一种多源环境参数融合的船载碳捕集智能调控方法及系统与流程

本发明涉及工业过程计算机化控制，尤其涉及一种多源环境参数融合的船载碳捕集智能调控方法及系统。

背景技术：

1、多源环境参数指极地科考船在航行与作业过程中通过各类传感器和外部数据源获取的环境信息，包括气象预报数据、冰情数据、海水微冰晶浓度数据、环境温度数据以及储罐壁面温度数据。船载碳捕集指安装于船舶上、用于从主机和发电机组烟气中分离并收集二氧化碳的工艺系统。现有的船载碳捕集调控方法主要依赖单回路反馈控制，通过监测烟气流量、吸收塔温度或碳捕集率等单一过程变量，依据预设阈值触发调节动作。近年来，这类方法在近海商船的碳捕集效率提升方面取得了一定进展，部分研究开始引入环境参数作为前馈补偿，使系统能够在一定范围内适应外部条件变化。

2、然而，现有调控方法在面向极地长期无卸载窗口的特殊工况时，其控制架构存在明显不足。现有方法的控制边界终止于二氧化碳解析完成并送入储存单元的时刻，未将储存单元的安全状态和产物的消纳能力纳入控制回路。当环境参数剧烈波动导致储存风险评估与消纳启动条件之间出现逻辑冲突时，现有单回路控制架构难以感知和协调多个控制目标之间的矛盾关系，缺乏将捕集过程、暂存安全与消纳处置作为统一对象进行协同管理的处理能力。

3、因此，亟需研究一种能够适应极地封闭自持条件的智能调控方法，将环境参数融合与产物全流程管控相结合，以克服现有调控架构在应对产物累积安全风险时缺乏主动干预手段的缺陷。

技术实现思路

1、为了克服产物累积缺乏闭环管控的缺点，本发明提供了一种多源环境参数融合的船载碳捕集智能调控方法及系统。

2、本发明的技术实施方案是：一种多源环境参数融合的船载碳捕集智能调控方法，包括以下步骤：

3、s1：采集多源环境参数和储罐壁面各区域温度并计算储罐干冰生成面积比，采集多源环境参数中的气象预报数据、冰情数据和船舶机动计划数据并计算储存消耗速率预测比；

4、s2：采集多源环境参数中的海水微冰晶浓度数据和环境温度数据并确定矿化启停条件参数组，基于储罐干冰生成面积比和储存消耗速率预测比分别生成暂存安全调控指令和消耗速率调控指令，并提取冲突指令集合；

5、s3：基于矿化启停条件参数组生成矿化启停调控指令并提取时序锁死指令序列集合，基于矿化启停条件参数组内部的温度耦合矛盾关系生成匹配状态判定规则及矿化启停调控指令；

6、s4：基于冲突指令集合和时序锁死指令序列集合进行工况聚类，根据聚类结果并结合匹配状态判定规则及矿化启停调控指令执行调控。

7、优选地，所述采集多源环境参数和储罐壁面各区域温度并计算储罐干冰生成面积比，包括：

8、计算储罐壁面各区域温度与二氧化碳三相点温度的差值，当差值为负值时标记该区域为干冰生成区域；

9、统计干冰生成区域总面积，计算干冰生成区域总面积占储罐总壁面面积的比例，将该比例定义为储罐干冰生成面积比，并将储罐干冰生成面积比作为多源环境参数对暂存安全状态影响的量化指标。

10、优选地，所述采集多源环境参数中的气象预报数据、冰情数据和船舶机动计划数据并计算储存消耗速率预测比，包括：

11、提取气象预报数据中的未来环境温度序列；

12、基于冰情数据和船舶机动计划数据生成未来船舶碳排放负荷序列；

13、将未来环境温度序列与未来船舶碳排放负荷序列进行时间轴对齐，取对齐后的共有时间区间作为未来时间窗口；

14、将未来船舶碳排放负荷序列中各时段的碳排放速率，与矿化模块在未来时间窗口内各对应时段的计划处理速率逐时段相减，对差值在未来时间窗口内进行时间积分，得到未来时间窗口内储存容量占用量的预测值，计算预测值与当前储存容量消耗速率与未来时间窗口时长乘积的比值，将比值定义为储存消耗速率预测比，储存消耗速率预测比作为多源环境参数对可用储存容量消耗速率影响的量化指标。

15、优选地，所述采集多源环境参数中的海水微冰晶浓度数据和环境温度数据并确定矿化启停条件参数组，包括：

16、依据海水微冰晶浓度数据计算矿化模块海水取水管路的冰堵风险值，依据环境温度数据计算矿化模块启动所需预热能耗值和矿化产物排出后的固化安全性等级值，将冰堵风险值、预热能耗值和固化安全性等级值共同定义为矿化启停条件参数组，矿化启停条件参数组作为多源环境参数对矿化模块启停决策影响的量化指标。

17、优选地，所述基于储罐干冰生成面积比和储存消耗速率预测比分别生成暂存安全调控指令和消耗速率调控指令，并提取冲突指令集合，包括：

18、基于储罐干冰生成面积比生成暂存安全调控指令；当储罐干冰生成面积比超过预设安全阈值时，暂存安全调控指令为降低碳捕集速率；当储罐干冰生成面积比不超过预设安全阈值时，暂存安全调控指令为维持碳捕集速率；

19、基于储存消耗速率预测比生成消耗速率调控指令；当储存消耗速率预测比超过预设消耗阈值时，消耗速率调控指令为启动矿化模块；当储存消耗速率预测比不超过预设消耗阈值时，消耗速率调控指令为维持碳捕集速率；

20、将暂存安全调控指令与消耗速率调控指令逐条进行比对；当暂存安全调控指令为降低碳捕集速率，而消耗速率调控指令为维持碳捕集速率时，判定该组指令为冲突指令对；将所有判定为冲突指令对的指令对提取出来，形成冲突指令集合。

21、优选地，所述基于矿化启停条件参数组生成矿化启停调控指令并提取时序锁死指令序列集合，包括：

22、基于矿化启停条件参数组生成矿化启停调控指令；当冰堵风险值超过预设冰堵阈值时，矿化启停调控指令为禁止启动矿化模块；当预热能耗值超过船舶当前可用总能量时，矿化启停调控指令为禁止启动矿化模块；当固化安全性等级值低于预设固化安全阈值时，矿化启停调控指令为禁止启动矿化模块；

23、将消耗速率调控指令与矿化启停调控指令按照执行先后顺序构成指令序列；指令序列的执行顺序为：先执行消耗速率调控指令，再执行矿化启停调控指令；当消耗速率调控指令为启动矿化模块，而紧随其后执行的矿化启停调控指令为禁止启动矿化模块时，判定该指令序列存在时序锁死关系；将所有判定为存在时序锁死关系的指令序列提取出来，形成时序锁死指令序列集合。

24、优选地，所述基于矿化启停条件参数组内部的温度耦合矛盾关系生成匹配状态判定规则及矿化启停调控指令，包括：

25、计算矿化启停条件参数组内冰堵风险值随环境温度变化的变化方向、固化安全性等级值随环境温度变化的变化方向；当冰堵风险值随环境温度变化的变化方向与固化安全性等级值随环境温度变化的变化方向相反时，判定矿化启停条件参数组内部存在温度耦合矛盾关系；

26、基于温度耦合矛盾关系，生成矿化启停条件参数组的匹配状态判定规则；匹配状态判定规则为：当冰堵风险值不超过预设冰堵阈值、预热能耗值不超过船舶当前可用总能量、且固化安全性等级值不低于预设固化安全阈值三个条件同时成立时，判定矿化启停条件参数组处于匹配状态；三个条件中任意一个不成立时，判定矿化启停条件参数组处于非匹配状态；

27、当矿化启停条件参数组处于匹配状态时，矿化启停调控指令为允许启动矿化模块；当矿化启停条件参数组处于非匹配状态时，矿化启停调控指令为禁止启动矿化模块。

28、优选地，所述基于冲突指令集合和时序锁死指令序列集合进行工况聚类，包括：

29、以冲突指令集合中存在指令对作为第一聚类特征，以时序锁死指令序列集合中存在指令序列作为第二聚类特征，提取当前工况的第一聚类特征值和第二聚类特征值，构成当前工况的特征向量；

30、当第一聚类特征和第二聚类特征均存在时，将当前工况聚类至同簇；当仅存在第一聚类特征或仅存在第二聚类特征时，将当前工况聚类至异簇；当两个特征均不存在时，不触发聚类响应。

31、优选地，所述根据聚类结果并结合匹配状态判定规则及矿化启停调控指令执行调控，包括：

32、若当前工况被聚类至同簇时，执行同簇调控策略；同簇调控策略为：将碳捕集速率调整至最低维持值，取消当前时刻的启动矿化模块指令，并停止对该指令序列的时序锁死状态进行重复判定，持续监测矿化启停条件参数组的匹配状态，当矿化启停条件参数组变更为匹配状态时，执行启动矿化模块指令，待时序锁死指令序列集合解除后，恢复响应暂存安全调控指令；

33、若当前工况被聚类至异簇时，执行异簇调控策略；异簇调控策略为：当冲突指令集合中存在指令对且时序锁死指令序列集合中不存在指令序列时，执行暂存安全调控指令中的降低碳捕集速率，并持续监测储罐干冰生成面积比的实时变化；当储罐干冰生成面积比回落至预设安全阈值以下时，恢复对消耗速率调控指令的执行，即按照消耗速率调控指令所要求的启动矿化模块或维持碳捕集速率进行控制；当时序锁死指令序列集合中存在指令序列且冲突指令集合中不存在指令对时，维持碳捕集速率，持续监测矿化启停条件参数组的匹配状态，当矿化启停条件参数组变更为匹配状态时，执行启动矿化模块指令。

34、优选地，一种多源环境参数融合的船载碳捕集智能调控系统，包括：

35、多源环境参数融合量化模块，用于计算储罐干冰生成面积比、储存消耗速率预测比和矿化启停条件参数组；

36、调控指令冲突解析模块，用于生成暂存安全调控指令和消耗速率调控指令并提取冲突指令集合，生成矿化启停调控指令并提取时序锁死指令序列集合；

37、温度耦合矛盾关系判定模块，用于判定矿化启停条件参数组内部的温度耦合矛盾关系并生成匹配状态判定规则；

38、工况聚类与调控执行模块，用于基于冲突指令集合和时序锁死指令序列集合进行聚类，根据聚类结果执行调控策略。

39、有益效果：本发明通过多源环境参数与储罐壁面温度的融合采集，构建以储罐干冰生成面积比和储存消耗速率预测比为核心的暂存安全与消耗速率量化指标，并提取冲突指令集合以感知多目标间的逻辑冲突。通过建立矿化启停条件参数组及温度耦合矛盾关系判定规则，识别消纳路径的时序锁死状态与多条件匹配状态。在此基础上，以冲突指令与时序锁死为特征进行工况聚类，形成同簇与异簇的分型调控策略，在暂存安全恶化与消纳锁死叠加时执行以保障储罐安全为首要目标的降负荷响应，在单一冲突时执行针对性冲突消解策略，有效克服了现有单回路控制架构在极地封闭自持条件下缺乏产物累积闭环管控能力的缺陷。