內河船舶能耗監測物聯網系統設計

郎紹程，徐夢婷，徐 建

(1.嘉興南洋職業技術學院，浙江 嘉興 314031；2.浙江禾東船業科技股份有限公司，浙江 嘉興 314024；3.浙江興禾船舶檢驗檢測有限公司，浙江 嘉興 314024)

在實現“雙碳”目標的要求下，有效、合理地使用能源，進行有效的能耗監測監管，降低船舶能耗的需求極為迫切。實現內河船舶的節能減排目標，需要摸清內河船舶能源消耗水平及內河船舶節能減排技術狀況。針對此問題，本文開展內河船舶能耗監測物聯網系統研究，并完成了該系統的研發工作。

1 內河船舶能耗監測物聯網系統架構

內河船舶監測物聯網系統整體原理示意圖見圖1，其由4大層級和2套體系組成，形成資源共享體系、制度規范體系、安全保障體系，可為內河船舶能耗管理提供統一、規范、高效、透明的業務管理和決策支持服務。

該系統包含的4大層級為：①基礎設施層，為應用系統提供基礎軟硬件環境及相應的數據傳輸網絡；②數據層，為系統的建設提供數據支撐基礎；③應用管理層，在數據采集的基礎上，通過實施監測、數據統計、能效管理、碳排控制、決策支持等功能模塊，配套應用支撐平臺和數據共享與交換，為政府部門、企業提供統一的應用服務；④用戶層，本系統通過應用管理層各個模塊的系統功能，對內河船舶能耗進行在線監測，推進內河航運低碳化管理水平，為交通管理政府部門、航運企業及技術支撐單位提供有效的管控手段。

2套體系為：①信息標準規范體系，制定完善內容保障、資源共享、運維管理、安全保密等制度規范；②信息安全保障體系，依據系統的重要性、敏感程度和安全風險等因素，優化整合信息安全資源，合理劃分安全域，貫徹執行安全管理規章制度，做好災難備份和應急響應工作。

圖1 內河船舶監測物聯網系統整體原理示意圖

2 內河船舶能耗監測物聯網系統設計

2.1 數據庫結構設計

基于內河船舶能耗監測物聯網系統數據統計需求，將企業基礎信息、能源、溫室氣體排放及運維管理等系統所需的全部信息資源納入管控。需建設包含基礎信息數據庫、能源數據庫、溫室氣體排放數據庫和綜合信息數據[1]的綜合性數據庫。①基礎信息數據庫，包括企業名錄、船舶信息、用戶角色信息、地圖信息以及能源等元數據；②能源數據庫，使用能源數據庫對船舶各類能源品種的消耗數據進行統一、集中管理；③溫室氣體排放數據庫，溫室氣體排放量需要基于能源消耗數據進行換算，該數據庫主要針對排放系數信息、活動水平數據和排放量進行管理；④綜合信息數據庫，對系統運行所需要的其他業務數據進行統一管理。

2.2 技術路線

內河船舶能耗監測物聯網系統采用基于Java2平臺企業版技術體系，并基于瀏覽器/服務器模式架構，使用關系型數據庫管理系統8.0(MySQL 8.0)以上版本數據庫。采用Java服務器頁面(JSP)、服務連接器編程技術，將復雜的業務邏輯、流程控制邏輯和數據存取邏輯有效整合，實現了業務邏輯的快速部署和靈活調整，充分保證數據庫系統的安全可靠訪問。系統采用中間件技術和工作流技術，支持基于構件的開發模式，體現了“服務器端控件”的思想[2]。

2.3 系統功能設計

1)實施監測子系統。在船舶終端安裝和擴展控制區域網數據采集模塊，實施采集船舶動態油耗和實時工況，并復合利用通用無線分組業務通信信道，將數據傳輸至數據中心進行存儲和分析[3]。

(1)監測內容。重點水路企業單船的運輸及能耗相關數據，包括船型、建成年月、凈載重量、功率、貨運量、貨物周轉量、能耗能。

(2)監測指標。船舶軌跡、行程數據、船舶狀況、安防數據、駕駛行為數據、碳排放數據等[4]。

2)數據統計子系統。船廠和船舶公司等相關企業可根據報表目錄進行企業能耗的網上填報、邏輯審核、保存提交、數據導入導出操作，實現采集系統數據的本地傳輸以及船岸數據的交互等功能。

(1)基礎數據統計。內河船舶能耗監測物聯網系統，包括船舶交通運輸行業的抽樣、船舶行業相關企業能耗數據統計、車載自動診斷系統數據分析和能耗碳排放的測算等功能，所需要掌握的基礎數據包含能耗碳排放數據、地學信息系統空間數據、宏觀交通數據和其他數據。

(2)多源異構數據獲取。建立長久的數據統計監測制度，定期從管理部門與交通流數據歸口管理部門獲取水運交通與能耗碳排放數據，為嘉興水運交通運輸能耗與碳排放統計監測系統的構建提供可靠的數據保障。

3)能耗與碳排放分析。基于統計數據和模型進行實時數據能耗、歷史數據、能耗預測、能耗與碳排放評價等分析。①能耗分析。以不同類型的船舶、燃料、航線、時段等為條件，統計分析船舶的能耗數據，并以圖表等形式展示分析結果。其中，船舶類型包括游艇、內河散貨船等種類；燃料類型包括汽油、柴油、天然氣、電力等[5]；航線根據船舶所屬的線路來劃分。②歷史數據分析。根據設定條件，查詢并顯示運輸方式或企業歷史能耗及排放的分類數據和總體數據。③能耗預測。依據設定的算法，顯示運輸方式或企業的能耗預測結果。④能耗與碳排放評價。依據能耗強度指標，對船舶運輸企業、運輸方式、能耗數據、節能數據和排放數據進行考核評價。

4)決策支持。基于系統獲取的水運交通能耗碳排放監測結果，有效核算內河船舶能耗與碳排放，預測企業碳排放峰值，為綠色低碳交通建設提供基礎信息，助力交通運輸部門出臺節能減排規劃、政策和標準。

3 某船舶企業能耗分析案例

選取某內河航運企業，開展內河船舶能耗監測物聯網系統的試運行。并通過數據采集結果，分析船舶設備及企業管理中存在的問題，為找出行之有效的節能降耗的措施提供技術支持。

3.1 船舶樣本結構分析

對某船舶企業的船舶結構類型進行統計。該船舶企業共有貨運、客運和執法艇3類船舶，共22艘，其能源類型主要為柴油、液化天然氣(LNG)、純鋰電池及鋰電池+柴油混動4類，船舶類型和燃料類型滿足系統的實用性的驗證要求。某船舶企業船舶樣本及能耗結構見表1。

3.2 船舶能耗結構分析

為該企業的22艘船安裝車載自動診斷系統(OBD)設備，進行數據采集。通過為期2個月的設備運行監測，該船舶企業的貨運、客運和執法艇等22艘船OBD設備監測數據采集、傳輸狀態正常運行。

表1 某船舶企業船舶樣本及能耗結構

4 結束語

本文基于系統研發工作，提出了系統架構、功能模塊組成以及適用性能等內容。通過大數據分析，從源頭上減少用能的損失與計量誤差，對能耗進行合理的管控，及時發現并改正運行中存在的能耗異常，隨時處理[6]。本文的研究成果有效提高了內河水上運輸領域節能減排的精細化管理能力和交通低碳管理水平，對于后續開展相關類型船舶智能化能效監控系統的設計具有一定的參考意義。