一种碳排放预测驱动的混合动力船舶功率分配优化系统的制作方法

本发明涉及混合动力船舶能量管理及自适应控制，更具体地说，本发明涉及一种碳排放预测驱动的混合动力船舶功率分配优化系统。

背景技术：

1、现有混合动力船舶多依据发动机转速、输出功率、冷却液温度、蓄电池荷电状态和燃油消耗记录建立碳排放预测模型，并利用预测结果调节发动机与蓄电池的功率分担；

2、在风浪区定速航行时，螺旋桨会随波浪作用反复卸载和加载，推进系统仍须维持轴功率，无法停机辨别发动机状态；发动机经历短时卸载后，其转速、输出功率和冷却液温度虽可恢复至卸载前数值，但增压器转速及进气歧管压力尚未同步恢复，因而再次增加发动机功率时会出现燃油流量增幅和功率恢复时间不同的情况；

3、现有预测模型依据外部可测参数归并运行记录，容易将内部状态不同的记录作为同一状态处理，造成碳排放预测偏差，并引起发动机与蓄电池之间的功率分配反复调整；

4、本技术要解决的技术问题是：在维持船舶推进功率的情况下，辨别外部可测参数相同而增压与进气状态不同的发动机运行状态，提高碳排放预测和功率分配的准确性。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的实施例提供一种碳排放预测驱动的混合动力船舶功率分配优化系统，通过在推进电机输入功率保持不变期间由蓄电池接替发动机功率，形成发动机减载及恢复响应，依据实测恢复序列辨识目标增压进气状态，再利用修正后的混合动力模拟器和信赖域策略优化算法生成功率分配指令，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种碳排放预测驱动的混合动力船舶功率分配优化系统，包括：

3、边缘状态获取模块，设置于船载边缘计算节点，根据轴端扭矩与同刻转速生成发动机功率码和推进功率码，按时刻索引读取燃油质量流量并积分直流侧电流生成荷电状态码，输出动力状态序列；

4、替换求解模块，按发动机控制分辨率递增试算功率码，使用混合动力模拟器扣减发动机功率并由蓄电池补足推进功率，沿动力链核验设备登记区间，首次越界时读取前一试算功率码，生成替换指令；

5、集中执行模块，由船载边缘计算节点降低发动机功率并按母线缺失功率改写变流器电流，保持推进电机输入功率不变，再恢复发动机功率并撤回变流器电流，输出实测恢复序列；

6、状态辨识模块，对实测恢复序列执行祖先采样粒子吉布斯算法，按状态转移概率生成增压进气粒子，使用混合动力模拟器推演燃油流量，依据燃油流量差和功率恢复差生成粒子权重，按粒子权重抽取祖先并重采样，输出带离差计数的目标增压进气状态；

7、功率分配优化模块，以目标增压进气状态修正混合动力模拟器，通过强化学习生成发动机候选功率并由蓄电池承接剩余功率，模拟荷电状态恢复后的碳排放回报，以一除以粒子数与离差计数之和生成信赖域半径，执行信赖域策略优化算法，经共轭梯度求取更新方向并逐次减半更新步长，直至平均相对熵不超过信赖域半径且碳排放回报不低于更新前取值，输出功率分配指令。

8、在一个优选的实施方式中，所述边缘状态获取模块包括：

9、以替换指令下发时刻为零位索引，按采样编号读取发动机轴端扭矩值与发动机转速值并相乘生成发动机功率码，按相同采样编号读取推进轴端扭矩值与推进轴转速值并相乘生成推进功率码；

10、以零位索引发动机功率码作为替换前功率码，以零位索引之后首个不同于替换前功率码的索引位作为第一改变索引，从零位索引至第一改变索引逐位生成候选偏移位，发动机模拟器按发动机功率码推演燃油质量流量，将实测燃油质量流量按候选偏移位平移后与推演燃油质量流量逐位求差并换算为流量差计数，按流量差计数升序且候选偏移位升序取首位，生成燃油索引偏移位；

11、其中发动机模拟器是指在船载边缘计算节点内运行的计算程序，按发动机功率码、发动机转速值、上一索引增压器转速码和上一索引进气压力码，读取发动机燃油映射表并逐索引生成喷油质量；

12、推演燃油质量流量是指发动机模拟器在每个索引位生成的喷油质量除以采样周期得到的质量流量值；

13、按燃油索引偏移位平移燃油质量流量，从发动机功率码离开替换前功率码的索引位至返回替换前功率码的索引位，累加直流侧电流与采样周期的乘积生成累加电量，以累加电量修正零位索引荷电状态码并生成荷电状态码，将发动机功率码、推进功率码、燃油质量流量和荷电状态码按同一索引位写入，输出动力状态序列。

14、在一个优选的实施方式中，所述替换求解模块包括：

15、基于动力状态序列末位索引读取当前发动机功率码、当前荷电状态码和母线电压，并读取发动机控制器登记的稳态下界功率码、发动机控制分辨率和功率下降速率，以当前发动机功率码减去稳态下界功率码得到减载余量，按减载余量除以发动机控制分辨率得到的整数商生成试算功率码；

16、其中母线电压是指动力状态序列末位索引写入的直流母线电压采样值，用于将母线功率差换算为补偿电流码；

17、发动机控制器是指接收船载边缘计算节点下发的发动机功率码，并向发动机喷油执行机构输出控制量的电子控制单元；

18、稳态下界功率码是指发动机控制器登记的允许发动机维持稳态燃烧控制的功率码下界；

19、发动机控制分辨率是指发动机控制器功率指令寄存器相邻两个可写入功率码之间的功率差值；

20、对于每个试算功率码，以当前发动机功率码减去试算功率码生成试算发动机功率码，将功率下降速率乘以模拟周期时长并按发动机控制分辨率量化生成单周期减载码，混合动力模拟器从当前发动机功率码逐周期扣除单周期减载码，扣除至试算发动机功率码时生成减载功率轨迹；

21、其中混合动力模拟器是指在船载边缘计算节点内运行的计算程序，按照发动机功率码、增压进气粒子和替换指令逐索引推演燃油质量流量与发动机功率响应；

22、按照减载功率轨迹读取发动机至直流母线效率表，将相邻发动机功率码分别乘以对应效率值并相减生成母线功率差，以母线功率差除以同周期母线电压生成补偿电流码；

23、其中直流母线效率表是指以发动机功率码为索引、以发动机轴端功率传递至直流母线后的效率值为输出的登记表。

24、在一个优选的实施方式中，所述替换求解模块还包括：

25、将试算发动机功率码低于稳态下界功率码、补偿电流码高于变流器登记放电电流上限、当前荷电状态码扣除补偿电流码积分电量与蓄电池管理系统登记额定容量的比值后低于放电终止荷电状态，分别写入发动机越界位、变流器越界位和蓄电池越界位；

26、其中蓄电池管理系统是指采集蓄电池电流、电压和容量数据，并向船载边缘计算节点输出荷电状态及放电限制数据的电池控制单元；

27、放电终止荷电状态是指蓄电池管理系统登记的停止继续放电的荷电状态下限；

28、按顺位号读取发动机越界位、变流器越界位和蓄电池越界位，首次读到越界位时取前一顺位为目标顺位，目标顺位为零时生成零码替换指令，目标顺位不为零时读取目标顺位的减载功率轨迹和补偿电流码，将减载功率轨迹正向相邻差写为发动机减载码，将减载功率轨迹反向相邻差写为发动机恢复码，将补偿电流码反向排列写为撤回电流码，生成替换指令。

29、在一个优选的实施方式中，所述集中执行模块包括：

30、以替换指令执行起点读取母线电压与推进电机输入电流并相乘生成基准输入功率码，再按替换指令顺位读取发动机减载码和补偿电流码；

31、其中推进电机输入电流是指直流母线流入推进电机控制器直流输入端的电流采样值，用于与母线电压相乘生成推进电机输入功率；

32、执行减载时，船载边缘计算节点在同一本地时钟边沿写入发动机减载码和补偿电流码，下一本地时钟以母线电压与推进电机输入电流的乘积生成实测输入功率码，将基准输入功率码减去实测输入功率码后除以母线电压生成电流修正码，并将电流修正码累加至变流器电流码。

33、在一个优选的实施方式中，所述集中执行模块还包括：

34、执行恢复时，按替换指令倒序读取发动机恢复码和撤回电流码，在同一本地时钟边沿写入发动机恢复码并从变流器电流码中扣减撤回电流码，下一本地时钟按基准输入功率码与实测输入功率码的差值生成电流修正码并累加至变流器电流码，直至发动机功率码和变流器电流码回到替换前取值；

35、在减载阶段与恢复阶段中按发动机功率码配对同码记录，用恢复阶段燃油质量流量减去减载阶段燃油质量流量生成燃油恢复差值，用恢复阶段电流修正码与母线电压的乘积减去减载阶段电流修正码与母线电压的乘积生成内部响应差值，按替换指令顺位写入实测恢复序列。

36、在一个优选的实施方式中，所述状态辨识模块包括：

37、按替换指令顺位读取实测恢复序列中的燃油恢复差值和内部响应差值，将燃油恢复差值绝对值除以燃油流量检测分辨率生成燃油差计数，将内部响应差值绝对值除以发动机控制分辨率生成功率差计数，写入顺位观测记录；

38、其中燃油流量检测分辨率是指燃油质量流量传感器标定表中相邻两个输出数字码对应的质量流量差值；

39、以顺位观测记录条数加一生成粒子数量，将发动机控制器登记的增压器转速区间按粒子数量均分生成增压器转速粒子，并按压气机进气质量流量减去气缸进气质量流量后的结果计算进气压力粒子，将同编号的增压器转速粒子和进气压力粒子组成增压进气粒子；

40、其中增压器转速区间是指发动机控制器登记的增压器转速下界至增压器转速上界之间的转速范围；

41、压气机进气质量流量指混合动力模拟器以增压器转速粒子和上一索引进气压力粒子为索引，从压气机流量表读取的进入进气歧管的空气质量流量；

42、气缸进气质量流量指混合动力模拟器以发动机功率码、发动机转速值和上一索引进气压力粒子为索引，从发动机进气流量表读取的进入气缸的空气质量流量；

43、计算进气压力粒子的过程为：将压气机进气质量流量减去气缸进气质量流量，所得差值依次乘以采样周期、进气温度和气体常数，再除以进气歧管容积，并累加至上一索引进气压力粒子，生成当前索引进气压力粒子。

44、在一个优选的实施方式中，所述状态辨识模块还包括：

45、混合动力模拟器按替换指令推演每个增压进气粒子的燃油差值和功率差值，将推演结果相对于顺位观测记录的差值换算为残差计数，以残差计数负值作为自然常数指数生成粒子权重，以前一顺位粒子权重、状态转移概率和尾部残差计数生成祖先抽取概率，并按祖先抽取概率执行祖先采样粒子吉布斯重采样；

46、其中推演每个增压进气粒子的燃油差值和功率差值的过程为：混合动力模拟器以同一增压进气粒子执行替换指令，分别记录减载阶段与恢复阶段中发动机功率码首次等于同一指令码的燃油质量流量和发动机实际功率码，用恢复阶段燃油质量流量减去减载阶段燃油质量流量生成燃油差值，用恢复阶段发动机实际功率码减去减载阶段发动机实际功率码生成功率差值；

47、状态转移概率指将当前索引增压器转速粒子减去预测增压器转速后的绝对值除以粒子间隔生成转移差计数，再以自然常数为底且以转移差计数负值为指数生成的概率值，其中预测增压器转速由上一索引增压器转速粒子加上涡轮扭矩与压气机扭矩之差乘以采样周期后除以转子转动惯量得到；

48、每轮重采样后按粒子权重生成目标增压进气状态，将各增压进气粒子相对于目标增压进气状态的差值换算为粒子离差计数，目标增压进气状态与祖先索引序列相对于上一轮逐位异或结果均为零时停止重采样，重采样轮数达到顺位观测记录条数时按残差计数和升序取首位结果，输出带粒子离差计数的目标增压进气状态；

49、其中生成目标增压进气状态的过程为：将每个增压进气粒子乘以对应归一化粒子权重后逐粒子求和，得到目标增压器转速和目标进气压力，并由目标增压器转速和目标进气压力组成目标增压进气状态。

50、在一个优选的实施方式中，所述功率分配优化模块包括：

51、将目标增压进气状态写入混合动力模拟器，从发动机控制器登记的功率下界至功率上界，按发动机控制分辨率逐位生成发动机候选功率，以推进需求功率减去发动机候选功率生成蓄电池候选功率，以蓄电池候选功率除以母线电压生成蓄电池候选电流，将蓄电池候选电流未超过变流器登记电流上限的记录写为候选功率记录；

52、其中推进需求功率是指船载边缘计算节点依据航速控制指令、推进轴转速和推进轴扭矩生成的当前周期推进功率需求值；

53、对每条候选功率记录，混合动力模拟器按实测恢复序列的记录数量计算发动机候选功率和蓄电池候选功率，再按蓄电池荷电状态相对起点的差值生成恢复电流，并由发动机承担恢复电流对应功率后的剩余推进需求功率，直至荷电状态回到起点；

54、完成荷电状态恢复后，混合动力模拟器按目标增压进气状态和发动机候选功率读取燃油映射表，逐周期读取燃油质量流量并乘以模拟周期时长生成周期燃油质量，将周期燃油质量累加后乘以燃料含碳系数，将乘积取负值生成碳排放回报；

55、其中燃油映射表是指以发动机候选功率、增压器转速和进气压力为索引，以燃油质量流量为输出的发动机登记表；

56、燃料含碳系数是指船载边缘计算节点从当前供油舱对应的燃油加注批次记录中读取燃油碳质量分数，再将燃油碳质量分数乘以二氧化碳分子量四十四与碳原子量十二的比值，得到单位燃油质量对应的二氧化碳质量换算值；同一航次发生供油舱切换时，船载边缘计算节点按供油舱切换时刻读取切换后供油舱对应的燃油加注批次记录，并更新燃料含碳系数。

57、在一个优选的实施方式中，所述功率分配优化模块还包括：

58、执行信赖域策略优化算法时，以发动机候选功率索引强化学习策略参数寄存值，将强化学习策略参数寄存值取指数并除以全部指数和，生成当前动作概率，以当前动作概率乘以碳排放回报后求和生成当前策略回报，再以碳排放回报减去当前策略回报生成优势值；

59、以参数增量加当前强化学习策略参数寄存值生成更新策略参数寄存值，将更新策略参数寄存值取指数并除以全部指数和，生成更新动作概率，以更新动作概率除以当前动作概率后乘以优势值并按当前动作概率求和，生成策略目标函数，以当前动作概率乘以当前动作概率除以更新动作概率的自然对数后求和，生成平均相对熵，以一除以粒子数量与粒子离差计数之和生成信赖域半径；

60、对策略目标函数求一阶导数生成梯度向量，对平均相对熵求二阶导数生成费舍尔矩阵，通过共轭梯度求取更新方向，将更新方向按信赖域半径缩放后逐次减半生成参数增量，首个满足平均相对熵不超过信赖域半径且碳排放回报不低于当前策略回报的参数增量，累加写入对应强化学习策略参数寄存值，再按更新动作概率降序排列发动机候选功率，概率相同时按发动机候选功率升序取首位生成发动机目标功率，以推进需求功率减去发动机目标功率生成蓄电池目标功率，输出功率分配指令。

61、本发明的技术效果和优点：

62、1、 本方案通过蓄电池接替发动机功率且保持推进输入不变，使恢复响应暴露增压进气差异，相对降低外部状态合并造成的碳排放预测偏差；

63、2、 将混合动力模拟器用于逐级试算替换功率，并核验发动机、变流器和蓄电池登记限制，使替换指令在执行前完成可执行性筛选；

64、3、 对燃油质量流量设置燃油索引偏移位，并以直流侧电流积分修正荷电状态，使动力状态序列相对减少时序错配影响；

65、4、 在祖先采样粒子吉布斯算法中复用燃油恢复差值和内部响应差值，使增压进气状态辨识保留历史轨迹来源，改善状态混同问题；

66、5、 以粒子离差计数生成信赖域半径，使强化学习策略更新幅度随状态辨识分散程度调整，相对抑制功率分配反复修正。