一种考虑负载不确定性的船用泵系统及优化方法

1.本发明涉及系统节能优化设计技术领域，具体涉及一种考虑负载不确定性的船用泵系统及优化方法。


背景技术：

2.为减少船舶能源消耗量，以及控制温室气体的排放，国际海事组织提出了船舶主机和辅机运行考虑减少船舶能效设计指数(energy efficiency design index，eedi)。泵作为重要的船舶辅机之一，其价格、使用寿命周期、运行性能和可靠性、能耗等是人们关注的重要方面，仅仅考虑泵单体性能，而忽视其他诸如阀门、管路等部件的性能是没有意义的。当泵系统的使用周期较长时，运行成本、维护成本以及强制停机时间，其代价通常远远超过泵的购买价格，应从全局的角度总体考虑泵系统各部件的配置和运行控制。
3.经检索，泵系统优化设计的相关申报专利有：一种节能型乡镇供水系统及其供水控制方法，申请号cn 201810651536.8；一种节能减耗的消防供水系统，申请号cn
4.201821647611.5；一种节能型船用泵组智能管理系统及方法，申请号cn 201711451265.3；一种装甲车辆冷却系统布局优化设计方法，申请号cn 201510315067.9。以上专利均根据系统设计要求，建立相应的数学模型，实现节能、效率提升等目标。本专利为提高船用泵系统能源利用效率和确保供水能力，同时考虑到船舶运行工况引起泵系统负载不稳定的情况，建立数学模型，减少能源消耗和搭建成本，并提出相应的求解算法，获得船用泵系统最优拓扑结构与运行管理策略。


技术实现要素：

5.发明目的：本发明的目的是提供一种考虑负载不确定性的船用泵系统及优化方法，将负载作为随机因素，以能耗和搭建成本最小为优化目标，基于技术运筹学理论建立双阶段随机规划模型，实现泵系统的优化设计与管理。
6.技术方案：本发明所述的一种考虑负载不确定性的船用泵系统，其特征在于，包括：船用泵系统、参数设置单元、约束条件设置单元、优化目标单元、优化算法求解单元；所述船用泵系统由并联方式连接的相同型号的离心泵、管路、阀门、流量计、压力传感器组成；用于增加水的压力从而向用户供水；所述参数设置单元用于负责采集船用泵系统使用场景下的确定性参数和不确定负载的随机参数；所述约束条件设置单元用于根据给定的泵参数、性能曲线、运行条件、供水需求建立数学模型；所述优化目标单元用于根据给定的泵购置成本和使用成本建立数学模型；所述优化算法求解单元用于求解数学模型，得到泵系统最优拓扑结构和运行策略；所述离心泵用于增加水的压力从而满足供水需求；所述阀门用于调节水的流量；所述管路用于配置与连接各部分元件；所述流量计用于测量水的流量；所述压力传感器用于测量泵进出口压力从而获得泵系统的扬程。
7.进一步的，参数设置单元包括：触摸屏输入确定性参数和不确定负载的随机参数。
8.本发明所述的一种考虑负载不确定性的船用泵系统的优化方法，包括以下步骤：
9.(1)用户通过触摸屏设置确定性参数和不确定负载的随机参数；
10.(2)根据约束条件建立满足假设条件的数学模型；
11.(3)求解数学模型。
12.进一步的，所述步骤(1)确定性参数包括：泵的连接方式、满足供水需求的最小扬程、泵系统的运行时长、消耗每千瓦时的电费、供水不足的惩罚成本、各型号备选泵的参数，包括价格、流量、扬程、转速、功率。
13.进一步的，所述步骤(1)不确定负载的随机参数包括：可能的需水量及其对应的概率、供水不足的风险概率。
14.进一步的，所述步骤(2)约束条件包括：备选泵中至少有一类被选择用于泵系统；至少购买一台被选择型号的泵用于泵系统；启动泵运行的数量不超过泵系统中泵的总量；泵运行时流量、扬程、转速不超过其型号规定的运行范围；泵系统的流量为每台泵的流量与运行泵数量的乘积；泵系统的扬程与每台运行的泵扬程相等，且符合泵运行的h-p性能曲线；每台运行泵的能耗符合泵运行的q-p性能曲线；泵系统的能耗为每台泵的能耗与运行泵数量的乘积；泵系统扬程应不低于用户设置的最低要求；若实际供水量比需水量少，应支付相应的惩罚费用。
15.进一步的，所述步骤(2)假设条件包括：泵是唯一考虑的技术组件。已知可用类型的数量，其运行特性和价格；消耗每千瓦时的电费和供水不足时的惩罚成本的单位成本是固定的；泵系统仅考虑并联连接，且仅选择同型号的泵并联；对于相同类型的泵，流量和转速应相等，以确保最高的效率；供水负载被认为是唯一不确定的参数。
16.进一步的，所述步骤(3)为两个阶段进行求解，第一阶段求解获得船用泵系统的最优拓扑结构，第二阶段求解出船用泵系统的最优运行方案；针对两个阶段的求解需要先初始化两个样本，大小分别为n1，n2，求解迭代步骤数i，供水不足的风险等级为ε。重复次数i＝1，2,
…
,i，具体如下：
17.(81)生成正态分布的需水量q的样本{q(1)，q(2)，...，q(n1)}，初步求解出泵系统最优拓扑结构和运行方案作为候选方案，两个阶段的最优解分别为和对应的目标值为
18.(82)生成样本数更大的需水量{q(1)，q(2)，...，q(n2)}，检查上述候选方案是否满足每个供水需求q(1),...,q(n2)；
19.其中，表示各候选最优解；表示无法满足相应需水量的概率。
20.(83)根据如下公式计算的值，根据用户设置的供水不足风险概率ε来评估候选方案的可行性
[0021][0022]
其中，1.96是正态分布的97.5个百分点的近似值，即95％置信水平的相应系数。
[0023]
(84)如果不超过ε，即候选方案未通过可行性检查，则进行下一次迭代求解；反之，如果通过可行性评估，则根据获得第一阶段的结果，再进一步求解第二阶段的问题，即最大程度地减少{q(1)，q(2)，...，q(n2)}供水负载所需的预期运行和惩罚
成本对应的泵系统运行方案。
[0024]
(85)求解得到第一阶段解为时总目标函数最小值，其对应的第二阶段运行方案的解用表示。
[0025]
(86)选择所有i个迭代的中总的目标函数最小所对应的解分别用u
*
和x
*
表示两个阶段的解。
[0026]
本发明所述的一种设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如上述任一项所述的一种考虑负载不确定性的船用泵系统的优化方法中的步骤
[0027]
本发明所的一种存储介质，存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被设计为运行时实现根据上述任一项所述的一种考虑负载不确定性的船用泵系统的优化方法中的步骤。
[0028]
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：本发明根据船用泵系统实际运行场景建立数学模型，求解出泵系统最优拓扑结构和运行方案，能够避免传统方法中人为经验因素存在的偏差，有效实现节约能源减少成本的目标。
附图说明
[0029]
图1为本发明系统总体框图；
[0030]
图2为本发明系统参数设置单元界面；
[0031]
图3为本发明随机负载约束条件建模原理图；
[0032]
图4为本发明算法的求解流程图。
具体实施方式
[0033]
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
[0034]
如图1所示，本发明实施例提供一种考虑负载不确定性的船用泵系统，其特征在于，包括：船用泵系统、参数设置单元、约束条件设置单元、优化目标单元、优化算法求解单元；所述船用泵系统由并联方式连接的相同型号的离心泵、管路、阀门、流量计、压力传感器组成；用于增加水的压力从而向用户供水；所述参数设置单元用于负责采集船用泵系统使用场景下的确定性参数和不确定负载的随机参数；所述约束条件设置单元用于根据给定的泵参数、性能曲线、运行条件、供水需求建立数学模型；所述优化目标单元用于根据给定的泵购置成本和使用成本建立数学模型；所述优化算法求解单元用于求解数学模型，得到泵系统最优拓扑结构和运行策略；所述离心泵用于增加水的压力从而满足供水需求；所述阀门用于调节水的流量；所述管路用于配置与连接各部分元件；所述流量计用于测量水的流量；所述压力传感器用于测量泵进出口压力从而获得泵系统的扬程。参数设置单元包括：触摸屏输入确定性参数和不确定负载的随机参数。
[0035]
如图2-3所示，本发明实施例还提供了一种考虑负载不确定性的船用泵系统的优化方法，包括以下步骤：
[0036]
(1)用户通过触摸屏设置确定性参数和不确定负载的随机参数；其中，确定性参数包括：泵的连接方式、满足供水需求的最小扬程、泵系统的运行时长、消耗每千瓦时的电费、
供水不足的惩罚成本、各型号备选泵的参数，包括价格、流量、扬程、转速、功率。不确定负载的随机参数包括：可能的需水量及其对应的概率、供水不足的风险概率。
[0037]
(2)根据约束条件建立满足假设条件的数学模型；其中，
[0038]
约束条件包括：备选泵中至少有一类被选择用于泵系统；至少购买一台被选择型号的泵用于泵系统；启动泵运行的数量不超过泵系统中泵的总量；泵运行时流量、扬程、转速不超过其型号规定的运行范围；泵系统的流量为每台泵的流量与运行泵数量的乘积；泵系统的扬程与每台运行的泵扬程相等，且符合泵运行的h-p性能曲线；每台运行泵的能耗符合泵运行的q-p性能曲线；泵系统的能耗为每台泵的能耗与运行泵数量的乘积；泵系统扬程应不低于用户设置的最低要求；若实际供水量比需水量少，应支付相应的惩罚费用。
[0039]
约束条件中关于系统满足随机负载的建模原理如图3所示，公式(1)和(2)为本发明中船用泵系统满足随机负载的数学表述，其中公式(1)表示船用泵系统存在不满足供水需求的可能；公式(2)表示用户通过设置供水不足风险概率ε限定最终泵系统满足随机负载的概率应不低于1-ε。然而公式(1)和(2)无法用于数学模型直接求解，需要转换成公式(3-6)的形式作为约束条件求解。公式(3)表示当实际泵系统流量q
total
(l)不能满足随机负载q(l)时，供水短缺的量为
⊿
(l)；公式(4)和(5)限定供水短缺的量
⊿
(l)的范围，公式(4)表示当供水短缺的量为
⊿
(l)大于等于1％的随机负载时即认为供水不足，公式(5)表示供水短缺的量
⊿
(l)不超过随机负载的值，其中z(l)为二进制变量表示不满足随机负载的次数；公式(6)表示供水不足的次数不超过用户设置的供水不足风险。
[0040]
假设条件包括：泵是唯一考虑的技术组件。已知可用类型的数量，其运行特性和价格；消耗每千瓦时的电费和供水不足时的惩罚成本的单位成本是固定的；泵系统仅考虑并联连接，且仅选择同型号的泵并联；对于相同类型的泵，流量和转速应相等，以确保最高的效率；供水负载被认为是唯一不确定的参数。
[0041]
(3)求解数学模型；具体为：如图4所示，优化算法求解单元：求解获得算法的最优拓扑结构和运行方案的解；分为两个阶段进行求解，第一阶段求解获得船用泵系统的最优拓扑结构，第二阶段求解出船用泵系统的最优运行方案；针对两个阶段的求解需要先初始化两个样本，大小分别为n1，n2，求解迭代步骤数i，供水不足的风险等级为ε。重复次数i＝1，2,
…
,i，包括以下步骤：
[0042]
(81)生成正态分布的需水量q的样本{q(1)，q(2)，...，q(n1)}，初步求解出泵系统最优拓扑结构和运行方案作为候选方案，两个阶段的最优解分别为和对应的目标值为
[0043]
(82)生成样本数更大的需水量{q(1)，q(2)，...，q(n2)}，检查上述候选方案是否满足每个供水需求q(1),...,q(n2)；
[0044]
其中，表示各候选最优解；表示无法满足相应需水量的概率。
[0045]
(83)根据如下公式计算的值，根据用户设置的供水不足风险概率ε来评估候选方案的可行性
[0046][0047]
其中，1.96是正态分布的97.5个百分点的近似值，即95％置信水平的相应系数。
[0048]
(84)如果不超过ε，即候选方案未通过可行性检查，则进行下一次迭代求解；反之，如果通过可行性评估，则根据获得第一阶段的结果，再进一步求解第二阶段的问题，即最大程度地减少{q(1)，q(2)，...，q(n2)}供水负载所需的预期运行和惩罚成本对应的泵系统运行方案。
[0049]
(85)求解得到第一阶段解为时总目标函数最小值，其对应的第二阶段运行方案的解用表示。
[0050]
(86)选择所有i个迭代的中总的目标函数最小所对应的解分别用u
*
和x
*
表示两个阶段的解。
[0051]
本发明实施例还提供了一种设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如上述任一项所述的一种考虑负载不确定性的船用泵系统的优化方法中的步骤
[0052]
本发明实施例还提供了一种存储介质，存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被设计为运行时实现根据上述任一项所述的一种考虑负载不确定性的船用泵系统的优化方法中的步骤。

技术特征：
1.一种考虑负载不确定性的船用泵系统，其特征在于，包括：船用泵系统、参数设置单元、约束条件设置单元、优化目标单元、优化算法求解单元；所述船用泵系统由并联方式连接的相同型号的离心泵、管路、阀门、流量计、压力传感器组成；用于增加水的压力从而向用户供水；所述参数设置单元用于负责采集船用泵系统使用场景下的确定性参数和不确定负载的随机参数；所述约束条件设置单元用于根据给定的泵参数、性能曲线、运行条件、供水需求建立数学模型；所述优化目标单元用于根据给定的泵购置成本和使用成本建立数学模型；所述优化算法求解单元用于求解数学模型，得到泵系统最优拓扑结构和运行策略；所述离心泵用于增加水的压力从而满足供水需求；所述阀门用于调节水的流量；所述管路用于配置与连接各部分元件；所述流量计用于测量水的流量；所述压力传感器用于测量泵进出口压力从而获得泵系统的扬程。2.根据权利要求1所述的一种考虑负载不确定性的船用泵系统，其特征在于，参数设置单元包括：触摸屏输入确定性参数和不确定负载的随机参数。3.一种考虑负载不确定性的船用泵系统的优化方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)用户通过触摸屏设置确定性参数和不确定负载的随机参数；(2)根据约束条件建立满足假设条件的数学模型；(3)求解数学模型。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)确定性参数包括：泵的连接方式、满足供水需求的最小扬程、泵系统的运行时长、消耗每千瓦时的电费、供水不足的惩罚成本、各型号备选泵的参数，包括价格、流量、扬程、转速、功率。5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)不确定负载的随机参数包括：可能的需水量及其对应的概率、供水不足的风险概率。6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)约束条件包括：备选泵中至少有一类被选择用于泵系统；至少购买一台被选择型号的泵用于泵系统；启动泵运行的数量不超过泵系统中泵的总量；泵运行时流量、扬程、转速不超过其型号规定的运行范围；泵系统的流量为每台泵的流量与运行泵数量的乘积；泵系统的扬程与每台运行的泵扬程相等，且符合泵运行的h-p性能曲线；每台运行泵的能耗符合泵运行的q-p性能曲线；泵系统的能耗为每台泵的能耗与运行泵数量的乘积；泵系统扬程应不低于用户设置的最低要求；若实际供水量比需水量少，应支付相应的惩罚费用。7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)假设条件包括：泵是唯一考虑的技术组件。已知可用类型的数量，其运行特性和价格；消耗每千瓦时的电费和供水不足时的惩罚成本的单位成本是固定的；泵系统仅考虑并联连接，且仅选择同型号的泵并联；对于相同类型的泵，流量和转速应相等，以确保最高的效率；供水负载被认为是唯一不确定的参数。8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)为两个阶段进行求解，第一阶段求解获得船用泵系统的最优拓扑结构，第二阶段求解出船用泵系统的最优运行方案；针对两个阶段的求解需要先初始化两个样本，大小分别为n1，n2，求解迭代步骤数i，供水不足的风险等级为ε。重复次数i＝1，2,
…
,i，具体如下：(81)生成正态分布的需水量q的样本{q(1)，q(2)，...，q(n1)}，初步求解出泵系统最优
拓扑结构和运行方案作为候选方案，两个阶段的最优解分别为和对应的目标值为(82)生成样本数更大的需水量{q(1)，q(2)，...，q(n2)}，检查上述候选方案是否满足每个供水需求q(1),...,q(n2)；其中，表示各候选最优解；表示无法满足相应需水量的概率。(83)根据如下公式计算的值，根据用户设置的供水不足风险概率ε来评估候选方案的可行性其中，1.96是正态分布的97.5个百分点的近似值，即95％置信水平的相应系数。(84)如果不超过ε，即候选方案未通过可行性检查，则进行下一次迭代求解；反之，如果通过可行性评估，则根据获得第一阶段的结果，再进一步求解第二阶段的问题，即最大程度地减少{q(1)，q(2)，...，q(n2)}供水负载所需的预期运行和惩罚成本对应的泵系统运行方案。(85)求解得到第一阶段解为时总目标函数最小值，其对应的第二阶段运行方案的解用表示。(86)选择所有i个迭代的中总的目标函数最小所对应的解分别用u
*
和x
*
表示两个阶段的解。9.一种设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求3-8任一项所述的一种考虑负载不确定性的船用泵系统的优化方法中的步骤。10.一种存储介质，存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被设计为运行时实现根据权利要求3-8任一项所述的一种考虑负载不确定性的船用泵系统的优化方法中的步骤。

技术总结
本发明公开了一种考虑负载不确定性的船用泵系统及优化方法，所述系统包括：船用泵系统、参数设置单元、约束条件设置单元、优化目标单元、优化算法求解单元；所述船用泵系统用于增加水的压力从而向用户供水；所述参数设置单元用于负责采集船用泵系统使用场景下的参数；所述约束条件设置单元用于根据需求建立数学模型；所述优化目标单元用于根据给定的泵购置成本和使用成本建立数学模型；所述优化算法求解单元用于求解数学模型，得到泵系统最优拓扑结构和运行策略；本发明根据船用泵系统实际运行场景建立数学模型，求解出泵系统最优拓扑结构和运行方案，能够避免传统方法中人为经验因素存在的偏差，有效实现节约能源减少成本的目标。标。标。


技术研发人员：孙慧 兰清棋 宋洪辉 陈宁
受保护的技术使用者：江苏科技大学
技术研发日：2023.06.12
技术公布日：2023/9/9