绿色智能船舶发展现状与趋势

1、,绿色智能船舶发展现状与趋势 2018年6月20日,2,一 绿色智能船舶的发展背景,二 绿色智能船舶的热点问题及关键技术,三 武汉理工大学相关研究工作,四结论与展望,一、绿色智能船舶的发展背景3, 国际海事组织（IMO）2014年的第三次温室气体研究报告指出：2012年全球航运产生的CO2（当年949百万吨）占比全球CO2排放总量的2.7%，NOx 排放量占比为 15% （ 年均 20.9 百万吨 ） ，SOx排放量占比为13%（年均11.3百万吨）。 IMO(2014a).ThirdIMOGHGstudy2014Finalreport.MEPC67/INF.3. London. 到2050年

2、，包括海运在内的国际货运量预计将翻三倍以上，2010至2050年期间所有国际贸易运输方式产生的相关二氧化碳排放量将增长3.9倍。 InternationalTransportForum/OECD(2015).ITFTransportOutlook2015.Paris,一、绿色智能船舶的发展背景 国际海事组织（IMO）2007年提出电子航海(E- Navigation）的概念：通过电子信息手段，在船上和岸上收集、综合和显示海事信息，实现船-船、船-岸和岸-岸之间信息的相互沟通，以达到船舶安全、经济航行和环保的最终目标。,4,IMONAV53/132007.DevelopmentofanE-Nav

3、igationStrategy.London,18May 2017年海上安全委员会第98届会议（MSC98）提出MASS议案：建议航运界尽早投入海上自主船（MaritimeAutonomousSurfaceShips）的相关研究，研发不同级别智能化或自动化的船舶，首先在港区作业、短程干货运输、小型特种作业船舶实现半自动化甚至全自动化操作，再考虑远程货物运输的自动化。 IMOMSC98/20/22017.MaritimeAutonomousSurfaceShips.London,27February,一、绿色智能船舶的发展背景5,国务院发布关于加快长江等内河水运发展的意见，提出建成畅通、高效、平

4、安、绿色的现代化内河水运体系。,国务院发布“十三五”国家科技创新规划，提出建设安全交通、高效交通、绿色交通、和谐交通。,习近平总书记召开深入推动长江经济带发展座谈会时详细阐述了长江经济带绿色发展的理念。,20112014201620172018,国务院发布关于促进海运业健康发展的若干意见，提出建成安全、便捷、高效、绿色、具有国际竞争力的现代海运,国务院发布新一代人工智能发展规划，提出研究船舶自动驾驶等自主无人系统的智能技术。,体系。2018.04习近平总书记考察长江,一、绿色智能船舶的发展背景6,绿 色 中国船级社 中国船级社正式发布了绿色船舶规范。 交通运输部交通运输部关于推进长江经济带绿色

5、航运发展的指导意见。 交通运输部深入推进绿色港口建设行动方案（20182022年）。 长江航务管理局建设强大的现代化长江航运，必须全力推进基础设施升级、绿色生态优先等“八大工程”。,2012 2013 2015 2016 2017 2018,智 能 交通运输部 推广应用长三角航道网和京杭运河水系智能航运信息服务平台。 中国船级社 中国船级社正式发布了智能船舶规范。 长江航务管理局 推进长航局数据中心建设,组织开展“互联网+航运”及智能航运相关研究。 交通运输部 印发关于开展智慧港口示范工程的通知，选取一批港口开展智慧港口示范工程建设，全面带动我国港口信息化、智能化水平的提升。,7,二、绿色智能

6、船舶的热点问题及关键技术,二、绿色智能船舶的热点问题及关键技术8,绿色船舶船舶排放和能效控制技术,绿色化,水路交通绿色化,绿色航道绿色港口绿色运营,清洁能源、新型推进系统航道生态建养、修复技术三峡枢纽水运新通道建设 油改电工程 港口机械设备节能技术 “互联网”水运融合发展,二、水路交通绿色发展的热点问题及关键技术 （1）新型动力源 LNG、核能、纯电池、燃料电池、可再生能源（太阳能、风能）等 目前，船舶 动力95%为 柴油机动力（2）新型发电系统 超临界卡琳娜、布雷顿发电系统等 （3）岸基能源系统 接触网式、成组更换式、靠岸快充式、无线供电式等,9,二、水路交通绿色发展的热点问题及关键技术 （

7、1）船舶艉轴承水润滑 高分子复合材料：橡胶、赛龙、飞龙等；方形槽、圆弧槽；全开槽、仅顶部开槽、仅两侧开槽。 目前，船 舶推进（2）无轴轮缘推进器 95%为 浆、舵装无轴螺旋桨推进器（有毂/无毂）； 置无轴泵喷推进器；无轴对转推进器； （3）磁流体推进器 超导磁流体推进装置，电能直接转换成流体动能，以喷射推进取代传统螺旋桨推进，低噪音、无油。,10,三、水路交通智能发展的热点问题及关键技术11,船舶自动化与智能控制技术,船舶智能化,智能化,水路交通智能化,通航智能化航道智能化港口智能化运营智能化救助智能化,航道信息感知与服务技术 港口管控一体化技术 水路交通监管自动化技术 水路运输仿真技术 无人

8、救助装备 应急救援模拟训练系统,三、水路交通智能发展的热点问题及关键技术12, 船岸协同技术是解决船舶与岸基的通信链路可靠性、稳定性、带宽资源的重要途径，发展船岸协同技术是实现船舶智能航行的重要基础。,信息融 合,平行三维环境,智能驾驶辅助机舱故障诊断客舱智能监视,CCTV岸基雷达AIS差分基站,导航系统机舱监,渡轮码头,数据链,控 海事雷达、CCTV 、北斗/GPS、机,路,舱监控、客舱监控 渡轮,岸基雷达,三、水路交通智能发展的热点问题及关键技术 智能船舶技术的核心是智能航行，通过研发“航行脑”系统，探索“机器脑”对“人脑”的替代，实现船舶自主航行的感知、决策、控制全功能。,13,三、水路

9、交通智能发展的热点问题及关键技术 应用物联网感知技术和机器人等手段，实现对船舶动、静态信息、通航环境信息的全面实时感知。,14,卫星通信 信息汇总平台 航标灯,全方位的数据感知 桥梁净空监测,质量监控,（集成流速仪）岸边流速,气象信息采集采集设备,水位信息采集,水下信息采集信息获取,三、水路交通智能发展的热点问题及关键技术15, 建立和完善船-标-星-岸一体化航道要素传输网络，实现各种异构网络的互联互通。,三、水路交通智能发展的热点问题及关键技术16, 利用互联网、云计算、大数据等建立云环境下的通航运行系统服务平台，提供各业务和信息系统核心功能的云化实现和服务，提高服务水平。 信息服务 应急处

10、置 政务服务 风险预警 特殊规则 ,17,三、武汉理工大学相关研究工作,三、武汉理工大学相关研究工作 1、绿色船型： 船型智能设计系统 2、绿色动力： 船用太阳能光伏系统研发及应用 3、智能航行： 航行脑系统研发及应用 4、污染防控： 船舶污染预测及控制技术,18,1.船型智能设计系统 船型设计过程涉及大量的知识利用、推理问题，将人工智能（AI）与船型设计技术相结合，引入人工智能中的知识表示与知识处理的思想，开发基于人工智能的船体型线智能设计平台可有效提高船型设计效率及质量。,19,1.船型智能设计系统 基于人工智能的船型设计框架,20,1.船型智能设计系统 关键问题： （1）船型数据库样本选

11、择方法及性能指标研究 重点保证数据挖掘样本均匀、有代表性；提出的性能 指标可评价水动力性能的优劣。 （2）船型特征参数的提取及敏感参数研究 提取表达船型的敏感特征参数，建立特征参数和性 能对标的映射关系。 （3）船型特征参数的数据挖掘算法研究 重点解决数据样本中数据的离散化、数据样本中知 识获取技术两方面的问题。,21,1.船型智能设计系统 （4）专家系统的知识表达及知识重用研究 从知识的获取、分类、表达等方面，研究船型设计中知识的获取技术及知识的表示技术。探讨设计知识的学习问题。 （5）基于专家系统的船体型线智能优化设计软件开发 研究设计系统框架及实现策略，在此基础上开发基 于专家系统的船体

12、型线智能优化设计软件,22,1.船型智能设计系统 相关研究成果: (1)提出船型特征参数灵敏度分析方法 研究了全局灵敏度分析方法，提出了主效应灵敏度分析中偏方差的估计方式，实现了特征参数交互影响下的灵敏度分析。 1 MSI TSI 0.8 0.6 0.4 0.2,23,0LL/BB/TDCP,1.船型智能设计系统 （2）开发了基于专家系统的船体型线智能优化设计软件 数据挖掘 模块,24,2.船用太阳能光伏系统研发及应用25,理论方 法研究 关键技 术一 关键技 术二,海洋环境和船舶营 运的适应性分析 光伏离网-并网一 体化系统设计,太阳能光伏系统 可靠性评价方法 最大功率跟踪控制和双闭环重复

13、逆变控制方法,太阳能光伏系统 集成设计理论 船用大功率光伏 控制器核心技术 及设备研制,太阳能光伏系统节能减排效益评估 船用光伏离并网 一体化逆变器及 设备研制,关键技 术三,船用太阳能光伏系统的 实时安全监控技术,船用太阳能光伏系统的远 程管理技术,船用太阳能光伏系统的 运维保障体系,工程应 用,形成了自主知识产权的船用光伏系统的核心装备及成套技术，以在我国内河、远洋、湖区船舶、港口和锚地等作业船舶实现工程应用，推动了我国绿色船舶相关技术标准发展。,三、主要创新成果2.船用太阳能光伏系统研发及应用,26 Page 26,（1）提出了基于非碳能源利用、能效提升以及船舶智能电网架构的船舶太阳能光

14、伏系统应用理论体系，创建了离并网型太阳能光伏系统在船舶电力系统中的集成设计方法 太阳能光伏辅助供电型 太阳能电力推进型 直流 交流系统,网型 并网型 离并网混合型离,*严新平, 孙玉伟, 袁成清. 太阳能船舶技术应用现状及展望J. 船海工程, 2016(1): 50-54, 60.,三、主要创新成果 2.船用太阳能光伏系统研发及应用,27 Page 27,（2）建立了基于航线光伏能源获取-燃油消耗等效折减的太阳能光伏系统在远洋船舶应用的经济性评估模型，提出了船用太阳能光伏系统实船应用节能减排效果的验证指标体系和测试方法，建立了太阳能船舶节能减排效果评估模型，开展了光伏系统实船应用的节能减排效果

15、验证评估 节能减排效果评估的测试仪器清单,名 称型 号准 确 度用 途制 造 厂,石油密度计SY0.0005测介质密度河北青县,秒 表J9-2型0.5测时间中国上海,燃料流量计,LC- TA20.2/A,0.5,测燃油体积合肥精大,电能质量分析仪,8910C,0.4,电气性能测量山东青智,烟气成分分 析仪,Semtech-DS1050ppm测污染物成分,美国 Sensor,颗粒物测量 仪,ELPI,30nm10m,测污染物中的颗 粒物,芬兰 Dekati,流量计,AST16 一体化V型,0.52%测量污染物流量,美国阿斯 尔特公司,三、主要创新成果 2.船用太阳能光伏系统研发及应用,28 Pa

16、ge 28,（3）攻克了船舶电力系统-光伏系统的无缝切换（离网/并网/离并网一体化）供电技术，实现了光伏控制器、光伏逆变器和储能装置之间的自动匹配和可靠运行,MSB AC400V,船舶电力系统,MCB 400Vac,MSB AC450V汇流排,汇流排CCPDG 1AC440V 负载,DG 1,AC400 负载,PANDA 60 CELL YL 280C-30b,1KM,三相4线 380Vac,No.1柴油发电机,No.1主开关,No.1柴油发电机No.1主开关岸电配电箱925kVA 1186.8AMSB-L AC220V,150kW 400V/50Hz 271A,ACJ,DG 2,No.1变压

17、器 450/230V,主配电板照明负载屏,DG 2,No.2主开关,No.1变压器400/230V 90kVA,三相4线 380Vac,No.2柴油发电机 1200kVA 1539.6A,No.2主开关,No.2变压器 450/230V,No.2柴油发电机150kW 400V/50Hz 271A,No.2变压器400/230V 90kVA,MSB-L AC230V 主配电板照明负载屏,光伏控制器,能量管理,电池组 1# 200Ah,ACZ 三相4线 380Vac,DG 3,系统,216V,2# 200Ah,LDB 1,No.3柴油发电机 1200kVA 1539.6A,No.3主开关,手动机械

18、联锁断路器,光伏,三相4线 380Vac,逆流检测,太阳能电池阵列,控制器 1#,光伏,车辆舱LED照明 4.272kW,MPPT,充,光伏逆变器,SHT2,太阳能电池阵列,2# MPPT,逆变器AC 10kW 400V/50Hz,10KW 380V/220V 变压器 充电机配电柜,生活区LED照明1.936kW,电 机,SHT1,太阳能电池阵列 太阳能电池阵列,光伏 光伏,光伏微网变流器,并网 按钮 运行模式 离网,1 # 2 # 3 # 4 # 5 #,4L分电箱5L分电箱6L分电箱7L分电箱8L分电箱,货仓12甲板LED照明货仓11甲板LED照明货仓10甲板LED照明货仓9甲板LED照明

19、货仓8甲板LED照明货仓7甲板LED照明货仓6甲板LED照明货仓5甲板LED照明货仓4甲板LED照明,41.25kWp,太阳能电池阵列,光伏 控制器,AC 450V/60Hz,按钮 运行模式,50KW 450V/230V 货舱照明变压器,6 #,9L分电箱,货仓3甲板LED照明货仓2甲板LED照明货仓1甲板LED照明,采用电缆对接至风机控制室,150kWh,DC320V,延伸显示与,双接触器自动 控制互锁,交流配电柜,手动机械联锁 断路器,至风机 控制室,锂离子 蓄电池组,BMS,信号线,太阳能电力 管理系统,离网光伏系统,太阳能电池板,报警装置,DC/AC,双断路器手动 机械互锁,LDB 2

20、 三相4线 380Vac,锂离子蓄电池组,BMS,信号线,太阳能电力管理系统,离网光伏系统并网光伏系统离并网一体化光伏系统,系统控制策略、暂态特性和电能质量仿真, PSCAD和Matlab/Simulink系统静态稳定性、潮流分布和短路电流仿真, ETAP和Matlab/PSAT,三、主要创新成果 2.船用太阳能光伏系统研发及应用,29 Page 29,（4）攻克了船舶电力系统-光伏系统的无缝切换（离网/并网/离并网一体化）供电技术，实现了光伏控制器、光伏逆变器和储能装置之间的自动匹配和可靠运行,模拟负载市电网,环境监测仪,PV板,光伏防雷汇 流箱,直流防雷 配电柜,并网逆变器,交流防雷 配电

21、箱,发电机,电动机,并网结点,电能品质 测试仪,示波器,中央控制中心,数据 控制,数据采集器,系统硬件结构图模拟船舶太阳能光伏并网系统实验平台,通过该平台开展下述重复性实验，并与建模仿真实验数据及结论进行对比分析： 单机组同步发电机运行特性分析； 双机组同步发电机并联控制与运行特性分析； 不同类型光伏逆变并网控制策略（DC/DC变换和改进型Z源）的适用性验证，优化闭环逆变 控制器设计并完成系统参数整定； 系统暂态运行边界条件参数验证实验； 不同光伏渗透率条件下的光伏逆变器与单机组（两机组）并联运行实验和电能质量评估； 单一因素影响下系统暂态失稳和混沌现象实验研究； 针对暂态失稳脱离控制适用性和

22、有效性评估的增加强磁控制、加装动态无功补偿装置、快速 切机/负荷控制等系列试验。,三、主要创新成果 2.船用太阳能光伏系统研发及应用,30 Page 30,（5）提出了基于恒电压变步长扰动的最大功率跟踪控制算法，实现了船舶航行辐照环境多变条件下最大功率的高效跟踪；研制了船用大功率光伏控制器 跟踪速度： 10ms 跟踪效率： 99.0% 陆用： 跟踪速度50ms级跟踪效率95.8% 基于恒电压变步长扰动的最大功率跟踪控制算法流程及实现效果,三、主要创新成果 2.船用太阳能光伏系统研发及应用,31 Page 31,（6）首创了基于双闭环重复逆变控制方法，提高了逆变输出的动/静态特性；研制了船用光伏

23、（离网、并网以及离并网一体化）逆变器,光伏阵,+ Ud,S1 A 突加负载S2,S3 S4,B,S5 S6,C,L C,ia ib ic, 电压动态特性【电ua ub 压瞬时跌落恢复时 负载 uc 间(ts)】: 3ms,2.9%,列,SVPWM dq/ 双闭环,+,+, 电压谐波畸变率 abc/dqabc/dq双闭环 (THD)： - CurrentIref VlotageVref +2.9%1.7% PPI + 1.7%重复控制 重复控制 双闭环+重复控制陆用：,双闭环重复逆变控制方法原理图THD 3%,三、主要创新成果 2.船用太阳能光伏系统研发及应用,32 Page 32,（7）提出了

24、基于阶梯式（规则的模糊控制）充电控制管理策略和基于三类状态识别式（电池组类型、电池组荷电量和电池组温度）放电控制管理策略，同步实现了过充保护、过放保护、过温保护和过流保护 同步实现了过充保护、过放保护 、过温保护和过流保护 减小发热量：15% 提高使用寿命：10% 基于阶梯式逐级限流的充放电控制策略,三、主要创新成果 2.船用太阳能光伏系统研发及应用,33 Page 33,（8）提出了基于耗能式和能量转移式相结合的电池电量均衡控制方法和基于双因素融合的电池单元寿命预测方法 电池电量均衡控制方法： A. 耗能式均衡以均衡开启电压为基准，采用放电旁路对单体电压最高的1n节进行放电，防止过早进入电池

25、组过充保护； B. 能量转移式均衡是给电压较低的单体充电来,锂离子电池管理系统实验室测试 锂电池充放电特性测试,达到均衡的目的，以最低电压的偏离平均值的程度作为开启条件。 电池单元寿命预测方法： A. 最大使用容量和额定标称容量的关系 B. 自身漏电流和温度的关系,三、主要创新成果 2.船用太阳能光伏系统研发及应用,34 Page 34,（9）研发了先进的电池组PACK技术，开发了针对大容量储能系统的BMS装置，实现了电池组的热管理与在线维护,锂电池和BMS 获得CCS产品证书,锂电池PACK组件 获得CE证书,相应技术参数均满足CCS太阳能光伏系统及磷酸铁锂电池 系统检验指南（2014）中的

26、指标要求，,2.船用太阳能光伏系统研发及应用 船用太阳能光伏系统核心装置应用：5000PCTC远洋滚装运输船 目前全球范围内容量最大的一套同时采用太阳能 光伏离并网一体化技术和大容量锂电池储能装置 的远洋营运船舶,35,2.船用太阳能光伏系统研发及应用 船用太阳能光伏系统核心装置应用：800PCC内河汽车运输船 我国内河领域首艘具有完全自主知识产权且获得 中国船级社“绿色船舶-I”和“太阳能辅助动力 能源”标志的内河营运船舶,36,2.船用太阳能光伏系统研发及应用 船用太阳能光伏系统核心装置应用：科考船 2017年，为中国“探索一号”科考船提供1套250kVA电源变换装置（执行科研任务时向科考

27、仪器供电）和1套450kVA电源变换装置（科考船在靠岸时替代发电机供电，实现节能环保），两套逆变电源自使用以来可靠性高，供电质量稳定，保障了科考船的相关任务。,37,2.船用太阳能光伏系统研发及应用 行业评价 国际可持续资源管理委员会主席魏伯乐教授在博鳌论坛2016年年会上通过中国远洋航务当期杂志了解中远腾飞轮安装太阳能光伏系统的示范案例。魏伯乐教授认为：新能源是提高能效的最佳途径，他对这条世界上最大的太阳能船深感兴趣，为中国航运企业率先在行业内应用新能源技术感到由衷钦佩。,38 38,2.船用太阳能光伏系统研发及应用 媒体评价 相关研究成果为我国推广发展绿色船舶提供了切实可行的理论指导和技术

28、支持，得到了媒体的广泛关注。包括中国水运报、中国交通报、国际船舶网、中国水运网、中华航运网、船舶在线、中国海洋工程网在内的多家媒体给予积极报道。,39 39,3.船舶航行脑系统研发及应用 武汉理工大学船舶“航行脑”系统,40,功能组成航行脑,自身认知,“人脑”,轮机员驾驶员自身感知,航行决策船舶控制,驾控台动力系统状态,货物装载信息 姿态信息,操舵仪,传令钟,驾控台,机舱仪表执行机构助导航设备,机舱仪表执行机构,3.船舶航行脑系统研发及应用41,武汉理工大学船舶“航行脑”系统 结构组成：感知、融合、决策、执行,决策执行机舱管理系统执行机构,3.船舶航行脑系统研发及应用42,武汉理工大学船舶“航

29、行脑”系统 在武汉东湖航行的智能船，感知-认知处理模块,3.船舶航行脑系统研发及应用 已经达到的实际效果 原始雷达图,43,原始雷达图 感知增强模块：所有雷达、AIS信号、定位、气象信息，经过深度处理之后，直接 加工为直接可读的三维场景信息，服务于“航行脑”认知与决策。图为东湖。,3.船舶航行脑系统研发及应用,44 44,复杂场景下基于历史数据的船舶会遇特征提取; 基于人工智能的船舶避碰规则学习框架; 多约束条件下的船舶动态避碰决策方法； 船舶智能避碰算法测试与验证平台。,基于AIS数据的避碰过程重现及会 遇态势提取,基于强化学习的船舶智能避碰优化框架,Rolls-Royce公司MAXCMAS项目避碰 框架（2017）,3.船舶航行脑系统研发及应用45, 为验证和实现高速无人艇智能航行和救助技术，先后建造了3m 、