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        船舶營運(yùn)油耗考核指標(biāo)評估

        2023-03-31 11:15:18段俊利
        關(guān)鍵詞:航次置信區(qū)間油耗

        劉 興,段俊利,韓 懿

        (1.中遠(yuǎn)海運(yùn)散貨運(yùn)輸有限公司,廣州 510220; 2.中遠(yuǎn)海運(yùn)科技股份有限公司,上海 200135)

        0 引 言

        近年來,隨著全球經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,航運(yùn)業(yè)的重要性越來越突出。據(jù)統(tǒng)計(jì),目前80%的國際貿(mào)易是通過船舶完成的。與此同時(shí),全球溫室氣體排放量不斷增加,這使得節(jié)能減排成為了當(dāng)前的一個(gè)重要研究課題。為推動船舶節(jié)能減排,近年來國際海事組織 (International Maritime Organization,IMO)提出了一系列船舶能效規(guī)則,采取了更加嚴(yán)格的船舶監(jiān)管措施,以此約束船舶的碳排放。2020年9月,我國提出了“二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值,努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”的目標(biāo)和愿景。

        船舶能耗不僅影響航運(yùn)業(yè)在減少溫室氣體排放方面的戰(zhàn)略舉措,而且直接影響船舶的營運(yùn)成本。燃油燃料費(fèi)用占船舶總運(yùn)輸成本的30%~60%,合理管理船舶能耗不僅能降低船舶營運(yùn)成本,而且能推動航運(yùn)業(yè)碳排放戰(zhàn)略的發(fā)展。目前航運(yùn)業(yè)已進(jìn)入數(shù)字化時(shí)代,各環(huán)節(jié)積累的數(shù)據(jù)資源較為豐富,因此基于大數(shù)據(jù)對船舶能耗進(jìn)行管控成為了一種重要手段。

        近年來已有很多學(xué)者對船舶能耗進(jìn)行研究。范愛龍等[1]根據(jù)內(nèi)河船舶運(yùn)行的特點(diǎn),基于離散化思想對實(shí)船采集的通航環(huán)境和能效數(shù)據(jù)的特征進(jìn)行了分析,并建立了多種內(nèi)河船舶油耗預(yù)測模型;鄭齊清等[2]采用聚類分析方法對營運(yùn)船舶定速航行時(shí)的能效數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析,評估了主機(jī)負(fù)荷與油耗率的關(guān)系;孫超等[3]采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法對船舶的主機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行了優(yōu)化研究;高梓博等[4]分析了船舶在不同工況下的最佳工況點(diǎn),得到了主機(jī)功率與單位海里油耗的關(guān)系曲線;CORADDU等[5]結(jié)合輪機(jī)工程原理提出了2個(gè)灰盒模型,將其作為預(yù)測模型預(yù)測燃油消耗,在此基礎(chǔ)上提出了油船縱傾優(yōu)化設(shè)計(jì)方案;DALHEIM等[6]開發(fā)了一種時(shí)間序列數(shù)據(jù)處理工具,由此提高船舶操作和性能分析的質(zhì)量;YAN等[7]提出了一種海運(yùn)大數(shù)據(jù)分析平臺,通過分析航行環(huán)境因素優(yōu)化內(nèi)河船舶發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速,其在研究中應(yīng)用分布式并行k-Means 聚類算法對選定的內(nèi)河船舶進(jìn)行航路劃分,進(jìn)而找到不同航行工況下最優(yōu)的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速。上述研究均是針對實(shí)際營運(yùn)轉(zhuǎn)速和油耗開展的,缺少對船舶自身指標(biāo)的評價(jià)。

        合理實(shí)施能耗監(jiān)管對于航運(yùn)企業(yè)提升市場競爭力而言至關(guān)重要。然而,目前設(shè)置的船舶能耗考核指標(biāo)較為粗放,一般以船舶試航數(shù)據(jù)為依據(jù),固定考核標(biāo)準(zhǔn),忽略航行環(huán)境的影響,借助輪機(jī)長的經(jīng)驗(yàn)對能耗進(jìn)行考核評定和異常情況分析。這種方式可能會使試航指標(biāo)不符合船舶實(shí)際運(yùn)營情況,無法對船舶真實(shí)的油耗情況作出正確的評定和分析。

        對此,本文以中遠(yuǎn)海運(yùn)散貨運(yùn)輸有限公司的散貨船“錦泰峰”輪為研究對象,采用最小二乘法對理論轉(zhuǎn)速與油耗進(jìn)行回歸,得到回歸模型,并將實(shí)際營運(yùn)數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)相對比,評估油耗考核指標(biāo)的合理性和實(shí)用性。

        1 船公司油耗管理現(xiàn)狀

        當(dāng)前實(shí)際運(yùn)營船舶的能耗考核標(biāo)準(zhǔn)一般較為粗放。在船舶投入運(yùn)營之前,船公司會以船舶試航數(shù)據(jù)為依據(jù)制定一套轉(zhuǎn)速與油耗指標(biāo),將其作為考核油耗的基準(zhǔn),油耗估算方法簡單,忽略了航行環(huán)境的影響。在船舶投入運(yùn)營之后,船公司會根據(jù)監(jiān)測、報(bào)告與核查(Monitoring Report and Verification,MRV)報(bào)文統(tǒng)計(jì)船舶航行數(shù)據(jù),借助輪機(jī)長的經(jīng)驗(yàn)對船舶油耗進(jìn)行考核評定和異常情況分析。

        以“錦泰峰”輪航次26的航段燃油消耗跟蹤為例,對MRV報(bào)文數(shù)據(jù)與油耗考核表進(jìn)行對比,計(jì)算油耗偏差和偏差比例(見表1),對航次油耗情況進(jìn)行評價(jià)。

        表1 “錦泰峰”輪航次26的油耗考核表

        然而,上述考核結(jié)論往往很難得到船舶所有人和船員的一致認(rèn)可,船員往往會因船報(bào)轉(zhuǎn)速有誤、考核指標(biāo)偏低、遭遇惡劣氣象和船舶污底等而對考核結(jié)論提出異議,使得上述管理方式難以完全有效落實(shí)。

        2 船舶油耗考核指標(biāo)評估算法設(shè)計(jì)

        中遠(yuǎn)海運(yùn)散貨運(yùn)輸有限公司是一家規(guī)模較大的專門從事散裝貨物運(yùn)輸?shù)钠髽I(yè),擁有各類散貨船400多艘,擁有大量實(shí)船運(yùn)營數(shù)據(jù)。本文采用的數(shù)據(jù)為船舶試航期間的轉(zhuǎn)速與油耗數(shù)據(jù)、逐年由機(jī)務(wù)主管調(diào)整的考核數(shù)據(jù)和船舶營運(yùn)過程中由報(bào)文給出的轉(zhuǎn)速與油耗數(shù)據(jù),分別在空載和滿載工況下對油耗考核指標(biāo)進(jìn)行評估。

        2.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

        在船舶投入運(yùn)營之前,根據(jù)航行測試結(jié)果制定一套轉(zhuǎn)速與油耗指標(biāo)。隨著時(shí)間的推移,船舶會擁有多套轉(zhuǎn)速與油耗考核體系,其不同點(diǎn)在于生效日期不同,需查詢轉(zhuǎn)速與油耗考核數(shù)據(jù)中最新生效的數(shù)據(jù)。油耗設(shè)定為主機(jī)油耗與輔機(jī)油耗之和。由于船舶理論數(shù)據(jù)中油耗的單位為“t·d”,為保持?jǐn)?shù)據(jù)的一致性,船舶實(shí)際運(yùn)營期間的油耗也以“t·d”為單位。為保證日報(bào)油耗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,查詢船舶日報(bào)中航行時(shí)長超過23 h的日報(bào)平均轉(zhuǎn)速與油耗數(shù)據(jù),該日的油耗修正公式為

        Fc=Fd/Tv·24

        (1)

        式(1)中:Fd為日油耗;Tv為日航行時(shí)長;Fc為修正的油耗。

        船舶的載況(空載和滿載)由航次報(bào)文中的貨量決定。對日報(bào)與航次報(bào)進(jìn)行關(guān)聯(lián),采用船舶的呼號(vessel_code)、日報(bào)日期和航次報(bào)日期進(jìn)行關(guān)聯(lián)查詢,得到該日的貨量信息,貨量不為0(標(biāo)記為1)記船舶在該日為滿載狀態(tài),否則(標(biāo)記為0)記船舶在該日為空載狀態(tài)。最終的數(shù)據(jù)形式見表2和表3。

        表2 理論轉(zhuǎn)速與油耗考核數(shù)據(jù)

        表3 實(shí)際轉(zhuǎn)速與油耗數(shù)據(jù)

        2.2 模型建立

        (2)

        船舶主機(jī)轉(zhuǎn)速可表示船舶主機(jī)工況,一般在計(jì)算中認(rèn)為轉(zhuǎn)速與能耗呈三次方關(guān)系,本文以此關(guān)系為先驗(yàn)輸入,對理論轉(zhuǎn)速與油耗進(jìn)行回歸擬合。

        置信區(qū)間是指由樣本統(tǒng)計(jì)量構(gòu)造的總體參數(shù)的估計(jì)區(qū)間。在統(tǒng)計(jì)學(xué)中,一個(gè)概率樣本的置信區(qū)間是對該樣本的某個(gè)總體參數(shù)的區(qū)間估計(jì)。置信區(qū)間展現(xiàn)的是這個(gè)總體參數(shù)的真實(shí)值有一定概率落在與該測量結(jié)果有關(guān)的某對應(yīng)區(qū)間內(nèi)。置信區(qū)間給出的是聲稱總體參數(shù)的真實(shí)值在測量值區(qū)間內(nèi)所具有的可信程度,即前面要求的“一定概率”。給定1-α的置信水平,區(qū)間估計(jì)為

        (3)

        (4)

        由于船舶實(shí)際報(bào)文中的轉(zhuǎn)速保留2位小數(shù),而理論轉(zhuǎn)速為整數(shù),為方便評估,針對每艘船舶,生成最小轉(zhuǎn)速與最大轉(zhuǎn)速之間步長為0.1的等差數(shù)列作為虛擬的轉(zhuǎn)速Xvirtual。在本文所述模型中,將船舶理論轉(zhuǎn)速的三次方作為自變量X,將理論油耗(主機(jī)油耗與輔機(jī)油耗之和)作為因變量Y。得到回歸模型之后,求Xvirtual對應(yīng)的油耗為

        (5)

        (6)

        3 試驗(yàn)分析

        本文以“錦泰峰”輪為研究對象,對船舶油耗考核指標(biāo)進(jìn)行評估研究?!板\泰峰”輪的vessel_code為B339,查詢最新生效的理論轉(zhuǎn)速與油耗數(shù)據(jù),結(jié)果見表4。

        表4 “錦泰峰”輪最新生效的理論轉(zhuǎn)速與油耗數(shù)據(jù)

        查詢“錦泰峰”輪近1 a的實(shí)際運(yùn)營日報(bào)中日航行時(shí)長超過23 h的轉(zhuǎn)速與油耗數(shù)據(jù),根據(jù)式(1)得到修正的日油耗。利用vessel_code、日報(bào)時(shí)間和航次時(shí)間,將日報(bào)與航次報(bào)相關(guān)聯(lián),得到航次報(bào)中的貨量數(shù)據(jù)。日報(bào)中的空滿載情況利用航次報(bào)中的cargo_volumn字段表示,cargo_volumn不為0,記為1,為滿載,否則記為0,為空載。表5為“錦泰峰”輪實(shí)際轉(zhuǎn)速與油耗數(shù)據(jù)。

        表5 “錦泰峰”輪實(shí)際轉(zhuǎn)速與油耗數(shù)據(jù)

        采用Plotly繪制實(shí)際轉(zhuǎn)速的箱型圖,查看“錦泰峰”輪實(shí)際運(yùn)營期間的轉(zhuǎn)速分布情況,可看到船舶實(shí)際運(yùn)營時(shí)的轉(zhuǎn)速主要集中在80~95 r/min,而分布在70~105 r/min,70~80 r/min和95~105 r/min范圍內(nèi)的理論轉(zhuǎn)速與船舶實(shí)際運(yùn)營期間的轉(zhuǎn)速相比,屬于離群點(diǎn)。圖1為實(shí)際轉(zhuǎn)速箱型圖。

        圖1 實(shí)際轉(zhuǎn)速箱型圖

        采用Python的statsmodels模塊中的OLS(Ordinary Least Squares)方法,分別對理論轉(zhuǎn)速的三次方與理論油耗進(jìn)行回歸,結(jié)果見圖2和圖3。

        圖2 滿載理論轉(zhuǎn)速與油耗回歸分析結(jié)果

        圖3 空載理論轉(zhuǎn)速與油耗回歸分析結(jié)果

        從圖2中可看出,R2=0.997,擬合效果較好,Pvalue小于顯著性水平,拒絕回歸系數(shù)為0的原假設(shè)?;貧w方程為

        y=4.058×10-5x3+5.491 3

        (7)

        從圖3中可看出,R2=0.997,擬合效果較好,Pvalue小于顯著性水平,拒絕回歸系數(shù)為0的原假設(shè)?;貧w方程為

        y=3.936×10-5x3+5.403 1

        (8)

        將生成的虛擬Xvirtual代入式(7)、式(8)和置信區(qū)間公式中,求得95%置信區(qū)間見圖4和圖5。

        圖4 滿載油耗置信區(qū)間與實(shí)際油耗

        圖5 空載油耗置信區(qū)間與實(shí)際油耗

        將實(shí)際運(yùn)營中的轉(zhuǎn)速四舍五入,保留1位小數(shù),比較相同轉(zhuǎn)速下船舶實(shí)際運(yùn)營中的油耗對理論油耗的符合程度。計(jì)算得到滿載油耗符合率為0.367,空載油耗符合率為0.684。滿載理論油耗在常用轉(zhuǎn)速下相比船舶實(shí)際運(yùn)營中的油耗偏高,應(yīng)當(dāng)作降低的調(diào)整;空載理論油耗在常用的較低轉(zhuǎn)速下設(shè)計(jì)合理,但在88 r/min轉(zhuǎn)速以上設(shè)計(jì)的偏高,應(yīng)調(diào)低油耗。由上述分析可知,該船的空載和滿載油耗考核指標(biāo)均存在設(shè)計(jì)偏高的問題,因此可采用上述方法滾動迭代,幫助船公司根據(jù)實(shí)際油耗表現(xiàn)合理設(shè)置動態(tài)考核指標(biāo)。

        4 結(jié) 語

        本文以中遠(yuǎn)海運(yùn)散貨運(yùn)輸有限公司的“錦泰峰”輪為研究對象,采用最小二乘法對其理論轉(zhuǎn)速與油耗進(jìn)行回歸,將理論轉(zhuǎn)速作為自變量,將理論油耗作為因變量建立回歸模型,對船舶油耗考核指標(biāo)的實(shí)用性和適用性進(jìn)行評估。同時(shí),生成虛擬轉(zhuǎn)速油耗點(diǎn)的95%置信區(qū)間,比較相同轉(zhuǎn)速下實(shí)際油耗與理論油耗95%置信區(qū)間的符合程度,將其作為船舶油耗考核指標(biāo)的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示,“錦泰峰”輪空載油耗考核指標(biāo)符合率為0.648,滿載油耗考核指標(biāo)符合率為0.367,滿載理論指標(biāo)與實(shí)際指標(biāo)相比設(shè)計(jì)值偏高,需結(jié)合船舶實(shí)際情況和管理經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整。本文只對考核指標(biāo)進(jìn)行了評估,在后續(xù)研究中,可綜合評價(jià)各因素對主機(jī)能耗的影響,通過將實(shí)船數(shù)據(jù)與理論考核指標(biāo)相對比,對船舶設(shè)備性能和船體故障等進(jìn)行評估研究。

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