豪華郵船能效管理系統設計

陳偉波， 陳自強， 劉 健， 葛云龍

(上海交通大學 a.船舶海洋與建筑工程學院， b.海洋工程國家重點實驗室， c.高新船舶與深海開發裝備協同創新中心，上海200240)

0 引 言

為有效控制船舶營運對地球環境造成的污染破壞，2011年國際海事組織召開第62次會議，制定公約并提出兩項船舶能效標準：能效設計指數(Energy Efficiency Design Index，EEDI)和船舶能效管理計劃(Ship Energy Efficiency Management Plan，SEEMP)。這兩項船舶能效標準從2013年1月1日開始實施，以鼓勵船舶設計、建造、營運等各環節的廠商采用各種節能減排、降低能耗的措施來提高船舶能效水平，減少CO2的排放。

當前國際郵船市場重心開始向亞太區域轉移，中國郵船產業取得了較大進步，在郵船設計建造和營運管理等方面也獲得較快發展。在豪華郵船設計建造與運營管理過程中，同樣應滿足SEEMP，達到較低的EEDI和能效營運指數，實現經濟效益和環保效益雙贏。豪華郵船上的機電設備種類繁多，系統結構復雜，而目前國內缺乏對于豪華郵船能效營運管理方面的研究，開展針對豪華郵船的能效管理研究勢在必行。針對豪華郵船能效管理系統，國外ABB公司和WARTSILA ENRIAM公司已設計開發出相關軟件系統，而國內現在還沒有這方面的研究和產品。對豪華郵船能效管理系統進行設計研究，可為以后國產郵船做國產化配套集成更多功能。

為在豪華郵船營運過程中提高能效水平、實現節能減排，本文在分析研究豪華郵船特點和通航環境特點的基礎上，針對豪華郵船的能效管理計劃和能效營運指數，設計出一種節約燃油、綠色高效的能效管理系統解決方案，通過各種措施降低船舶能耗、提高燃油利用效率、減少CO2排放，以滿足船旗國主管機關、國際海事組織、船級社等相關要求，對豪華郵船營運過程中節能減排、降低成本具有重大現實意義。

1 能效指標分析

船舶能效管理計劃從能源消耗、能源利用效率和CO2排放等方面對船舶進行嚴格的控制和管理，以提高能效水平。它對航運公司監控船舶CO2等溫室氣體的排放提出了量化要求，并要求從計劃、實施到監控、自我評估，建立一整套完善的提高船舶營運效率的管理機制。

船舶能效營運指數(Energy Efficiency Operational Indicator，EEOI)反映的是船舶單位運輸作業所排放的CO2量，即消耗燃油所排放的CO2與貨物的數量和運輸距離的比值，用來衡量階段時期內船舶能效的高低[1-2]。EEOI可以定義為

(1)

式中：j表示燃油類型；FCj表示燃油j的消耗量；CFj表示燃油j的燃油量與CO2排放量之間的轉換系數：mcargo表示貨物種類(t)或完成工作量(標準集裝箱數目或人員)或客船的總噸位；D表示以海里計的航行距離。

豪華郵船的運營方式較其他常規船型有較大差異，如何在保證郵船正常運行時獲得最低的EEOI指數至關重要。對于豪華郵船而言，影響EEOI的因子較常規船型更為復雜，如主副機油耗、航行狀態、載重等，因此需針對豪華郵船的營運特點對多影響因素進行綜合研究，從而實現有效降低EEOI的優化方法。

2 豪華郵船特點分析

豪華郵船是環球海上航行或在地中海、加勒比海等特定地區航行，沒有貨物甲板且專門用于商業運輸在海上航行中過夜的乘客，以在船上娛樂和停靠地觀光游覽為目的的船舶。針對不同的航行條件，從操作設施配備及操縱性能看，豪華郵船同內河船舶相比，在能效研究的方面有很多不同，其主要特點[3]如下：

(1) 豪華郵船以在船上娛樂和停靠地觀光游覽為目的，搭乘人員多，內裝設計新奇且個性鮮明，布局陸上化，娛樂多樣化，在安全性、舒適性和節能環保方面的要求標準比普通船舶更高。

(2) 在豪華郵船電力系統方面，生活用電所占比例相對較大，一般須額外配備較大的發電機艙，再加上安全返港的要求，豪華郵船推進目前多采用柴電聯合推進方式。

(3) 豪華郵船船體方形系數在0.7左右，與普通貨船類似；無論噸位大小，長寬比基本維持在5～10，且朝寬大型發展，以避免噸位增大出現長寬比顯著性增加；吃水一般在8～9 m，水面以上船體高，受風面積大。

(4) 豪華郵船航速較高，一般為20 kn以上；滿舵回轉時的縱矩約為3.5倍船長，回轉初徑約為4倍船長；在港內時的操縱性能好，能依靠自身首尾側推器或吊艙槳完成離泊操縱，在一般情況下不需拖輪協助就能靠離泊。

此外，豪華郵船在通航中還需要考慮如下問題：

(1) 豪華郵船在航行過程中，在港口之間的航線上有很大的選擇余地，因此豪華游輪節能減排方面往往首先考慮優化航線與航跡控制。

(2) 豪華郵船須經常在港口停泊，以滿足船上旅客下船觀光旅游的需求，并須及時補充生活資料和油料等，因此在提升能效水平時應在總體上進行時間維度的考慮。

(3) 因海上航行和內河航運不同，豪華郵船在海上航行時須主要考慮風浪的作用，而不用考慮受固定方向水流的影響。

(4) 對豪華郵船阻力產生影響的因素中，可不用考慮內河的枯水期與豐水期影響，而須將更多的注意力放在海上季風和水文氣象等方面，因為這些因素會隨著季節更替而出現明顯有規律的變化。

(5) 豪華郵船能效管理研究應從整體上進行考慮，可有效避免海上船舶之間的航行行為相互影響、相互牽制。

3 豪華郵船能效管理系統設計

豪華郵船船舶能效管理系統設計原則為：(1)全面性原則。在豪華郵船能效管理系統設計過程中，應當遵從全面性原則，對所有可能對郵船營運能效產生影響的因素進行全面分析。(2)針對性原則。在能效管理系統設計過程中，考慮豪華郵船特征和通航環境特點，針對具體情況與實際條件采取適宜的優化措施。(3)系統性原則。能效管理系統設計應當從宏觀、總體、系統的角度進行科學分析，實施措施。

豪華郵船船舶能效管理系統建立在節能減排的理念之上，運用科學措施和先進手段從經營、管理、操作、設備的各個層面不斷提高郵船能效水平。該系統可對船舶運行狀態、設備運行數據、能耗排放等數據進行自動采集、監測，并與岸基決策支持系統進行船岸信息傳輸。基于大數據方法對歷史數據進行分析，挖掘出數據之間存在的關系，生成各種圖表供郵船管理人員對船舶能耗及能量使用效率進行監控分析。船上及岸端人員根據系統提供的信息數據，從航行優化、船舶操縱、船體檢查清潔、機械設備維護等方面建立可靠高效的郵船營運能效管理優化最佳方案，以減少郵船油耗、降低能效營運指數。系統方案如圖1所示。系統網絡架構如圖2所示。

圖1 豪華郵船能效管理系統方案

圖2 豪華郵船能效管理系統架構及相關硬件

豪華郵船能效管理系統設計包括：數據庫及服務器的開發，數據采集與處理，航線、航速及推進效率優化，縱傾優化及壓載管理，岸基決策支持系統等。

3.1 數據庫開發

數據庫及服務器是整個系統的核心，因此開發一種合理高效的并且能夠適應豪華郵船海量數據的數據庫系統。通過對數據庫的調查研究，選擇MySQL數據庫平臺。服務器的布置：一方面，從節省成本的角度上考慮，租用云服務器，在船舶本地采集數據，直接通過衛星通信輸出至云端，在不考慮海量數據量交換的情況下，能夠減少硬件成本，優勢非常明顯；另一方面，出于對豪華郵船海量數據交換量及記錄時效性的要求，須在郵船本地配置強大穩定的服務器。

3.2 數據采集與處理

數據采集工作是進行豪華郵船能效管理的基礎，不同信息必須選擇合適的數據采集手段。數據采集模塊可從自動化監控系統內通過串口通信自動獲取主副機等耗能設備、軸功率設備數據，從衛星定位系統、測深儀、計程儀、風速儀、風向儀等航行設備中通過NMEA協議獲取運行參數數據。數據每5 min進行1次記錄，并進行過濾、處理后導入數據庫，每經12 h將存儲的數據向岸邊專用數據庫傳輸，以供豪華郵船進行能效優化與控制。

對郵船設備的功率消耗數據進行分析處理，能夠直觀了解功率消耗的大小，通過定時間隔的記錄比較消耗的數值，例如月消耗、季度消耗、年消耗量的比較。

3.3 航線、航速及推進效率優化

收集整理、統計分析郵船航線，綜合考慮各種因素，針對不同航區設計經濟安全的航線，通過精心的計劃和執行航次有利于船舶安全和最低能耗產生，根據執行效果及時更新優化方案。計算出每一航線的標準能耗，指導船舶提高能效水平。

可顯著降低郵船能耗的措施是優化航速。在優化改進航線的基礎上，根據航線、航路對航速的限制要求，船舶狀況，裝載狀態，水文氣象條件等因素，合理調整航速，以最優航速航行，盡可能保持整個航次的均勻性，使該次航程每噸海里燃油使用量保持在最低水平[4-5]。此外，借助舵和航向控制系統(自動操舵儀)，根據水文氣象條件來優化調節、合理配置風流壓角，有效控制因經常偏離既定航向或頻繁使用舵而導致偏離計劃航線等情況發生，避免郵船航行距離增加。

考慮船舶操縱和海況環境對數據進行修正處理后，基于航速、推進功率、主機燃油消耗量等數據，主要分析評估郵船的水動力效率和主機的熱效率，進行推進效率優化[6]。推進效率優化模塊界面如圖3所示。郵船推進功率與航速滿足一定關系，如圖4所示，其中V*表示目標航速，P*表示目標推進功率。在某一海況下，當設定郵船目標航速后，可立即得到其對應的推進功率。通過排水量、吃水差及海況信息對推進功率進行修正，得到目標推進效率，計算出目標燃油消耗量。當郵船航行在目標航速時，可節省3%左右的燃油消耗量。

圖3 推進效率優化模塊

圖4 推進功率與航速關系

3.4 縱傾優化及壓載管理

郵船在海上航行時，保持適當的尾傾將有利于提高船舶推進效率和節約燃油。通過縱傾優化設計，系統可更精確地優化郵船傾角，調整適應不同航速和吃水下的船舶推進性能，保證能耗更少。縱傾優化模塊界面如圖5所示。郵船在進出港口時，為使受風面積較小，使舵保持高效水平，滿足在港內的操縱需要，一般規定艏吃水≥2%的船長，艉吃水≥3%的船長。在配載時一般應保證艏吃水<艉吃水，同時保持適當的艉傾，這樣既可減小船舶的盲區從而有利于航行安全，又可避免造成艉部上浪。

圖5 縱傾優化模塊

壓載管理與縱傾優化緊密相關，包括燃油、滑油、淡水資源管理及壓載水的全面監控及資源分享。可從船舶現有的液位遙測系統中采集數據，也可與通信導航系統和電子海圖系統通信，以便于比較數據和提供記錄，從而通過高精度傾斜儀等設備進行傾角計算。利用壓載水管理系統，根據船舶實際載荷與重心計算出最佳值，合理調節壓載水分布，幫助船舶減阻。

3.5 岸基決策支持系統

岸基決策支持系統主要功能是接收船端發送的各類數據，對能耗相關數據分類分項，以圖表形式顯示給管理人員，動態化、圖形化地顯示船舶油耗、航行軌跡等動態信息，從而方便岸端人員更加直觀地了解船舶航行狀態、科學分析管理船舶、提出相關建議措施。船舶管理方可以通過Citrix(云計算虛擬化、虛擬桌面和遠程接入技術)登錄岸端可視化系統界面操作，同時對于需要的數據可以通過QlikView(可視化服務器，可在網上發布并可通過任意PC端進行訪問)進行數據過濾導出Excel電子表格。同時岸端長期數據庫可以包括不止單船的數據，可由船隊規模進行交叉比對，從而實現大數據的優化分析，再通過衛星通信返回船端，將最優決策可視化呈現給郵船高級管理人員。圖6和圖7展示了岸基決策支持系統的關鍵績效指標和趨勢分析案例。

圖6 岸基決策支持系統中的關鍵績效指標

圖7 岸基決策支持系統中的趨勢分析

4 結 語

郵船在航行過程中，有效的能效管理可以提高能源利用效率，減少CO2排放，降低船舶運營成本。本文提出的豪華郵船能效管理系統從多方面分析設計了如何進行節能降耗、降低公司船隊的運營成本、提高經營效率的功能模塊，系統可操作性強，可為豪華郵船的開發建造及實際運營提供指導。但豪華郵船能效管理具有很高的綜合性和復雜度，其管理成效的優化還須進一步在實踐中不斷探索和完善。

[1] 倪駿愷. 船舶能效營運指數研究[D]. 上海：上海交通大學, 2010.

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[3] 李華, 楊宇琨. 基于關鍵參數分析的全球郵船船型特征研究[J]. 海洋開發與管理, 2017, 34(2):10-16.

[4] 徐延軍, 王敏. 基于能效管理的船舶經濟航速決策系統[J]. 中國航海, 2013, 36(4):135-138.

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[6] 潘志遠, 周蘭喜. 船舶推進中的節能技術研究[J]. 江蘇科技大學學報(自然科學版), 2011, 25(5):413-418.