王直歡　王維勛　施欣

摘要：

為提升船舶能耗和排放估測的準(zhǔn)確性和靈活性，提出面向船舶自動識別系統(tǒng)（automatic?identification?system，?AIS）大數(shù)據(jù)的完全自下而上的船舶能耗和排放估測新方法。該方法視船舶為一種基于船舶航跡的線排放源，在構(gòu)建船舶網(wǎng)格化軌跡模型的基礎(chǔ)上，考慮每個網(wǎng)格航段的持續(xù)時間和發(fā)動機(jī)負(fù)載，實現(xiàn)船舶能耗和排放的精細(xì)化建模，統(tǒng)一船舶排放總量和空間分布計算。實船應(yīng)用表明，該方法可提供更加準(zhǔn)確的船舶能耗估計，并可靈活計算各種航行狀態(tài)、船隊規(guī)模和時空尺度的能耗和排放清單。

關(guān)鍵詞：

船舶自動識別系統(tǒng)（AIS）;?船舶軌跡;?船舶排放估測

中圖分類號：U675.7;?X736.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

AIS?data-based?ship?emission?estimation?model?and?real?ship?verification

WANG?Zhihuana，?WANG?Weixuna，?SHI?Xinb

（

a.?Institute?of?Logistics?Science?&?Engineering;?b.?School?of?Transport?&?Communications，

Shanghai?Maritime?University，?Shanghai?201306，?China）

Abstract：

To?improve?accuracy?and?flexibility?of?ship?energy?consumption?and?emission?estimation，?a?new?and?completely?bottom-up?method?suitable?for?automatic?identification?system?（AIS）?big?data?is?proposed?to?estimate?the?ship?energy?consumption?and?emission.?The?method?regards?a?ship?as?a?line?emission?source?based?on?the?ship?trajectory.?On?the?basis?of?building?the?ship?meshing?trajectory?model，?the?duration?and?the?engine?load?of?each?grid?are?taken?into?consideration，?the?fine?modeling?of?the?ship?energy?consumption?and?emission?is?realized，?and?the?total?emission?and?their?space?distribution?are?unified.?The?real?ship?application?shows?that，?the?method?can?provide?more?accurate?estimation?of?ship?energy?consumption，?and?can?flexibly?calculate?the?ship?energy?consumption?and?emission?list?of?various?navigation?states，?fleet?sizes?and?space-time?scales.

Key?words：

automatic?identification?system?（AIS）;?ship?trajectory;?ship?emission?estimation

收稿日期：?2019-01-21

修回日期：?2019-05-08

基金項目：

國家自然科學(xué)基金（41505001）

作者簡介：

王直歡（1980—），男，浙江臺州人，工程師，博士研究生，研究方向為數(shù)據(jù)智能與綠色物流，（E-mail）zhwang@shmtu.edu.cn;

王維勛（1995—），男，山東菏澤人，碩士研究生，研究方向為物流工程與管理，（E-mail）806543161@qq.com;

施欣（1966—），男，上海人，教授，博導(dǎo)，博士，研究方向為交通運輸規(guī)劃與管理，（E-mail）xinshi@shmtu.edu.cn

0?引?言

船舶大氣污染問題近年來受到了國內(nèi)外高度重視[1-2]。國際海事組織（IMO）以及主要航運國家都在制定相應(yīng)的海運船舶減排政策和措施。例如，IMO海上環(huán)境保護(hù)委員會（MEPC）第70次會議通過決議，要求從2020年開始在全球海域船舶燃油硫含量不超過0.5%。中國在2015年底設(shè)立了環(huán)渤海、長三角和珠三角排放控制區(qū)（ECA），并于2018年11月進(jìn)一步將ECA拓展到我國沿海12?n?mile以內(nèi)的海域。全球性航運限硫和我國新ECA政策將對我國航運業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。準(zhǔn)確估測船舶能耗和排放對政府管理機(jī)構(gòu)制定和評估各種減排政策以及船公司選擇最優(yōu)的減排措施都具有非常重要的意義。

然而，現(xiàn)有的模型可能無法提供可靠的估測?；诖坝秃牡姆椒ㄍǔ２捎萌加弯N售數(shù)據(jù)推斷船舶排放[3-4]。該類方法一般應(yīng)用于全球排放的統(tǒng)計，并且存在非常顯著的不確定性。由于燃油銷售數(shù)據(jù)與實際使用區(qū)域無法準(zhǔn)確匹配，該類方法難以計算特定區(qū)域的排放?；诖盎顒拥姆椒ǜ鶕?jù)船舶實際航速等活動信息計算船舶發(fā)動機(jī)載荷以及各種航行模式下的航行時間，從而得到船舶能耗和排放，具有較高的時空分辨率，但是對輸入數(shù)據(jù)要求比較高[5]。此外，船舶排放的空間分布一般都采用空間代理的方式（如船舶自動識別系統(tǒng)（AIS）報告點的密度）將排放總量分?jǐn)偟降乩砭W(wǎng)格中得到，存在船舶采樣偏差等諸多問題[6-7]。

近幾年基于AIS的船舶能耗和排放估測成為新的趨勢。AIS數(shù)據(jù)可應(yīng)用于不同空間尺度（從港口和城市級別到特定海域甚至全球范圍[8-11]）的排放統(tǒng)計。例如：文獻(xiàn)[3]提出一個船舶交通排放估測模型（STEAM2），該模型根據(jù)AIS數(shù)據(jù)中的航速信息、船舶檔案等數(shù)據(jù)計算船舶的瞬時能耗和排放，并應(yīng)用于波羅的海地區(qū);NG等[11]利用AIS數(shù)據(jù)計算船舶在香港的主要航道上的航速，并根據(jù)船舶主副機(jī)的油耗（為不同航行模式下發(fā)動機(jī)平均載荷、航行時間與發(fā)動機(jī)瞬時油耗率的乘積）計算香港地區(qū)的船舶能耗和排放;FAN等[8]和ZHANG等[10]利用AIS數(shù)據(jù)分析了中國沿海船舶排放及其對空氣質(zhì)量的影響;JOHANSSON等[5]利用AIS數(shù)據(jù)對全球船舶排放進(jìn)行估測。

當(dāng)前基于AIS數(shù)據(jù)的船舶排放估測還存在一些不足。在排放總量計算方面，當(dāng)前基于AIS的模型大多采用點排放源（即船舶在AIS報告點的能耗和排放）的方式進(jìn)行統(tǒng)計，這種方式忽略了船舶能耗和排放是一個伴隨船舶航行軌跡的連續(xù)過程，可能顯著低估了AIS信號較差地區(qū)（如遠(yuǎn)離港口的區(qū)域）的能耗和排放。此外，當(dāng)前基于空間代理計算排放空間分布的估算方式通常通過每個網(wǎng)格中AIS報告點的相對密度分?jǐn)偱欧帕?。這種方式忽視了船舶在不同的地理網(wǎng)格內(nèi)發(fā)動機(jī)負(fù)載、航行距離和航行時間的差別，估測結(jié)果存在較大偏差。

為此，本文從船舶軌跡出發(fā)，視船舶為一種連續(xù)的線性排放源，提出一種完全自下而上的基于網(wǎng)格化AIS軌跡的船舶能耗和排放估測新方法。該方法通過對網(wǎng)格航段能耗和排放的精細(xì)化建模和計算，自下而上統(tǒng)一了船舶排放總量和空間分布計算。為測試該方法的有效性，本文以一艘真實船為案例，采用本文提出的研究方法分析其排放特征，并將估測的油耗分別與真實油耗和NG等[11]的計算結(jié)果進(jìn)行比較分析。

1?模型構(gòu)建

1.1?AIS數(shù)據(jù)

本文提出的排放估測模型主要基于AIS數(shù)據(jù)。根據(jù)IMO《國際海上人命安全公約》規(guī)定，總噸大于300?t的海運船舶都需要安裝AIS終端設(shè)備。船舶發(fā)送的AIS信息通?？梢员桓浇陌哆吇蛘咝l(wèi)星AIS接收裝置接收，基本可實現(xiàn)全球范圍的船舶追蹤。AIS數(shù)據(jù)主要包括動態(tài)信息和靜態(tài)信息，其中動態(tài)信息主要包括船舶位置（經(jīng)緯度坐標(biāo)）、航速、航向等，靜態(tài)信息包括船舶載重噸、目的港和預(yù)計到達(dá)時間等。動態(tài)信息一般由與AIS相連接的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備自動提供，這些信息在航行時通常幾秒鐘更新一次，在停泊時幾分鐘更新一次，且準(zhǔn)確性較高。靜態(tài)信息一般由人工輸入，存在信息缺失或者不正確問題，可靠性相對較差。

1.2?船舶軌跡模型

船舶軌跡由一系列按照時間順序排列的AIS報告點組成，通過連接相鄰兩個AIS報告點可得到一條連續(xù)的船舶軌跡。為便于空間計算和分析，可對船舶軌跡進(jìn)行網(wǎng)格化處理。一個軌跡航段可以被網(wǎng)格進(jìn)一步分割成一個或者多個網(wǎng)格航段。圖1為基于AIS數(shù)據(jù)的網(wǎng)格化船舶軌跡模型。圖中船舶軌跡共由5個AIS報

告點（P1，P2，P3，P4，P5）和4個軌跡航段（L1，L2，L3，L4）組成，該軌跡經(jīng)過7個經(jīng)緯度網(wǎng)格航段（G12，G22，G32，G42，G43，G53，G63），被分割為10個網(wǎng)格航段，其中，同一網(wǎng)格中相鄰兩點之間的軌跡為1個網(wǎng)格航段，網(wǎng)格航段的端點可以是AIS報告點或者軌跡與網(wǎng)格的交點。

1.3?網(wǎng)格航段排放模型

船舶能耗和排放可以通過計算每個網(wǎng)格航段得到，因此網(wǎng)格航段排放模型是本文的核心內(nèi)容。本文基于STEAM2構(gòu)建了網(wǎng)格航段排放估算方法，考慮到波浪和風(fēng)力阻力等數(shù)據(jù)難以獲取，本文沒

有考慮波浪和風(fēng)力等影響因素，具體見圖2。

由圖2可知，網(wǎng)格航段排放估測是一個比較復(fù)雜的過程，需要各種不同的數(shù)據(jù)（主要涉及船舶檔案數(shù)據(jù)、AIS數(shù)據(jù)、ECA和相關(guān)文獻(xiàn)）來計算。船舶檔案數(shù)據(jù)提供船舶類型、噸位、發(fā)動機(jī)額定載荷和服務(wù)航速等船舶結(jié)構(gòu)和特征基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。AIS數(shù)據(jù)用于提取網(wǎng)格航段的平均航速、持續(xù)時間、航行模式等信息，進(jìn)而用于估測船舶主機(jī)的載荷系數(shù)以及副機(jī)功率等動態(tài)信息。ECA提供船舶燃油的硫含量等限值，ECA外部的排放主要通過船舶燃油采購記錄或者參考相關(guān)文獻(xiàn)獲得。通過研究文獻(xiàn)可以得到船舶在不同航行狀態(tài)下的排放因子以及主機(jī)的低載荷系數(shù)。基于這些數(shù)據(jù)計算船舶在每個網(wǎng)格航段的功耗。結(jié)合船舶功耗、各種排放物的排放因子和載荷調(diào)整因子可估算出各網(wǎng)格航段的油耗和各種排放。

值得注意的是，本文網(wǎng)格尺度可根據(jù)需要進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。每個網(wǎng)格也可以再劃分為多個子網(wǎng)格，以滿足各種排放空間分辨率的要求，排放計算原理基本相同。網(wǎng)格航段的航速與其所在的軌跡航段的平均航速相同。計算軌跡航段平均航速時，需要綜合考慮軌跡航段兩個端點之間的持續(xù)時間和距離。當(dāng)時間或者距離大于某一閾值（如時間大于20?min或者距離大于5?n?mile）時，采用網(wǎng)格航段球面距離除以持續(xù)時間來確定平均航速，否則取兩個端點的平均瞬時航速作為軌跡航段平均航速。網(wǎng)格較大時，可能同時包括多個軌跡航段，每個軌跡航段的航行工況不同。因此，同一個網(wǎng)格可包括多種航行工況。若網(wǎng)格較小，網(wǎng)格航段的航行時間小于AIS數(shù)據(jù)周期，則通過空間計算得到AIS軌跡航段與網(wǎng)格的交點，將軌跡航段分割為多個網(wǎng)格航段，網(wǎng)格航段航速為該AIS軌跡航段的平均航速。由于每個網(wǎng)格航段處的風(fēng)浪等海況可能不同，當(dāng)網(wǎng)格較小時可以考慮更加精細(xì)的風(fēng)浪、ECA邊界等因素，有可能提供更加準(zhǔn)確的航行工況和排放因子，有利于提高測算精度。

1.4?總體排放估測模型

船舶能耗和排放主要來自船舶主機(jī)、副機(jī)和鍋爐，鑒于鍋爐的排放量通常極小，并且缺乏可靠的數(shù)據(jù)支撐，存在非常大的不確定性，本研究暫不考慮鍋爐的油耗和排放。船舶在一定時間內(nèi)的排放總量和時空分布可通過匯總每個網(wǎng)格航段的排放得到。一艘船的排放物w的排放總量可表示為

Ew=ni=1（Emw，i+Eaw，i）

（1）

式中：w為大氣排放物，可為CO2、SO2等不同大氣排放物;n為船舶網(wǎng)格航段總數(shù);Emw，i和Eaw，i分別表示網(wǎng)格航段i上船舶主機(jī)和副機(jī)排放的w的量。

船舶的油耗量主要通過與船舶的CO2排放量換算得到。CO2排放量與燃油硫含量基本無關(guān)，并且與油耗量成正比，油耗量O可表示為

O=ECO2/Cf

（2）

式中：ECO2為CO2排放量，g;Cf為燃油碳系數(shù)，表示單位燃油產(chǎn)生的CO2量，具體可參考文獻(xiàn)[12]。

船舶主機(jī)排放量計算式為

Emw，i=P（vi/vmax）3tiFew，i

（3）

式中：vi為在航段i上的平均航速，kn;vmax為船舶最大航速，kn;Few，i為

排放物w在航段i上的排放因子，

g/（kW·h）。vi通常通過航行距離和航行時間得到，但是在航行距離較近時直接選取通過航段兩端點的瞬時航速以減小誤差。Few，i通過下式計算：

Few，i=FswFfw，iAi

（4）

式中：Fsw為船舶排放物w的排放因子，g/（kW·h），可參考文獻(xiàn)[2];Ffw，i表示排放物w在航段i上的排放因子與基準(zhǔn)排放因子的比值，如果船舶使用的燃油不同于基準(zhǔn)燃油則需要用燃油修正系數(shù)進(jìn)行修正，具體可參考文獻(xiàn)[13];Ai，當(dāng)發(fā)動機(jī)載荷小于20%時，發(fā)動機(jī)燃油燃燒效率降低，需乘以該因子，該因子的取值可參考文獻(xiàn)[13]中表3.9。

船舶副機(jī)排放量的計算方式與主機(jī)略有不同。船舶一般有多個副機(jī)，單個副機(jī)的載荷都比較高，因此，低載調(diào)整系數(shù)都為1，即不需要調(diào)整。副機(jī)排放計算公式如下：

Eaw，i=PitiFswFfw，i

（5）

式中：Pi為在航段i上船舶副機(jī)平均功率，kW。船舶副機(jī)功率通過船舶航行模式確定，在不同航行模式下船舶副機(jī)的功率區(qū)別較大，具體可參考文獻(xiàn)[2]。

2?實船應(yīng)用

為測試本文方法的有效性和適用性，分別以本文提出的方法和NG等[11]使用的方法估測一艘真實船的油耗和排放特征，并與該船的真實油耗進(jìn)行比較。實驗船為一艘2009年建造，主機(jī)額定功率為4?400?kW，額定轉(zhuǎn)速為460?r/min，服務(wù)航速為12?kn，載重噸為23?515?t的普通貨船。該船主機(jī)主要消耗重油，副機(jī)主要消耗柴油。AIS數(shù)據(jù)由第三方平臺提供，涵蓋該船從2013-10-24T02：00到2013-10-28T12：30，從中國京唐港航行至常州港的整個航次的數(shù)據(jù)。該航次總共包括5?107個AIS觀測點，5?106個軌跡航段，總共歷時106.5?h，總航程708?n?mile。

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（編輯?賈裙平）