基于船舶能效提升的航速優化研究現狀及展望

楊天宇， 楊志勇,b， 張 彥,b,c， 袁成清,b,c

(武漢理工大學 a. 能源與動力工程學院；b.船舶動力工程技術交通行業重點試驗室；c.國家水運安全工程技術研究中心，武漢 430063)

船舶運輸作為交通運輸領域的重要一環，是全球80%以上貨物在物流途中的必經環節。根據《2017中國航運發展報告》，我國水路運輸貨物的總量以及周轉量在各種運輸方式中所占的比例分別為13.9%和49.7%。相比于陸運和航空運輸，水路運輸在經濟性、安全性和環境保護等方面擁有突出的優勢。[1]

當今世界造船能力供大于求，船廠建造的船舶價格直逼成本線，甚至虧本造船，許多船舶所有人趁機大量造船，導致運力過剩，大批船舶運輸任務不足；同時在資源逐漸枯竭與貿易戰的壓力下，一段時間油價大幅上漲，燃料成本居高不下，直接導致水路運輸經濟性下降。自2009年12月聯合國氣候大會召開后，關于如何減少排放CO2進入大氣以及如何提升CO2利用效率的問題，引起各行各業的重視。因此，提升船舶能效和降低油耗量，成為各國相關學者研究的熱點。現階段提升船舶能效的方法主要集中在：船舶航速優化[2]、船舶防污減阻技術[3]、非碳能源在船舶上的利用[4]及船舶航線優化設計[5]等。

根據相關研究[6-7]，優化船舶航速是降低船舶油耗及碳排放的有效措施之一。一般認為大多數船型的燃油消耗量與船舶航速是3次方的關系[8-9]，因此，通過降低航速能夠極大程度減少航行過程中的燃油消耗量，從而提高船舶的能效，同時緩解水路運輸經濟性下降帶來的壓力。但是，隨著船舶航速的降低，船舶航行的時間及船舶的租金等都會大幅度提高，導致船舶費用上升，經濟性變差，甚至有可能因為航速過低，引起船舶主機燃燒性能變差，導致船舶油耗增加。因此，可認為航速優化并不等同于降低航速。如何選取船舶的最優航速，既滿足節油降耗的要求，又不引起安全性降低、機械損傷等問題，成為該領域的一個研究重點。本文結合目前船舶航速優化的研究現狀，從提高船舶能效的角度對現階段航速優化的研究成果進行歸納，以期為相關技術的發展提供依據。

1 航速優化對能效提升的作用

1.1 船舶航速的3種選擇

一般而言，對于船舶行駛來說，常用航速可分為設計航速、經濟航速和最優航速等3種。[10-11]

1.1.1設計航速

設計航速指船舶根據設計任務書所設計的航速，代表著船舶滿載時理論上能夠達到的最大航速。在設計航速下，螺旋槳與主機的配合合理，但是由于航速過高，采用該航速行駛時，往往油耗率較大。

1.1.2經濟航速

經濟航速指船舶每航行1 n mile油耗量最低的航速，在該航速下船舶航行的燃油成本最低。

1.1.3最優航速

最優航速指航行時滿足綜合評價指標的航行速度。在一般情況下，設計航速與經濟航速往往不是滿足綜合評價指標的最優航速。最優航速的選擇，通常需要考慮各個方面的評價指標。較常見的是時間條件和船舶能效指標。在節能減排的強烈要求下，提升船舶能效成為航速優化的主要目的。目前很多研究通常重點考慮航速優化后船舶能效的提升情況，而簡化其他方面的限制條件。通常采用的評價指標包括船舶能效運營指數(Energy Efficiency Operational Indicator, EEOI)、船舶油耗和廢氣的排放量(一般指CO2和NOx)。[12]通過確定這些指標與航速的關系，可找到滿足給定指標的最優航速。

1.2 船舶能效與航速的關系

EEOI是由國際海事組織(International Maritime Organization, IMO)推出的衡量船舶能效的標準，用于評價船舶能效管理的實施情況。[13]據2009年7月IMO第59次會議通過的《船舶EEOI自愿使用指南》[14]，可得到某段時期內EEOI的計算公式為

(1)

式(1)中：Fj為船舶在航行過程中消耗的燃油j的質量；CFj為燃油j的CO2排放因子；mcargo為貨船的載貨質量；D為船舶的航行里程。

根據公式，EEOI與船舶的載重情況、航行里程成反比，與燃油消耗量、燃油碳含量成正比。由于油耗量與船舶航速是三次方的關系[15]，相關研究表明[16]當船舶航速降低時，EEOI會隨之下降，船舶能效得以提升，且EEOI對于航速的變化極為敏感，航速產生較小的變化即會導致EEOI發生較大的變化。

2 最優航速的主要影響因素

2.1 船舶能效影響因素

由于提升船舶能效成為航速優化的主要目的，因此可認為在節能減排的強烈要求下，以EEOI為表征的能效成為最優航速的主要評價指標，而對應的影響因素統稱為能效影響因素。

研究顯示：驅使船舶正常航行能量僅占必需的船用燃料提供能量的21.5%。[18]船舶在航行過程中消耗的燃料產生的輸出功率，一部分用來克服船舶的航行阻力，另一部分則用來彌補船舶內摩擦所造成的能量損失。無論是船舶的航行阻力還是船舶內摩擦造成的能量損失都與船舶航速息息相關。

對于航行阻力，大多數的研究都只關注特定的影響因素，主要包括水流速度與方向、波浪、船舶污底以及風速與風向等。[19-21]

水流速度與方向主要影響相對航速；波浪主要影響興波阻力和造成船舶失速；污底則主要影響船舶表面粗糙度甚至改變船舶形貌。船舶所受水下阻力特性曲線見圖1[22]：隨著航速的增加，船體所受到的阻力會迅速增加；當航速超過一定的值時，興波阻力相對摩擦阻力而言，對于航速的變化更加敏感；此時，波浪對于船體阻力造成的影響往往不能被忽略。當改變這些影響因素時，船舶受到的各種阻力曲線的斜率就會發生變化，從而影響到船舶能效及最優航速的選取。

圖1 船舶所受水下阻力特性曲線

風速與風向主要通過作用于船體水面以上的建筑影響船體所受的風阻，船舶在風影響下的平面運動模型見圖2。船舶受風力影響后的航速可由船舶的漂角β、風舷角θT、風致漂移航速vT以及船舶航速vspeed等表示出來。風速和風向直接造成船舶速度的變化。同時，風還對船體上層建筑造成一個風壓力[24]，阻礙船舶的航行。

圖2 風影響下的船舶平面運動

船舶內摩擦導致各部分的能量傳遞損失，主要體現在動力系統的關鍵摩擦部件上。摩擦造成的能量損失會影響船-機-槳匹配特性，從而直接作用到航速上。目前，該部分對于航速的影響計算，常采用經驗值直接代入[25]，而袁成清等提出在考慮關鍵摩擦部件減摩的基礎上，動態考慮內摩擦、航速與能效的關系。

2.2 邊界條件影響因素

以能效為主要評價指標所得到的最優航速能夠起到很好的節能減排效果，但由于在船舶運輸過程中，航行安全、托運人需求和整體經濟性都是實際影響航速決策的關鍵因素，因此現有研究表明航速優化過程中還需要引入經濟性影響因素(例如托運人對運輸及時性的要求、運力-運量供需平衡以及燃料價格變化等)和安全性影響因素(例如海上航行安全性、船舶機械運行合理性等作為邊界條件)。

支撐船舶運輸發生的關鍵是托運人的需求，而經濟性是其重點考慮的指標。減低航速勢必導致船舶航行時間大幅度提高，延長船舶運行周期，從而有可能造成：與托運人對運輸及時性的要求產生矛盾；船舶租金增加導致船舶費用上升，經濟性變差；過多的運力投入，浪費船員與資源；船舶調度波動，影響運力-運量供需平衡。有時又需要低速航行來應對航運市場低迷帶來的運力過剩，節省運營成本。與此同時，對于托運人來說，降低航速的主觀動力是降低油耗量來降低燃油成本和受制于環保法規，因此，燃油價格的變化也會造成不一樣的航速決策。在實際計算過程中，通常將各經濟性影響因素換算成運輸成本值來限定航速的變化區間，從而影響航速優化。

在船舶運輸過程中，安全性永遠是先于節能降耗的，而船舶航速的持續降低，在復雜海況下會影響船舶在海上抵抗風險的能力，降低安全性。同時，長期低速航行的船舶還會導致船舶的機械損傷，引起船舶主機燃燒性能變差，造成積油、積炭，活塞環、環槽和缸套過度磨損，影響主機運行安全。在實際計算過程中，通常以安全航速以及船舶實際運行狀態來限定優化航速的波動區間。

3 基于船舶能效提升的航速優化方法

基于船舶能效提升的航速優化并不是簡單的線性關系求解，實際是確定多目標條件下的區間值[26-27]，關鍵在于目標函數的確定。目標函數即為各種評價指標的表達函數，通常優化問題的目標函數并不是一個，這些優化函數組合在一起，形成非線性的規劃問題，在綜合的邊界約束條件下，求解出最優的航速。

目前，出于不同研究目的，設計的航速優化模型有很多種，主體包括兩類：一類是基于邏輯數理關系建立函數集，通過優化算法求解；另一類是基于大量數據擬合出對應曲線從而獲得函數求解。例如，WONG等[28]建立基于對數和線性效用函數的規避風險和風險中型的決策模型，得到權衡碳排放、油耗和到貨時間的最優航速。WANG等[29]利用歷史經營數據研究船舶燃油消耗量-航行速度的關系，并且建立非線性模型，進行航速優化。綜合各類航速優化模型的研究方法，并基于最優航速主要影響因素分析，提出最優航速求解的一般方法見圖3。

圖3 最優航速求解的一般方法

根據研究的需要，首先確定研究的評價指標以及需要涉及的影響因素。根據不同影響因素的特點，建立相應的數學模型，使各影響因素通過航速與評價指標建立聯系，并進行仿真。根據評價指標和邊界約束條件的特點，可從仿真結果中選取恰當的取值作為最優航速的取值。這個最優航速的取值是一個理論值，只能在一定程度上反映最優航速真實值的取值范圍。為確定模型的可靠性，通常需要進行試驗對比分析，從而獲得試驗值與理論值的誤差分析，確定模型的可靠性。

仿真一般采用MATLAB/SIMULINK配合其他軟件進行。以選擇EEOI為評價指標，研究航速變化與船舶能效提升的關系為例：通常使用FLUENT研究各個影響因素對航行阻力的影響，并根據計算結果獲得各影響因素的數學模型。將獲得的數學模型代入MATLAB/SIMULINK中的能效模型中仿真，得到的數據繪制成曲線，在經濟性影響因素與安全性影響因素作為邊界約束條件所允許的可行域內，確定最小的EEOI所對應的航速，即為最優航速。在這個航速下航行，船舶的能效最高。

4 船用新能源使用下的航速優化

在節能減排的巨大壓力下，綠色船舶已成為未來船舶的發展方向，而在諸多綠色船舶技術中，以風能、太陽能、液化天然氣等新能源的使用最具前景。[30]船用新能源的使用最直接的影響在于油耗量的降低，從而提升船舶能效。但對于風帆、太陽能光伏系統等，其運行效能在很大程度上受制于航行過程中海洋環境的具體情況，例如風速、輻照強度等，而其與航速之間有所關聯。

船用新能源的使用，例如風帆，會直接影響船舶航行時的阻力、船-機-槳匹配等特性，從而改變諸多因素與最優航速之間的影響關系，使得最優航速求解問題需要采取新的途徑。由于船用新能源的使用研究仍處于發展階段，關于船用新能源使用下的航速優化問題還未有過多研究成果，主要集中于風帆助航對螺旋槳特性的影響、對船舶阻力的增益等，通過增加變量的方式引入到多目標函數中求解最優航速；也有部分學者[31]提出，由于風能、太陽能等新能源的使用效率與航線息息相關，可通過建立船舶能效、航線優化、航行時間與航速之間的關系來進行最優航速求解。正是由于船用新能源使用的發展，其與航速優化的協同控制將是未來提高船舶能效的主要途徑之一。

5 結束語

現階段的研究主要集中在航速優化的思路和算法上，針對不同類型的船舶和需要進行優化的評價指標，探求船舶在不同通航環境中的最優航速。研究船舶內摩擦導致的能量損失及船舶通航對船舶阻力的影響，搭建更精細的數學模型，縮小最優航速的選擇范圍，為研究提升船舶能效的策略提供可靠的依據。

對于船舶航速優化的研究，在基于各影響因素數學關系解決相對固定的靜態航速優化問題方面已經有了許多成果。但對于通航環境等各方面影響因素發生變化后的動態船舶最優航速調整問題涉及較少。未來應重點完善航速優化研究，使得船舶在應對多變的通航環境時具有更好的適應性。