營運碳強度指標影響下的班輪航速優(yōu)化

張子倓 孟怡婕 陳 笛 胡晨濱 孫 領(lǐng)

（1.上海海事大學(xué)，上海 201306；2.上海航華國際船務(wù)有限公司，上海 200080）

0 引言

為推動航運業(yè)碳減排進程，國際海事組織(International Maritime Organization，IMO)制定了船舶能效管理計劃。在海洋環(huán)境保護委員會第76 屆會議通過的營運碳強度指標（Operational Carbon Intensity Indicator，后文簡稱CII）及評級制度通過強制性要求對營運船舶碳排放量進行約束，控制營運船舶碳減排將成為船公司發(fā)展的必由之路[1]。根據(jù)IMO對船舶能效設(shè)計指數(shù)（Energy Efficiency Operational Indicator，EEOI）的說明，船舶能效體現(xiàn)為船舶航行過程中單位運輸工作量所排放的二氧化碳量，且船舶能效指數(shù)越低船舶能效管理水平便越高[2]。

班輪運輸承運貨種繁多，航線覆蓋范圍廣闊，面臨著艱巨的碳減排任務(wù)[3]。根據(jù)CII 指標規(guī)定，預(yù)計將有93.8%的集裝箱船受其影響。由于集裝箱班輪具有獨特的運營特性，對船舶如何在達到低碳要求時同時兼顧服務(wù)質(zhì)量更為看重。為了更準確地計算燃料消耗和排放，航速是最主要的參數(shù)，一個微小的速度調(diào)整都可以顯著改善船舶的燃料消耗和能源效率[4]。在此背景下，優(yōu)化航速被認為是降低集裝箱班輪營運碳排放的有效手段[5]?；诖耍疚耐ㄟ^與上海航華國際船務(wù)代理有限公司合作獲取數(shù)據(jù)支持，通過統(tǒng)計與分析船舶航次能耗大數(shù)據(jù)構(gòu)建兼具準確性和外推性的油耗預(yù)測模型與航速測算模型，實現(xiàn)以滿足CII 相關(guān)政策約束下油耗最低為目標的更精準集裝箱班輪航速優(yōu)化。

1 船舶營運碳強度指標（CII）政策解讀

1.1 營運碳強度指標簡介

船舶營運碳強度指數(shù)即船舶單位運輸工作量的二氧化碳排放量。船舶營運碳強度指數(shù)分為達到的年度營運碳強度指數(shù)（Attained annual operational CII）與船型噸位應(yīng)達到的年度營運碳強度目標值（Required annual operational CII），該目標值根據(jù)每年測算所得船舶實際碳強度指數(shù)值的變化而改動，該指標通過逐年提高目標要求以達到降低船舶碳強度的目標。

1.2 營運碳強度評級方法介紹

基于船舶達到的年度營運碳強度指標值，IMO 制定了船舶營運碳強度評級導(dǎo)則，旨在通過對相關(guān)船舶進行營運碳強度評級促進船舶降低營運碳強度并提升評級。根據(jù)船舶達到的年度營運碳強度指標值百分比，船舶將會被給予A至E 的評級。各級船舶中，評級為D 和E 的船舶將需按要求提交船舶能效改進措施。同時，當(dāng)前國際海事組織建議主管機港口及航運相關(guān)方對評級為A 與B 級的船舶進行激勵，而對連續(xù)3 年評級為D 或當(dāng)年評級為E 的船舶則要求制定并提交令船舶達到年度營運碳強度目標值的糾正計劃，經(jīng)批準后納入船舶能效管理計劃執(zhí)行，具體獎懲措施仍需待2026 年后根據(jù)具體實施情況進行規(guī)則評估。在相關(guān)措施推進下，船公司將積極采取營運策略以降低營運過程中船舶碳排放量。

2 船舶航速優(yōu)化模型構(gòu)建

2.1 數(shù)據(jù)和變量

本文采集2019 年至2021 年間船舶能效數(shù)據(jù)報告中不同大小、船型、船齡的17 艘船舶（含姐妹船）的航次能耗數(shù)據(jù)、航次載貨數(shù)據(jù)、時間、航速等信息各項船舶記錄數(shù)據(jù)作為原始數(shù)據(jù)。

模型所涉及變量參數(shù)如下所示：

FC—船舶航次總油耗，噸

CM—船舶航次主機油耗，噸

CA—船舶航次輔機油耗，噸

tE—船舶航次營運時間，小時

tN—船舶航次航行時間，小時

tA—航次錨泊時間，小時

d—船舶航次航行距離，海里

v—船舶航速，節(jié)

Nz—船舶主機持續(xù)功率，千瓦

D—船舶排水量，噸

vs—經(jīng)修正的船舶靜水航速，節(jié)

β—船舶輔機油耗影響因子，受船舶能源策略影響

vmin—船舶根據(jù)船期安排的最低航速，節(jié)

vb—經(jīng)優(yōu)化的航次節(jié)能航速，節(jié)

FB—以節(jié)能航速行駛的航次總油耗，噸

g—船舶油耗率，噸每海里

C—船舶的航次貨載量，噸

2.2 油耗影響因素分析

本研究首先采用皮爾遜相關(guān)性分析法檢驗航次總油耗CF 對船舶自身的船齡、船長、船寬、型深及航次的營運時間、航行時間、航行距離、排水量、航速的相關(guān)性。結(jié)果顯示，每個變量都與航次總油耗相關(guān)，且顯著性較強，其中船齡的相關(guān)性為負值，經(jīng)原樣本分析，判斷為船齡大的船舶相對為小船型，單航次油耗較低，符合實際，見表1。

表1 船舶總油耗影響因素相關(guān)性分析表

在此基礎(chǔ)上，以總油耗為因變量對長寬比、主機功率、航行距離、航行時間、營運時間、排水量進行共線性診斷，并采用逐步回歸法去共線性，最終確定關(guān)鍵影響因素為長寬比、航行距離、航行時間、營運時間、排水量。

2.3 班輪航次油耗回歸分析

船舶營運過程中，其油耗主要分為主機油耗和輔機油耗，前者為船舶航行提供動力，后者則主要為發(fā)電以保證船舶內(nèi)部的正常運轉(zhuǎn)。則在船舶總油耗可為：

現(xiàn)有研究中估計主機有效功率常用海軍系數(shù)法，結(jié)合上文主機運行原理可認為在一定時間內(nèi)特定船舶的摩擦系數(shù)、主機老舊程度、內(nèi)部傳動的能量損耗率等因素視為不變。此情況下，主機功率與排水量和航行速度正相關(guān)，同時可以在認為功率乘時間即為主機所作的功，與主機油耗呈正比，而輔機油耗主要為船舶供電所用，消耗較為穩(wěn)定，因此可將航次船舶總油耗設(shè)為：

2.4 班輪航次航速優(yōu)化模型建立

可以明顯看出與營運時間有關(guān)的油耗α_3 t_E 不會影響航次最優(yōu)航速的選取，而在船舶機械狀態(tài)相對穩(wěn)定的情況下，船舶排水量會對航次最優(yōu)航速產(chǎn)生一定影響。根據(jù)IMO 營運管理的需求，希望各船舶在靠港時均連接岸電以減少燃油的使用。對此，在計算節(jié)能航速的時候，考慮其更變策略，在靠港時采取岸電，因此，此時，船舶的每公里油耗可由下式計算：

依此可結(jié)合油耗模型擬合結(jié)果中求解得到的未知參數(shù)，計算各船舶在空載、半載、滿載三種狀態(tài)下的節(jié)能航速，其油耗率如圖1 所示，由于船舶航行過程中存在隨時間變化的輔機油耗，也就是說，并不是船開的越慢越省油，決策者應(yīng)避開此誤區(qū)，合理制定航速計劃。

圖1 排水量的靈敏性分析圖

3 算例分析

STARSHIP PEGASUS 是一艘船齡11 年的船舶，空船排水量為8 136 t，最多可載1 891 t，23 927 t 的貨物，該船齡的船舶在目前的政策環(huán)境下隨時有被勒令整改或淘汰的風(fēng)險，因此以該輪為研究對象，分析其營運策略。簡單列出該輪滿載、半載、空載時的最優(yōu)航速和對應(yīng)油耗率如表2 所示，在滿載的情況下節(jié)能航速整整比空載要低4.5 kn。

表2 航速優(yōu)化結(jié)果

以該輪的釜山—上海港航段為例，該班輪在上海港所靠碼頭為外高橋碼頭，需乘潮進出，同時，因為貨運擁堵，有時需保持較長時間的排隊等候時間，即不能連接岸電的錨泊時間。節(jié)能航速選取的決策方法如下，在上一港離港時船方及時與港方交流，確認泊位情況，如有泊位，說明船舶行駛至下一港即可靠泊連接岸電，靠泊期間油耗可視為0，此時可用β=α2+α3代入計算最優(yōu)節(jié)能航速，若無泊位，則說明即便提前抵港仍需錨泊等待，錨泊期間油耗為α3/h，因此以β=α2代入計算最優(yōu)節(jié)能航速。此外，還需確認以節(jié)能航速行駛是否能按既定船期到達，若不能，則應(yīng)以式得的最低航速行駛。

采取此策略定速時，船舶的航次理論最低油耗可由計算：

選取部分班次信息如表3 所示，根據(jù)航速決策法制定航速策略vb，其真實航行航速有時候會低于本研究所采用的航速優(yōu)化方法計算所得的vb，有時候又會高于該值。將相關(guān)參數(shù)代入，計算得出，該輪總航次實際總油耗為772.48 t，采用本研究的定速策略STARSHIP PEGASUS 輪在該時間段內(nèi)的油耗理論最低可達706.06 t，降低8.6%，單航次最高減少26.41%的燃油消耗，優(yōu)化效果較為明顯。

表3 STARSHIP PEGASUS 航次數(shù)據(jù)樣表

4 結(jié)論

本文以班輪運輸為研究對象，結(jié)合航速和船期表兩個決策層面對班輪的營運能效進行優(yōu)化。有效利用海事局的船舶航次能耗報表數(shù)據(jù)和船舶航行AIS 數(shù)據(jù)，建立船舶油耗估算模型以計算船舶節(jié)能航速，并考慮排水量對油耗率的影響建立船期表優(yōu)化模型。通過算例分析，該油耗估算模型可判斷船舶實際營運中的主機工況、輔機工況、是否連接岸電等關(guān)鍵決策，并以此為依據(jù)優(yōu)化船舶節(jié)能航速，其準確率較高，優(yōu)化效果較好。

本文研究成果為解決船舶航速優(yōu)化問題提供了理論指導(dǎo)和決策依據(jù)。未來的研究可以考慮船舶載況和外部環(huán)節(jié)因素的耦合作用，建立更優(yōu)的油耗測算模型。

特別鳴謝合作單位上海航華國際船務(wù)代理有限公司提供的數(shù)據(jù)支持。（項目名：航華船舶航速及油耗優(yōu)化程序，項目編號：12020221311KX）