屠海洋，屠關(guān)海，曹昌魁

(1.上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 航運(yùn)技術(shù)與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200135;2.上海遠(yuǎn)洋運(yùn)輸有限公司，上海 200135)

船舶節(jié)能航速輔助決策系統(tǒng)

屠海洋1，屠關(guān)海2，曹昌魁1

(1.上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 航運(yùn)技術(shù)與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200135;2.上海遠(yuǎn)洋運(yùn)輸有限公司，上海 200135)

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外船舶航行節(jié)能技術(shù)進(jìn)行分析，提出節(jié)能航速輔助決策系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體框架，對(duì)系統(tǒng)中涉及的主要關(guān)鍵技術(shù)和解決方法進(jìn)行詳細(xì)論述。提出從全局到局部的四段航速優(yōu)化方法，可縮短航速優(yōu)化計(jì)算時(shí)間，提高輔助系統(tǒng)的及時(shí)性。該系統(tǒng)的應(yīng)用能在一定程度上消除船舶選擇航速的盲目性，指導(dǎo)船舶在不同的航段選擇不同的最佳航速。

船舶；節(jié)能;分段航速;航速優(yōu)化;輔助決策

據(jù)報(bào)道，目前船舶燃油成本占船舶營(yíng)運(yùn)總成本的比例正在不斷上升，已達(dá)45%～60%。因此，開(kāi)發(fā)船舶節(jié)能系統(tǒng)，以最小的能量消耗取得最大的運(yùn)輸效益，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

在滿足船舶航次要求的前提下對(duì)合理優(yōu)化船舶航速、最大程度地減少整個(gè)航次的油耗量進(jìn)行研究，開(kāi)發(fā)出相關(guān)優(yōu)化輔助決策系統(tǒng)，既有利于提高船舶的經(jīng)濟(jì)效益，又能減少碳排放。

1 國(guó)內(nèi)外船舶航行節(jié)能技術(shù)研究現(xiàn)狀

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外的航運(yùn)公司、相關(guān)研究機(jī)構(gòu)紛紛加大力度研究船舶營(yíng)運(yùn)節(jié)能技術(shù)，相關(guān)研究主要包括船隊(duì)的合理配置、單船最佳縱傾、船舶航線優(yōu)化及船舶航速優(yōu)化等。通過(guò)這些研究，船舶在滿足航次要求的前提下獲得最低的燃油消耗。目前，針對(duì)最佳航速的研究主要分為以下2類：

1)通過(guò)分析船舶主機(jī)油耗與船舶航速的關(guān)系,提出船舶當(dāng)前排水量下的最佳航速。

2)從燃油價(jià)格和航次利潤(rùn)最大值的角度,提出不定期船的最佳航速優(yōu)化模型。

趙福波等[1]從船型、燃油性能、船舶航速和船舶管理等方面分析船舶減排的有效途徑；謝光明[2]從船舶航速、主機(jī)功率和耗油量之間的關(guān)系方面論述船舶減速節(jié)能的理論依據(jù)；殷翔宇等[3]以航次日均盈利最大化為目標(biāo)構(gòu)建不定期船最優(yōu)航速模型；CARIOU[4]，KONTOVAS等[5]和PSARAFTIS等[6]分別針對(duì)集裝箱船的降速航行，對(duì)減少碳排放的可行性及合理性進(jìn)行分析。由此可見(jiàn)，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者已對(duì)船舶最佳營(yíng)運(yùn)航速進(jìn)行大量研究，開(kāi)發(fā)出一些有助于航運(yùn)公司提高經(jīng)濟(jì)效益和減少碳排放的決策系統(tǒng)。當(dāng)前國(guó)內(nèi)應(yīng)用較多的是中國(guó)船級(jí)社(China Classification Society,CCS)通過(guò)船舶模型試驗(yàn)和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics,CFD)數(shù)值仿真計(jì)算開(kāi)發(fā)的OTA(Optimal Trim Assistance)尋優(yōu)軟件[7]，芬蘭Eniram公司開(kāi)發(fā)的集成海浪洋流和天氣預(yù)報(bào)的航速優(yōu)化軟件ENIRAM SPEED，丹麥Decision3開(kāi)發(fā)的考慮風(fēng)、吃水和波浪因素的航速與縱傾優(yōu)化的GreenSteamTM系統(tǒng)，Jeppesen開(kāi)發(fā)的的航線和航速的決策軟件VVOS(Vessel and Voyage Optimization Solution)。

然而，目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有開(kāi)發(fā)出全航程綜合考慮風(fēng)、浪、流影響和船舶性能的航速優(yōu)化軟件。因此，充分利用船舶航行過(guò)程中的水文氣象條件，結(jié)合船舶的性能特征及船舶所有人的要求，在保證船舶安全航行的前提下對(duì)全航程進(jìn)行船舶計(jì)劃航速實(shí)時(shí)優(yōu)化，使燃油消耗最少，從而降低營(yíng)運(yùn)成本、提高運(yùn)輸效率，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 系統(tǒng)基本框架設(shè)計(jì)

通過(guò)調(diào)查并結(jié)合船舶的需求，針對(duì)船舶的航行方案，根據(jù)船舶航行區(qū)域、船舶的性能和船舶裝載貨物的相關(guān)數(shù)據(jù)，利用天氣、海況預(yù)報(bào)信息規(guī)劃出全航程最佳節(jié)能航速和船舶裝載狀態(tài)。船舶在航行過(guò)程中根據(jù)航行計(jì)劃變更(如進(jìn)港、靠泊計(jì)劃變化)和航行區(qū)域環(huán)境條件變化實(shí)時(shí)修正航速，實(shí)現(xiàn)全航程最佳節(jié)能航速控制決策。節(jié)能航速優(yōu)化系統(tǒng)基本框架見(jiàn)圖1。

圖1 節(jié)能航速優(yōu)化系統(tǒng)基本框架

系統(tǒng)由以下5部分組成。

1)電子海圖與信息顯示模塊：系統(tǒng)通過(guò)電子海圖模塊操作，展示船舶航行海域的地理環(huán)境及海區(qū)風(fēng)、浪、流環(huán)境狀況，實(shí)現(xiàn)航線設(shè)計(jì)等功能。該模塊具有海圖顯示，海圖作業(yè)，海圖改正，定位和導(dǎo)航，在電子海圖上顯示船位、船速、航向，航行記錄、報(bào)警等功能。

2)航線設(shè)計(jì)模塊：根據(jù)船舶航次任務(wù)，為船舶安全航行提供航線設(shè)計(jì)。系統(tǒng)以電子海圖為基礎(chǔ)，具有各轉(zhuǎn)向點(diǎn)的輸入、修改、計(jì)算及顯示等功能。

3)船舶油耗數(shù)據(jù)庫(kù)模塊：船舶油耗數(shù)據(jù)庫(kù)是船舶航次油耗量計(jì)算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)源，通過(guò)建立船舶油耗模型為船舶經(jīng)濟(jì)航速提供決策。該模塊具有船舶油耗數(shù)據(jù)錄入、修改及顯示等功能。

4)風(fēng)、浪、流場(chǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)模塊：通過(guò)建立風(fēng)、浪、流場(chǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)，為船舶經(jīng)濟(jì)航速?zèng)Q策提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。該模塊具有風(fēng)浪流數(shù)據(jù)的錄入、修改和顯示等功能。

5)航速優(yōu)化模塊：根據(jù)航次任務(wù)，結(jié)合風(fēng)向、風(fēng)力和潮汐等水文及天氣狀況，同時(shí)考慮目的港的作業(yè)情況和港口費(fèi)用等因素，以船舶利潤(rùn)最大或油耗最低為目標(biāo)，進(jìn)行航速優(yōu)化。

3 關(guān)鍵技術(shù)及解決方法

3.1船舶在風(fēng)浪中的失速預(yù)報(bào)技術(shù)

船舶在風(fēng)浪中的失速預(yù)報(bào)技術(shù)是該系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一,速度預(yù)報(bào)的精確度將影響該系統(tǒng)得出的優(yōu)化航速的效果。目前研究船舶在風(fēng)浪中失速的方法主要有數(shù)理統(tǒng)計(jì)法[9]、水池試驗(yàn)法和理論計(jì)算法。這些方法大多以經(jīng)驗(yàn)方法為依據(jù)，難以反映不同船舶的具體特征。為精確預(yù)報(bào)特定船舶在風(fēng)浪中的失速，該系統(tǒng)參考KWON[10]給出的計(jì)算式，即

Δv=0.01(Cβ+Cu+CForm)v

(1)

式(1)中:v為船舶在靜水中的速度;Δv為船舶失速;Cβ為失速方向因子，隨風(fēng)(浪)向的變化而變化；Cu為失速大小因子，隨方形系數(shù)、裝載量及傅汝德數(shù)的變化而變化；CForm為船型因子，隨船型、風(fēng)級(jí)(BN)及船舶排水量的變化而變化。

采用式(1)對(duì)特定船舶的特定工況進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算過(guò)程中考慮風(fēng)浪的綜合影響；同時(shí)，對(duì)相應(yīng)的代表性船舶進(jìn)行風(fēng)浪作用下的模型試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果修正模型的參數(shù)，從而使船舶在不同風(fēng)浪下的失速預(yù)報(bào)值更符合實(shí)際，為船舶航速優(yōu)化打下基礎(chǔ)。

3.2船舶燃油消耗計(jì)算模型

油耗模型的建立為營(yíng)運(yùn)船舶在風(fēng)浪中采用節(jié)能航速航行和航程規(guī)劃提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。目前針對(duì)船舶在航油耗的研究已取得一定的成果，然而已有的對(duì)船舶在航油耗的計(jì)算大多以靜水狀態(tài)為前提，很少考慮風(fēng)浪的影響，即使部分油耗模型包含風(fēng)浪因素，也未考慮船舶縱傾對(duì)油耗的影響。船舶燃油消耗評(píng)估的準(zhǔn)確性直接影響到船舶節(jié)能航速的決策。

影響船舶燃油消耗量的因素有很多，主要包括主機(jī)及副機(jī)工況、船型結(jié)構(gòu)、裝載量、航速和海況等。在開(kāi)發(fā)該系統(tǒng)時(shí)，通過(guò)對(duì)各種航行條件和船舶技術(shù)狀況變化等進(jìn)行分析，結(jié)合模型試驗(yàn)結(jié)果建立燃油消耗模型，據(jù)此建立單船在特定航線上每小時(shí)的在航油耗模型，即將每小時(shí)的油耗分解為特定航速下每小時(shí)的靜水油耗和風(fēng)浪等因素造成的每小時(shí)附加油耗。該模型的表達(dá)式為

F=F(v)+ΔF(v,BN,β,…)

(2)

式(2)中：F為單船在實(shí)際海況中以航速v航行時(shí)每小時(shí)的油耗；F(v)為單船在靜水中以航速v航行時(shí)每小時(shí)的油耗；ΔF(v,BN,β,…)為單船在實(shí)際海況中以航速v航行時(shí)每小時(shí)的附加油耗；BN為蒲氏風(fēng)級(jí)。

該模型不僅能獲得不同航速下的在航油耗數(shù)據(jù)，而且考慮航行過(guò)程中船舶縱傾的影響。

3.3船舶能效指數(shù)計(jì)算模型

根據(jù)IMO海洋環(huán)境保護(hù)委員會(huì)(Marine Environmental Protection Committee,MEPC)確定的船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)(Energy Efficiency Operational Indicator,EEOI)和船舶能效管理計(jì)劃(Ship Energy Efficion Ma-nagement Plan,SEEMP),船舶碳排放監(jiān)測(cè)可采用EEOI進(jìn)行。根據(jù)MEPC通過(guò)的《船舶 EEOI自愿應(yīng)用原則》，某個(gè)航段的EEOI基本表達(dá)式為

IEEOI=∑i(FCi·CFi)/(M·D)

(3)

式(3)中：i為燃油類型；FCi為燃油i的消耗量，t；CFi為燃油i的燃油量與CO2排放量的轉(zhuǎn)換系數(shù)，表示每噸燃油燃燒后產(chǎn)生的CO2質(zhì)量噸數(shù)，可從MEPC發(fā)布的《新船能效設(shè)計(jì)指數(shù)計(jì)算方法的臨時(shí)指南》中查到；M為貨物載貨量，以載重噸表示；D為對(duì)貨物運(yùn)輸距離，n mile。

對(duì)于整個(gè)航次的平均能效指標(biāo)計(jì)算，只要將式(3)中航段的燃油消耗量改為整個(gè)航次的燃油消耗量，將航段的貨物運(yùn)輸距離改為總的貨物運(yùn)輸距離即可，得出的結(jié)果即可用來(lái)衡量該航次船舶能效的執(zhí)行情況。

對(duì)于具體的某個(gè)航次,船舶的載貨量和運(yùn)輸距離已定,降低航次的EEOI值就是降低船舶航次的燃油消耗量,從而達(dá)到節(jié)能減排的目的。

3.4全航程船舶航速優(yōu)化算法

該系統(tǒng)重點(diǎn)研究單航次油耗最少情況下的航速，由于船舶航行時(shí)間較長(zhǎng)，使得船舶遇到的海況變化較大,利用單一的海況條件計(jì)算得到的最佳節(jié)能航速與實(shí)際差別較大。因此，充分利用船舶航行環(huán)境因素，在保證船舶安全航行和順利完成航次計(jì)劃的前提下獲得節(jié)能航速，使得燃油消耗最少，是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的關(guān)鍵。

由于海況隨時(shí)間、地點(diǎn)的不同而不同,因此要得到航次最低油耗,需綜合考慮全航程的風(fēng)、浪、流情況,優(yōu)化船舶在航線上不同時(shí)刻的航速。通過(guò)比較分析，參考動(dòng)態(tài)規(guī)劃思想，對(duì)整個(gè)航線進(jìn)行分段，對(duì)各航段上的航速進(jìn)行優(yōu)化，在按時(shí)完成航次任務(wù)的前提下使船舶燃油消耗最少，從而達(dá)到節(jié)能的目的?？傮w優(yōu)化思路為：從總體到局部?jī)?yōu)化，從長(zhǎng)距離到短距離優(yōu)化，隨時(shí)間的推移不斷更新。全航段的航速優(yōu)化涉及到的參數(shù)較多，較為復(fù)雜，后段所需的參數(shù)需從前段的計(jì)算結(jié)果(如時(shí)間、地點(diǎn))中提取。

航行計(jì)劃中的航速優(yōu)化所涉及的數(shù)據(jù)和優(yōu)化流程見(jiàn)圖2，航段優(yōu)化方法如下：

圖2 全航程航速優(yōu)化流程

1)將整個(gè)航段均分為I，II，III和IV等4段(見(jiàn)圖3)。

圖3 航程分段示意圖

2)根據(jù)四分段航速優(yōu)化算法(見(jiàn)圖4)得出在安全完成航次任務(wù)的前提下最低油耗對(duì)應(yīng)的各航段的船舶靜水轉(zhuǎn)速RI，RII，RIII，RIV和第I段完成時(shí)間TI。

3)按照方法“2)”對(duì)I航段進(jìn)行四段優(yōu)化，該段航內(nèi)完成約束時(shí)間變?yōu)門I，這樣不斷地對(duì)每次的第1分段進(jìn)行四段優(yōu)化，直到等分距離縮短為1 d內(nèi)的航程。

4)得出當(dāng)前條件下各分段的主機(jī)推薦轉(zhuǎn)速。

一般來(lái)說(shuō)，只有在航次預(yù)定的時(shí)間比較富余的情況下船舶降速節(jié)能才有意義。若船舶以設(shè)計(jì)航速航行，剛好在預(yù)定的時(shí)間內(nèi)完成航次任務(wù)，則再對(duì)船舶進(jìn)行整個(gè)航程的航速優(yōu)化已沒(méi)有多大意義。由于船舶航程較長(zhǎng)，短期的風(fēng)浪預(yù)報(bào)往往無(wú)法覆蓋到整個(gè)航線，使得超過(guò)短期預(yù)報(bào)時(shí)間的海區(qū)需采用中長(zhǎng)期和平均風(fēng)浪數(shù)據(jù)。因此，采用從粗到細(xì)的方式對(duì)不同航段的航速進(jìn)行優(yōu)化，符合海上航行的實(shí)際情況。

圖4 航速優(yōu)化算法流程圖

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)效果

根據(jù)以上設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)出的系統(tǒng)既具有電子海圖顯示系統(tǒng)的功能，又能在海圖上進(jìn)行航線設(shè)計(jì)、航線附近障礙物和水深自動(dòng)檢測(cè)及各航段的航速優(yōu)化。根據(jù)航線設(shè)計(jì)和航次命令，系統(tǒng)根據(jù)預(yù)先獲得的航線上的自然環(huán)境，通過(guò)上述算法自動(dòng)計(jì)算出最低油耗情況下各航段的船舶主機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向點(diǎn)預(yù)計(jì)到達(dá)時(shí)間、到達(dá)目的港的剩余距離和預(yù)計(jì)到達(dá)時(shí)間。圖5為海況信息顯示，圖6為航速優(yōu)化顯示界面。

圖5 海況信息顯示

該項(xiàng)目設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的船舶節(jié)能航速輔助決策系統(tǒng)已在某公司的船舶上得到應(yīng)用，取得了良好效果，對(duì)精確測(cè)算航次效益、選用最佳航速起到了重要作用。通過(guò)進(jìn)一步的改進(jìn)和深化，該系統(tǒng)將會(huì)有良好的使用價(jià)值和推廣應(yīng)用前景。

圖6 航速優(yōu)化顯示界面

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)船舶最優(yōu)航速輔助決策問(wèn)題進(jìn)行深入研究，創(chuàng)新性地提出從全程到局部的四段論航速優(yōu)化方法，可在一定程度上解決一次優(yōu)化計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)的難題。最優(yōu)航速?zèng)Q策涉及到的因素較多，尤其是海上因素變化較大，目前海上預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)無(wú)法滿足系統(tǒng)對(duì)航線上風(fēng)浪流數(shù)據(jù)的精確性要求,使得系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果尚不能完全反映實(shí)際情況。

[1] 趙福波，馬海石．對(duì)海事船舶節(jié)能減排的一點(diǎn)認(rèn)識(shí)[J]．中國(guó)海事，2008(11)：51-53．

[2] 謝光明．船舶降速航行的經(jīng)濟(jì)性和排放變化分析[D]．大連:大連海事大學(xué)，2009.

[3] 殷翔宇,張俊,謝新連.不定期船最佳航速優(yōu)化研究[J].中國(guó)航海，2012,35(1):94-98.

[4] CARIOU P.Is Slow Steaming a Sustainable Means of Reducing CO2Emissions from Container Shipping[J].Transportation Research,2011,16(3):260-264.

[5] KONTOVAS C A,PSARAFIS H N.Reduction of Emissions Along the Maritime Intermodal Container Chain[J].Maritime Policy & Management,2011,38(4):455-473.

[6] PSARAFTIS H N,KONTOVAS C A.Ship Emissions:Logistics and Other Tradeoffs[C].Proceedings of 10th International Marine Design Conference,Trondheim,Norway,2009:26-29.

[7] 陳永念.CCS-OTA船舶最佳縱傾解決方案[J].中國(guó)船檢，2013(10)：76-77.

[8] 褚善東.船舶在大風(fēng)浪中航行產(chǎn)生的失速問(wèn)題探討[J].浙江國(guó)際海運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2008,4(2):1-3.

[9] 張永勝，陸冬青，蔡烽，等.幾種失速計(jì)算方法的比較[J].航海技術(shù)，2005(1)：7-8.

[10] KWON Y J.Speed Loss Due to Added Resistance in Wind and Waves[J].The Naval Architect,2008(3):14-16.

ShipSpeedDecisionSupportSystemforEnergySaving

TUHaiyang1,TUGuanhai2,CAOChangkui1

(1.State Key Laboratory of Navigation and Safety Technology,Shanghai Ship and Shipping Research Institute,Shanghai 200135,China；2.Shanghai Ocean Shipping Co.,Ltd.,Shanghai 200135,China)

On the basis of the analysis and research on ship sailing energy-saving technologies at home and abroad,the overall framework for the decision system is put forward,and the key technologies of the system is described in detail.A new four-step whole-to-local velocity optimization method is put forward,which achieves shorter optimization time and improves the timeliness of the decision system.The application of the system,to a certain extent,will help to get rid of the blindness in deciding ship speed and guide ships choosing the best speed according to different voyage sectors.

ship; energy saving; sectional speed; speed optimization; assistant decision making

U676.3；U664.82

A

2017-04-18

高技術(shù)船舶科研項(xiàng)目(工信部聯(lián)裝函[2016]544號(hào)); 科研院所技術(shù)開(kāi)發(fā)研究專項(xiàng)資金項(xiàng)目(2012EG124041)

屠海洋(1967—),男,浙江上虞人，研究員，碩士生導(dǎo)師，從事船舶航行安全與智能航海技術(shù)研究。E-mail:oceantu@126.com

1000-4653(2017)02-0125-04