航运业中的主要成本因素是资本投资和营运成本。造船是昂贵的 任务，其核心的投资决定是在初步设计阶段以及在将方案(project)交 给船厂之前作出的。例如，制造84米长的围网渔船的总的建造成本大 约是2千万欧元。基于该价格，包括初步设计和终结设计的设计成本大 约占总成本的5％至7％。这些设计成本由于咨询公司之间激烈持久的竞 争是很低的，但是其仅覆盖船舶的主要工程设计。另外的竞争正在出 现，例如波兰的咨询公司正在以更低的设计价格进入西欧市场。直到 现在，对此竞争的响应是提高船舶设计的标准化，使得咨询顾问能够 将方案卖给不只一家船东。对买家而言，船舶设计的重复利用包括了 非优化解决方案的风险，以及由此带来的对于实际航运营运的非优化 营运。
运行成本和维护成本是船舶总营运成本的主要因素。运行成本主 要由燃料和润滑剂构成，而维修成本的主要成分是船只和船具(gear) 的修理以及其它诸如船舶保险的费用。维修成本基本是逐年变化的， 特别当所述维修成本是由于保险公司的检验而产生时。
向船舶船载动力设备的能量输入(燃料)用于产生推进和发电的 功率。能量输入的可使用部分从3 8％至42％变动，而其余的部分成为 了诸如冷却的热量损失以及排气损失。在一些船只中，一部分的热能 用于生产淡水，以及加热设备。在渔船中，特别是在捕虾和捕蛤蜊的 拖网渔船中，蒸汽是通过用于加工甲板(processing deck)的排气生成 的。
已经开发了不同的船舶动力设备系统，比如传统的基于一个主柴 油机以及辅助发动机的柴油机系统。主发动机将机械功传递到推进器 和发电机，该发电机为所有的电力用户发电。该推进器最普通的是可 调螺距螺旋推进器，其中螺旋推进器的推力可通过螺旋推进器的螺距 进行调节。已经开发出了其它的系统但是还没有得到广泛应用。这些 系统之一是柴油电动系统，在该系统中，柴油机机械驱动发电机，该 发电机为电网提供电力。推进器是通过可调频率的电机驱动的固定螺 距螺旋推进器，并且推进器的推力通过该推进器的旋转进行调节。另 一系统是柴油混合动力系统，其是以上两种系统的组合。在此系统中， 除了推进器是通过齿轮连接到柴油机和电机之外，动力设备与传统系 统的相似。如果主发动机发生故障或者要帮助该主发动机驱动推进器， 可启动电机。
到目前为止，在最小化船体阻力和优化来自推进器的推力以及优 化子系统和部件方面已经进行了大量的工作。然而，对整个船载能量 系统设计的关注或者对于在子系统、船体、推进器以及它们的能量使 用之间的交互作用的研究却很有限。
近年来，船舶设计和建造的时间变得更短了，现在从定购到从船 厂交货的时间通常是15至20个月。这种相对较短的完工时间依靠在船 厂开始建造工作之前被优良规划的方案。因为现今一旦船厂开始建造 工作则很难在不推延工期的情况下改变设计，所以预设计和工程设计 阶段变得越来越重要。多达80％的成本是通过在初步设计阶段作出的 决定来确定的，而在工程设计阶段，确定30％的成本，在实施阶段只 有10％。因此，更有可能影响工程成本的是作出大多数主要决定的初 步设计阶段；在其它阶段几乎没有降低成本的余地。这不仅可以应用 于造船工业还可以应用到化学工业中，其中有研究表明在初步设计阶 段中作出的决定解决(account for)工程总成本的大约80％。
当建造新船时，最通常的程序是船东将他的工程介绍给咨询公司， 咨询公司与船东密切合作做出需求分析。在准备好该需求分析之后， 公司立即开始为船东具体进行工程设计。另外的可能性是让船东从咨 询公司或船厂购买预设计的船舶，并由此方法加入建造一系列船舶的 一组船东。在比较这两种最通常的方法时，我们经常会看到由于咨询 公司和工厂能够进行设计的重新使用，所以预设计的船舶以较低价格 出售。这种预设计的船舶的缺点是船东在船舶建造期间具有受限的选 择权。另一方面，如果设计是针对船东的，那么它将为其预期操作而 专门设计。这种特定设计的负面是经常导致更高的船舶投资成本。
目前设计船舶的方法大多经常基于工程师的长期经验和船舶设计 技术诀窍。方法和设计有时被重复使用，来自一个工程的经验移植到 另一个工程。此外，以最小的投资和营运成本或者总体说来以最低的 净现值成本获得经济可行的设计的可能性有限。该工业中公司之间的 加剧竞争和由此产生的船舶设计和设备的较低价格，以及船舶总体尺 度和复杂性的增加都需要新的更有效的设计方法。需要能够使工程师 在合理的时间内以可接受的设计成本设计更经济船舶的更可靠的方法 和工具。
当前，船舶建造从初步设计阶段开始，随后是终结设计阶段，并 以建造阶段结束。对初步设计阶段的关注很少，由此工程从需求分析 直接跳到工程设计。
在过去的几十年来，营运在北大西洋中的渔船的燃料消耗明显增 加。这主要有三个原因。首先，过大的能量系统的安装导致整体的能 量效率低下。第二，渔具质量增加，以及第三，船载能量系统变得愈 加复杂。设计渔船和其船载能量系统是一项复杂的工作，许多参数都 会影响到所述的设计，例如对于不同操作所需要的速度、渔具的类型 和使用以及参考诸如捕获物尺寸的可变参数所要求的船载动力。当设 计渔船时，设计者依靠经过长时期所获取的长期经验和技能。船舶咨 询公司和船坞提供日益有竞争力的价格，降低了更有效率的船舶设计 中的非常需要的改进的余地。因为缺乏先进的方法和设计工具，计算 机仿真建模、仿真和优化很少为设计者所使用。
US2005/0106953A1公开了一种混合动力推进系统，该推进系统包 括主柴油机和电机，该主柴油机用于驱动船用汽轮机。该电机具有组 成主柴油机额定功率的至少20％的额定功率。电机持续保持接通，并 与可变螺距推进器一起保持主柴油机处于有利的工作点。主柴油机和 电机的组合还能够实现推进系统的更经济的设计或运行。
US2004/0117077A1公开了一种涉及船舶电气系统的发明，该电气 系统包括：发电机、诸如电机的用电设备、以及带有部件开关装置等 的船载供电系统。该电气系统的进一步特征在于：它在船舶的所有工 作状态下供给充足的电能，并且该系统通过数字化标准模块自动控制。
WO96/14241A1公开了一种控制装置，用于实现来自船舶主能源的 能量的最佳使用。该能量被供给到用于使船舶沿其纵向方向运动的电 机、和可能的用于使船舶沿其横向方向运动的电机连同可能的用于船 载其它设备的操作的电机。该装置包括：电力控制网，其将主能源、 发电装置和电机连接到操纵装置，下文称为PLS装置的可编程逻辑控制 装置；以及可能包括下文称为GP系统的全球定位系统。该PLS装置配 置用于接收来自例如操纵装置或GP系统的关于船舶所需运动的信息， 并将控制脉冲传递到电机以基于优化数据程序操控该电机，用于以最 小的能量消耗实现船舶的期望运动。

本发明(1)提出了一种用于船舶能量系统的总体设计和操作的新 的方法和新的设计工具。通过使设计者能够使用先进的方法并采用有 助于更可行的船舶的设计的工具，本发明寻求提高船舶设计的效率。 使用本发明，能够实现初步设计阶段(2)的所有方面，并产生经济可 行的船舶的设计(8)。此外，设计模型还用于通过接收来自传感器网 络(9)的信号并根据传感器信息仿真运行而优化(3)运行期间的船 舶的运行成本，并由此调节(11)能量系统。因此本发明(1)具有两 个主要部分，虽然，这两个部分是主要的：第一，设计优化方法(2)， 以及第二，运行优化方法(3)。
在本发明中，术语“燃料”指诸如矿物燃料、氢等的任何能量载 体。使用其它的能量载体并不认为是偏离了本发明的精神和范围，本 发明的所有这些应用都将包含在下面的权利要求的范围内，这对于本 领域的技术人员来说是很明显的。
在一方面，本发明(1)涉及一种用于建立针对燃料效率被优化的 船舶的计算机仿真模型(7)的方法(2)，所述方法(2)包括如下步 骤：基于预定的约束条件(4)建立所述船舶的计算机仿真模型(7)； 优化(6)所述计算机仿真模型，以获得优化目标函数；模拟(6)所 述计算机仿真模型(7)；分析所述优化目标函数；其中建立所述计算 机仿真模型包括选择：来自一组(13)方程式的至少一个方程式，该 组方程式包括：：船体核心方程；推进系统核心方程；以及机械和结 构核心方程；以及来自描述船舶的核心部件和结构的特性的一组数据 (13)的数据，以及其中，模拟(6)所述计算机仿真模型(7)包括： 将来自描述部件特征的所述数据组(13)中的值应用到所述方程式组， 以优化所述船舶的所述燃料效率，并且其中分析所述优化目标函数包 括将所述优化计算机仿真模型的设计参数与所述预定约束条件(4)相 比较。
在另一方面，本发明涉及计算机程序或计算机程序组，所述程序 或程序组如此布置使得当在处理器上执行程序组的所述程序时会引起 所述处理器执行前述权利要求的任一项的方法。
在又一方面，本发明涉及一种用于建立船舶的优化计算机仿真模 型(7)的系统，所述系统包括：人机交互界面(5)；计算装置；计 算机程序产品；数据库(13)；其中操作员建立所述船舶的计算机仿 真模型：通过将设计参数传送到所述人机交互界面(5)；以及通过指 导所述计算装置执行在所述计算机程序中编码的所述仿真和优化方法 (6)来优化所述计算机仿真模型(7)，其中所述计算装置将所述结 果模型(7)经由所述人机交互界面(5)传送给操作员，并可选地将 所述结果存储在存储器中。
在另一方面，本发明涉及一种方法，所述方法用于通过使用上述 公开的系统针对燃料效率优化船舶的建造程序(8)。
在又一方面，本发明涉及一种用于优化船舶的燃料效率的方法 (3)，所述方法包括如下步骤：存储所述船舶的计算机仿真模型(7， 10)，所述模型(7，10)被针对燃料效率进行了优化；从一个或多个 传感器(9)接收至少一个信号；根据所述信号从所述计算机生成的仿 真模型中生成一个或多个优化参数；将所述参数输出到人机交互界面 (12)或可选地输出到控制系统(11)。
在另一方面，本发明涉及计算机程序或计算机程序组，所述程序 或程序组如此布置使得当在处理器上执行程序组的所述程序时会引起 所述处理器执行用于优化船舶的燃料效率的方法。
在又一方面，本发明涉及存储用于优化船舶燃料效率的所述计算 机程序、或所述计算机程序组的至少一个的计算机可读数据存储介质。
在另一方面，本发明涉及一种用于优化船舶燃料效率的系统，所 述系统包括：处理器(15)；数据存储器(14)，所述数据存储器(14) 存储关于船舶的计算机仿真模型(7，10)，所述模型(7，10)使燃 料效率优化；以及传感器网络(9)，所述传感器网络(9)用于监视 所述船舶；其中所述处理器(15)被布置用于根据从所述传感器网络 (9)接收到的所述一个或多个信号，从所述计算机仿真模型(7，10) 生成一个或多个优化参数，并将所述优化参数输出到人机交互界面 (12)或可选地输出到控制系统(11)。
附图说明
图1示出了所述方法的主要部分的框图。
图2示出了优化模型生成模块的图示。
图3示出了船舶运行优化系统的顶层概述。
图4示出了运行优化模块的图示。
图5示出了设计优化算法的状态图示。
图6示出了热交换器部件。
图7示出了热交换器部件模型。
图8示出了串联在一起的两个模型部件。
图9示出了要被优化的制冷系统的实例。
图10示出了带有优化结果的表格。
图11示出了使用方案(case)1的运行优化过程的曲线图。
图12示出了使用方案2的运行优化过程的曲线图。
图13示出了两种优化方案的表格。
图14示出了方案1的冷却过程的曲线图。
图15示出了一般布置和互连的图示。
图16示出了数据采集的图示。
图17示出了运行优化模块的主要功能的图示。

船舶的燃料消耗通过船舶机械系统的联合作用而确定，同时受到 诸如天气和流的外部条件的影响。考虑到燃料成本是船舶的最大费用 之一，考虑到燃料消耗对环境的负面影响，管理并使所述燃料消耗最 小化是很重要的。
在本上下文中应用了下列术语：
PLC可编程逻辑控制器
OPC用于与PLC和其它设备通信的标准的集
OPC服务器处理与一个或多个PLC的通信，封装底层协议
OPC用户连接到一个或多个OPC服务器以从PLC读取数值或将 数值写PLC
NMEA国家海洋电子协会通信标准
MetaPower用于旋转轴的扭矩和动率测量系统。
Ack确认(承认已经认可)
GPS全球定位系统
Tag在系统中被监视和/或控制和记录的项目，可以是温度读数、 压力值、从其它测量结果获取的值等
UI用户界面。
GUI图形用户界面
HMI人机交互界面
Deadband允许值变化的范围
Tooltip工具提示是一种标签，当监视器上的鼠标指针放置到特定 的对象上时显示一些文本
Pdf可移植文档格式
RAID独立磁盘冗余阵列。一种磁盘子系统，用于提高性能或提 供容错能力。
NA不可应用
TCP传输控制协议。TCP确保信息完全且准确地发送。
UDP用户数据报协议。TCP/IP协议族内的协议，用于当不需要可 靠的传输时代替TCP。
LAN局域网
ODBC开放式数据库连接性。来自微软的数据库编程接口，其为 Windows应用程序提供公共语言以访问网络上的数据库。
Fuel任意能量载体，例如矿物燃料、氢等。
在本文中描述的本发明的实施方式可以很明显地在许多方面进行 变化。这些变形并不认为是偏离了本发明的精神和范围，本发明的所 有这些修改都将包含在下面的权利要求的范围内，这对于本领域的技 术人员来说是很明显的。
下面列出的并不穷举的方程用于提供对上述的建立计算机仿真模 型的方法的一些理解。此处所列出的核心方程当然不是穷举的列表， 并且所述列表并不意欲限定本发明的范围。使用对于本领域的技术人 员来说很明显的其它方程并不应当认为是偏离了本发明的精神和范 围，所有这些修改都将包含在下面的权利要求的范围内，这对于本领 域的技术人员来说是很明显的。用于描述所述船舶的这组部件方程可 从下面的组中选择：船体核心方程，所述船体核心方程包括用于计算 方形系数、水线面积系数、船中横剖面系数、纵向菱形系数、摩擦阻 力、浮力的纵向中心、附体阻力、波阻力、涡流阻力、船首压阻力、 空气阻力、伴流速度以及推进器阻力的方程；推进核心方程，所述推 进核心方程包括用于计算可扩展叶面比、推进器效率、推力系数、转 矩系数、燃烧过程、总效率、平均压力、比燃料消耗率、助燃空气过 量比、通过冷却水热交换器的热量损失、通过润滑油热交换器的热量 损失、到外界环境的热传递的方程；机械和结构核心方程，所述机械 和结构核心方程包括用于计算传热管内部的压力损失、池沸腾过程、 对流沸腾过程、泡核沸腾过程、传热系数、蒸发器管外部的通量、雷 诺数、冷凝温度、普朗特数、努塞尔特数的方程；上述的该组部件方 程根据需求分析(4)(预定需求)描述船舶。
在下文中，参照附图将对本发明进行更详细地说明。如前面所讨 论的那样，存在两个由总图(1)图示的总体方法的两个主要部分。第 一，一种用于针对燃料效率优化船舶设计的方法、计算机程序产品和 用于建模的系统、以及优化和仿真工具，见局部图示(2)。第二，一 种用于在运行期间优化燃料效率的方法、计算机程序产品和系统，见 局部图示(3)。
对于建模者来说，描述能量系统的简单的描述性模型的开发并不 一定需要系统的建模方法来保持对代码的概观。然而，当开发具有几 百个描述所含部件和系统的变量的能量系统的复杂模型时，就需要系 统的方法。必须对所有的部件，例如泵、电动机和发动机、以及管路、 电线和连接各种主要部件的轴，都进行建模。每个部件可具有参数、 微分和代数变量以及控制变量。该参数是输入变量，而微分和代数变 量(设计变量)是由求解器求解或计算出来的。在设计的第一阶段期 间，操作员必须输入部件的特性变量和特性值，该特性变量和特性值 用于将船舶构造到计算机中。每个部件的这些特性值存储在数据库中， 最后将部件库存储在计算机中，对于不同的仿真可以多次重复使用这 些部件。
计算机仿真模型的仿真包括如下步骤：
初始化控制参数(100)，控制算法的执行，通过执行下面的步骤 模拟所述计算机仿真模型，直至获得最优解或者超过最大尝试次数；
生成新的测试设置(101)；
暂时用所述新的测试设置替换旧的测试设置(102)；
计数约束条件变量(103)；
求解所述模型并计算目标函数(104)；
优化目标函数(105)；
如果没有达到优化解，执行附加步骤：
计算约束条件违背(106)；
计算优化值(惩罚函数)(107)；
以及从步骤(101)重新开始；
存储优化目标函数(108)；
检查是否迭代次数在限定内(109)；
以优化的计算机仿真模型结束(110)；
由此得到的优化且仿真的计算机仿真模型表示根据预定需求和约 束条件的船舶的优化设计，此处这些约束条件包括限制因素，诸如：
主发动机的最大/最小数量，和规格；辅助发动机的最大/最小数量， 和规格；推进器的最大/最小数量、类型和规格；最大/最小推进器直径； 船体的最大/最小总长、和设计；制冷单元的最大/最小数量、类型和规 格；最大/最小排水体积；此处对于每次仿真可以同时选择多个约束条 件变量。
为了阐明这个概念，让我们参考下面的热交换器和它的部件模型 的实例。
图6示出了蒸发器(50)的简图。通过分配连接点来建立蒸发器 部件模型。将蒸发器连接到吸入管线的点标注为点(51)。连接点(55) 是自膨胀阀的液体入口。连接点(53)是水的入口，而连接点(52) 是水的出口。标注(54)表示在部件核心中计算所得的到周围环境的 热量损失。这五个连接点定义与热交换器相关的热传递。然而，除了 表示损失的标注(54)之外，与每个连接点相关的是四个变量：流体 类型、质量流量、压力和焓。
图6中所示的热交换器模型部件(56)因此具有5个连接器和17 个销(pin)，其将要被连接到为热交换器提供输入的模型部件以及连 接到热交换器的后续模型部件。销(51x)表示将蒸发器连接到吸入管 路的点，销(51a、b、c、d)分别表示：流体(热载体)的类型、质量 流量、压力和焓。同样地，销(55x)表示将蒸发器连接到膨胀阀之后 的流体管路的点，销(55a、b、c、d)分别表示：流体(热载体)的类 型、质量流量、压力和焓。同样地，冷却水销(53x)表示将蒸发器连 接到冷却水入口管路的点，而销(53a、b、c、d)分别表示：流体(热 载体)的类型、质量流量、压力和焓。同样地，销(52x)表示将蒸发 器连接到冷却水出口管路的点，而销(52a、b、c、d)分别表示：流体 (热载体)的类型、质量流量、压力和焓。最后，销(54)表示到周 围环境的热量损失。连奏(Legatos)
当将部件串联在一起时，见图8，所串联的部件在入口处继承来 自前面部件的信息。继承关系可通过下面的广义方程组示出：
${\mathrm{Fluid}}_1^{\mathrm{out}}={\mathrm{Fluid}}_1^{\mathrm{in}}$
${\mathrm{in}}_1^{\mathrm{in}}-{\mathrm{in}}_1^{\mathrm{out}}=0$
${\mathrm{Fluid}}_2^{\mathrm{out}}={\mathrm{Fluid}}_2^{\mathrm{in}}$
${\mathrm{in}}_2^{\mathrm{in}}-{\mathrm{in}}_2^{\mathrm{out}}=0$
例如用于热交换器的部件可通过描述流体类型、动量、连续性和 能量的广义线性方程限定：
$\left\{{\left[\begin{array}{c}\mathrm{Fluid}\\ P\\ m\\ h\end{array}\right]}_{\forall \mathrm{out}}\right\}=\{{\left[\begin{array}{c}\mathrm{Fluid}\\ P\\ m\\ h\end{array}\right]}_{\forall \mathrm{in}},\mathrm{Param},\begin{array}{c}\left[\begin{array}{c}W\\ Q\end{array}\right]\end{array},\mathrm{Contr}.\mathrm{var}.,\mathrm{Design}.\mathrm{var}\}$
其中：
fluid是流体的类型；
P是压力；
h是焓；
m是质量流量；
W是功；
Q是热传递；
Param.是参数；
Contr.var.是控制变量；以及
Design.var.是设计变量。
在上面四个方程中有八个变量。然而，这八个变量不能完全限定 封闭系统。要封闭所述系统，需要四个附加的将部件II的出口连接到 部件I的入口的方程。还需要另外两个部件以将系统连接到外部世界、 汇部件(sink component)和源部件。该汇部件和源部件没有变量但是 包括用于流量、焓和压力的参数。通过将部件连接到汇部件和源部件， 而将所需的将系统连接到外部世界的四个附加方程增加到系统中。
如前面所讨论的那样，使用部件方程对每个部件(推进器、泵、 热交换器等)进行说明，除了特征方程之外，每个部件具有与之相关 的成本因素。
当进行仿真和优化设计时，设计船舶的操作员与人机交互界面(5) (HMI)交互为计算机程序提供来自需求研究(4)的信息。这将会包 括部件方程和部件成本因素。在提供所述信息之后，操作员执行仿真 和优化模块(6)，该仿真和优化模块(6)则建立并传输优化的船舶 模型(7)。
为了阐明作为优化问题的合成问题，操作员开发了一种所有可选 设计的表示法，所述可选设计被认为是优化解的候选。应用上层结构 优化方法以阐明可能的备选方案。使用这种方法并采用计算机仿真技 术能够评估比传统工艺设计中通常所覆盖的更大的一组可能的工艺流 程。上层结构后面的启示能够允许所有可能系统部件之间的复杂连接， 并选择使某一目标函数最大化/最小化的组合。
作为本发明的实例，单级制冷设备的上层结构在图9中示出。在 每个位置，系统中的每个函数包括三个可能的处理单元(部件)。系 统中的该处理单元组通过连接器和分路器互连。通过使用决策变量来 形成所述结构的优化设计，问题约束条件用于给所述问题设置限制。 图9中所示的处理单元组是：RE，用于蒸发器的三个可选的冷却水泵； EV，三个不同尺度的蒸发器；CO，压缩机；CD，冷凝器；以及RC， 用于冷凝器的三个不同尺度的冷却水泵。在优化中，根据该问题的优 化约束条件和目标值，选择一个或多个处理单元以包括在精细工艺流 程说明中。
下面的实例涉及围网渔船的冷却海水系统(RSW系统)。
对两个方案进行了研究，一个方案的约束条件是蒸发温度TE＝ 266°K，另一方案的约束条件是蒸发温度为TE＝269°K。要求所述系 统在5小时内将350000kg的水从288°K冷却到276°K。此任务所需 的最小制冷量QE大约是910KW。
传热管内的最大速度Vtube＝3.6m/s，可接收的最低蒸发温度TE是 266°K(方案1)或269°K(方案2)。
所述优化问题示出为基于计算机仿真模型，该计算机仿真模型包 括性能标准——设计变量必须满足的目标函数和约束条件。以广义形 式表示的所述优化问题：
求f(y)最小值(即Minimise f(y))
约束：gk(y)k＝01，...，m
         L≤y≤U
此处f(y)是所要优化的目标函数，gk(y)是问题约束条件，L和 U是分别包含关于y的上下边界的向量。决策变量y是要使用所述优 化算法确定的值。这些可以是连续变量和/或整数变量，这取决于处理 的问题。使用了一种用公式表示部件的具有二进制变量的成本函数的 方法。在此情况中，成本对于每个部件来说是恒定的，问题是使用表 示部件是否包括在模型中的二进制变量yi，j从上层结构中的几个不同类 型的部件之间进行选择。
如果部件包括在所述模型中，则该二进制变量取值1，否则取值0。 在此公式中，定义了一组预定的部件(上层结构)，并使用表示部件 是否包括在模型中的二进制变量yi，j从所述上层结构中选择几个不同类 型的部件。
使用带有二进制变量的该公式，该方法被用于优化图9中所示的 冷却系统，图9示出了用于RSW系统的上层结构(不包括存储罐)。 目标是使总的年度运行成本最小化，同时保持所述存储罐处于目标温 度。
所述RSW系统的模型被认为是稳态的混合整数非线性规划 (MINLP)模型，其中使用离散变量表示哪个部件包括在所述设计中。 所述非线性项来自：热交换器的面积计算、单元操作性能、热力学性 能和能量平衡。在这个优化问题中，在两个部件之间仅描述了一条连 接路线，并且该连接路线被用于可能的部件选择。
所述优化问题如下提出：定义二进制变量yij，如果在j位置处包 括类型i的部件，则yij＝1，如果不包括特定部件，则yij＝0。在图9 中，具有5个位置(RE、EV、CO、CD、RC)，在每个位置具有三个 设备选择。因此所述二进制变量是：yi1，用于蒸发器供水侧上的泵； yi2，用于蒸发器；yi3，用于压缩机；yi4，用于冷凝器；yi5，用于冷凝 泵。目标函数f(y)是要使年度能量和投资成本最小化。Wij表示位置j 处的部件i所需的能量，Ce是电能的价格，t是年度运行时间，以及 Cij是位置j处的部件i的资本成本，包括折旧。
这给出了下面的目标函数：
$\min \left[\right[\underset{i=1}{\overset{n_j}{\Sigma }}\underset{j=1}{\overset{n_i}{\Sigma }}{W}_{\mathrm{ij}}{y}_{\mathrm{ij}}]{\mathrm{tc}}_e+[\underset{i=1}{\overset{n_j}{\Sigma }}\underset{j=1}{\overset{n_i}{\Sigma }}{C}_{\mathrm{ij}}{y}_{\mathrm{ij}}\left]\right]$
此处nj是位置j处的设备选择的数量，ni是位置的数量。维修成 本不包括在这个模型中。具有两组约束条件，结构约束条件和热量约 束条件。首先考虑结构约束条件以确保各部件的正确定位。部件的选 择通过二进制变量控制，其中，在特定位置只能选择每种部件类型之 一。
$\underset{i=1}{\overset{n_j}{\Sigma }}{y}_{\mathrm{ij}}=1,$ 其中j＝1，...，ni
热量约束条件是所述的第二组，给出了下列约束条件：
QE≥910kW
TE＝≥266°K(方案1)和269°K(方案2)
            VEV,tube≤3.6m/s
            VCD，tube≤3.6m/s
根据包括391个连续变量和15个二进制变量的初始上层结构，将 所述主模型用公式表示出来。对于所述仿真，还包括3个微分变量和3 个控制变量。
向优化器的输入包括：
交叉可能性p′c∈[0，1]
      母体尺寸μ′∈{1，...，100}
      子体尺寸λ′∈{1，...，100}
      代数量G∈{10，...，500}
      突变率p′m∈[0，0.5]
      交叉点数量z′∈{1，...，3}
所述目标函数是使用0.2的资本成本年率、使所述系统每年运行 4000小时的最低年度营运成本。
电力成本基于燃料成本，并假定为0.04欧元/kWh。部件价格和它 们的性能在图10的表中给出。
图11的曲线图显示了当对方案1进行优化时由所述优化器生成的 结果。在该曲线图中，曲线(a)表示每代内的最佳解。第一个可行解 在代5处找到，即，没有超出所述结构约束条件和内部约束条件的解。 此后，继续寻找更好的解。在又过去17代之后(在代22处)找到了 更好的解(具有更低成本的解)。在代28处，找到了甚至更好的解。 这也是在100代内找到的最佳解。曲线(c)显示了对每个解的惩罚- 注意在8代即找到所述第一可行解之后，该惩罚是零。曲线(b)显示 在2和0之间变动的平均惩罚函数。
在所述第二方案中，见图12，对蒸发温度(TE)的约束条件是269K 而不是方案1中的266K。由于违反所述蒸发温度约束条件的增加，此 处需要更多代以找到可行解。第一可行解在79代后产生，见曲线(c)。 在代90中找到了更好的解(更低的成本)。在其余的代中(从90到 100)，没有更好的解产生。
图13的表中报告出了所找到的最佳解。表中示出了所述部件选 择，来自所述优化器的结果表明方案1比方案2具有稍低的年度运行 成本。然而，最优值非常接近。
在对所述系统优化之后，可以通过仿真对所述的优化系统进行验 证。在此实例中，为了说明而提供了对所述最优方案也就是方案1的 仿真。当然类似的仿真也适用于方案2。在图14中，左边的纵坐标表 示以开氏温标为单位的温度，右边的纵坐标表示以瓦特为单位的制冷 量和以千克为单位的质量。曲线(a)是制冷量(W)。曲线(b)是存 储罐温度(K)。曲线(c)表示用鱼填充所述存储罐(kg)。曲线(d) 是蒸发温度(K)。所述仿真在存储罐的温度为288K时开始，而要冷 却的水量是350000kg。具有三个冷却期(见图14)。第一冷却期(预 冷却期)从时间0秒到18000秒。第二冷却期从时间18000秒(5小时) 到25000秒。此时，用鱼填充罐，并将所述罐冷却。第三冷却期从时 间25000秒到43200秒，此时，鱼已添加到所述罐，并且保持了所述 目标温度。在将鱼添加到所述罐的时，停止所述制冷压缩机，并在19800 秒时(5.5小时)再次启动该制冷压缩机。
所述仿真的结果表明(图14，曲线b)在预冷却期结束时(在18000 秒或5小时之后)，存储罐中的温度达到275.8K。此时，蒸发温度(图 14，曲线d)达到268.5K。在时间0时(图14，曲线a)，由所述高蒸 发温度导致的系统的制冷量是1300kW，而在18000秒时制冷量结束于 稍小于910kW。开始时的水量是350000kg(图14，曲线c)，而在将 两个捕获物添加到存储罐之后结束于710000kg的水/鱼量。
仿真表明此方案(方案1)能够满足为所述系统建立的设计标准。 运行时系统中的最低蒸发温度，冷却期1(冷却)和冷却期2(向罐中 添加鱼)是268.5K，此时系统能够在五小时(18000秒)之内冷却存 储的水。该方案的年度营运成本是78559欧元(见图13的表)，而总 投资是223900欧元。
上述的实例和示例示出了本发明对于给定的子问题的方法和操 作。当设计诸如船舶中的大型能量系统时，对每个要考虑的子系统都 要进行建模。每个子系统的每个部件都具有与之相关联的一些方程和/ 或参数。最常见的是有三个不同的方程族、部件核心方程、部件连接 方程和部件成本方程。
图3中示出了运行优化系统(3)的透视图。所述系统(3)通过 可编程逻辑控制器(PLC)与船舶的机械系统(9)、以及测量各种外 界条件的设备(18)和提供全球定位信息的设备相连。实时数据存储 在中央数据库(14)中。有关船舶系统状态的实时和历史信息被提供 给控制室(12a)和桥(12b)。为了管理能量消耗，所述系统(3)既 能够向用户推荐燃料节省程序，又能够根据运行优化算法和用户设置 来自动控制(11)所述机械系统。此外，所述系统提供网络接口，以 使得用户能够接入特定的网络系统。
图5中示出了所述系统安装的一般情形。PLC(19)负责获取测 量结果并控制可适用的受控对象。
服务器计算机(20)负责管理和评估用于自动控制的所有数据(实 时和历史的)，并负责将自动和手动控制信息传递给可适用的PLC(19)。
客户端计算机(12)向操作者提供数据(实时和历史的)，提供 适用的人工控制以及允许所述系统的配置。多个客户机可同时运行， 所述服务器也可运行客户端软件。
操作者与所述系统通过所述客户端计算机(12)交互，例如使用 诸如鼠标和键盘的指针设备作为输入，使用显示器用于输出。使用OPC 协议从OPC服务器收集有关船舶机械系统状态的信息。反过来，所述 系统通过OPC接口将控制参数传送给这些系统的受控对象。一些信息， 例如GPS和MetaPower，使用NMEA协议收集。TCP用于经由LAN 的所有通信中，只有在Maren服务器与NMEA设备通过LAN通信的 情况下使用UDP。
所述系统的功能分成两个主要功能。它们是：客户端功能和服务 器功能。
客户端：
所述客户端可支持两种配置：一种配置是用于控制室(工程师)， 而另一种配置是用于桥(船长)。差别在于用户通过导航嵌窗所能应 用的UI部件的数量，以及UI元件的尺寸。
如前所述，操作者通过客户机使用显示器、诸如鼠标和键盘的指 针设备与所述系统交互。用户界面将具有下列可一直使用的嵌窗。
显示标志(logo)和日期/时间，以及显示根据世界时的当前系统 日期和时间。
导航嵌窗允许用户在不同的用户界面(UI)部件之间导航。
消息嵌窗显示时间标记的消息和可能的推荐操作。该消息嵌窗提 供了确认消息(将它们的状态从“待决”转变为“确认”)的方法。 “确认的”消息和“无效的”消息自动从所述消息嵌窗移除，但可从 历史记录得到。如果所述消息包含推荐的操作，则用户能够从所述消 息嵌窗批准所述操作，将其状态从“待决的”转变为“批准的”。消 息应该按照时间顺序列出的，这意味着最新的有效消息列在第一位。
系统嵌窗显示到当前选定的UI部件的接口。UI部件将其内容分 成至少一页/屏。如果所述内容分成两页/屏或多页/屏，则所述UI部件 提供这些页面的名称列表，其显示在系统嵌窗的专用部分中。所述系 统嵌窗具有页面内容的标题窗口。每次选择并看到一个页面。如果UI 部件仅具有一页，则该页是默认页面。当从所述导航嵌窗选择UI部件 时，打开所述UI部件的默认页面。
行程信息嵌窗显示关于当前行程的一般信息，例如其持续时间、 油的使用和成本。对于捕鱼船，显示正在进行的拖网的持续时间(拖 网时钟)，而上次拖网的持续时间显示在不同的拖网之间中。
下面的UI部件可用于显示在所述系统嵌窗口中。
标签设置显示当前定义的系统标签和有关当前选择标签的详细信 息。
人机交互界面(HMI)列出系统图示和当前定义在所述系统中的 其它附图。它显示了当前选择的系统图示或附图。系统图示是船舶系 统的模型，并示出了所述船舶的当前状态。其它附图显示了例如与最 优操作的偏差。
历史查看器图示了测量结果和导出值的历史概述。所述历史查看 器应列出所述系统中当前定义的标签和已经建立并存储的用于快速检 索被频繁查看的数据的线形图的名称。所述历史查看器应显示当前选 择的线形图。每个线形图由一个系统标签的值或一组系统标签的值生 成。
报告查看器列出在系统中生成的所有报告类型。当从所述列表中 选择一种报告类型时，根据最新信息生成此类型的报告。行程概要显 示关于当前和过去行程的信息，并允许能够对特定的行程特性进行编 辑。所显示的信息类型取决于应用领域(例如，渔船或货船)。
提供网络界面使用户能够接入预定第三方网络系统(例如，基于 网络的邮件客户端)。不应提供完整的互联网接入。可以不提供此网 络界面，或者也可提供一个或多个这样的网络界面，所述的网络界面 在导航嵌窗中显示为不同的项。消息历史显示按时间顺序列出的一列 消息，所述消息已经在所述系统中生成并与它们的状态(“待决”、 “确认”、“批准”、“无效”)一起发送给用户(发送到所述消息 嵌窗)。
供应厂商的图库列出了可从船舶机械系统的供应厂商得到的所有 系统/管线图示。用户应能够在图示以及放大和缩小的图示之间浏览。
系统监视器显示系统服务的状态。
当船舶行驶(steaming)时，巡航控制协助操作者控制所述船舶。 所述巡航控制UI部件使操作者能够修改所述巡航控制配置和约束条件 并查看其状态。此外还可对不同的巡航策略进行比较。
应以可移植文档格式(pdf)的用户手册的形式提供用户帮助，使 用户能够在不同的主题之间浏览。
服务器：
服务器主要负责处理数据获取、存储和传输、运行优化、消息生 成和传输、报告生成。
数据获取：
数据获取(DAQ)(37)在图16中示出。它从监视不同机器项目 的PLC接收测量结果(22)，并将控制信号(23)传送到控制设备。 而且，它还接收来自诸如GPS和天气监控仪器的外部源的测量结果和 信息(24)。DAQ(37)还将消息(25)传送到客户端计算机，并且 还从所述客户端计算机接收控制信号(26)。所述运行优化模块也从 所述DAQ(37)接收测量信号(27)，并将控制信号(28)传送到DAQ (37)。DAQ(37)还基于所述测量值生成消息(29)。DAQ(37) 还从所接收的测量结果中获得(30)新的值或标签。最后，DAQ(37) 定期将这些值记录(存储)(31)在用于历史检索的数据库中，并监 视和控制生成(32)。所述记录的时间间隔是可配置的，但默认是15 秒。
DAQ(37)是OPC客户端，它连接到一个或多个OPC服务器。 根据OPC规范，以特定更新速度(以及可能的死区)为每个服务器连 接创建包含OPC项目的OPC服务器标签组。将每个OPC项目映射到 特定的标签，例如“Omron HostLink.C500.DM0015”可能对应于“右 舷拖网绞车的张力”。OPC服务器仅将标签组中的标签的已经改变超 过所述标签组的死区规定的范围(例如2％)的更新值以为该标签组规 定的时间间隔(例如每500秒)传送到DAQ(37)。
标签：
NMEA标签被映射成特定的NMEA字符串和字段号。例如：标签 “速度[节]”映射成NMEA字符串标识符VTG，以及字段号7。如果 DAQ接收到下面的NMEA字符串： $GPVTG，89.68，T，，M，0.00，N，0.0，K*5F，则所述标签“速度[节]”的值被 设定为0.0节(第七字段)。
所得到的标签是由其它标签计算而得的标签。它们可由所测量的 标签或其它所得的标签计算出。当修改一些参数标签时，计算并发送 所得到的标签。根据与时间相关的函数例如运行平均数计算出的标签 也被定期更新。
DAQ应该连接到运行优化服务，并接收模型标签。模型标签包含 所述仿真模型中定义的变量的值，在对仿真模型求解后进行更新。用 于所述仿真模型的输入参数是所测量的参数，即，不是最优参数。
计时器标签与另一标签及一些条件相关联。计时器标签测量时间， 并当所述条件满足时进行标记。它们可用于监视运行时间，例如条件 为“发动机转速”＞100的“主发动机的运行时间”。
运行优化和消息传输：
运行优化系统(OO)(33)从船载设备的状态的DAQ接收测量 结果(27)，并使用此信息以增加其燃料效率。为实现此目的，所述 系统使用船舶的计算机仿真模型(7)以找到所述船舶运行参数的最优 值。该最优运行参数然后用于控制(23)船载设备或用于为船舶的操 作者生成关于如何提高船舶能量效率的建议(38)。
本系统的一般目的是生成控制信号(23)和建议(38)，使得如 果遵循所述建议，那么在固定的时间间隔之后，在仿真值和测量值之 间的偏差将在预定的公差之内，从而使得所述仿真值接近最优值。
还可以指定特定测量变量(标签)应该满足的条件，如果违反所 述条件(最大、最小条件)，则OO系统发出警告。
条件警告(40)由船舶的操作者经由所述客户端计算机定义(标 签设置)。OO从DAQ(27)接收最新的测量结果。系统配置和约束 条件可从所述数据库(14)读取，但是在一些情况下也可在系统启动 后通过船舶操作者配置。将可修改的约束条件和配置识别为如所述数 据库中的那些约束条件和配置那样，并记录它们的所有变化。
系统配置(35)确定哪个变量要被系统控制。配置(35)在系统 启动时从数据库(14)加载，并且还可在一旦系统运行时例如当开启 巡航控制时对该配置(35)进行修改，巡航控制需要系统来控制推进 器推力。
约束条件(36)是当控制设备时系统应试图满足的条件。约束条 件(36)当系统启动时被加载，并可在系统运行时被修改。操作者可 以例如为巡航控制指定时间约束条件。
OO系统的主要单元是：
优化：
优化单元(10)使用各种优化算法以找到运行参数的最优值。OO 系统包括优化算法，其可用于有效地优化例如冷却系统、推进系统和 捕捞设备的控制。优化问题可以是多个变量的线性或非线性问题，其 使用仿真模块(7)以计算其目标函数。还可以将外部库中的优化算法 结合到系统中。
说明系统的仿真模块(7)是为每个装置特别建立的外部库。
状态检测：
状态检测单元(34)监视设备的状态的测量结果，并尝试识别船 载执行的操作。可能的状态因船舶而不同，对于渔船，例如，可能的 状态可能是：“拖网”、“放出(pay out)”、“搬运”、“航行”、 “准备”和“泵送”。
调节：
调节单元(35)用于调节受控值，该受控值由于应用到其的约束 条件而没有得到优化。例如，在巡航控制中，操作者可以指定船舶以 恒速航行，这就需要对推进器的推力进行调节以保持该速度。
消息管理：
消息生成单元(37)从优化单元(10)、状态检测单元(34)和 调节单元(35)接收消息，并将这些消息(29)发送到其它系统。应 该跟踪所发送的消息以及哪些消息得到了确认或批准。消息生成单元 还能使不再应用的消息无效。
OO系统生成八类消息：
控制信号：
控制信号(23)被发送到由服务器(20)控制的设备。它们是发 送到DAQ(37)的设定点，其确定每个时刻所述控制的位置(在某方 面自动控制可由使用者超驰)，并且，如果适用，则将OO控制信号转 发到控制相应设备的PLC。
建议：
建议消息(38)被发送到客户端计算机，它们在此处被显示。建 议消息(38)包含下列信息：
短文本消息，所述短文本消息说明应当执行的具体操作。
通过执行所述操作而节省的燃料量的估计。
如果建议中所描述的操作可由系统(通过受控对象)执行，则将 证实动作附加到该操作。如果该操作得到了使用者的证实，则利用系 统执行该操作。
警告：
警告(39)是如果系统检测到它不能将船舶控制在预定约束条件 之内时而生成的短文本消息。如果系统例如配置用于控制推进器推力， 目标是使每英里的油耗最小化，约束条件是船舶应在某一指定时间之 前到达其目的地，那么如果系统检测到不能在时间约束条件内到达目 的地则应生成警告。
条件警报：
条件警报(40)消息包含与条件相关的消息串。
数值结果：
发送数值结果(41)消息用于在HMI中显示的每个变量。消息包 含下列信息：用于仿真中的测量值(如果可得到)、最优值以及在最 优值与测量值之间的偏差(如果所述测量值可得到)。
数值结果消息应在设备的状态发生明显变化时发送。
状态：
OO应该检测船载执行的操作，并发送识别当前状态(42)的消息。
状态的时间(43)：
OO测量在当前状态中消耗的时间，并发送消息。也可测量一组状 态中消耗的时间。
可实现的节省：
可实现的节省(44)消息包含每个子系统(推进、冷却或捕捞设 备)中的可能能量节省的估计和对总的可实现的节省的估计。
所有的消息包括时间标记，即，将它们从OO服务发送的时间。 “待决的”建议消息(38)、条件警报(40)和警告都在客户端计算 机上显示，并且无论它们的状态如何，所有的这些消息都可在消息历 史中得到。数值结果(41)和控制信号(23)显示在客户端计算机上。 应用到控制消息的传输的时间约束条件可不相同。有时，在固定的时 间间隔内例如每两秒生成消息是足够的，有时必须通过生成信息而立 即响应用户输入，例如当控制螺旋推进器螺距和主发动机旋转时。这 时，推力由用户设定，系统必须通过发送用于达到规定推力的螺距和 旋转的控制信号而立即响应。如果所述推力被频繁修改，例如当船舶 加速时，该信号不必是最优的，但是如果船舶以恒速巡航，则控制应 被优化。
OO系统同样适合于不同类型的船舶，例如渔船和货船。不必为每 个装置修改和重新建立OO(33)服务。诸如变量定义、优化问题说明 和优化算法类型的所有要使用的配置都在外部定义，而系统在其启动 时自动配置。
报告生成：
报告生成器具有从数据库(14)提取信息、处理信息并将所述信 息以报告的形式提供给用户的作用。提供给终端用户的报告根据他/她 的请求参数和通过报告查看器UI部件的导航。
报告选项和内容将因应用领域不同而不同。例如为渔船和货船提 供的报告中存在差别。报告生成器必须包含下列特征：
数据处理
对于使用不同数据存储器的可配置性。到与DAQ(37)相关联的 数据存储器的连接性。从数据存储器和用户请求参数的数据的提取。
报告创建
能够显示报告，用户能够查看和浏览其中的报告。能够提供 HTML、PDF、Excel报告。能够调度和电子信函发送用于报告订阅的 报告。
报告的可重复使用性
报告应可在相似的应用领域中重复使用，即，相似的捕鱼操作中 的渔船。
数据质量
所需的用于创建报告的数据取决于应用领域、用户需求和可从 DAQ和行程概述中得到的数据。