李可順， 劉伊凡， 孫培廷

(大連海事大學 輪機工程學院，遼寧 大連 116026)

船舶能效營運指數仿真建模

李可順， 劉伊凡， 孫培廷

(大連海事大學 輪機工程學院，遼寧 大連 116026)

為更方便地研究船舶能效營運指數(EEOI)的影響因素，以46 000 t油船為目標船，將其頂浪直線航行時受到的影響因素按蒙特卡羅方法分為確定因素和隨機因素。通過運用軟件對目標船能效進行仿真建模，獲得了EEOI隨時間的變化關系曲線；在此基礎上，進一步計算和分析海浪特征波高和船舶載重對EEOI的影響。結果表明，提高載貨率能夠直接提高船舶的EEOI；降低主機轉速也是有效降低船舶EEOI的方式，并且這種降低的效果會隨海浪特征波高的增大而減少。該方法對單船能效管理方案的制定具有一定的參考價值。

交通運輸經濟學；船舶能效營運指數；蒙特卡羅方法；隨機因素；仿真建模

水路運輸作為環(huán)境友好型的運輸方式，存在著能耗低、效率高等優(yōu)點，是全球貿易往來的主要方式，在節(jié)能減排方面起著重大作用，但是船舶營運中帶來的污染日益受到人們的關注。經過多年磋商,國際海事組織迄今為止對船舶溫室氣體減排主要提出了以下技術措施：對于新造船,實施強制性的新造船能效設計指數;對于正在營運的船舶,實施非強制性的能效營運指數(Energy Efficiency Operation Indicator，EEOI)。[1-2]EEOI作為評價船舶CO2排放的標準。

EEOI最簡單的定義是每噸貨物每海里消耗的CO2量，適用于所有承擔運輸工作的船舶。[3]對于一艘正在營運的船舶，研究單個航次的難度在于影響能效的變量難以重復，如航線、排水體積、海況等。

因此，基于蒙特卡羅方法，采用仿真的手段研究單個航次的船舶能效是一種有效的方式。

1 船舶能效營運指數影響因素理論分析

國際海事組織于2009年7月批準了包括《能效營運指數(EEOI)自愿使用導則》在內的4個導則，并對一個航次的EEOI進行了定義。[4-5]

(1)

式(1)中：j為燃油類型；FCj為一個航次某類燃油的消耗量；CFj為燃油j的燃油量與CO2量轉換系數；mcargo貨物為客船所載貨物(t)或所作的功(標箱或乘客數量)或總噸，此處研究的目標船為46 000 t成品油船，故采用t作為貨物單位；D為對應于所載貨物或所作的功的距離(n mile)。

從式(1)可以看出EEOI是一個綜合型的數據，其計算參數包括船舶自身數據和船舶營運數據兩部分。船舶自身數據主要是油耗數據，如各類燃油消耗、燃油的CO2排放因子；船舶營運數據則包含貨物裝載量、航程等信息。

2 船舶能效營運指數建模

選取的目標船為無限航區(qū)46 000 t成品油船，總長182.8 m，設計吃水10.5 m，屬于大型靈便型油船；服務航速14.8 kn；主機型號為MAN B amp; W 6S50MC；主機額定功率為9 480 kW，額定轉速為127 r/min, 不包括臺架試驗±5%誤差，其油耗率為171 g/(kW·h)；螺旋槳為定螺距槳。

根據蒙特卡羅方法，將影響EEOI的確定性因素和隨機性因素分開構建數學模型。[6]確定性因素包括：船體的幾何參數、螺旋槳的特性、主機的工作性能；不確定因素包括：目標船的靜水阻力、波浪阻力。研究方法原理圖見圖1。

船舶能效系統的建立基于以下幾點基本假設。

1.在選擇的航程范圍內，海況及波浪的統計特征基本不變。

2.只考慮船舶在做勻速直線運動的情況，忽略船舶在波浪影響下造成的橫搖和垂蕩。

3.將空氣阻力作為靜水阻力的一部分，不考慮在航行時風對船舶的力的作用。

圖1 蒙特卡羅方法分析EEOI的原理圖

對于一艘確定的船舶來說，影響其正常航行時營運能效水平的因素主要有3個方面[7]：

(1) 船舶自身因素：由于載貨量不同造成的船體水下形狀的變化、推進系統的配合與運行狀態(tài);

(2) 海況因素：浪高、波長;

(3) 人為操作因素：航線、航向、轉速設定等。

在此基礎上，利用軟件對船舶能效營運指數系統建模(見圖2)。[8-9]

3 仿真結果及分析

3.1各特征波高EEOI的變化規(guī)律

由于隨機波浪力的作用，每次仿真得到的EEOI曲線都不相同。圖3為特征波高為3.25 m時，6次仿真得到的EEOI曲線。

圖2 船舶能效仿真模型

圖3 EEOI仿真曲線

從圖中可以看出，對于單條EEOI曲線，在隨機波浪的影響下，EEOI不斷波動。在剛開始累計時，EEOI波動較大；隨著仿真時間變長，EEOI逐漸穩(wěn)定，當仿真時間超過一定時間時，基本穩(wěn)定，并在很小的范圍內波動。而在多次仿真之后可以看出，在仿真的前1 000 s EEOI曲線非常分散，并且最大波動范圍為8.15×10-6～8.35×10-6。隨著仿真時間的增長，6條曲線具有收斂趨勢。在仿真時間為10 000 s時，曲線波動范圍收斂至8.294×10-6～8.301×10-6，基本穩(wěn)定。

為定量研究EEOI曲線的收斂速度，將轉速設定為n=115 r/min，進行多次仿真，在步長500～10 000間取橫截樣集，并對每一橫截樣集求方差，將獲得的數據繪制成各特征波高下橫截樣集方差的變化曲線(見圖4)。

圖4 橫截樣集方差曲線

從各個特征波高仿真得到的EEOI曲線看，隨著波高增加，EEOI曲線收斂的速度減慢。在經歷一段時間的仿真后，EEOI曲線會出現一段穩(wěn)定值。特征波高為5.00 m時，在仿真步長約5 000～8 000間出現了一段方差穩(wěn)定階段；特征波高為4.00 m時，也有一段方差穩(wěn)定段，但出現在仿真步長1 500～3 000間。在3.25 m和1.88 m時，方差曲線比較平緩，雖然3.25 m在步長500～3 000間出現了下降趨勢，但是整體降幅較小，可以認為在1 000步長之后基本穩(wěn)定。

出現這種現象的原因在于：雖然模型的擾動為隨機波浪力，但是隨機波浪力的整體數據具有一定統計特性，當經歷的隨機波浪力足夠多時，隨機樣本的統計特征接近概率模型的數字特征。因此，雖然每次仿真生成的EEOI曲線各不相同，但是都有收斂的趨勢。由于特征波高不同時波浪的周期也不同，因此在相同的仿真時間內，仿真模型對隨機波浪的抽樣個數是不同的。當特征波高為4.00 m時，波浪平均周期為7.72 s；而當特征波高為5 m時，波浪平均周期為8.63 s。故在相同時間內，特征波高小的情況下，隨機抽樣的數量越多，EEOI曲線就更快地趨于穩(wěn)定。

因此，在船舶航行策略不變(主機轉速和船舶航向)且海況穩(wěn)定條件下，可對一定時間內的EEOI值進行計算，用以估算當前航行策略下的EEOI。從圖4可以看出，在特征波高lt;4.00 m時，可根據1 h的EEOI統計值進行估算，當特征波高為5.00 m時，需要2～3 h的統計信息進行估算。

3.2特征波高對EEOI的影響

特征波高是表明海況的參數，對船舶EEOI有重大影響，當船舶順浪時能有效地降低主機功率和燃油消耗，從而降低EEOI；在頂浪航行時，必然會造成阻力增大，從而導致EEOI升高。圖5為不同轉速下EEOI隨特征波高的變化曲線。

圖5 各主機轉速EEOI隨特征波高變化曲線

從圖中可以看出，隨著特征波高增加，EEOI也隨之增長。在轉速n=120 r/min的情況下，當特征波高lt;3.25 m時，EEOI的增長較為平緩；當特征波高gt;3.25 m時，EEOI隨著特征波高的增加而迅速增加。當轉速設定在115～127 r/min時，在特征波高gt;4.00 m時EEOI增加加快。在轉速較低時，波浪的特征波高對EEOI的影響較轉速高的時候影響大；在主機轉速接近額定轉速時，特征波高的增加對EEOI的影響較小。

盡管特征波高在轉速較低時對EEOI的影響更大，但是從圖中可以看出，降低轉速能夠有效地降低EEOI。不同的是，在特征波高小時，降低轉速對EEOI的降低更加明顯和有效。在特征波高為1.88 m時，從額定轉速127 r/min降低至105 r/min，可以降低EEOI達28%；當特征波高為4 m時，同樣降速，EEOI只降低6%。

3.3EEOI對船舶載重的敏感性分析

經過對目標船確定性因素中的船體因素進行分析計算，求出目標船在各載重情況下船型參數的變化情況。選取特征波高H=3.25 m，對目標船各個載貨量下的EEOI進行計算，結果見圖6。

圖6 特征波高為3.25 m各載貨率對應的EEOI

由圖6可知，載貨量對EEOI也有較大影響，并且影響比較穩(wěn)定。這是因為EEOI的計算公式中，分母包含貨物重量，當載貨量降低時，會直接影響EEOI的計算結果；同時，由于載貨量降低，船舶水下體積減小，總阻力隨著航速的變化變得平緩，導致同等主機功率下船舶航速提升。兩個原因共同作于EEOI，導致了EEOI隨著載貨量的降低而升高。因此，提高載貨量也是降低EEOI的有效方法。根據EEOI的計算公式，載貨量每降低x%，EEOI就提高1/(1-x/100)，但由于載貨量降低會導致船舶在航速相同時的阻力降低，因此在載貨量降低x%的情況下的EEOI會比1/(1-x/100)時的略低。

3.4船舶降速對EEOI的影響

當船舶采用降速的方式降低EEOI時，會導致航期增加。假設某航次航程為2 000 n mile，目標船以不同航速航行會產生不同的航期。圖7為不同海況下航期和EEOI的曲線圖。

圖7顯示：在特征波高為1.88 m時，降速航行能夠顯著降低EEOI，航期僅增加1 d；而在波高為3.25 m和4.00 m時，曲線分為兩段：第一段為航期在11.5 d之前，此時延長航期能夠較為明顯地降低EEOI；而在11.5 d之后，航期增加對EEOI降低的效果并不明顯。如在波高為3.25 m的海況下，航期延長1 d，但是EEOI僅降低0.4×10-6。

圖7 不同海況下的航期和EEOI曲線

實際上，圖7提供了一種綜合航期和EEOI的權衡依據。營運者根據航期EEOI間的關系，并結合運送貨物的實際特性決定采用何種營運策略(是保證航期還是優(yōu)先降低EEOI)。

4 結 語

結果顯示，海浪的特征波高、船舶的載貨量均對目標船的EEOI有較大影響。載貨量對EEOI有直接影響，盡可能地保持滿載是降低EEOI最簡單、最直接的方法。降低主機轉速也是有效降低船舶EEOI的方式，并且降低效果隨海浪特征波高的增大而減少。主機轉速較低時，特征波高對EEOI的影響非常顯著；而在主機轉速較高時，EEOI整體升高，但此時波高對EEOI的影響較小。

以2 000 n mile的航次為例，給出了由于主機降速導致的航期變化和EEOI之間的關系曲線。該曲線可作為營運者進行決策的參考依據。

[1] 顏林. 國內船舶能效營運指數與CO2排放基線實船研究[D]. 武漢：武漢理工大學，2011.

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[3] 史戰(zhàn)國. 風帆助航船舶典型航線能效營運指數研究[D]. 大連：大連海事大學， 2011.

[4] MEPC 59/Circ.684. Guidelines for Voluntary Use of the Ship Energy Efficiency Operational Indicator (EEOI) [R].London: IMO, 2009.

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[6] 尹增謙,管景峰,張曉宏，等. 蒙特卡羅方法及應用[J]. 物理與工程,2002，12(3):45-49.

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ModelingandSimulationofShipEnergyEfficiencyOperationIndicator

LIKeshun,LIUYifan,SUNPeiting
(College of Marine Engineering, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China)

To study the influence factors of energy efficiency operation indicator (EEOI), an EEOI model is established with the aid software, taking a 46000-ton oil tanker as an example. The factors affecting EEOI are divided into determined factors and random factors by the Monte Carlo method. The curves of EEOI vs time are obtained and analysis of the influences of the characteristics wave height and load on EEOI is further made. Results show that improving the loading rate and reducing engine speed effectively improve the EEOI but the effect reduces as height of wave increases. The method helps in making energy efficiency management scheme.

traffic transport economics; ship efficiency operation index; Monte Carlo method; random factors; modeling and simulation

2014-01-02

中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助項目(3132013035)

李可順(1979-), 男,山東膠南人，副教授，博士生，主要從事現代輪機工程研究。E-mail：284975913@qq.com.

1000-4653(2014)02-0105-04

U676.3

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