楊天宇， 楊志勇,b， 張 彥,b,c， 袁成清,b,c

(武漢理工大學(xué) a. 能源與動力工程學(xué)院；b.船舶動力工程技術(shù)交通行業(yè)重點試驗室；c.國家水運安全工程技術(shù)研究中心，武漢 430063)

船舶運輸作為交通運輸領(lǐng)域的重要一環(huán)，是全球80%以上貨物在物流途中的必經(jīng)環(huán)節(jié)。根據(jù)《2017中國航運發(fā)展報告》，我國水路運輸貨物的總量以及周轉(zhuǎn)量在各種運輸方式中所占的比例分別為13.9%和49.7%。相比于陸運和航空運輸，水路運輸在經(jīng)濟性、安全性和環(huán)境保護等方面擁有突出的優(yōu)勢。[1]

當今世界造船能力供大于求，船廠建造的船舶價格直逼成本線，甚至虧本造船，許多船舶所有人趁機大量造船，導(dǎo)致運力過剩，大批船舶運輸任務(wù)不足；同時在資源逐漸枯竭與貿(mào)易戰(zhàn)的壓力下，一段時間油價大幅上漲，燃料成本居高不下，直接導(dǎo)致水路運輸經(jīng)濟性下降。自2009年12月聯(lián)合國氣候大會召開后，關(guān)于如何減少排放CO2進入大氣以及如何提升CO2利用效率的問題，引起各行各業(yè)的重視。因此，提升船舶能效和降低油耗量，成為各國相關(guān)學(xué)者研究的熱點。現(xiàn)階段提升船舶能效的方法主要集中在：船舶航速優(yōu)化[2]、船舶防污減阻技術(shù)[3]、非碳能源在船舶上的利用[4]及船舶航線優(yōu)化設(shè)計[5]等。

根據(jù)相關(guān)研究[6-7]，優(yōu)化船舶航速是降低船舶油耗及碳排放的有效措施之一。一般認為大多數(shù)船型的燃油消耗量與船舶航速是3次方的關(guān)系[8-9]，因此，通過降低航速能夠極大程度減少航行過程中的燃油消耗量，從而提高船舶的能效，同時緩解水路運輸經(jīng)濟性下降帶來的壓力。但是，隨著船舶航速的降低，船舶航行的時間及船舶的租金等都會大幅度提高，導(dǎo)致船舶費用上升，經(jīng)濟性變差，甚至有可能因為航速過低，引起船舶主機燃燒性能變差，導(dǎo)致船舶油耗增加。因此，可認為航速優(yōu)化并不等同于降低航速。如何選取船舶的最優(yōu)航速，既滿足節(jié)油降耗的要求，又不引起安全性降低、機械損傷等問題，成為該領(lǐng)域的一個研究重點。本文結(jié)合目前船舶航速優(yōu)化的研究現(xiàn)狀，從提高船舶能效的角度對現(xiàn)階段航速優(yōu)化的研究成果進行歸納，以期為相關(guān)技術(shù)的發(fā)展提供依據(jù)。

1 航速優(yōu)化對能效提升的作用

1.1 船舶航速的3種選擇

一般而言，對于船舶行駛來說，常用航速可分為設(shè)計航速、經(jīng)濟航速和最優(yōu)航速等3種。[10-11]

1.1.1設(shè)計航速

設(shè)計航速指船舶根據(jù)設(shè)計任務(wù)書所設(shè)計的航速，代表著船舶滿載時理論上能夠達到的最大航速。在設(shè)計航速下，螺旋槳與主機的配合合理，但是由于航速過高，采用該航速行駛時，往往油耗率較大。

1.1.2經(jīng)濟航速

經(jīng)濟航速指船舶每航行1 n mile油耗量最低的航速，在該航速下船舶航行的燃油成本最低。

1.1.3最優(yōu)航速

最優(yōu)航速指航行時滿足綜合評價指標的航行速度。在一般情況下，設(shè)計航速與經(jīng)濟航速往往不是滿足綜合評價指標的最優(yōu)航速。最優(yōu)航速的選擇，通常需要考慮各個方面的評價指標。較常見的是時間條件和船舶能效指標。在節(jié)能減排的強烈要求下，提升船舶能效成為航速優(yōu)化的主要目的。目前很多研究通常重點考慮航速優(yōu)化后船舶能效的提升情況，而簡化其他方面的限制條件。通常采用的評價指標包括船舶能效運營指數(shù)(Energy Efficiency Operational Indicator, EEOI)、船舶油耗和廢氣的排放量(一般指CO2和NOx)。[12]通過確定這些指標與航速的關(guān)系，可找到滿足給定指標的最優(yōu)航速。

1.2 船舶能效與航速的關(guān)系

EEOI是由國際海事組織(International Maritime Organization, IMO)推出的衡量船舶能效的標準，用于評價船舶能效管理的實施情況。[13]據(jù)2009年7月IMO第59次會議通過的《船舶EEOI自愿使用指南》[14]，可得到某段時期內(nèi)EEOI的計算公式為

(1)

式(1)中：Fj為船舶在航行過程中消耗的燃油j的質(zhì)量；CFj為燃油j的CO2排放因子；mcargo為貨船的載貨質(zhì)量；D為船舶的航行里程。

根據(jù)公式，EEOI與船舶的載重情況、航行里程成反比，與燃油消耗量、燃油碳含量成正比。由于油耗量與船舶航速是三次方的關(guān)系[15]，相關(guān)研究表明[16]當船舶航速降低時，EEOI會隨之下降，船舶能效得以提升，且EEOI對于航速的變化極為敏感，航速產(chǎn)生較小的變化即會導(dǎo)致EEOI發(fā)生較大的變化。

2 最優(yōu)航速的主要影響因素

2.1 船舶能效影響因素

由于提升船舶能效成為航速優(yōu)化的主要目的，因此可認為在節(jié)能減排的強烈要求下，以EEOI為表征的能效成為最優(yōu)航速的主要評價指標，而對應(yīng)的影響因素統(tǒng)稱為能效影響因素。

研究顯示：驅(qū)使船舶正常航行能量僅占必需的船用燃料提供能量的21.5%。[18]船舶在航行過程中消耗的燃料產(chǎn)生的輸出功率，一部分用來克服船舶的航行阻力，另一部分則用來彌補船舶內(nèi)摩擦所造成的能量損失。無論是船舶的航行阻力還是船舶內(nèi)摩擦造成的能量損失都與船舶航速息息相關(guān)。

對于航行阻力，大多數(shù)的研究都只關(guān)注特定的影響因素，主要包括水流速度與方向、波浪、船舶污底以及風速與風向等。[19-21]

水流速度與方向主要影響相對航速；波浪主要影響興波阻力和造成船舶失速；污底則主要影響船舶表面粗糙度甚至改變船舶形貌。船舶所受水下阻力特性曲線見圖1[22]：隨著航速的增加，船體所受到的阻力會迅速增加；當航速超過一定的值時，興波阻力相對摩擦阻力而言，對于航速的變化更加敏感；此時，波浪對于船體阻力造成的影響往往不能被忽略。當改變這些影響因素時，船舶受到的各種阻力曲線的斜率就會發(fā)生變化，從而影響到船舶能效及最優(yōu)航速的選取。

圖1 船舶所受水下阻力特性曲線

風速與風向主要通過作用于船體水面以上的建筑影響船體所受的風阻，船舶在風影響下的平面運動模型見圖2。船舶受風力影響后的航速可由船舶的漂角β、風舷角θT、風致漂移航速vT以及船舶航速vspeed等表示出來。風速和風向直接造成船舶速度的變化。同時，風還對船體上層建筑造成一個風壓力[24]，阻礙船舶的航行。

圖2 風影響下的船舶平面運動

船舶內(nèi)摩擦導(dǎo)致各部分的能量傳遞損失，主要體現(xiàn)在動力系統(tǒng)的關(guān)鍵摩擦部件上。摩擦造成的能量損失會影響船-機-槳匹配特性，從而直接作用到航速上。目前，該部分對于航速的影響計算，常采用經(jīng)驗值直接代入[25]，而袁成清等提出在考慮關(guān)鍵摩擦部件減摩的基礎(chǔ)上，動態(tài)考慮內(nèi)摩擦、航速與能效的關(guān)系。

2.2 邊界條件影響因素

以能效為主要評價指標所得到的最優(yōu)航速能夠起到很好的節(jié)能減排效果，但由于在船舶運輸過程中，航行安全、托運人需求和整體經(jīng)濟性都是實際影響航速決策的關(guān)鍵因素，因此現(xiàn)有研究表明航速優(yōu)化過程中還需要引入經(jīng)濟性影響因素(例如托運人對運輸及時性的要求、運力-運量供需平衡以及燃料價格變化等)和安全性影響因素(例如海上航行安全性、船舶機械運行合理性等作為邊界條件)。

支撐船舶運輸發(fā)生的關(guān)鍵是托運人的需求，而經(jīng)濟性是其重點考慮的指標。減低航速勢必導(dǎo)致船舶航行時間大幅度提高，延長船舶運行周期，從而有可能造成：與托運人對運輸及時性的要求產(chǎn)生矛盾；船舶租金增加導(dǎo)致船舶費用上升，經(jīng)濟性變差；過多的運力投入，浪費船員與資源；船舶調(diào)度波動，影響運力-運量供需平衡。有時又需要低速航行來應(yīng)對航運市場低迷帶來的運力過剩，節(jié)省運營成本。與此同時，對于托運人來說，降低航速的主觀動力是降低油耗量來降低燃油成本和受制于環(huán)保法規(guī)，因此，燃油價格的變化也會造成不一樣的航速決策。在實際計算過程中，通常將各經(jīng)濟性影響因素換算成運輸成本值來限定航速的變化區(qū)間，從而影響航速優(yōu)化。

在船舶運輸過程中，安全性永遠是先于節(jié)能降耗的，而船舶航速的持續(xù)降低，在復(fù)雜海況下會影響船舶在海上抵抗風險的能力，降低安全性。同時，長期低速航行的船舶還會導(dǎo)致船舶的機械損傷，引起船舶主機燃燒性能變差，造成積油、積炭，活塞環(huán)、環(huán)槽和缸套過度磨損，影響主機運行安全。在實際計算過程中，通常以安全航速以及船舶實際運行狀態(tài)來限定優(yōu)化航速的波動區(qū)間。

3 基于船舶能效提升的航速優(yōu)化方法

基于船舶能效提升的航速優(yōu)化并不是簡單的線性關(guān)系求解，實際是確定多目標條件下的區(qū)間值[26-27]，關(guān)鍵在于目標函數(shù)的確定。目標函數(shù)即為各種評價指標的表達函數(shù)，通常優(yōu)化問題的目標函數(shù)并不是一個，這些優(yōu)化函數(shù)組合在一起，形成非線性的規(guī)劃問題，在綜合的邊界約束條件下，求解出最優(yōu)的航速。

目前，出于不同研究目的，設(shè)計的航速優(yōu)化模型有很多種，主體包括兩類：一類是基于邏輯數(shù)理關(guān)系建立函數(shù)集，通過優(yōu)化算法求解；另一類是基于大量數(shù)據(jù)擬合出對應(yīng)曲線從而獲得函數(shù)求解。例如，WONG等[28]建立基于對數(shù)和線性效用函數(shù)的規(guī)避風險和風險中型的決策模型，得到權(quán)衡碳排放、油耗和到貨時間的最優(yōu)航速。WANG等[29]利用歷史經(jīng)營數(shù)據(jù)研究船舶燃油消耗量-航行速度的關(guān)系，并且建立非線性模型，進行航速優(yōu)化。綜合各類航速優(yōu)化模型的研究方法，并基于最優(yōu)航速主要影響因素分析，提出最優(yōu)航速求解的一般方法見圖3。

圖3 最優(yōu)航速求解的一般方法

根據(jù)研究的需要，首先確定研究的評價指標以及需要涉及的影響因素。根據(jù)不同影響因素的特點，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，使各影響因素通過航速與評價指標建立聯(lián)系，并進行仿真。根據(jù)評價指標和邊界約束條件的特點，可從仿真結(jié)果中選取恰當?shù)娜≈底鳛樽顑?yōu)航速的取值。這個最優(yōu)航速的取值是一個理論值，只能在一定程度上反映最優(yōu)航速真實值的取值范圍。為確定模型的可靠性，通常需要進行試驗對比分析，從而獲得試驗值與理論值的誤差分析，確定模型的可靠性。

仿真一般采用MATLAB/SIMULINK配合其他軟件進行。以選擇EEOI為評價指標，研究航速變化與船舶能效提升的關(guān)系為例：通常使用FLUENT研究各個影響因素對航行阻力的影響，并根據(jù)計算結(jié)果獲得各影響因素的數(shù)學(xué)模型。將獲得的數(shù)學(xué)模型代入MATLAB/SIMULINK中的能效模型中仿真，得到的數(shù)據(jù)繪制成曲線，在經(jīng)濟性影響因素與安全性影響因素作為邊界約束條件所允許的可行域內(nèi)，確定最小的EEOI所對應(yīng)的航速，即為最優(yōu)航速。在這個航速下航行，船舶的能效最高。

4 船用新能源使用下的航速優(yōu)化

在節(jié)能減排的巨大壓力下，綠色船舶已成為未來船舶的發(fā)展方向，而在諸多綠色船舶技術(shù)中，以風能、太陽能、液化天然氣等新能源的使用最具前景。[30]船用新能源的使用最直接的影響在于油耗量的降低，從而提升船舶能效。但對于風帆、太陽能光伏系統(tǒng)等，其運行效能在很大程度上受制于航行過程中海洋環(huán)境的具體情況，例如風速、輻照強度等，而其與航速之間有所關(guān)聯(lián)。

船用新能源的使用，例如風帆，會直接影響船舶航行時的阻力、船-機-槳匹配等特性，從而改變諸多因素與最優(yōu)航速之間的影響關(guān)系，使得最優(yōu)航速求解問題需要采取新的途徑。由于船用新能源的使用研究仍處于發(fā)展階段，關(guān)于船用新能源使用下的航速優(yōu)化問題還未有過多研究成果，主要集中于風帆助航對螺旋槳特性的影響、對船舶阻力的增益等，通過增加變量的方式引入到多目標函數(shù)中求解最優(yōu)航速；也有部分學(xué)者[31]提出，由于風能、太陽能等新能源的使用效率與航線息息相關(guān)，可通過建立船舶能效、航線優(yōu)化、航行時間與航速之間的關(guān)系來進行最優(yōu)航速求解。正是由于船用新能源使用的發(fā)展，其與航速優(yōu)化的協(xié)同控制將是未來提高船舶能效的主要途徑之一。

5 結(jié)束語

現(xiàn)階段的研究主要集中在航速優(yōu)化的思路和算法上，針對不同類型的船舶和需要進行優(yōu)化的評價指標，探求船舶在不同通航環(huán)境中的最優(yōu)航速。研究船舶內(nèi)摩擦導(dǎo)致的能量損失及船舶通航對船舶阻力的影響，搭建更精細的數(shù)學(xué)模型，縮小最優(yōu)航速的選擇范圍，為研究提升船舶能效的策略提供可靠的依據(jù)。

對于船舶航速優(yōu)化的研究，在基于各影響因素數(shù)學(xué)關(guān)系解決相對固定的靜態(tài)航速優(yōu)化問題方面已經(jīng)有了許多成果。但對于通航環(huán)境等各方面影響因素發(fā)生變化后的動態(tài)船舶最優(yōu)航速調(diào)整問題涉及較少。未來應(yīng)重點完善航速優(yōu)化研究，使得船舶在應(yīng)對多變的通航環(huán)境時具有更好的適應(yīng)性。