營運船舶航行性能和海洋環境監測平臺開發驗證

季 盛，文逸彥，喬繼潘

(上海船舶運輸科學研究所航運技術與安全國家重點實驗室，上海 200135)

營運船舶航行性能和海洋環境監測平臺開發驗證

季 盛，文逸彥，喬繼潘

(上海船舶運輸科學研究所航運技術與安全國家重點實驗室，上海 200135)

EEDI是衡量船舶能效水平的重要指標。由于試驗條件限制，目前主要還是依靠模型試驗結果對交船測試進行修正換算得到。上海船舶運輸科學研究所自主研發了航行性能和海洋環境監測平臺，可對營運船舶開展長期跟蹤監測，實時收集船舶營運階段的航行環境和性能參數，通過自動識別航行狀態，劃分海區、海況和船舶載況等因素對于船舶功率與航速的影響，可獲得營運船舶實際EEDI指標，提高EEDI實船驗證結果的準確性。監測平臺在某萬箱級集裝箱船進行相關驗證，并已展開長期監測。

EEDI；航行性能和海洋環境監測平臺；營運船舶；長期跟蹤監測

0 引 言

2013年1月1日，船舶能效設計指數EEDI[1,2]強制性要求已正式實施。針對新造船，EEDI驗證分為2步：設計階段的預驗證和試航時的最終驗證[3,4]。目前對于集裝箱船這類船型，很難進行滿載工況實船試航，通常采用壓載工況試航[5]，利用模型試驗的結果類推得到滿載工況的航速，這種驗證方法的合理性與準確性已經引起造船界和航運界的質疑。而交船試航[6,7]階段，船舶及設備還處于磨合階段，對新建船舶開展短時間針對性的測試，隨機性的環境變化和偶然性的測試誤差不可避免[8,9]。研究認為通過開展營運船舶[10]的長期跟蹤監測，對持續的監測數據進行分析，區分出海區、海況和船舶載況等因素對于船舶功率與航速的影響，進而可對實船真實營運能效進行判斷，是提高EEDI驗證結果準確性的一種有效措施。上海船舶運輸科學研究所以1艘萬箱級集裝箱船為研究目標，開展了實船性能和海洋環境監測平臺的研發和驗證工作。

1 監測參數

通過分析ISO15016-2015（E）等實船測試標準公約，對集裝箱船能效監測展開需求分析，最終確定監測平臺共采集86個信號，主要可分為船舶能耗監測、航行姿態監測和航行環境監測3部分。能耗監測主要是監測船舶的航行效率，反映船舶在某一航速下的槳軸發出功率，包括槳軸扭矩、槳軸轉速、燃油消耗、對地速度、對地航向及船舶球面坐標等。航行姿態監測主要是監測在各種海況環境作用下的船舶運動姿態，用于修正船舶運動對實船測試的影響和實船與模型對比，包括船舶吃水、舵角、首向角、橫縱傾等。航行環境監測主要是監測實船外界海洋環境，用于修正環境對實船性能的影響，包括風速風向、波高波周期、對水速度、水深水溫、氣溫氣壓等。實船監測參數及設備如表1所示。

表 1 監測參數及設備列表Tab. 1 Monitoring parameters and equipment list

2 監測設備

根據監測數據分析要求，實船性能和海洋環境監測平臺要在集裝箱船營運過程中長期穩定監測各項參數，監測時間將以年計。對于設備系統而言，首先要求設備有極高的可靠性。而監測數據將用于實船測試結果修正和船模—實船相關因子分析，監測數據的準確度和同步性將直接影響測試分析結果，因此測量設備的精度和動態特性也是設備選擇時需考慮的重要因素。

對于營運船舶，實船設備加裝較為困難，集裝箱實船營運監測平臺的硬件搭建將以船上已有設備為基礎，最大限度地采用滿足精度、穩定性、使用壽命等要求的已配備設備，如DGPS、電羅經、計程儀；根據監測需求，加裝部分功能設備，如運動姿態傳感器、測波儀等，建立全船監測采集系統，將信號集中傳輸至監測平臺上位機處理、顯示并存儲，完成實船性能和海洋環境監測。綜合考慮系統的信號形式及精度需求，監測平臺各主要監測信號初步選擇測量設備詳述如下。

軸功率測量儀，用于獲取船舶推進器的收到功率、扭矩和轉速信息；渦輪式燃油流量計，用于獲取船舶主機、輔機的油耗信息；雙DGPS，用于獲取船舶實時地球坐標、UTC時間、對地航速和對地航向信息；舵角指示器，用于獲取舵的實時角度信息；運動姿態儀，用于獲取船舶當前橫搖、縱搖、升沉等運動狀態信息；超聲波風速風向儀，用于獲取船舶相對風速、風向信息；平臺測波儀，用于獲取船舶當前位置海域的水溫信息；多普勒聲吶（計程儀），用于獲取船舶對水速度和方向信息；回聲測深儀，用于收集水深信息；海水溫度計，用于獲取船舶當前位置海域的水溫信息；氣溫氣壓儀，用于獲取船舶當前位置海域的大氣溫度、大氣壓力信息。

另外，船舶吃水信號是衡量船舶載況、浮態的重要參數，作為表征船舶狀態的一項重要指標，在船舶營運中起著非常重要的作用。通過查閱多種船舶吃水測量方法，各方法的優缺點及應用條件如表2所示。

通過對現有船舶吃水測量技術實船適用性進行分析，主要從船舶安裝條件、航行環境影響及測量設備適用性方面考慮，目前尚未有成熟的吃水測量設備能夠完全滿足營運船舶動態吃水長期監測的功能和精度要求。項目組從實船應用環境和測量技術進行研究，采用如下監測方案：自動識別船舶航行狀態，在船舶離開碼頭時，調用大副相關離港觀測吃水記錄，并對遙測吃水進行校核標定。由于油水消耗是一個相對連續的過程，考慮到艙室液位測量的精度問題，油水消耗對吃水影響的計算采用定時調用吃水計算軟件進行吃水更新的方法來實現。對于壓載水的調動，根據壓載泵信號，每當壓載泵工作結束后，調用吃水計算軟件，根據壓載泵開關前后的液位數據，更新船舶吃水。在船舶到港后，再次調用觀測到港吃水記錄，并對遙測吃水、計算吃水進行校核修正，監測系統方案如圖1所示，經實船驗證，該吃水監測系統精度在0.1 m以內，滿足相關精度要求。

3 監測平臺方案設計

監測平臺要求在實船營運過程中能夠長期穩定監測船舶能效性能和海洋環境參數，并能將監測數據同步保存并按規定格式存儲供試驗人員調用分析。通過調研發現，實船性能和海洋環境監測平臺監測信號分布較為分散，測量設備輸出信號形式也各不相同，并且有部分模擬信號不適于長距離傳輸，這給平臺系統集成造成了較大困難。本平臺采用多層分級結構形式的集散式測控系統，即在測量設備附近放置現場處理單元以此實現模擬信號的轉換收發，省去測量設備與主控單元之間大量連接電纜，同時也減少了模擬信號傳輸中的干擾；各現場處理單元再通過屏蔽電纜與上層總機相連，接收控制信號并傳遞預處理過的測量數據。使用接口轉換器將設備信號及現場處理單元輸出信號等轉換成網口輸出，并利用核心交換機將信息處理單元上掛至總線，總線通信選擇TCP網絡總線通信傳輸至監測平臺主機，實現部分基于TCP網絡總線通信的集散式測控系統，監測系統設計如圖2所示。考慮監測平臺遠程管理和長期規劃的需求，船岸通信是監測平臺實現遠程遙控和未來船岸一體化的必要組成部分。考慮航線情況，利用遠海衛星寬帶VSTA搭建了基于IP技術的船岸通信，船端采用基于SMTP傳輸協議的每日數據定時傳輸。

表 2 各種船舶吃水測量方法的比較表Tab. 2 Comparison of various ship draught measurement methods

圖 1 營運船舶吃水監測方案流程圖Fig. 1 Flow chart of operation ship draft monitoring scheme

圖 2 監測平臺系統方案Fig. 2 Monitoring platform system chart

4 監測系統軟件開發

實船營運監測軟件以實船性能和海洋環境監測平臺硬件設施為載體，基于Visual Basic程序語言進行軟件編譯，實現監測平臺各設備數據信號的自動采集和存儲功能。實船營運監測軟件采用功能模塊化的設計思想，由1個用戶登錄界面和4個功能模塊組成，如圖3所示。4個功能模塊分別為通信設置模塊、實時信息模塊、數據庫模塊和實船性能分析模塊。各個模塊具有相互獨立性，以便于軟件系統的調試和維護，同時模塊與模塊之間也圍繞著監測數據的分析和處理存在著一定的內在聯系。

通訊設置模塊主要完成監測數據的同步采集和初步處理，采用統一計時器約定不同串口數據的時間一致性從而保證不同監測數據的同步性，利用設定的邊界條件和數據之間關聯性進行初步數據可靠性判斷和篩選處理。實時信息模塊接收通信模塊篩選處理后的數據進行動態顯示和存儲。

數據庫模塊用于對船端數據的管理，船端采用Access數據庫搭建小型數據庫，可針對不同吃水、航速、海洋環境等狀態條件對歷史數據進行篩選查詢和統計分析。考慮監測數據量較大的特點，每日數據約8萬條，數據文件大小可達到100 Mb，因此數據庫模塊采取每天形成一個數據庫文件。

圖 3 實船營運監測軟件主要模塊Fig. 3 Main modules of operation ship monitoring software

實船性能分析模塊主要基于ISO15016:2015實船分析方法[11-12]對查詢選定的數據庫進行實船性能修正分析，將實船運營的性能統計結果與模型試驗數據進行比對，初步分析實船的當前載況下的航行性能。軟件界面如圖4所示。

圖 4 實船營運監測軟件界面Fig. 4 Interface of operation ship monitoring software

5 監測數據可靠性驗證

監測數據的可靠性是實船營運數據分析的首要前提，原始數據的準確性將直接影響實船分析的精度。在搭建實船營運監測平臺的過程中，已對監測設備進行標定測試，對通信設備進行可靠性檢查，通過實船性能測試數據再次驗證營運監測平臺的可靠性和準確性。

在集裝箱船營運過程中，選擇載況接近EEDI載況和輕載載況、風浪條件較好的2個航次，在廣闊海域進行實船測試，在實船上安裝了1套實船測試系統同步進行采集，將營運監測平臺和實船測試系統2個獨立系統同步采集的數據進行對比，以此驗證實船營運監測數據的可靠性。EEDI載況實船測試總共進行了10個工況，輕載載況為12個工況，每個工況數據采集時間約為10min，采樣頻率為1 Hz。實船測試系統與實船營運監測平臺采集主要數據的平均化結果對比如圖5所示。

通過與集裝箱船EEDI、輕載載況實船性能測試數據對比，可以發現營運監測數據主要信號數據偏差均較小，進一步從實船測試方面驗證了營運監測數據的可靠性，為保證營運監測數據分析、船模-實船相關分析結果的準確性提供真實可信的數據基礎。

基于ISO15015:2015修正標準，對實船測試期間的監測數據進行修正分析，將實船航行性能修正至理想海況，與交船試航換算結果、模型試驗結果對比如圖6所示。通過對比可以發現，營運監測修正結果更為接近模型預報結果，交船試航推算結果較營運監測結果更為理想，認為通過壓載試航得出功率系數推算出其他載況結果的方法存在一定偏差的可能，但船舶交船后運營3年航行性能下降也符合實際情況。

圖 5 實船測試系統與營運監測平臺主要數據對比Fig. 5 Comparison of sea trial system amp; monitoring platform measure data

圖 6 EEDI載況下修正結果對比Fig. 6 Comparison of corrected results in EEDI draught condition

6 結論與展望

針對某萬箱級集裝箱船進行實船營運性能和海洋環境監測平臺設計搭建，主要對船上已有設備儀表進行改造，并加裝部分必要通信測量設備，形成硬件系統平臺。開發實船營運監測軟件，實現監測平臺各設備數據信號的采集、清洗、存儲和分析。在實船運營過程中，選擇條件較好、載況接近的2個航次進行實船測試，通過對比2套測試系統數據，驗證了監測平臺的準確性。通過一年多時間的長期運營，也反應了平臺的穩定性。

集裝箱船營運性能和海洋環境監測平臺的成功搭建，有利于收集營運船舶航行環境及實船性能參數的長期監測數據，準確獲取實船在真實營運狀態下的航行性能指標。通過初步修正分析發現，同載況下修正結果較為可靠，但是由于風浪環境的隨機性，若不是特意進行實船測試，積累同一條件下的航行性能數據需要較長時間。下一步正在對實船監測數據展開大數據修正分析，形成基于統計學分析的航行性能評估結果。

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Design and verification of on-service ship navigation performance and environment monitoring platform

JI Sheng, WEN Yi-yan, QIAO Ji-pan
(State Key Laboratory of Navigation and Safety Technology, SSSRI, Shanghai 200135, China)

Due to the limitation of trial condition, EEDI which was an important index to measure the efficiency of ships was analyzed based on model tests to correct the delivery trial results. Ship performance and environment monitoring platform developed by SSSRI could long term tracing monitor the ship and real-time collect the navigation environment and performance parameters in operation stage. Through the automatic identification of navigation condition, it could distinguish the influence on ship power and speed of sea area, sea state and ship load condition and improve the accuracy of EEDI testing result. The monitoring platform had been verified and took long-term monitoring in 10000 container ship.

EEDI；ship navigation performance and environment monitoring platform；on-service ship；long term monitoring

U661.3

A

1672-7649(2017)11-0164-05

10.3404/j.issn.1672-7649.2017.11.031

2017-08-31

工信部高技術船舶科研計劃資助項目(工信部聯裝[2014]502號)

季盛(1979-)，男，高級工程師，主要從事船舶水動力試驗技術研究。