一种基于体系健康与动态风险的船舶混合动力能量管理方法、装置及介质

本发明属于船舶能量管理与智能控制，尤其涉及一种能够实现全生命周期成本最优、并主动保障系统可靠性的船舶柴电混合动力能量管理方法、装置及计算机可读存储介质。

背景技术：

1、船舶柴电混合动力系统是当前船舶行业实现节能减排的重要技术路径。

2、其能量管理系统的优劣直接决定了系统整体效益。

3、现有技术多采用基于预设规则的控制策略，例如根据电池荷电状态和负载功率来启停发电机组或进行负载卸载。

4、这类方法响应直接，但策略固化，难以适应复杂多变的航行工况，通常无法达到全局最优。

5、为寻求更优解，业界发展了基于优化算法的能量管理策略。

6、该类方法通过构建包含运行成本和污染物排放成本的综合成本函数，并采用粒子群、模型预测控制或动态规划等优化算法进行求解，以实现能量优化分配。

7、然而，现有优化目标多局限于瞬时燃油和排放成本，通常未将部件健康退化、未来故障风险、热应力和航行情境变化纳入统一决策框架。

8、此外，船舶动力系统长期运行后会出现设备老化、环境差异和船舶个体差异，若模型不能持续更新，能量管理策略容易偏离实际状态。

9、另一方面，船舶航行中还会遇到排放控制区、恶劣海况和紧急避让等特殊场景，仅以经济性为目标的控制策略难以兼顾安全性、可靠性和全生命周期成本。

技术实现思路

1、本发明旨在克服现有技术的局限性，提供一种能够从系统层面协同管理部件健康、主动规避故障风险、并具备自适应学习能力的船舶混合动力能量管理方法、装置及介质。

2、为实现上述目的，本发明提供的船舶混合动力能量管理方法包括：

3、采集船舶柴电混合动力系统的运行数据、健康监测数据和外部航行预测数据；

4、对所述数据进行清洗、时间对齐和特征工程处理，构建状态向量；

5、将状态向量输入数字孪生健康模型，得到健康与风险快照；

6、根据健康与风险快照和航行情境建立综合成本函数；

7、采用深度强化学习算法生成理论动作向量；

8、通过动作约束与安全映射层对理论动作向量进行物理量映射和安全裁剪，得到控制指令。

9、本发明还提供与上述方法对应的船舶混合动力能量管理装置、船舶混合动力能量管理设备以及计算机可读存储介质。

1.一种基于体系健康与动态风险的船舶混合动力能量管理方法，其特征在于，包括：采集船舶柴电混合动力系统的运行数据、健康监测数据以及外部航行预测数据，并对所述运行数据、健康监测数据以及外部航行预测数据进行数据清洗、时间对齐和特征工程处理，以构建状态向量；将所述状态向量输入数字孪生健康模型，获得包含部件健康状态退化速率、失效概率和剩余使用寿命的健康与风险快照；基于所述健康与风险快照、船舶当前航行情境以及船舶需求功率，构建包含经济与环保成本、系统级健康退化成本、故障风险成本和热应力成本的综合成本函数；采用深度强化学习算法根据所述状态向量和所述综合成本函数生成理论动作向量；以及通过动作约束与安全映射层对所述理论动作向量进行物理量反归一化和实时安全边界裁剪，得到并下发柴油发电机组、储能电池组和/或热管理设备的控制指令。

2.根据权利要求1所述的船舶混合动力能量管理方法，其特征在于，所述运行数据包括柴油发电机组输出功率、储能电池组荷电状态、电池功率、母线电压、负载需求功率和热管理设备运行状态中的至少一种；所述健康监测数据包括振动数据、电化学阻抗谱数据、温度数据、应力数据和循环使用数据中的至少一种；所述外部航行预测数据包括气象数据、海况数据、电子海图数据、排放控制区信息和航次任务信息中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的船舶混合动力能量管理方法，其特征在于，所述数字孪生健康模型包括协同退化子模型和概率性故障风险子模型；所述协同退化子模型将船舶柴电混合动力系统中的柴油发电机组、储能电池组、功率变换装置和热管理设备抽象为图结构中的节点，并基于节点之间的能量流、热流或控制关联计算各部件的健康状态退化速率；所述概率性故障风险子模型基于健康监测数据的时间序列输出各关键部件在预设未来时间窗口内的失效概率。

4.根据权利要求1所述的船舶混合动力能量管理方法，其特征在于，还包括基于联邦学习对所述数字孪生健康模型进行自适应更新：当满足本地训练触发条件时，单船利用本地运行数据和健康监测数据对所述数字孪生健康模型进行增量训练，并对训练得到的模型更新参数进行隐私保护处理后上传至云服务器；所述云服务器对多船上传的模型更新参数进行聚合，形成全局模型参数并下发至各船；各船对所述全局模型参数进行验证后更新本地数字孪生健康模型。

5.根据权利要求1所述的船舶混合动力能量管理方法，其特征在于，所述综合成本函数中的经济与环保成本根据燃油消耗成本和污染物排放成本确定；所述系统级健康退化成本根据各部件健康状态退化速率、报废阈值和更换成本确定；所述故障风险成本根据各关键部件的失效概率以及与失效后果严重性相关的损失系数确定；所述热应力成本根据关键部件实时温度相对于最佳工作温度区间的偏离量确定。

6.根据权利要求5所述的船舶混合动力能量管理方法，其特征在于，所述经济与环保成本、系统级健康退化成本、故障风险成本和热应力成本分别设置有权重系数，所述权重系数由情境感知模块根据船舶地理位置、排放控制区状态、海况等级、气象状态、航次任务、应急操作状态和最大失效概率中的至少一种进行动态调整，使能量管理策略在经济性、排放性、部件寿命和航行安全之间进行自适应权衡。

7.根据权利要求1所述的船舶混合动力能量管理方法，其特征在于，所述动作约束与安全映射层包括反归一化单元和安全裁剪单元；所述反归一化单元将深度强化学习算法输出的归一化动作向量映射为柴油发电机组功率设定值、储能电池组充放电功率设定值和/或冷却设备转速设定值；所述安全裁剪单元根据电池管理系统、柴油发电机控制器、功率变换控制器或热管理控制器反馈的实时安全边界，对所述功率设定值和/或转速设定值进行裁剪，并记录发生裁剪时的安全覆盖事件。

8.一种基于体系健康与动态风险的船舶混合动力能量管理装置，其特征在于，包括：数据融合与预处理模块，用于采集并处理船舶柴电混合动力系统的运行数据、健康监测数据以及外部航行预测数据，以构建状态向量；健康与风险评估模块，用于将所述状态向量输入数字孪生健康模型，获得健康与风险快照；多目标优化决策模块，用于基于所述健康与风险快照、船舶当前航行情境以及船舶需求功率构建综合成本函数，并生成理论动作向量；情境感知权重调整模块，用于根据船舶航行情境动态调整所述综合成本函数的权重系数；以及安全映射执行模块，用于对所述理论动作向量进行物理量反归一化和实时安全边界裁剪，得到并下发控制指令。

9.一种船舶混合动力能量管理设备，其特征在于，包括处理器以及用于存储能够在所述处理器上运行的计算机程序的存储器，所述处理器执行所述计算机程序时，实现如权利要求1至7任一项所述的船舶混合动力能量管理方法。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求1至7任一项所述的船舶混合动力能量管理方法。