趙 科，丁 琦

(1.中國遠(yuǎn)洋海運(yùn)集團(tuán)有限公司，上海 200080；2.上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所航運(yùn)技術(shù)與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200135)

0 引 言

近年來，由于排放法規(guī)日趨嚴(yán)格，IMO、歐盟、中國海事局等都提出了對于航運(yùn)排放的申報(bào)檢驗(yàn)要求，滿足MRV 排放的監(jiān)測、報(bào)告和驗(yàn)證要求，提高營運(yùn)能源利用率，降低排放是航運(yùn)企業(yè)提高航運(yùn)效益、保障社會責(zé)任的必然選擇。隨著現(xiàn)代船舶綜合自動化水平的提高和船舶設(shè)備專業(yè)性的增強(qiáng)，對船舶能效的監(jiān)控管理始終是船舶營運(yùn)工作的主要內(nèi)容。國際海事組織（IMO）也在第62 次會議提出兩項(xiàng)船舶能效評判標(biāo)準(zhǔn)：船舶能效管理計(jì)劃（SEEMP）和能效設(shè)計(jì)指數(shù)（EEDI）。該標(biāo)準(zhǔn)從船舶設(shè)計(jì)、建造、營運(yùn)等各個環(huán)節(jié)采用相關(guān)節(jié)能降耗的措施來提高船舶綜合能效水平。

隨著船舶管理向數(shù)字化、信息化、智能化方向發(fā)展[1 –2]，智能船舶等概念的提出，船舶能效管理的數(shù)字化及智能化應(yīng)用逐漸成為未來船舶節(jié)能減排發(fā)展的重要需求。采用智能化的船舶智能能效管理系統(tǒng)是希望集監(jiān)測、分析、報(bào)告和管理于一體，對船舶進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控、航行評估、數(shù)據(jù)分析與報(bào)告管理。船上機(jī)電設(shè)備種類繁多，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，隨著全電力船舶的發(fā)展，對船舶能效的產(chǎn)生、管理、分配也愈發(fā)困難，而對于船東而言，能效管理的工作貫穿經(jīng)營、機(jī)務(wù)、海務(wù)、技術(shù)保障和環(huán)保等多個業(yè)務(wù)口徑，較難整理出完整的功能需求。

目前國外企業(yè)已經(jīng)從典型業(yè)務(wù)需求出發(fā)，開發(fā)出集監(jiān)測與管理功能為一體的船舶綜合智能能效管理系統(tǒng)，如挪威的康士伯公司的EMS 系統(tǒng)提供了更加數(shù)據(jù)化的機(jī)艙性能管理和決策方法，提高整船的設(shè)備監(jiān)控能力，降低能耗并減少排放。冰島的MARORKA 公司從航行優(yōu)化角度，提供基于氣象的航速縱傾等航行優(yōu)化和航段信息監(jiān)控評估，提高船舶航行能效和運(yùn)營效率。而國內(nèi)目前的一些廠家如CCS 提供整套較為通用的能效監(jiān)測管理解決方案，相關(guān)功能對于船東需求的覆蓋還需要進(jìn)一步驗(yàn)證和加強(qiáng)，因此開展船舶綜合智能能效管理系統(tǒng)的研究勢在必行，在營運(yùn)船舶能效方面的管理措施還需進(jìn)一步加強(qiáng)。

為提高智能船舶營運(yùn)過程中的能效水平，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)化的船舶能效管理，降低船舶能耗，提高能源利用效率。本文在分析船舶能效指標(biāo)與能效管理計(jì)劃的基礎(chǔ)上，對船舶綜合智能能效管理系統(tǒng)進(jìn)行功能劃分，系統(tǒng)設(shè)計(jì)，能效優(yōu)化，提出一種高效、綠色的能效管理系統(tǒng)方案，降低排放，減少能耗，滿足智能船舶未來發(fā)展的要求，同時對日后國產(chǎn)能效管理系統(tǒng)提供參考依據(jù)。

1 船舶能效管理計(jì)劃與能效指標(biāo)分析

船舶能效管理計(jì)劃（SEEMP）從能源消耗、能源利用效率和CO2排放等方面對船舶進(jìn)行嚴(yán)格的控制和管理來提高能效水平。它對航運(yùn)公司監(jiān)測船舶CO2等溫室氣體的排放提出了量化要求，并要求從計(jì)劃、實(shí)施到監(jiān)控、自我評估，建立一整套完善的提高船舶營運(yùn)效率 管理機(jī)制[3–5]。

船舶營運(yùn)能效指數(shù)（EEOI）是獲得營運(yùn)船舶或船隊(duì)能效量值的國際公認(rèn)工具之一，其反映的是消耗燃油所排放的CO2與貨物的數(shù)量和運(yùn)輸距離的比值，用來衡量階段時期內(nèi)船舶能效的高低[6–8]。EEOI 可以定義為：

式中： j 為燃油類型； Fcj為 燃油j 的消耗量；CFj為燃油j 的燃油量與CO2排放量之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)； mcargo為貨物種類（t）或完成工作量（標(biāo)準(zhǔn)集裝箱數(shù)目或人員或武器）或客船的總噸位；D 為航行距離（n mile）。

影響EEOI 的因子在實(shí)際中非常復(fù)雜，總體可以歸納為設(shè)備能耗狀態(tài)、船舶性能狀態(tài)、當(dāng)前航行環(huán)境及狀態(tài)、營運(yùn)計(jì)劃及人員操作等，因此，針對船舶航行過程中的營運(yùn)特點(diǎn)與多種影響因素進(jìn)行綜合研究，能有效降低能耗，提高船舶性能。為落實(shí)船舶能效營運(yùn)指數(shù)，根據(jù)船舶能效管理計(jì)劃的思想建立船舶能效管理體系，遵循計(jì)劃-實(shí)施-檢查-行動（PDCA）運(yùn)行模式，如圖1 所示。

圖1 船舶綜合能效管理計(jì)劃的運(yùn)行流程Fig.1 Operation process of ship comprehensive energy efficiency management plan.

2 能效管理系統(tǒng)功能框架

根據(jù)能效管理計(jì)劃運(yùn)行流程，船舶智能能效管理系統(tǒng)應(yīng)負(fù)責(zé)對船舶能耗、能效的監(jiān)測與評估、能量的產(chǎn)生分配、管理調(diào)度等。將采集監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析、通過數(shù)學(xué)建模以及優(yōu)化算法，對船舶能耗、能效以及排放進(jìn)行綜合評估、分析、預(yù)測并為船舶管理者提出能效輔助優(yōu)化建議，實(shí)現(xiàn)對船舶營運(yùn)狀態(tài)的實(shí)時在線監(jiān)控、智能評估、能效優(yōu)化以及歷史報(bào)告管理等功能。繼而通過收集到的大量實(shí)船航行數(shù)據(jù)，對船舶關(guān)鍵能耗設(shè)備進(jìn)行針對性能效建模、航速優(yōu)化、縱傾優(yōu)化等，提高船舶運(yùn)行過程中的經(jīng)濟(jì)效益。

從降低船舶營運(yùn)能效指數(shù)的角度考慮，船舶智能能效管理系統(tǒng)應(yīng)包括數(shù)據(jù)采集、設(shè)備能耗監(jiān)測、推進(jìn)系統(tǒng)監(jiān)測、船舶綜合航行監(jiān)測、能耗分析與優(yōu)化及岸基管理等功能，如圖2 所示。

圖2 船舶智能能效管理系統(tǒng)功能框架Fig.2 Functional framework of ship intelligent energy efficiency management system.

1）數(shù)據(jù)采集。該功能是能效管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)，通過燃油計(jì)量裝置、軸功率儀、GPS、風(fēng)速儀、測深儀、傾斜儀等各種傳感器將船舶營運(yùn)過程中的能效數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并匯總，經(jīng)通訊系統(tǒng)傳輸?shù)酱肮ぷ髡疽约鞍抖藬?shù)據(jù)服務(wù)器。

2）設(shè)備能耗監(jiān)測。根據(jù)管理計(jì)劃分析，對降低EEOI 直觀重要的全船主要耗能設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，對其進(jìn)行能耗分類，并對關(guān)鍵能耗設(shè)備如主機(jī)、發(fā)電機(jī)、鍋爐的關(guān)鍵參數(shù)如功率、轉(zhuǎn)速等進(jìn)行監(jiān)控?；跔顟B(tài)評估算法開展數(shù)據(jù)分析優(yōu)化，進(jìn)行系統(tǒng)的節(jié)能潛力評估與實(shí)際節(jié)能效率計(jì)算。

3）推進(jìn)系統(tǒng)監(jiān)測。對與航行效率相關(guān)的主機(jī)、軸系、槳等推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)備的物理指標(biāo)與運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)測報(bào)警，保證船上推進(jìn)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

4）綜合航行監(jiān)測。對GPS、計(jì)程儀和風(fēng)速風(fēng)向儀系統(tǒng)等航行狀態(tài)和航行環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測記錄，保障船舶的安全穩(wěn)定運(yùn)行，并為航行時的緊急狀況提供處理依據(jù)。

5）能耗分析與優(yōu)化。將全船設(shè)備能耗參數(shù)進(jìn)行匯總計(jì)算，提供對比圖表、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。通過對存儲數(shù)據(jù)的分析，確定船舶營運(yùn)過程最佳能效管理方案，提高船舶整體效能，并結(jié)合航行特點(diǎn)、燃料消耗、經(jīng)濟(jì)效益等評估結(jié)果，提供基于不同目標(biāo)的優(yōu)化方案[9]。

6）岸基管理。進(jìn)行船岸數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸，船隊(duì)層級數(shù)據(jù)的存儲、分析與實(shí)時監(jiān)測，建立岸端數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)岸端對所有在航船舶進(jìn)行統(tǒng)一遠(yuǎn)程監(jiān)控，并對船端進(jìn)行能耗優(yōu)化提供輔助決策與遠(yuǎn)程技術(shù)支持。

3 能效管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)及開發(fā)

能效管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)從宏觀、總體、系統(tǒng)的角度對船舶營運(yùn)能效參數(shù)進(jìn)行收集匯總，并利用數(shù)學(xué)建模與先進(jìn)的優(yōu)化算法進(jìn)行科學(xué)分析，提高船舶總體能效水平。

3.1 硬件設(shè)計(jì)

在硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)上，由于船上擁有大量現(xiàn)代化電力設(shè)備與先進(jìn)的控制技術(shù)，船舶電站對于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性、時效性與安全性提出了更多的要求，為了保證不同工況下網(wǎng)絡(luò)的整體性能，系統(tǒng)采用船舶總線控制網(wǎng)與工業(yè)以太網(wǎng)混合異構(gòu)型網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的開放式船舶物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)。其中船舶總線控制網(wǎng)用于對安全性與時效性要求較高但對信息量要求不大的現(xiàn)場設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)，并提供防塵、防爆等安全特性，工業(yè)以太網(wǎng)用于對安全性與實(shí)時性要求較高但是對信息量需求不大的上層信息管理網(wǎng)絡(luò)，此種架構(gòu)可以方便地進(jìn)行通信網(wǎng)絡(luò)中的模塊增減改動，如圖3 所示。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

在軟件方案設(shè)計(jì)上，選用B/S 架構(gòu)對船舶智能能效管理系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。Browser 端需要提供友好的用戶訪問交流界面，且接口響應(yīng)時間不超過5 s，頁面刷新時間不超過3 min，Server 端需要提供所有大型計(jì)算處理服務(wù)，各功能模塊（優(yōu)化模塊除外）響應(yīng)時間不超過30 s。

圖3 船舶智能能效管理系統(tǒng)架構(gòu)Fig.3 Architecture of ship intelligent energy efficiency management system

系統(tǒng)采用3 層松散耦合的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)層通過外部環(huán)境接口運(yùn)用數(shù)據(jù)采集處理組件與實(shí)時通訊組件從現(xiàn)場設(shè)備采集數(shù)據(jù)并存儲到數(shù)據(jù)庫，或向現(xiàn)場設(shè)備發(fā)送指令，與應(yīng)用層和服務(wù)層交互。服務(wù)層可以從數(shù)據(jù)庫讀取現(xiàn)場設(shè)備實(shí)時工況數(shù)據(jù)，調(diào)用不同的管理組件進(jìn)行分析計(jì)算以供應(yīng)用層調(diào)用。應(yīng)用層根據(jù)各功能模塊的需求，調(diào)用服務(wù)層組件，顯示不同的程序界面，實(shí)現(xiàn)船舶智能能效管理系統(tǒng)軟件的功能。船舶智能能效管理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)思路如圖4 所示。

圖4 船舶智能能效管理系統(tǒng)平臺設(shè)計(jì)思路Fig.4 Design of ship intelligent energy efficiency management system

在數(shù)據(jù)庫開發(fā)上，選擇MySQL 數(shù)據(jù)庫平臺，并利用Navicat for MySQL 進(jìn)行數(shù)據(jù)的導(dǎo)入導(dǎo)出工作。主要功能包括 SQL 創(chuàng)建工具或編輯器、數(shù)據(jù)模型工具、數(shù)據(jù)傳輸、導(dǎo)入或?qū)С觥?shù)據(jù)或結(jié)構(gòu)同步、報(bào)表、以及更多。

3.3 數(shù)據(jù)采集與處理

數(shù)據(jù)采集與處理是船舶智能能效管理系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)，針對不同數(shù)據(jù)來源，提供2 種通訊方式進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時獲取。對于提供數(shù)據(jù)庫接口的數(shù)據(jù)采集終端系統(tǒng)，通過開放數(shù)據(jù)庫互聯(lián)（ODBC）進(jìn)行數(shù)據(jù)通信；對于不提供數(shù)據(jù)庫接口的數(shù)據(jù)采集終端系統(tǒng)，通過TCP 或UDP 協(xié)議與數(shù)據(jù)采集終端系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。實(shí)時數(shù)據(jù)每隔1 s 采集1 次，并導(dǎo)入至船端數(shù)據(jù)庫中，并通過計(jì)算轉(zhuǎn)化為10 分鐘表、1 小時表、1 天表分別存儲在船端數(shù)據(jù)庫中，每小時定時將1 小時的能效數(shù)據(jù)打包并發(fā)送到岸端數(shù)據(jù)庫中，并針對不同類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)識與區(qū)分（靜態(tài)、人工、計(jì)算、在線監(jiān)測），供專業(yè)人士進(jìn)行后續(xù)能效優(yōu)化與輔助決策制定。

3.4 能耗分布與評估方法

參考《船舶能量消耗分布與節(jié)能指南》，考慮實(shí)船實(shí)際參數(shù)監(jiān)測能力，由船舶主機(jī)、輔機(jī)、鍋爐燃油計(jì)量裝置計(jì)算船舶當(dāng)前工況各能耗設(shè)備燃油消耗量，計(jì)算得到能量輸入基值，根據(jù)系統(tǒng)流程與各設(shè)備進(jìn)出口工質(zhì)熱力學(xué)參數(shù)，計(jì)算各主要設(shè)備能耗情況，并與能量輸入基值對比，得到設(shè)備能量效率與能耗分布百分比，計(jì)算框架如圖5 所示。同時根據(jù)試航數(shù)據(jù)以及設(shè)計(jì)資料計(jì)算出船舶設(shè)計(jì)航速下主要耗能設(shè)備的靜態(tài)能耗分布比例與靜態(tài)指標(biāo)，二者進(jìn)行對比，超過標(biāo)準(zhǔn)值時系統(tǒng)可認(rèn)為能耗分布異常，并提供相關(guān)報(bào)警顯示。能耗分布對比分析流程如圖6 所示。

3.5 船舶性能評估方法

圖5 能耗分布圖Fig.5 Energy consumption distribution

圖6 能耗分布對比流程Fig.6 Energy consumption distribution comparison process

船舶總體性能是從整體角度對船舶能效狀態(tài)進(jìn)行分析和評估，分為能效指標(biāo)趨勢和船舶性能狀態(tài)兩部分。

根據(jù)監(jiān)測燃油流量計(jì)、GPS、計(jì)程儀計(jì)算船舶單位時間內(nèi)的燃油消耗量和船舶航速及航行距離，根據(jù)配載儀或由船員輸入得知船舶當(dāng)前載貨量，計(jì)算船舶耗能系統(tǒng)每海里燃油耗量、每運(yùn)輸功燃油耗量、每海里CO2排放量、每運(yùn)輸功CO2排放量等能效指標(biāo)，從整體能效整體角度進(jìn)行趨勢分析和相應(yīng)報(bào)警。

參考ISO15016-2015: Ships and marine technology –Guidelines for the assessment of speed and power performance by analysis of speed trial data，計(jì)算風(fēng)浪等的阻力增加，對功率航速數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，消除環(huán)境因素對船舶性能的影響。將修正后的數(shù)據(jù)與模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，參考ISO19030-Ships and marine technology - Measurement of changes in hull and propeller performance，計(jì)算相同航速下兩者的功率差別，作為航行性能長期評估的指標(biāo)值。

3.6 節(jié)能優(yōu)化建議

船舶智能能效管理系統(tǒng)需提供節(jié)能優(yōu)化建議功能，使船舶以更經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、環(huán)保的方式運(yùn)行管理。主要提供系列節(jié)能減排優(yōu)化措施，如縱傾優(yōu)化、航速優(yōu)化等，如圖7 所示?？v傾優(yōu)化提供基于縱傾數(shù)據(jù)庫的縱傾優(yōu)化計(jì)算，給出指定載況指定航速下的最優(yōu)縱傾和推薦吃水，航速優(yōu)化由系統(tǒng)每日生成航速、燃油、功率相關(guān)報(bào)表進(jìn)行計(jì)算，將推薦航速郵件發(fā)送至船長房間提供參考。系統(tǒng)可基于當(dāng)前航線和航行計(jì)劃，對航線總體油耗、主機(jī)輔機(jī)等功率分布情況進(jìn)行評估，并根據(jù)基準(zhǔn)值給出評估結(jié)果，如圖8 和圖9 所示。

圖7 縱傾優(yōu)化模塊Fig.7 Trim optimization module

3.7 能效輔助決策與管理

船舶智能能效管理系統(tǒng)根據(jù)長時間累積下來的船舶運(yùn)行數(shù)據(jù)，給出船舶能效管理輔助決策。根據(jù)能耗相關(guān)分項(xiàng)數(shù)據(jù)，以圖表形式展示船舶動態(tài)信息，方便相關(guān)人員直觀地了解船舶當(dāng)前能效狀態(tài)并提出科學(xué)建議。船舶管理方可以通過岸端能效管理系統(tǒng)登錄可視化系統(tǒng)界面操作，同時可以進(jìn)行船舶相關(guān)數(shù)據(jù)報(bào)告管理工作。包括排放監(jiān)測報(bào)告、排放區(qū)預(yù)警、燃料信息管理以及污底評估等。岸端能效系統(tǒng)同時可以提供多船能效數(shù)據(jù)存儲以及能效分析交叉比對，繼而實(shí)現(xiàn)后續(xù)大數(shù)據(jù)優(yōu)化分析，為船端工作人員提供最優(yōu)決策。如圖10 所示。

圖8 船舶智能能效管理系統(tǒng)主機(jī)能耗評估Fig.8 Main engine energy consumption evaluation of the ship intelligent energy efficiency management system

圖9 船舶智能能效管理系統(tǒng)綜合能耗評估Fig.9 Comprehensive energy consumption evaluation of ship intelligent energy efficiency management system

圖10 船舶智能能效管理系統(tǒng)能效分析Fig.10 Energy efficiency analysis of ship intelligent energy efficiency management system

4 結(jié) 語

船舶能效管理是船舶營運(yùn)管理的重要環(huán)節(jié)，系統(tǒng)化的能效管理可以提高船舶能效水平，降低船舶營運(yùn)成本。本文綜合船舶能效管理的需求等多方面分析并設(shè)計(jì)了船舶智能能效管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全船能效的在線監(jiān)測與控制，保證了數(shù)據(jù)的實(shí)時性、有效性與可靠性，降低船舶營運(yùn)成本，提高船舶運(yùn)行效率。同時系統(tǒng)可操作性強(qiáng)，可根據(jù)不同船型增減功能模塊，定制需求，該船舶智能能效管理系統(tǒng)已經(jīng)在集團(tuán)部分散貨、集裝箱和油輪船上使用，系統(tǒng)還須進(jìn)一步在實(shí)踐中優(yōu)化與完善。