遠洋船舶能效管理系統優化設計

譚健 孫永明 岳躍申

【摘 要】 為優化遠洋船舶能效管理系統設計，基于現有的能效管理系統，進一步優化系統功能，并結合理論計算。新系統在數據采集方面較之前更全面，數據庫存儲和功能更優化，功能更智能，輔助決策對相應的一些能效指標作進一步研究，探索能夠降低船舶能效營運指數的有效途徑，為船舶節能減排提供參考。

【關鍵詞】 船舶能效;優化設計;數據采集與傳輸;數據分析;可視化

0 引 言

船舶能效管理系統分為船舶端和岸基系統兩部分，船舶端將采集的船舶航行、船舶載貨量、船舶日耗燃油量、船存燃料等信息，通過海事衛星定時發送到岸基數據庫系統;岸基系統主要提供貿易區、航線、船舶信息、燃油定額、排放因子等基礎數據，并設有船舶數據差異校核、船舶數據缺損預警功能，以及油耗、碳排放、氮氧化物、硫化物排放量統計和船舶能效運營指數（EEOI）統計功能。[1]

運用現代化船舶能效管理的系統性方法，對船舶能源消耗、能源利用效率和二氧化碳排放進行嚴格的控制和管理，實現船舶節能減排的能效要求，對推動航運綠色發展具有重要意義;因此，要從多方面優化現有能效管理系統。本課題主要開展的工作是數據傳輸優化和數據挖掘優化，使船舶營運在追求利益最大化的同時減少對生態環境的破壞。

1 國內外船舶能效管理系統發展現狀

目前國內的大型船舶都裝有船舶能效管理系統。該系統可以計算出船舶任一時間、航次、航線的EEOI值，可對船舶、航次、航線以各種方式進行分析、類比、選優，然后通過EEOI來分析可以降低碳排放的措施（船舶航線設計、航速確定、裝卸貨時間等）。

日本海事協會推出Prime Ship-GREEN/EEOI系統，用于計算和分析船舶的EEOI，以便根據國際海事組織的準則檢查船舶操作期間的溫室氣體排放水平。通過在趨勢圖中顯示EEOI的計算結果，用戶可以直觀地確認能源效率的變化及其影響因素。Prime Ship-GREEN/EEOI將有助于提高船舶的能源效率。

國內外正在研發的相關船舶能效管理系統主要有以下特征：

（1）大部分船舶運輸企業的能效管理系統基本都是通過每日的中午油報數據來計算EEOI值。數據從船端通過郵件方式發送到岸端，然后由岸端進行分析后再確定下一步的改善措施。

（2）人為參與較多，有時會發生數據包丟失現象，需要通過多次發送和接收郵件來獲取想要的數據。

（3）隨著船舶運輸企業對管理的要求越來越高，原來系統的功能有的已不能滿足要求，這時就需要添加新的功能模塊，對已有的模塊管理流程加以改造、優化重組，以適應新的要求。

2 系統總體架構

（1）船端數據采集。主要通過風速儀、傾斜儀、GPS、計程儀、軸功率計、各種流量計等船上已有設備進行數據采集。

（2）中央處理器。將采集的數據進行分析并存儲到數據庫。

（3）數據庫。儲存各種數據。

（4）采集數據交換。將所采集的數據與已經傳輸的數據進行比對，篩選出已更新的數據智能拆分打包并編號以郵件形式發送，未更新的數據不作處理。

船舶結構復雜，且通航河運航道流域廣、里程長，有線通信方式難以滿足船體內采集的數據與船舶信息系統及岸基數據中心的數據信息交互要求，因此將采用無線通信方式。同時考慮信息傳輸的可靠性、實時性和經濟性要求，從船岸、船內通信兩個維度對低功耗局域網協議（ZigBee）、遠距離無線電（LoRa）、AIS、甚小孔徑終端（VSAT）、2G、3G、4G、5G、窄帶物聯網（NB-IoT）、衛星通信等無線通信的信息傳輸應用進行研究，為船舶能效研究系統設計提出合適的信息數據傳輸方案。[2]

能效管理系統船舶端架構見圖1。

3 遠洋船舶能效系統優化關鍵設計

（1）在不影響數據包的情況下，傳輸的文件越小越好。因為傳輸文件越小，遠洋船舶的通信費用就越低，日積月累能節省較多的費用。

（2）船岸交互采用JSON（JavaScript Object Notation，JavaScript對象表示法）格式進行數據傳輸。

JSON獨立于編程語言，解析器和JSON庫支持許多不同的編程語言。目前有非常多的動態編程語言都支持JSON，其是存儲和交換文本信息的語法，是輕量級的文本數據交換格式，類似于XML，但比XML更小、更快、更易解析。JSON沒有結束標簽，更短、讀寫的速度更快，具有自我描述性，更易理解，能夠使用內建的“Java Script eval（ ）”方法進行解析，使用數組，不使用保留字。JSON格式數據示例見圖2。

能效系統優化后采用JSON進行數據傳輸，智能拆分數據包并自動編號發送，自動檢查且只發送更新后的數據，雙向檢索數據包，數據包丟失會自動補包。通信技術將在優化后的系統中發揮更大的作用，可以盡可能多地減少人為參與，達到數據傳輸智能化、高效化、實時化的目的。

（3）運用IBM的SPSS Modeler軟件（Modeler/CRISP-DM，即“跨行業數據挖掘標準流程”，是一種業界認可的用于指導數據挖掘工作的方法）對歷史數據進行深層挖掘，不再是單純地只分析表面數據來導出各種圖表。

借助SPSS Modeler軟件，可以快速、直觀地構建準確的預測模型而無需進行編程，通過使用獨特的可視界面，可以輕松地實現數據挖掘過程的可視化。SPSS Modeler軟件還提供更高級的分析，可以發現數據中先前隱藏的模式和趨勢。

4 結 語

優化后的船舶能效系統具有數據包智能拆分、定時雙向（船端、岸端）檢測丟包后智能補包、基于JSON傳輸數據、AI數據分析功能、系統資源整合等實用功能。在信息化飛速發展的今天，船舶能效管理系統需要更加同步，船舶監控需要更加有效，船舶運營需要更加經濟，航運企業勢必考慮智能化的能效管理系統。優化船舶能效管理系統是船舶管理行業大勢所趨，是航運企業可持續發展的技術保障。如果能實現優化后的船舶能效管理系統功能，航運企業就能大大地提高船舶的能源效率，減少船員及公司管理人員的工作量，提高生產效率。這不僅能給企業帶來良好的效益，而且更能保證航運企業在當前經濟危機中獲勝。

參考文獻：

[1] 劉中泰，鄭士君. 船舶營運能效管理[J]. 水運管理，2011（5）：11-12.

[2] 鄭洪燕，王躍，朱軍. 船舶智能能效管理系統設計[J]. 水運管理，2018（11）：25-28.