武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院 龔婷

燃油價(jià)格的上漲和港口使用及船只維護(hù)費(fèi)用的上升增大了船舶營(yíng)運(yùn)的成本，而燃油費(fèi)用占了總成本的三分之二，有巨大的節(jié)約壓縮空間，所以船舶的能效管理是控制運(yùn)營(yíng)成本的關(guān)鍵部分。目前，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)滲透到各行各業(yè)，大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)已經(jīng)在交通運(yùn)輸和通信行業(yè)得到了應(yīng)用。在對(duì)管理技術(shù)和制度進(jìn)行變革創(chuàng)新的基礎(chǔ)上利用大數(shù)據(jù)技術(shù)來(lái)節(jié)約能效，不僅能夠提高我國(guó)海上交通管理的品質(zhì)與質(zhì)量，也能節(jié)約資源，降低運(yùn)輸成本，推動(dòng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。因此，船舶行業(yè)需要根據(jù)信息化特點(diǎn)科學(xué)地利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，為船舶營(yíng)運(yùn)提供更加全面的技術(shù)支持，提高船舶工作運(yùn)輸效率。

1 大數(shù)據(jù)及其相關(guān)技術(shù)

1.1 大數(shù)據(jù)簡(jiǎn)介

大數(shù)據(jù)是指充分利用互聯(lián)網(wǎng)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，獲取大批量信息數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行整合。其中，“大數(shù)據(jù)”中的“大”并不僅僅指信息數(shù)據(jù)量的龐大，還體現(xiàn)了通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行專業(yè)化處理，和對(duì)數(shù)據(jù)信息自身蘊(yùn)含的應(yīng)用價(jià)值的肯定。大數(shù)據(jù)具有 5V 的特點(diǎn)：Volume（大量）、Velocity（高速）、Variety（多樣）、Value（低價(jià)值密度）和 Veracity（真實(shí)）。其中，Volume 指的是大數(shù)據(jù)的數(shù)量龐大，種類雜亂；Velocity 指的是數(shù)據(jù)增長(zhǎng)速度快，呈幾何式增長(zhǎng)，且越到后期增長(zhǎng)越快，對(duì)數(shù)據(jù)處理的速度也不斷提高；Variety 指的是大數(shù)據(jù)中數(shù)據(jù)類型多樣，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，表現(xiàn)形式不同；Value 指大數(shù)據(jù)包含大量無(wú)用信息，這就使得需要的信息往往被無(wú)用信息覆蓋，導(dǎo)致數(shù)據(jù)利用困難，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，需要對(duì)海量的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理和分析才能獲取所需要的信息；Veracity 指的是數(shù)據(jù)產(chǎn)生和處理是實(shí)時(shí)的，具有準(zhǔn)確的特點(diǎn)。大數(shù)據(jù)的這些特性，使其具有廣闊的應(yīng)用前景和巨大的應(yīng)用潛力。

1.2 大數(shù)據(jù)技術(shù)

大數(shù)據(jù)本身Value（低密度）的特點(diǎn)，導(dǎo)致需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理才能使用，否則數(shù)據(jù)將毫無(wú)價(jià)值。大數(shù)據(jù)處理以大數(shù)據(jù)為原材料，而正是因?yàn)榇髷?shù)據(jù)不同于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)量的龐大，導(dǎo)致無(wú)法用傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)進(jìn)行處理，所以大數(shù)據(jù)處理技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

大數(shù)據(jù)處理技術(shù)已經(jīng)成了大數(shù)據(jù)領(lǐng)域內(nèi)各行各業(yè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在互聯(lián)網(wǎng)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的推動(dòng)下，各種大數(shù)據(jù)處理方法已經(jīng)得到了廣泛的發(fā)展和應(yīng)用。一般來(lái)說(shuō)，大數(shù)據(jù)處理需要經(jīng)過(guò)以下幾個(gè)步驟：數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)的分析。經(jīng)過(guò)這些處理后才有可能獲取所需要的信息。常見(jiàn)的大數(shù)據(jù)技術(shù)有信息管理系統(tǒng)、NoSQL、分布式數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)挖掘和類聚分析等。大數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展離不開(kāi)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感技術(shù)和數(shù)學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科的進(jìn)步。目前社會(huì)上已經(jīng)出現(xiàn)了大量的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和算法，并在各行各業(yè)發(fā)揮作用，未來(lái)還會(huì)出現(xiàn)更加先進(jìn)高效的大數(shù)據(jù)處理技術(shù)，不斷推動(dòng)著大數(shù)據(jù)的發(fā)展。

2 智能能效管理

船舶的能效管理有如下三個(gè)層次：第一層次是與能效相關(guān)的數(shù)據(jù)信息的采集；第二層次根據(jù)采集的能效數(shù)據(jù)對(duì)船舶的航行操作提供決策參考和輔助；第三層次主要是優(yōu)化船舶的水動(dòng)力性能，完成固定船舶的型線優(yōu)化。

能效管理是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，船舶的智能能效管理是通過(guò)能效監(jiān)控和管理設(shè)備實(shí)現(xiàn)的，這兩個(gè)部分都能進(jìn)行實(shí)時(shí)采集關(guān)于航行狀態(tài)、航行中設(shè)備機(jī)器的耗能情況等信息，自動(dòng)收集船舶航行時(shí)的狀態(tài)、外界環(huán)境條件、機(jī)器耗能情況等數(shù)據(jù)，并以此為基礎(chǔ)評(píng)估船舶的能效、航行和裝載情況，更進(jìn)一步，再利用大數(shù)據(jù)技術(shù)、數(shù)值仿真分析等優(yōu)化技術(shù)為船舶提供直觀的可視化分析結(jié)果，為操作人員提供數(shù)據(jù)分析的結(jié)果和操縱上關(guān)于調(diào)整航行速度、最佳配載等決策的輔助建議，如提供最佳航速的參考，降低船舶耗能；裝載計(jì)算機(jī)給出最佳裝載建議，降低船舶阻力和油耗。真正做到對(duì)船舶實(shí)時(shí)監(jiān)控、評(píng)估和優(yōu)化。

3 船舶能效管理的具體作用

3.1 調(diào)度優(yōu)化

隨著我國(guó)海上交通運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展，船舶的數(shù)量迅速壯大，不過(guò)港口和航道的規(guī)劃建設(shè)越來(lái)越難以跟上船舶增加的節(jié)奏，這就導(dǎo)致港口和航道的設(shè)置安排越來(lái)越雜亂，極大地增加了船舶調(diào)度的難度。而大量的船舶在港口的調(diào)度和航道規(guī)劃受到諸多因素的影響，如果把這些因素統(tǒng)計(jì)起來(lái)用數(shù)據(jù)表示，將是極大的數(shù)據(jù)量，符合大數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)，可以利用大數(shù)據(jù)的采集和處理思路來(lái)解決。目前大數(shù)據(jù)分析技術(shù)已經(jīng)在船舶調(diào)度管理方面得到了初步應(yīng)用，并且一定程度上提高了調(diào)度的效率。具體步驟是，先把船舶信息預(yù)存入中心系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中，然后對(duì)它們進(jìn)行集中分析處理，利用大數(shù)據(jù)相關(guān)技術(shù)（如數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)處理等）對(duì)船舶的動(dòng)態(tài)進(jìn)行即時(shí)分析和調(diào)度，實(shí)現(xiàn)船舶調(diào)度的科學(xué)化和信息化，在很大程度上緩解了港口和航道規(guī)劃建設(shè)方面的壓力，彌補(bǔ)了由于港口航道調(diào)度跟不上船舶發(fā)展而造成的漏洞。目前已經(jīng)有學(xué)者提出了多種以大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的船舶調(diào)度方案，如圖譜特征分析、關(guān)聯(lián)特征匹配、數(shù)據(jù)挖掘等，對(duì)船舶調(diào)度管理做出了優(yōu)化處理。

3.2 縱傾優(yōu)化

縱傾優(yōu)化是指應(yīng)用CFD 工具或船模水池試驗(yàn)來(lái)計(jì)算船舶在不同裝載情況或不同航速下受到的阻力，同時(shí)采用優(yōu)化思想，以實(shí)現(xiàn)最小阻力為目標(biāo)，在考慮航行視線、穩(wěn)定和強(qiáng)度安全的前提下，給出最佳縱傾浮態(tài)的參考，為船舶實(shí)際的營(yíng)運(yùn)提供決策建議。設(shè)計(jì)縱傾性能數(shù)據(jù)庫(kù)的傳統(tǒng)方法是在設(shè)計(jì)階段通過(guò)開(kāi)頭提到的兩種方法來(lái)計(jì)算船舶在不同航行狀態(tài)下吃水時(shí)對(duì)應(yīng)的不同航速和縱傾受到的阻力，從而計(jì)算出吃水、航速和縱傾下的主機(jī)功率。再根據(jù)航行前預(yù)設(shè)的航速和吃水情況，找到最低功率下對(duì)應(yīng)的最佳縱傾情況。

這種縱傾方法存在一定的局限性，比如實(shí)際的航速和吃水情況都不一定和試驗(yàn)時(shí)模擬的數(shù)據(jù)一致。所以需要在縱傾矩陣內(nèi)插入一些數(shù)值，并假設(shè)它們和原數(shù)值之間存在線性關(guān)系。不過(guò)當(dāng)吃水深度和縱傾離球鼻艏浸沒(méi)點(diǎn)非常接近的時(shí)候，這種方式往往并不準(zhǔn)確。另外，這種方法也存在局限，比如沒(méi)有考慮到船舶外界擾動(dòng)和動(dòng)態(tài)的實(shí)時(shí)情況，如出現(xiàn)風(fēng)或下沉，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，船員不能準(zhǔn)確獲得船舶的實(shí)際吃水深度，只能確定出航前的狀態(tài)。即使按比例放大也會(huì)出現(xiàn)偏差，從而阻礙了船舶獲得最佳縱傾并按照這個(gè)狀態(tài)航行。

航速、海況、海面等種種會(huì)在實(shí)際航行中實(shí)時(shí)變化的因素，導(dǎo)致航行中實(shí)際縱傾角度和靜態(tài)縱傾角度相差很大，甚至可以達(dá)到1m。所以，對(duì)船舶航行數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集是很有必要的，還要在此基礎(chǔ)上進(jìn)行多維分析，尋找優(yōu)化動(dòng)態(tài)縱傾的最佳方法。動(dòng)態(tài)縱傾優(yōu)化需要考慮大量的變量因素，如流體學(xué)相關(guān)和天氣情況。在綜合考慮這些種種因素后，再計(jì)算出最佳縱傾數(shù)值，并持續(xù)不斷采集數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗和分析，不斷提高優(yōu)化縱傾的精度，實(shí)現(xiàn)船舶的節(jié)能智能航行。

3.3 航速優(yōu)化

主機(jī)轉(zhuǎn)速和航速也是影響油耗的重要因素。在船期范圍內(nèi)，大型船舶通常采取降低航速的方式來(lái)減少油耗。以航行數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合航次記畫(huà)、航線和燃料消耗情況以及成本分析，得出優(yōu)化航速的最佳方案。能源監(jiān)控系統(tǒng)既可以輸入預(yù)定的航行線路、燃油價(jià)格、出發(fā)到達(dá)的具體時(shí)間，還可以接收基地發(fā)送的天氣情況如風(fēng)、浪涌和潮流等氣象信息，然后將航線分為多個(gè)部分，對(duì)每一部分計(jì)算出具體的最佳航速和轉(zhuǎn)速，為操作人員提供參考。

3.4 清除污底優(yōu)化

隨著船舶運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增加，船體和螺旋槳表里都會(huì)積累大量污底。為了減小由此帶來(lái)的阻力，提高螺旋槳工作推行的效率，需要定期清除船舶污底。大數(shù)據(jù)技術(shù)能夠?yàn)檫@項(xiàng)工作提供更加高效的建議。大數(shù)據(jù)技術(shù)可以對(duì)運(yùn)營(yíng)時(shí)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行梳理，從中篩選出有關(guān)船速和主機(jī)功率的數(shù)據(jù)，并按照時(shí)間順序進(jìn)行排序，清除風(fēng)、浪、流和海水溫度等自然因素對(duì)船舶營(yíng)運(yùn)功率的影響，進(jìn)一步得到船舶污底與營(yíng)運(yùn)時(shí)間和航線這三者之間的關(guān)系，根據(jù)實(shí)際情況清除污損，能夠提高船舶能效、降低營(yíng)運(yùn)成本。

3.5 航線優(yōu)化

海上交通運(yùn)輸?shù)奶厥庑允沟么氨仨氁揽恳欢ǖ膶?dǎo)航系統(tǒng)才能到達(dá)目的地，而海事部門(mén)也需要對(duì)船舶的航跡進(jìn)行預(yù)測(cè)掌握，從而調(diào)整航路調(diào)度，避免事故的發(fā)生。隨著水上運(yùn)輸事業(yè)的發(fā)展，船舶定位和航跡預(yù)測(cè)的工作也變得越來(lái)越重要，成了近年來(lái)的熱點(diǎn)話題。目前實(shí)現(xiàn)船舶定位和航跡預(yù)測(cè)方法的核心思想都是通過(guò)船舶定位數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，進(jìn)而完成船舶定位和航跡預(yù)測(cè)，具體有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、灰色模型、貝葉斯等方法。雖然這些方法在實(shí)際中已經(jīng)有了應(yīng)用，但準(zhǔn)確性和可靠性都還有待提高，并且存在一定的局限性。例如，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)需要建立在大量的歷史數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)之上；灰色模型法還局限于線性擬合等。而大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用為船舶導(dǎo)航和航跡預(yù)測(cè)的性能奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，可以使船舶導(dǎo)航和航跡預(yù)測(cè)更加精確可靠，滿足了海上運(yùn)輸和船舶能效管理的實(shí)際需要，具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)大數(shù)據(jù)技術(shù)在船舶運(yùn)輸行業(yè)中的具體應(yīng)用做出了初步的分析和討論，論證了大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用于船舶能效管理的重要性和必要性。大數(shù)據(jù)技術(shù)在船舶能效管理方面具有巨大的潛力和利用價(jià)值，通過(guò)對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析幫助操作人員做出最佳決策，為船舶的航行提供參考建議，提高船舶的營(yíng)運(yùn)效率，降低能耗，實(shí)現(xiàn)船舶的能效管理。