蘇 一， 張倩墨

（中海網(wǎng)絡(luò)科技股份有限公司，上海200135）

0 引 言

船舶的速度性能是營(yíng)運(yùn)船舶的重要技術(shù)性能之一，船舶航行速度對(duì)船舶的航行安全、企業(yè)的營(yíng)運(yùn)效益以及節(jié)能降耗有著重大的影響。近年來，隨著國(guó)際油價(jià)不斷攀升，燃油成本已成為船舶運(yùn)輸成本中最大的一項(xiàng)。在目前航運(yùn)業(yè)市場(chǎng)低迷、運(yùn)力過剩的境況下，控制成本是航運(yùn)企業(yè)提高經(jīng)濟(jì)效益的必然選擇。為船舶制訂經(jīng)濟(jì)航速航行方案，獲得最佳綜合經(jīng)營(yíng)效益，是航運(yùn)企業(yè)急需解決的重要課題。

在此，介紹一種基于能效管理的船舶航速優(yōu)化系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以計(jì)算船舶經(jīng)濟(jì)航速與船舶單位距離最低油耗航速，檢測(cè)當(dāng)前主機(jī)轉(zhuǎn)速，并控制主機(jī)，使其運(yùn)行于最準(zhǔn)確的節(jié)能轉(zhuǎn)速下。通過對(duì)現(xiàn)有的船舶進(jìn)行微小改進(jìn)，達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。

1 現(xiàn)有船舶航速優(yōu)化節(jié)能方法概述

現(xiàn)有船舶主要從運(yùn)行中的船舶主機(jī)、船機(jī)槳、球鼻艏、船舶阻力、營(yíng)運(yùn)情況等方面進(jìn)行營(yíng)運(yùn)航速的優(yōu)化，從而達(dá)到節(jié)能的效果。

1.1 船舶主機(jī)及系統(tǒng)對(duì)航速優(yōu)化節(jié)能的影響

船舶航行時(shí)，為其提供能量的主要設(shè)備是推進(jìn)裝置、發(fā)電裝置和供氣裝置，這些裝置也是船舶耗能的主要來源。以柴油機(jī)船為例，直接耗用燃料的設(shè)備是柴油主機(jī)、發(fā)電柴油機(jī)和輔助鍋爐。其中，主機(jī)所消耗的能量占總輸入能量的70%～90%。

現(xiàn)行的降低主機(jī)燃油消耗的措施主要包括兩方面。

1）通過減少主機(jī)燃油消耗轉(zhuǎn)換從而降低燃料消耗率。

2）減少船舶所需的推進(jìn)功率和營(yíng)運(yùn)功率等。例如采用經(jīng)濟(jì)航速和減速航速，在航行時(shí)利用風(fēng)力、潮流縮短航行時(shí)間和降低主機(jī)功率，確定合理的航線和航速等。

結(jié)合船公司的實(shí)踐證明，采用“2）”中的措施可以有效地降低主機(jī)的燃料消耗量，提高船舶的營(yíng)運(yùn)效益。

1.2 船體對(duì)航速優(yōu)化節(jié)能的影響

除了對(duì)船上主機(jī)等機(jī)械設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化外，對(duì)船體進(jìn)行改進(jìn)也是提高船舶營(yíng)運(yùn)效益的一個(gè)重要方面。比如從船體線型入手，通過改進(jìn)球鼻艏減小船舶拖拽阻力。在目前燃油成本居高不下、慢速航行的大趨勢(shì)下，部分船公司（如馬士基和現(xiàn)代商船）已于2013年縮小了旗下船舶球鼻艏的尺寸，從而減小了興波阻力，降低了航次的燃油成本（預(yù)估可綜合節(jié)約燃油成本約4%～6%）。另外，可以在螺旋槳外圍或前面安裝導(dǎo)流管、采用優(yōu)質(zhì)船體涂料，這些方式都可以顯著減小船體表面摩擦阻力，從而降低主機(jī)消耗的功率，最終實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

1.3 運(yùn)行管理對(duì)航速優(yōu)化節(jié)能的影響

在船舶運(yùn)行中，機(jī)械設(shè)備的具體操作使用與日常管理對(duì)船舶節(jié)能也有著重要的影響。通過分析船舶氣象導(dǎo)航，利用風(fēng)力和潮流，縮短航行時(shí)間和降低主機(jī)功率，達(dá)到節(jié)省燃料的效果。結(jié)合歷史航線的數(shù)據(jù)，歸納出航速與所遭遇風(fēng)浪的關(guān)系，得出船舶失速曲線，對(duì)其進(jìn)行擬合與預(yù)測(cè)，從而優(yōu)化航線。提高船員的綜合水平，制定節(jié)能制度，提高船員和管理人員的節(jié)能意識(shí)。

2 船舶營(yíng)運(yùn)航速優(yōu)化模型設(shè)計(jì)

基于能效管理的船舶航速優(yōu)化模型設(shè)計(jì)思路主要是通過船舶營(yíng)運(yùn)的參數(shù)計(jì)算得出船舶按照單位距離油耗最低時(shí)的航速和船舶營(yíng)運(yùn)成本最低時(shí)的航速。由于最低營(yíng)運(yùn)費(fèi)用航速是以最低成本為導(dǎo)向的，最低單位距離油耗航速是以燃油油耗最優(yōu)為導(dǎo)向的，而一個(gè)航次要綜合考慮航次利潤(rùn)、船舶準(zhǔn)班率等綜合動(dòng)態(tài)，因此需要結(jié)合航線航次歷史數(shù)據(jù)，比較與修正航速，指導(dǎo)船舶在這兩個(gè)航速間進(jìn)行航行，從而達(dá)到節(jié)能效果。

在分析船舶單位距離油耗最低時(shí)的航速時(shí)，主要根據(jù)船舶運(yùn)行數(shù)據(jù)（如機(jī)艙監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、主機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，液位，GPS、AIS等），對(duì)典型運(yùn)輸船進(jìn)行不同裝載狀態(tài)（滿載、壓載）、不同吃水差、不同航速條件下的模型試驗(yàn)；根據(jù)船舶所在位置確定與目的港的距離和航行時(shí)間，通過與同航線其他航次的歷史信息進(jìn)行對(duì)比不斷修正，得出最低單位距離油耗航速。

在最低營(yíng)運(yùn)費(fèi)用航速的模型設(shè)計(jì)中，主要考慮船舶營(yíng)運(yùn)的經(jīng)濟(jì)成本，包括船舶固定費(fèi)用、變動(dòng)費(fèi)用以及航次收入等費(fèi)用，并結(jié)合主機(jī)功率等信息，計(jì)算其經(jīng)濟(jì)航速。

2.1 船舶單位距離最低油耗航速

船舶主機(jī)單位時(shí)間的有效功率為：

主機(jī)單位時(shí)間的耗油量

主機(jī)單位距離的耗油

船舶在航行過程中，船舶航速與主機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系為

式（1）～式（4）中：［CTS］A為船舶實(shí)際總的阻力系數(shù)；w為伴流分?jǐn)?shù)；J為實(shí)槳進(jìn)速系數(shù)。

式（5）中：ηS為軸系傳送效率；ρ為水密度；S為船體浸濕表面積，這些參數(shù)在船舶航速改變前后幾乎不變，可以視為常數(shù)。

由式（6）可知，船舶在航行過程中主機(jī)單位距離油耗量與船舶推進(jìn)效率、耗油率以及螺旋槳進(jìn)速系數(shù)、實(shí)船阻力系數(shù)有關(guān)。

在船舶柴油機(jī)ge—n特性曲線上取9個(gè)點(diǎn)，設(shè)船舶主機(jī)最高額定轉(zhuǎn)速為Ne，可以得到主機(jī)各轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的耗油率。根據(jù)公式（6）計(jì)算得到主機(jī)在各個(gè)轉(zhuǎn)速下對(duì)應(yīng)的單位距離耗油量和航速。

根據(jù)船舶實(shí)船性能曲線可以讀出船舶在不同航速下的J值，結(jié)合船舶航速變化前后伴流分?jǐn)?shù)和船舶阻力系數(shù)的變化，可以計(jì)算出：

由此可以得出結(jié)論：在船舶降速航行過程中，船舶主機(jī)單位距離油耗量隨航速的降低而減少，并出現(xiàn)一個(gè)最小值。如果主機(jī)轉(zhuǎn)速低于最低單位距離油耗對(duì)應(yīng)的主機(jī)轉(zhuǎn)速，此時(shí)降低航速，主機(jī)單位距離油耗量會(huì)增大。

在上述分析過程中，船舶最低單位距離油耗航速V指的是船舶與水的相對(duì)航速，而船舶最低單位距離油耗對(duì)應(yīng)的相對(duì)于地面的航速應(yīng)當(dāng)是V1＝V＋U。U為水流速度，逆水航行時(shí)取“－”，順?biāo)叫袝r(shí)取“＋”。

事實(shí)上，當(dāng)船舶主機(jī)轉(zhuǎn)速低于低限功率轉(zhuǎn)速時(shí)，降低主機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)引起主機(jī)單位距離油耗量增大。

主機(jī)低限功率

式（7）中：m為減功度；MCR為主機(jī)最大連續(xù)功率。

減速航行時(shí)，主機(jī)工況調(diào)整后的m值與不調(diào)整主機(jī)工況時(shí)的m值是不同的。m的具體數(shù)值要視每條船舶的主機(jī)性能，從實(shí)踐中確定。如以符號(hào)Vm表示主機(jī)在低限功率時(shí)的航速（相對(duì)水），則

式（8）中：V0為不減功時(shí)的船舶航速；Ne0為不減功時(shí)的主機(jī)功率。

2.2 最低營(yíng)運(yùn)費(fèi)用航速

船舶最低營(yíng)運(yùn)費(fèi)用航速是指在某一航次內(nèi)船舶營(yíng)運(yùn)費(fèi)用最低時(shí)的航速；船舶的營(yíng)運(yùn)費(fèi)用是該航次內(nèi)的燃油費(fèi)用與其它費(fèi)用的合計(jì)。

船舶航行時(shí)，每天的航行費(fèi)用可以表示為

式（9）中：Cjm為每－天航行總費(fèi)用；f為船舶固定費(fèi)用，船舶每天分?jǐn)偟睦ⅰ⒄叟f費(fèi)、保險(xiǎn)費(fèi)、管理費(fèi)、船員工資、維護(hù)費(fèi)（與航速無(wú)關(guān)）、潤(rùn)滑油費(fèi)、發(fā)電機(jī)用燃油費(fèi)、全船的加熱采暖空調(diào)費(fèi)等統(tǒng)稱為固定費(fèi)用，與航速之間并無(wú)直接關(guān)系，單位為人民幣（或美元）；k為船舶功能系數(shù)，與船舶性能（螺旋槳、吃水、船體線型、航行狀態(tài)等）、主發(fā)動(dòng)機(jī)和推進(jìn)裝置型式以及燃油品種、價(jià)格等因素有關(guān)，k值一般是由實(shí)船在一定的水域進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、測(cè)量某些數(shù)據(jù)，然后通過計(jì)算得到的。簡(jiǎn)單地，一般根據(jù)下列算式確定。

式（10）中：U 為燃料價(jià)格，元／t；ge為主機(jī)有效耗油率，g／（k W·h）；Ne為主機(jī)有效功率，k W；V 為船舶凈水速度，k m／h。

船舶在一定的航速范圍內(nèi)航行時(shí)，其主機(jī)的燃油消耗量與船舶的推進(jìn)功率成正比，因此船舶燃料的推進(jìn)費(fèi)用可以表示為k V3。

設(shè)船舶航行每海里的營(yíng)運(yùn)費(fèi)用為Cn，則

式（11）中：U為水流速度，k m／h。船舶順?biāo)叫袝r(shí)取“＋”值，逆水航行時(shí)取“—”值。

如果不計(jì)船舶每天的固定費(fèi)用，即f＝0，則Cn表示為航行時(shí)主機(jī)每公里燃料消耗費(fèi)，即

如果船舶每天固定費(fèi)用只包括發(fā)電機(jī)燃料消耗費(fèi)，而不包括船舶折舊、修理提成、工資獎(jiǎng)金津貼等費(fèi)用，那么式（12）就成為船舶航行時(shí)每公里總的燃料消耗費(fèi)用計(jì)算公式。

通過對(duì)式（12）求導(dǎo)，并令其等于零，就能得到船舶在航行過程中每公里費(fèi)用最低時(shí)的航速，即

由式（13）化簡(jiǎn)得：2k V3＋3UV2－f＝0。

方程有一個(gè)實(shí)根和兩個(gè)虛根，其實(shí)根為：

如果船舶按照該航速航行，那么其每公里航行費(fèi)用最低或每公里總?cè)剂腺M(fèi)用最省。此時(shí)，該航速就稱為最佳航速，用Vopt表示。與最佳航速相對(duì)應(yīng)的最佳航速費(fèi)用以Cn（opt）表示。

若U＝0，則式（6）為

這就是船舶在靜水中的最佳航速，也稱它為經(jīng)濟(jì)航速。

代入式（11），可求得每公里航行最低費(fèi)用

由上述數(shù)學(xué)模型可知，在某段時(shí)期內(nèi)，當(dāng)運(yùn)力相對(duì)過剩時(shí)，對(duì)船舶快速性要求不高，這時(shí)明顯降低航速不會(huì)因?yàn)楣潭ㄙM(fèi)用增加而對(duì)船舶營(yíng)運(yùn)的經(jīng)濟(jì)性造成較大影響。對(duì)于這種情況，可以使?fàn)I運(yùn)船舶在滿足航次時(shí)間要求的前提下，按照最低單位距離油耗航速和最低營(yíng)運(yùn)費(fèi)用航速進(jìn)行航行，以達(dá)到降低航次成本和提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。

3 船舶航速優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

船舶航速優(yōu)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路是經(jīng)過計(jì)算分析船舶營(yíng)運(yùn)航速優(yōu)化模型，得出船舶營(yíng)運(yùn)的最優(yōu)航速對(duì)應(yīng)的主機(jī)轉(zhuǎn)速，通過船舶航速優(yōu)化系統(tǒng)控制主機(jī)轉(zhuǎn)速，使其與該航速在航行中同步。同時(shí)，在系統(tǒng)中增加知識(shí)庫(kù)的歷史記錄與分析功能，即在每個(gè)航次結(jié)束后，記錄整個(gè)航次的航線、航向、航速及每段航線的天氣、水文信息，對(duì)船舶營(yíng)運(yùn)航速的模型進(jìn)行不斷的優(yōu)化調(diào)整，并進(jìn)行比對(duì)分析，為船長(zhǎng)及船岸操作提供決策支持。

另外，設(shè)計(jì)通過輸入／輸出接口模塊，對(duì)基于能效管理的船舶航速系統(tǒng)與其他系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理及轉(zhuǎn)換，依據(jù)參照系統(tǒng)及接口規(guī)范對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類及標(biāo)準(zhǔn)化處理，使系統(tǒng)按照標(biāo)準(zhǔn)化接口進(jìn)行互聯(lián)。

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)見圖1，主要由船舶監(jiān)控、經(jīng)濟(jì)航速效益、船舶綜合性能、水文天氣研究等構(gòu)成。

基于能效管理的船舶航速優(yōu)化系統(tǒng)功能模塊主要有：船舶監(jiān)測(cè)管理、經(jīng)濟(jì)航速效益管理、船舶綜合性能管理、能耗數(shù)據(jù)分析、系統(tǒng)管理（見圖2）。

圖1 基于能效管理的船舶航速優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

圖2 基于能效管理的船舶航速優(yōu)化系統(tǒng)功能模塊

3.1 船舶監(jiān)控管理

船舶監(jiān)控管理模塊主要負(fù)責(zé)根據(jù)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)航速效益模塊中的歷史數(shù)據(jù)，確定主機(jī)轉(zhuǎn)速范圍；接收航區(qū)及航期指令，由其計(jì)算分析得出的最慢航速確定主機(jī)最低轉(zhuǎn)速，并結(jié)合船舶設(shè)定的主機(jī)轉(zhuǎn)速范圍，確定船舶航行時(shí)的主機(jī)轉(zhuǎn)速范圍。

綜合主機(jī)系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)監(jiān)測(cè)航速。當(dāng)主機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行于最低油耗轉(zhuǎn)速以后，接收船舶航速信號(hào)，并判斷航速變化是否超過設(shè)定值。如果超過設(shè)定值，啟動(dòng)航速修正模式；如果沒有超過設(shè)定值，則繼續(xù)接收船舶航速并判斷。

同時(shí)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集（如機(jī)艙監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)、GPS或AIS等）工作，并將收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一處理，存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫(kù)中（見圖3）。

圖3 船舶監(jiān)控管理示意圖

3.2 經(jīng)濟(jì)航速效益管理

自動(dòng)更新歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中該航線的歷史信息，錄入船舶航線收入、利潤(rùn)、費(fèi)用等綜合信息，計(jì)算船舶經(jīng)濟(jì)航速及主機(jī)最低油耗功率。船舶主機(jī)由已確定的主機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的最低轉(zhuǎn)速開始運(yùn)行，經(jīng)過設(shè)定的單位時(shí)間，接收船舶航速信號(hào)和油耗信號(hào)，由船舶的航速以及油耗量計(jì)算出單位距離油耗量，并記錄該單位距離油耗量對(duì)應(yīng)的主機(jī)轉(zhuǎn)速及航速。系統(tǒng)錄入存儲(chǔ)航次的航行記錄，具體航次成本、利潤(rùn)、航建、能耗等信息見圖4。

圖4 經(jīng)濟(jì)航速效益管理示意圖

3.3 能耗數(shù)據(jù)分析

通過此模塊，將實(shí)際已發(fā)生航次的結(jié)果與按照經(jīng)濟(jì)航速計(jì)算出來的理論結(jié)果進(jìn)行對(duì)比：

（1）可以直觀地看出經(jīng)濟(jì)航速條件下的所獲得的最優(yōu)利潤(rùn)、燃油成本等信息，對(duì)實(shí)際航行起到有效的指導(dǎo)；

（2）可以發(fā)現(xiàn)計(jì)算模型中存在的問題，從而對(duì)計(jì)算模型的參數(shù)因子進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)模型的調(diào)優(yōu)。

某船舶能耗數(shù)據(jù)分析展示示例見圖5。

圖5 能耗數(shù)據(jù)分析示意圖

3.4 船舶綜合性能管理

記錄船舶的船型、航線水文、天氣等信息狀況，以供系統(tǒng)今后進(jìn)行模型優(yōu)化、分析和積累數(shù)據(jù)。

3.5 系統(tǒng)管理

系統(tǒng)管理模塊主要針對(duì)系統(tǒng)基礎(chǔ)信息（包括權(quán)限、人員、接口、基礎(chǔ)信息）的管理而設(shè)計(jì)。

4 結(jié) 語(yǔ)

介紹了一種船舶最低單位距離油耗航速和船舶最低營(yíng)運(yùn)成本航速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該控制系統(tǒng)可以通過實(shí)時(shí)、實(shí)地進(jìn)行航行檢測(cè)的方式，找到最準(zhǔn)確的主機(jī)節(jié)能轉(zhuǎn)速，并控制主機(jī)運(yùn)行于該轉(zhuǎn)速下，從而在對(duì)現(xiàn)有的船舶進(jìn)行微小改進(jìn)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。該系統(tǒng)已經(jīng)在國(guó)內(nèi)某大型航運(yùn)企業(yè)下屬分公司試用，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，優(yōu)化后的航速對(duì)于靈便型和巴拿馬型散貨船舶運(yùn)輸而言，平均每個(gè)航次基本可以節(jié)約10萬(wàn)的燃油成本，平均每日的燃油總能耗可下降11.82 kg，一年燃油成本較原來可下降約10%～15%，節(jié)油效果十分顯著。

對(duì)船舶經(jīng)濟(jì)航速系統(tǒng)的研究尚處于初級(jí)階段 ，為了使控制系統(tǒng)更加智能化，還應(yīng)在以下方面繼續(xù)努力：

（1）將油耗對(duì)應(yīng)的主機(jī)轉(zhuǎn)速以及氣象信息（如水流、風(fēng)向風(fēng)速等）加入到船舶航速優(yōu)化模型中，通過對(duì)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，得出船舶的經(jīng)濟(jì)航速；

（2）對(duì)系統(tǒng)和船舶航行中的航速進(jìn)行實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的優(yōu)化，可以及時(shí)根據(jù)船舶航速進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整與反饋，增加系統(tǒng)反饋效率。

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