющим различные внешние условия, и оборудованием, обеспечивающим поступление информации глобального позиционирования. Данные, собираемые в режиме реального времени, сохраняют в центральной базе (14) данных. Текущая и историческая информация о состоянии систем судна поступает в центр (12а) управления и на мостик (12b) судна. Для обеспечения возможности управления энергопотреблением система (3) обладает возможностями как выдачи пользователю рекомендаций по экономии топлива, так и автоматического управления (11) системами машин в соответствии с алгоритмами оптимизации режимов работы и пользовательскими установками. Кроме того, система содержит веб-интерфейс, обеспечивающий доступ пользователей к определенным веб-системам.
На фиг.15 представлен общий сценарий установки системы. ПЛК (19) отвечают за сбор данных измерений и необходимое управление управляемыми объектами.
Серверный компьютер (20) отвечает за обработку и оценку всех данных (текущих и исторических), за автоматическое управление и за передачу сообщений автоматического и ручного управления ПЛК (19) в случае необходимости.
Клиентские компьютеры (12) передают данные (текущие и исторические) оператору, обеспечивают в случае необходимости ручное управление и позволяют осуществлять конфигурирование системы. Одновременно может работать несколько клиентских компьютеров; в то же время клиентское программное обеспечение может также работать на серверном компьютере.
Оператор взаимодействует с системой через клиентский компьютер (12), используя для ввода информации, например, координатно-указательное оборудование (мышь и т.п.) и клавиатуру, а для вывода информации - монитор. Сбор информации о состоянии машинных систем судна с серверов ОРС осуществляют при помощи протокола ОРС. В свою очередь, система передает параметры управления управляемым объектам таким системам через интерфейс ОРС. Сбор некоторой информации, например данных GPS и MetaPower, осуществляют через протокол NMEA. Протокол TCP используют при любых операциях обмена информацией через локальные сети (LAN) кроме обмена информацией по локальной сети между Maren Server и системами NMEA: в таком случае используют протокол UDP.
Функции системы разделены на две основные категории: функции клиента и функции сервера.
Клиент
Клиент может поддерживать две конфигурации. Одна из них предназначена для центра управления (инженеров), а другая - для капитанского мостика (капитана). Конфигурации различаются числом компонентов интерфейса пользователя, доступных пользователю в панели навигации, и размерами элементов интерфейса.
Как было указано выше, оператор взаимодействует с системой через клиентский компьютер при помощи монитора, координатно-указательной системы (например, мыши) и клавиатуры. Интерфейс пользователя содержит следующие панели, доступные постоянно:
Логотип и дата/время - отображаются вместе с текущей системной датой и всемирным временем.
Панель навигации позволяет пользователю переходить от одного компонента интерфейса пользователя (UI) к другому.
Панель сообщений отображает сообщения с временными отметками и возможные рекомендации по осуществлению определенных операций. В панели сообщений предусмотрены средства подтверждения получения сообщений (с изменением их статуса с «Ожидание» на «Подтверждение»). Сообщения, получившие статус «Подтверждение» или «Отмена», автоматически удаляются из панели сообщений, но могут быть восстановлены по накопленным записям. Если сообщение содержит рекомендацию по проведению какой-либо операции, пользователь должен иметь возможность утверждения данной операции в панели сообщений с изменением ее статуса с «Ожидание» на «Утверждение». Сообщения должны быть перечислены в хронологическом порядке, а именно так, чтобы самое новое из действительных сообщений стояло в списке первым.
Системная панель отображает интерфейс выбранного в данный момент компонента интерфейса пользователя. Содержание компонента интерфейса пользователя может быть отображено на одной или нескольких страницах/экранах. Если содержание распределено между двумя или более страницами/экранами, компонент интерфейса пользователя отображает список названий таких страниц/экранов в особом разделе системной панели. Содержание каждой страницы отображается в системной панели в окне с соответствующим заголовком. В каждый момент видна одна выбранная страница. Если компонент интерфейса пользователя имеет всего одну страницу, это его основная (принятая по умолчанию) страница. При выборе компонента пользовательского интерфейса из панели навигации на экране открывается основная страница данного компонента пользовательского интерфейса.
В панели информации о рейсе отображается общая информация о текущем рейсе - например его длительность, потребление топлива и уровень расходов. На рыболовецких судах также отображается продолжительность текущего траления (часы траления), а в промежутках между операциями траления - продолжительность предыдущего траления.
В системной панели могут быть отображены следующие компоненты интерфейса пользователя.
Панель «Настройки меток» (Tag Settings) отображает определенные в настоящее время системные метки и подробную информацию о выбранной в данный момент метке.
Панель «Интерфейс «человек-машина» (HMI)» (Human Machine Interface) отображает перечень системных схем и других иллюстраций, определенных в настоящее время в системе. Панель отображает выбранную в данный момент схему или иллюстрацию. Системные схемы представляют модели систем судна и отображают текущее состояние судна. Другие иллюстрации могут отображать, например, отклонения от оптимального режима работы.
Панель «Просмотр истории работы» (History Viewer) отображает историю изменения измеренных и производных величин. Панель «Просмотр истории работы» должна содержать перечень определенных в данный момент в системе меток и названия линейчатых графиков, созданных и сохраненных для быстрого извлечения часто просматриваемых данных. Выбранный в данный момент линейчатый график должен быть отображен в панели «Просмотр истории работы». Каждый из линейчатых графиков составляют по значениям одной из системных меток или набора системных меток.
В панели «Просмотр отчетов» (Report Viewer) перечислены все типы отчетов, создаваемых системой. При выборе какого-либо типа отчета из списка составляется отчет данного типа с текущей информацией. Поле «Сводка по рейсам» (Trip Summary) содержит информацию о текущем и прошлых рейсах и позволяет редактировать некоторые характеристики рейса. Тип отображаемой информации зависит от области применения (например, на рыболовецких или грузовых судах).
Панель «Веб-интерфейс» (Web Interface) позволяет пользователю получать доступ к определенным сторонним веб-системам (например, сетевым клиентам систем электронной почты). Данная панель не должна обеспечивать полноценный интернет-доступ. В навигационной панели должны быть предусмотрены и отображены в виде отдельных элементов ноль, один или несколько таких веб-интерфейсов. В поле «История сообщений» (Message History) отображается хронологический список сообщений, созданных системой и отправленных пользователям (в панель сообщений), а также их статус («Ожидание», «Подтверждение», «Утверждение» или «Отмена»).
В панели «Библиотека схем поставщиков» (Suppliers' Diagram Library) перечислены все системные схемы и схемы трубопроводов, предоставленные поставщиками машин и механизмов судна. Пользователь должен иметь возможность обзора схем и увеличения/уменьшения масштаба схем.
Панель «Системный монитор» (System Monitor) отображает состояние служб системы.
Панель «Стабилизатор хода» (Cruise control) помогает оператору управлять идущим судном. Компонент интерфейса пользователя, относящийся к стабилизатору хода, позволяет пользователю изменять конфигурацию и ограничения системы стабилизации хода и получать информацию о ее состоянии. Также имеется возможность сопоставления различных стратегий хода.
Справочные материалы (Help) должны быть предусмотрены в виде Руководства пользователя в формате переносимого документа (pdf) с обеспечением возможности навигации по различным темам.
Сервер
Сервер в первую очередь обеспечивает обработку операций сбора данных, хранения и доставки, оптимизации режимов работы, создания и доставки сообщений, а также составления отчетов.
Сбор данных
Схема системы (37) сбора данных (DAQ) представлена на фиг.16. Система получает данные (22) измерений от ПЛК, контролирующих различные элементы машин и механизмов, и передает сигналы (23) управления элементам управления. Кроме того, система получает данные измерений и информацию (24) от внешних источников, например оборудования GPS и метеорологических приборов. Система (37) DAQ также передает сообщения (25) клиентским компьютерам и получает от них сигналы (26) управления. Модуль оптимизации режима работы также получает от системы (37) DAQ сигналы (27) измерений и передает системе (37) DAQ сигналы (28) управления. Система (37) DAQ также формирует сообщения (29) на основе измеренных значений. Система (37) DAQ также вычисляет (30) новые производные значения или метки по полученным данным измерений. Наконец, система (37) DAQ регистрирует (сохраняет) (31) значения в базе данных для их последующего извлечения с целью формирования исторических последовательностей, контроля и составления отчетов (32). Периодичность записи в базу данных может быть установлена пользователем; интервал, принятый по умолчанию, составляет 15 секунд.
Система (37) DAQ является клиентом ОРС и соединена с одним или несколькими серверами ОРС. В соответствии со спецификациями стандартам ОРС для каждого серверного соединения формируют группы меток серверов ОРС, содержащие элементы ОРС, с указанием частоты обновления (и, возможно, полосы нечувствительности). Каждый элемент ОРС приписывают к конкретной метке; например, метка «Omron_HostLink.C500.DM0015» может соответствовать состоянию «Натяжение траловой лебедки правого борта». Сервер ОРС передает системе (37) DAQ обновленные значения меток данной группы меток через интервалы, установленные для данной группы меток (например, через каждые 500 мс), только для значений, изменения которых превышают ширину установленной для данной группы меток полосы нечувствительности (например, 2%).
Метки
Каждая метка NMEA приписана к конкретной строке и номеру поля NMEA. Пример: метка «Speed [knots]» (Скорость в узлах) приписана к строке NMEA с идентификатором VTG и полю №7 в данной строке. Если система DAQ получает следующую строку NMEA: «$GPVTG,89.68,T,,M,0.00,N,0.0,K*5F», то значение метки «Speed [knots]» (Скорость в узлах) (7-е поле) устанавливают равным 0.0 узлов.
Производные метки представляют собой метки, рассчитанные по другим меткам. Они могут быть рассчитаны по измеренным меткам или другим производным меткам. Вычисление и передачу производных меток осуществляют при каждом изменении метки некоторого параметра. Метки, вычисляемые с использованием зависимых от времени функций, например скользящего среднего значения, также должны обновляться периодически.
Система DAQ должна быть соединена с системой оптимизации режима работы и получать от нее метки модели. Метки модели содержат переменные, определенные в рамках имитационной модели и обновляемые после ее решения. В качестве исходных (входных) параметров в имитационной модели используют измеренные параметры, т.е. неоптимальные параметры.
Метки таймера связаны с другими метками и какими-либо условиями. Метки таймера отмеряют время и срабатывают в момент выполнения установленного для них условия. Их можно использовать для контроля времени работы, как, например, метку «Running time of main engine» («Время работы основного двигателя») с условием «Engine RPM» («Скорость вращения двигателя») >100.
Оптимизация режима работы и передача сообщений
Система (33) оптимизации режима работы (OO) получает от системы DAQ данные (27) измерений состояния оборудования, установленного на борту судна, и использует эту информацию для повышения эффективности использования топлива. Для этого система определяет оптимальные значения рабочих параметров судна при помощи имитационной модели (7) судна. Затем оптимальные рабочие параметры используют в управлении (23) судовым оборудованием или в формировании рекомендаций (38) оператору судна по повышению энергетической эффективности эксплуатации судна.
Основное назначение данной системы заключается в производстве сигналов (23) управления и рекомендаций (38) таким образом, чтобы в случае выполнения рекомендаций расхождения между моделированными значениями и измеренными значениями через установленное время сводились в пределы заранее определенных допусков, причем моделированные значения были близки к оптимальным.
Также можно определить условие, которому должна удовлетворять определенная измеряемая переменная (метка), чтобы система OO выдавала предупреждение в случае нарушения такого условия (например, максимального или минимального значения).
Условные предупреждения (40) определяют операторы судна при помощи клиентских компьютеров (Настройки меток). Система OO получает от системы DAQ данные (27) последних измерений. Информация о конфигурации системы и ограничениях поступает из базы данных (14), но в некоторых случаях может быть скорректирована операторами судна после запуска системы. Ограничения и параметры конфигурации, которые могут быть изменены, помечены в базе данных соответствующим образом; все вносимые в них изменения регистрируют.
Конфигурация (35) системы определяет переменные, которыми должна управлять система. Конфигурацию (35) загружают из базы данных (14) при запуске системы; она может быть изменена в процессе работы системы, например при включении режима стабилизации хода, который требует от системы управления тягой гребных винтов. Ограничения (36) представляют собой условия, соблюдение которых система должна обеспечить при управлении оборудованием. Ограничения загружают из базы данных при запуске системы; они могут быть изменены в процессе работы системы. Операторы могут, например, определить ограничения применения режима стабилизации хода по времени.
Система OO содержит следующие основные модули.
Оптимизация
Модуль (10) оптимизации использует различные алгоритмы оптимизации для поиска оптимальных значений рабочих параметров. Система OO содержит алгоритмы оптимизации, обеспечивающие возможность эффективной оптимизации управления, например, системами охлаждения, системами тяги и рыболовной снастью. Задача оптимизации может быть линейной или нелинейной задачей со многими переменными, для вычисления целевой функции которой используют модуль (7) моделирования. Также должна быть обеспечена возможность интеграции в систему алгоритмов оптимизации из внешних библиотек.
Модуль (7) моделирования, описывающий систему, представляет собой внешнюю библиотеку, создаваемую заново для каждой конкретной установки.
Определение состояния
Модуль (34) определения состояния контролирует результаты измерений состояния оборудования и пытается идентифицировать операции, осуществляемые на борту судна. Возможные состояния зависят от конкретного судна; например, возможные состояния рыболовецких судов могут включать в себя следующие состояния: «траление», «выметывание», «выборка», «ход», «подготовка» и «закачка».
Регулировка
Модуль (35) регулировки используют для регулировки управляемых переменных, неоптимизированных из-за наложенных на них ограничений. Например, в режиме стабилизации хода операторы могут потребовать постоянной скорости хода судна; в таком случае для поддержания постоянной скорости потребуется регулировка упора винтов.
Управление сообщениями
Модуль (37) создания сообщений получает информацию от модуля (10) оптимизации, модуля (34) определения состояния и модуля (35) регулировки и формирует сообщения (29), передаваемые другим системам. Модуль отслеживает прохождение отправленных сообщений и регистрирует подтверждение и утверждение сообщений. Модуль создания сообщений также отменяет отдельные сообщения, когда они становятся недействительными.
Система OO генерирует сообщения восьми типов.
Сигналы управления
Сигналы (23) управления передают оборудованию, управляемому сервером (20). Они представляют собой наборы заданных параметров, передаваемые системе (37) DAQ, которая определяет, кто осуществляет управление в каждом случае (в некоторых случаях команды пользователя могут блокировать автоматическое управление), и в случае необходимости передает сигналы управления системы OO ПЛК, которые управляют соответствующим оборудованием.
Рекомендации
Рекомендации (38) представляют собой сообщения, пересылаемые на клиентский компьютер, на котором они отображаются. Сообщение (38) с рекомендациями содержит следующую информацию:
короткое текстовое сообщение, описывающее конкретную операцию, которую следует выполнить;
предполагаемый объем топлива, сэкономленного в результате выполнения данной операции.
Если операция, описанная в рекомендации, может быть выполнена системой (через управляемые ею объекты), данной операции придают элемент подтверждения. В случае подтверждения пользователем выполнения данной операции, система выполняет ее.
Предупреждения
Предупреждения (39) представляют собой короткие текстовые сообщения, формируемые в случае, если система обнаруживает, что управление судном без нарушения установленных ограничений невозможно. Например, если система настроена на управление упором гребных винтов с целью минимизации расхода топлива на милю пути при наличии ограничения, определяющего время прибытия судна к месту назначения, то система должна выдать предупреждающее сообщение в случае, если она определяет, что судно не может достичь пункта назначения в пределах установленных ограничений по времени.
Условные предупреждения
Условное предупреждение (40) представляет собой сообщение, связанное с некоторым условием.
Численные результаты
Сообщение с численными результатами (41) передают для каждой из переменных, отображаемых в интерфейсе «человек-машина». Сообщение содержит следующую информацию: измеренное значение, используемое в модели (при наличии такового), оптимальное значение и расхождение между оптимальным и измеренным значениями (при наличии измеренного значения).
Передачу сообщения с численными результатами осуществляют в случае значительных изменений состояния оборудования.
Состояние
Система OO должна регистрировать производимые на борту судна операции и передавать сообщения, определяющие текущее состояние (42) оборудования.
Длительность состояния (43)
Система OO измеряет длительность нахождения в текущем состоянии и передает сообщение с соответствующей информацией. Также возможно измерение длительности нахождения в комбинированном состоянии (группе состояний).
Возможности экономии
Сообщение (44) о возможностях экономии содержит оценку возможной экономии энергии в каждой из подсистем (тяги, охлаждения или рыболовной снасти) и оценку возможной суммарной экономии.
Каждое сообщение содержит временную отметку, определяющую время выдачи сообщения системой OO. Сообщения с рекомендациями (38), условными предупреждениями (40) и предупреждениями в состоянии «Ожидание» отображаются на клиентском компьютере; все такие сообщения независимо от их статуса также доступны в истории сообщений. Численные результаты (41) и сигналы (23) управления отображаются на клиентском компьютере. Временные ограничения, относящиеся к доставке сообщений управления, могут быть различными. В некоторых случаях может быть достаточно выдачи сообщений через фиксированные промежутки времени, например раз в две секунды; в других случаях пользователю может быть необходим немедленный ответ системы в форме сообщения, например в процессе управления шагом гребного винта и скоростью вращения основного двигателя. В таком режиме пользователь устанавливает величину упора винта, а система должна немедленно отреагировать на команду пользователя передачей сигналов управления шагом винта и скоростью вращения, которые обеспечат получение требуемой тяги. При частых изменениях величины упора, например в ходе ускорения судна, такие сигналы могут быть неоптимальными, однако при ходе судна с постоянным упором винтов управление параметрами должно быть оптимизировано.
Данная система OO применима к различным типам судов, например к рыболовецким и грузовым судам. Система OO (33) не должна требовать изменений и перестройки для каждой конкретной установки. Все параметры конфигурации системы, а именно определения переменных, описания задач оптимизации и типы используемых алгоритмов оптимизации, определены вне системы; конфигурирование системы производится автоматически в процессе ее запуска.
Составление отчетов
Модуль составления отчетов (Report Generator) осуществляет извлечение информации из базы данных (14), ее обработку и представление пользователю в форме отчета. Отчет, представляемый пользователю, основан на параметрах запроса пользователя и действиях, произведенных им с использованием компонента интерфейса пользователя Report Viewer (Средство просмотра отчетов).
Параметры и содержание отчета могут быть различными для разных областей применения. Так, например, отчеты, составленные для рыболовецких и грузовых судов, могут быть различными.
Модуль составления отчетов должен включать в себя следующие функции.
Обработка данных
Возможность настройки для использования различных хранилищ данных. Совместимость с хранилищем данных, используемым системой DAQ (37). Возможность извлечения данных из хранилища по параметрам пользовательского запроса.
Создание отчетов
Возможность отображения отчетов для их выбора и просмотра пользователем. Возможность составления отчетов в форматах HTML, PDF, Excel. Возможность планирования выдачи отчетов и их рассылки по электронной почте в соответствии со списками абонентов.
Повторная применимость отчетов
Должна быть обеспечена возможность повторного использования отчетов в сходных областях, например на других рыболовецких судах аналогичного типа.
Качество данных
Данные, необходимые для составления отчетов, зависят от области применения, потребностей пользователя и данных, имеющихся в системе DAQ и в сводке рейса (Trip Summary).