СИСТЕМА МОНИТОРИНГА ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ И ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ СУДОВ ("S3ES-NOVOSHIP)

Техническое решение относится к устройствам обработки данных для специальных применений и может быть использовано в системах управления движением морских судов, например в системе управления судами судоходной компании (пароходства).
Общие принципы построения систем управления движением судов и их технологические схемы приведены в известных источниках [16, с.64, 73; 17, т.1, с.16-20, т.2, с.56-58].
Поскольку судоходная компания (в СССР и России судоходными компаниями являются пароходства) представляет собой комплексное предприятие водного (морского) транспорта [17, т.2, с.56, 294], то систему управления судами судоходной компании следует рассматривать как систему управления предприятием (холдингом) с учетом ее специфики (так называемый 5-й уровень управления судами [16, с.64, 73]). Основными критериями эффективного производства являются показатели энергоэффективности и экологичности предприятия. Соответственно, одними из основных показателей хозяйственной деятельности судоходной компании являются энергоэффективность и экологическая безопасность судов [17, т.2, с.455].
Экологическому мониторингу на предприятиях, объектах промысла, в городах и регионах уделяется большое внимание в ряде запатентованных технических решений последнего времени: системы [13, 14] автоматизированного мониторинга на предприятии; информационно-аналитическая система [12] мониторинга объектов промысла; информационные системы [10, 11] для контроля загрязненности атмосферы; экологические системы [2, 4, 8, 9] и RU 2324957 C1, 20.05.2008, RU 78334 U1, 20.11.2008, RU 2028007 C1, 27.01.1995 сбора информации о состоянии окружающей среды в регионе (городе); морской эколого-энергетический комплекс [7]; устройство [6] экологического контроля загрязненной водной среды, донных отложений и атмосферы вдоль трассы подводного трубопровода; телеметрическая система [5] визуального и аппаратного мониторинга; автоматизированные контрольно-информационные системы [1, 3] для экологического контроля предприятий. Система контроля загрязненности водоемов (акваторий) рассматривается также в SU 1754660 А1, 15.08.1992.
Общим признаком известных устройств [2-14], как правило, является то, что они содержат пункты контроля (ПК) выбросов предприятий (пункты экологического контроля) с системой сбора информации от датчиков экологического контроля (ДЭК) состояния окружающей среды, объединенные линиями связи для передачи данных в локальные и центральные пункты. Причем дальность ПК от центральных пунктов в подавляющем большинстве устройств контроля [5-7, 9-14] ограничена, а линии связи представляют собой каналы телефонной, радио или сотовой связи.
Однако, известные устройства [1-14] не предназначены для мониторинга экологической безопасности судов и не учитывают специфику предприятия - судоходной компании. При этом недостатком ряда известных устройств контроля является невозможность обработки данных (и тем более - диалогового режима) в реальном времени и, следовательно, недостаточная оперативность. Большинство известных устройств [5-7, 9-14] ограничены по дальности действия, имеют ограниченную функциональную направленность и предназначены только для одного класса загрязнений, например, радиационных [1-4].
Дальность действия отдельных устройств контроля [2, 4, 8] может быть повышена при использовании мобильных ПК, размещенных на транспортных средствах (общественный городской транспорт, пригородные поезда и поезда дальнего следования и т.п.), а также при использовании каналов сотовой связи, но узкая специализация этих устройств на контроль только отдельных параметров загрязнения снижает их информативность.
Автоматизированная контрольно-информационная система [1] для экологического мониторинга выбросов газов предприятий, позволяющая также производить оценку энергоэффективности предприятия принята за прототип.
Система [1] содержит на объектах мониторинга пункты контроля (ПК), каждый из которых включает блок сбора данных от датчиков экологического контроля окружающей среды (ДЭК), блок определения энергоэффективности (ОЭЭ) объекта мониторинга и вычислительный комплекс сбора и обработки информации (СОИ), причем выход блока ДЭК и выход блока ОЭЭ подключены к входам вычислительного комплекса СОИ, выход которого подключен к линии связи для передачи данных в региональный пункт контроля и управления (РПКУ) и/или в центральный пункт контроля и управления (ЦПКУ).
Однако, как и другие известные устройства, система [1] не может быть использована при мониторинге совокупности показателей энергоэффективности и экологической безопасности судов, поскольку предназначена, в основном, для финансово-кредитных операций учета выбросов парниковых газов для соответствия квотам (лимитам) на выбросы по Киотскому протоколу для предприятий, проявивших инициативу в реализации этого проекта, снижающего выбросы. В [1] оценка энергоэффективности предприятий лишь декларируется, но технические средства и их работа не рассматриваются. Таким образом, недостатками системы [1] являются недостаточность составляющих ее технических средств и элементов, а также неполнота информации, что снижает ее эффективность и ограничивает область применения, исключая возможность эффективного мониторинга на предприятиях, являющихся судоходными компаниями.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в создании системы мониторинга энергоэффективности и экологической безопасности судов (специальное название: «S3ES-NOVOSHIP», представляющее аббревиатуру названия на английском языке «Ship Energy Environmental Efficiency System»; система разработана ОАО «Новошип»), реализующей на базе современной вычислительной техники, средств спутниковой связи и радионавигации максимальную синергию совокупного применения датчиков экологического контроля и измерителей энергоэффективности судов судоходной компании (пароходства).
Основной технический результат - повышение полноты, достоверности и оперативности информации при расширении диапазона контролируемых параметров, обеспечение дистанционного без ограничения дальности (глобального) мониторинга судов судоходной компании в реальном времени с точной привязкой к координатам объектов мониторинга (судов), что позволяет реализовать в соответствии с [16] эффективную систему контроля и управления судами пятого уровня.
Технический результат достигается следующим образом.
Система мониторинга энергоэффективности и экологической безопасности судов содержит на объектах мониторинга пункты контроля (ПК), каждый из которых включает блок сбора данных от датчиков экологического контроля окружающей среды (ДЭК), блок определения энергоэффективности (ОЭЭ) объекта мониторинга и вычислительный комплекс сбора и обработки информации (СОИ), причем выход блока ДЭК и выход блока ОЭЭ подключены к входам вычислительного комплекса СОИ, выход которого подключен к линии связи для передачи данных в региональный пункт контроля и управления (РПКУ) и/или в центральный пункт контроля и управления (ЦПКУ).
2
x
x
Отличительной особенностью системы является то, что пункты контроля ПК выполнены в виде бортовых модулей ПК и размещены на судах судоходной компании, РПКУ и ЦПКУ выполнены в виде береговых модулей судоходной компании, а передача информации с судовых модулей ПК в береговые модули РПКУ и/или ЦПКУ осуществляется посредством спутниковой системы связи, при этом блок ОЭЭ каждого из судовых модулей ПК выполнен с возможностью оценки энергоэффективности судна за заданный промежуток времени и содержит подключенные к информационной и управляющей шинам узел контроля технического состояния судовой энергетической установки (СЭУ), узел контроля характеристик главного двигателя и состояния пропульсивного комплекса судна при различных режимах работы, узел контроля расхода горюче-смазочных материалов (ГСМ), узел контроля скорости судна и пройденного судном расстояния, узел слежения за местоположением судна и узел синхронизации работы блока ОЭЭ во времени. Блок ДЭК включает датчики измерения концентрации выбросов газов CO, SO и NO соответственно расходу ГСМ за указанный промежуток времени. Вычислительный комплекс СОИ включает связанные посредством системных управляющей и информационной шин пульт управления, блок формирования электронной копии журнала по расходу ГСМ, репрограммируемое запоминающее устройство с базой данных о нормативах расхода ГСМ, блок сбора информации и формирования базы данных от блоков ДЭК и ОЭЭ, блок обработки информации судового модуля ПК, блок оценки результатов измерений и принятия решения, блок формирования отчетности модуля ПК, блок отображения и документирования информации и модем системы спутниковой связи с береговым модулем РПКУ. Береговой модуль РПКУ содержит модем системы спутниковой связи с бортовыми модулями ПК судов судоходной компании и сервер сбора, обработки и хранения данных, включающий связанные посредством системных управляющей и информационной шин базу данных, процессор для сравнительной оценки энергоэффективности различных типов судов судоходной компании, блок экспертной оценки, прогнозирования и экономических расчетов с соответствующим программным обеспечением, устройство отображения и документирования информации, а также блок формирования и хранения архивов.
Отличием системы также является то, что модуль берегового ЦПКУ дополнительно связан линиями связи с несколькими береговыми модулями РПКУ и содержит соединенные посредством управляющей и информационной шин базу справочной правовой и нормативной документации, центральный банк данных по совокупности бортовых модулей ПК судов и центральный сервер, включающий блок расчета технических и экономических показателей отдельных судов, и/или группы (серии) судов различных типов, и/или совокупности судов флота, блок оценки качества работы и конкурентоспособности судов, а также блок формирования и хранения архивов и устройство отображения и документирования информации.
Кроме того, система отличается тем, что база данных вычислительного комплекса СОИ, а также базы данных береговых модулей РПКУ и ЦПКУ включают носители информации с документами Регистра России, Международной морской организации (ИМО), а также файлы правовых и нормативных актов, в том числе стандарты, инструкции, требования и рекомендации судоходной компании.
Система также отличается тем, что узел контроля характеристик главного двигателя и состояния пропульсивного комплекса судна при различных режимах работы выполнен с возможностью определения мощности и нагрузки главного двигателя, а также с возможностью измерения частоты вращения винта во всем диапазоне возможных ходовых режимов судна.
При этом особенностью системы является то, что узел контроля скорости судна и пройденного судном расстояния, узел слежения за местоположением судна и узел синхронизации работы блока ОЭЭ во времени подключены к судовой аппаратуре спутниковой радионавигационной системы GPS и/или «ГЛОНАСС».
2
x
x
Отличие системы заключается также в том, что блок оценки результатов измерений и принятия решения комплекса СОИ выполнен в виде спецвычислителя, реализующего алгоритм вычисления эксплуатационного коэффициента энергетической эффективности (EEOI) за рейс или любой промежуток времени для оценки выброса газов СО, SO и NO и оценки энергоэффективности судна в соответствии с выражениями
ij
где EEOI - эксплуатационный коэффициент энергетической эффективности для i-того интервала времени и заданного j-того типа топлива, г/т м.мили;
ij
2
x
x
F - выброс газа (CO, или SO, или NO) для i-того интервала времени и заданного j-того типа топлива, г/кВт;
i
P - мощность главного двигателя на i-том интервале времени, кВт;
ij
M - расход топлива j-того типа на i-том интервале времени, т;
ij
T - значение i-того интервала времени движения судна при использовании j-того типа топлива, сутки;
i
m - масса перевозимого груза за i-тый интервал времени, т;
i
ij
D - пройденное судном расстояние за интервал времени T, м.мили.
В предложенной системе блок отображения и документирования информации выполнен с возможностью представления данных в табличном виде, а также в виде диаграмм динамики эксплуатационного коэффициента энергетической эффективности EEOI и диаграмм сравнения нормативного и фактического расходов топлива в заданном промежутке времени.
2
x
x
На фиг.1 представлена общая конструктивная схема системы мониторинга энергоэффективности и экологической безопасности судов «S3ES-NOVOSHIP» (в составе бортовых модулей ПК и берегового модуля РПКУ); на фиг.2 приведена схема варианта выполнения берегового модуля ЦПКУ; фиг.3 иллюстрирует результаты мониторинга, отображающие в виде таблицы динамику суточных значений выбросов газов CO, SO и NO и соответствующих значений коэффициента EEOI (данные одного из судов ОАО «Новошип» за 02.02.2011-04.03.2011 г.)
На чертежах приняты следующие обозначения:
1 - бортовые модули пунктов контроля (ПК);
2 - региональный пункт контроля и управления (РПКУ);
3 - центральный пункт контроля и управления (ЦПКУ);
4 - спутниковая система связи;
5 - блок сбора данных от датчиков экологического контроля (блок ДЭК);
6 - блок определения энергоэффективности (блок ОЭЭ);
7 - вычислительный комплекс сбора и обработки информации (СОИ);
8 - узел контроля технического состояния судовой энергетической установки (СЭУ);
9 - узел контроля характеристик главного двигателя и состояния пропульсивного комплекса судна при различных режимах работы;
10 - узел контроля расхода горюче-смазочных материалов (ГСМ);
11 - узел контроля скорости судна и пройденного судном расстояния;
12 - узел слежения за местоположением судна;
13 - узел синхронизации работы блока ОЭЭ во времени;
2
x
x
14 - датчики измерения концентрации выбросов газов CO, SO и NO соответственно расходу ГСМ за данный промежуток времени;
15 - пульт управления;
16 - блок формирования электронной копии журнала по расходу ГСМ;
17 - репрограммируемое запоминающее устройство с базой данных о нормативах расхода ГСМ;
18 - блок сбора информации и формирования базы данных от блоков ДЭК и ОЭЭ;
19 - блок обработки информации судового модуля ПК;
20 - блок оценки результатов измерений и принятия решения;
21 - блок формирования отчетности модуля ПК;
22 - блок отображения и документирования информации;
23 - модем системы спутниковой связи с береговым модулем РПКУ;
24 - модем системы спутниковой связи с бортовыми модулями ПК судов судоходной компании;
25 - сервер сбора, обработки и хранения данных;
26 - база данных модуля РПКУ;
27 - процессор для сравнительной оценки энергоэффективности различных типов судов судоходной компании;
28 - блок экспертной оценки, прогнозирования и экономических расчетов;
29 - устройство отображения и документирования информации;
30 - блок формирования и хранения архивов;
31 - база справочной правовой и нормативной документации;
32 - центральный банк данных по совокупности бортовых модулей ПК судов;
33 - центральный сервер;
34 - блок расчета технических и экономических показателей отдельных судов (группы судов различных типов, совокупности судов флота);
35 - блок оценки качества и конкурентоспособности судов;
36 - блок формирования и хранения архивов;
37 - устройство отображения и документирования информации.
Работа системы мониторинга энергоэффективности и экологической безопасности судов заключается в следующем.
2
x
x
На бортовом модуле ПК1 (фиг.1) датчики 14 блока 5 ДЭК измеряют концентрации выбросов газов CO, SO и NO соответственно расходу ГСМ за данный промежуток времени (например, за сутки), определяемому узлом 10 контроля расхода ГСМ.
Блок 6 ОЭЭ служит для оценки энергоэффективности судна за заданный интервал времени. Узлы 8, 9 блока 6 контролируют техничекое состояние СЭУ и характеристики главного двигателя (ГД) судна соответственно. При этом узел 9 определяет мощность и нагрузку ГД, а также измеряет частоту вращения винта при различных режимах работы ГД. Конструкция таких узлов известна и описана, например в [17]. Узлы 11 и 12 отслеживают значения скорости судна, пройденного расстояния и местоположения судна и могут осуществлять свои функции при подключении к судовой аппаратуре спутниковой радионавигационной системы (СРНС) GPS или «ГЛОНАСС» (на фиг. не показана). Варианты выполнения таких конструктивных узлов можно найти, например в [17] или в RU 2011102791 А, решение о выдаче патента U1 от 08.02.2011. Узел 13 синхронизации работы блока 6 ОЭЭ также подключен к судовой аппаратуре СРНС.
Данные с выхода блока 5 ДЭК и выхода блока 6 ОЭЭ поступают в вычислительный комплекс 7 СОИ, где происходит сбор и обработка информации по заданным с пульта 15 управления командным сигналам с использованием данных электронной копии журнала по расходу ГСМ, формируемых блоком 16, и данных базы 17 данных о нормативах расхода ГСМ, при этом база 17 данных комплекса 7 СОИ включает носители информации с документами Регистра России, Международной морской организации (ИМО), а также файлы правовых и нормативных актов, в том числе стандарты, инструкции, требования и рекомендации судоходной компании.
2
x
x
Блок 18 осуществляет сбор информации и формирование базы данных от блоков 5 ДЭК и 6 ОЭЭ. Блок 19 обрабатывает информацию судового модуля 1 ПК, а блок 20 служит для оценки (рекомендация ИМО: МЕРС.1/Circ 684) результатов измерений и принятия решения, причем алгоритм вычисления эксплуатационного коэффициента энергоэффективности EEOI за рейс или любой промежуток времени для оценки выброса газов СО, SO и NO реализуется в соответствии с выражением (1).
Блоки 21 и 22 осуществляют формирование отчетности модуля 1 ПК и отображение и документирование информации, при этом отчетные данные могут быть представлены в табличном виде (см. ФИГ.3), а также в виде диаграмм динамики эксплуатационного коэффициента энергетической эффективности EEOI и диаграмм сравнения нормативного и фактического расходов топлива в заданном промежутке времени.
Сформированный модулем 1ПК информационный поток данных посредством спутниковой системы 4 связи через модемы 23 и 24 передается на береговые модули 2 РПКУ и/или модуль 3 ЦПКУ.
Сервер 25 берегового модуля 2 РПКУ осуществляет сбор, обработку и хранение данных, принятых от всех бортовых модулей 1 ПК судов судоходной компании, процессор 27 проводит сравнительную оценку энергоэффективности различных типов судов судоходной компании, а блок 28 вырабатывает экспертную оценку, осуществляет прогнозирование и экономические расчеты в соответствии с программным обеспечением. База 26 данных модуля 2 РПКУ выполнена аналогично базе 17 данных модуля 1 ПК. Устройства 29 и 30 служат для отображения и документирования информации и могут быть конструктивно выполнены на основе известных элементов систем формирования отчетов и архивом (см., например: RU 2154298 С1, 10.08.2000; RU 43983 U1, 10.02.2005). Конструкция модуля 2 РПКУ основана на использовании известных элементов и узлов, аналогичных применяемым в [3, 8] и RU 2103731 С1, 27.01.1998.
Состав и работа модуля 3 ЦПКУ, осуществляющего сбор, обработку и хранение данных от нескольких береговых модулей 2 РПКУ (ив качестве дублирования - от бортовых модулей 1 ПК судов), аналогичны реализуемым в модуле 2 РПКУ, при этом блок 35 оценки качества и конкурентоспособности судов может быть выполнен аналогично, например, предложенному в патенте RU 2139554 С1, 10.10.1999.
Предложенная система мониторинга «S3ES-NOVOSHIP» позволяет решать следующие задачи:
- контролировать параметры судна (расход ГСМ, мощность и частоту вращения ГД, пройденное расстояние, скорость, местоположение судна и т.п.);
- контролировать характеристики работы СЭУ и пропульсивного комплекса судна в течение длительного периода времени;
- выявлять неэффективные режимы работы ГД с точки зрения расхода топлива, оптимизировать расход ГСМ;
2
x
x
- производить оценку коэффициента EEOI за сутки, за рейс или любой промежуток времени для оценки выбросов газов СО, SO и NO по результатам расхода топлива;
- формировать сравнительные таблицы и диаграммы (включая винтовые характеристики ГД) для сопоставления нормативного и фактического расходов ГСМ и оптимизации расхода топлива;
- формировать отчетность о состоянии и диагностике ГД (дважды в месяц или по другому регламенту);
- формировать отчетность о состоянии загрязнения выбросами газов;
- накапливать отчетную информацию в базах данных судов и судоходной компании;
2
x
x
- формировать сводную (полугодовую, годовую) аналитическую отчетность (статистический анализ) по объемам и удельным выбросам газов СО, SO и NO отдельными судами, сериями судов заданного типа и флотом в целом и проводить сравнительный анализ внутри серии, выявляя «неблагополучные» суда.
Таким образом, из описания системы и ее работы следует, что достигается ее назначение с указанным техническим результатом, который находится в причинно-следственной связи с совокупностью существенных признаков независимого пункта формулы.
ИСТОЧНИКИ ПО УРОВНЮ ТЕХНИКИ
I. Прототип и аналог:
1. RU 2225640 С1, 10.03.2004 (прототип).
2. RU 2210095 С2, 10.08.2003 (аналог).
II. Дополнительные источники по уровню техники:
3. RU 27344 U1, 20.01.2003.
4. RU 72335 U1, 10.04.2008.
5. RU 2329543 С1, 20.07.2008.
6. RU 2006131088 А, 10.03.2008.
7. RU 73398 U1, 20.05.2008.
8. RU 2145120 С1, 27.01.2000.
9. RU 2079891 С1, 20.05.1997.
10. RU 2102782 С1, 20.01.1998.
11. RU 2161321 С2, 27.12.2000.
12. RU 62720 U1, 27.04.2007.
13. RU 43385 U1, 10.01.2005.
14. RU 2004104444 А, 27.07.2005.
15. RU 2139554 С1, 10.10.1999.
16. золотое В.В., Фрейдзон И.Р. Управляющие комплексы сложных корабельных систем. - Л.: Судостроение, 1986. - 232 с.
17. Морской энциклопедический справочник: В двух томах / Под ред. Н.Н.Исанина. - Л.: Судостроение, 1987.
III. Источники по уровню техники приведены также в описании.