營運船舶航行性能和海洋環(huán)境監(jiān)測平臺開發(fā)驗證

季 盛，文逸彥，喬繼潘

(上海船舶運輸科學(xué)研究所航運技術(shù)與安全國家重點實驗室，上海 200135)

營運船舶航行性能和海洋環(huán)境監(jiān)測平臺開發(fā)驗證

季 盛，文逸彥，喬繼潘

(上海船舶運輸科學(xué)研究所航運技術(shù)與安全國家重點實驗室，上海 200135)

EEDI是衡量船舶能效水平的重要指標(biāo)。由于試驗條件限制，目前主要還是依靠模型試驗結(jié)果對交船測試進(jìn)行修正換算得到。上海船舶運輸科學(xué)研究所自主研發(fā)了航行性能和海洋環(huán)境監(jiān)測平臺，可對營運船舶開展長期跟蹤監(jiān)測，實時收集船舶營運階段的航行環(huán)境和性能參數(shù)，通過自動識別航行狀態(tài)，劃分海區(qū)、海況和船舶載況等因素對于船舶功率與航速的影響，可獲得營運船舶實際EEDI指標(biāo)，提高EEDI實船驗證結(jié)果的準(zhǔn)確性。監(jiān)測平臺在某萬箱級集裝箱船進(jìn)行相關(guān)驗證，并已展開長期監(jiān)測。

EEDI；航行性能和海洋環(huán)境監(jiān)測平臺；營運船舶；長期跟蹤監(jiān)測

0 引 言

2013年1月1日，船舶能效設(shè)計指數(shù)EEDI[1,2]強制性要求已正式實施。針對新造船，EEDI驗證分為2步：設(shè)計階段的預(yù)驗證和試航時的最終驗證[3,4]。目前對于集裝箱船這類船型，很難進(jìn)行滿載工況實船試航，通常采用壓載工況試航[5]，利用模型試驗的結(jié)果類推得到滿載工況的航速，這種驗證方法的合理性與準(zhǔn)確性已經(jīng)引起造船界和航運界的質(zhì)疑。而交船試航[6,7]階段，船舶及設(shè)備還處于磨合階段，對新建船舶開展短時間針對性的測試，隨機性的環(huán)境變化和偶然性的測試誤差不可避免[8,9]。研究認(rèn)為通過開展?fàn)I運船舶[10]的長期跟蹤監(jiān)測，對持續(xù)的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，區(qū)分出海區(qū)、海況和船舶載況等因素對于船舶功率與航速的影響，進(jìn)而可對實船真實營運能效進(jìn)行判斷，是提高EEDI驗證結(jié)果準(zhǔn)確性的一種有效措施。上海船舶運輸科學(xué)研究所以1艘萬箱級集裝箱船為研究目標(biāo)，開展了實船性能和海洋環(huán)境監(jiān)測平臺的研發(fā)和驗證工作。

1 監(jiān)測參數(shù)

通過分析ISO15016-2015（E）等實船測試標(biāo)準(zhǔn)公約，對集裝箱船能效監(jiān)測展開需求分析，最終確定監(jiān)測平臺共采集86個信號，主要可分為船舶能耗監(jiān)測、航行姿態(tài)監(jiān)測和航行環(huán)境監(jiān)測3部分。能耗監(jiān)測主要是監(jiān)測船舶的航行效率，反映船舶在某一航速下的槳軸發(fā)出功率，包括槳軸扭矩、槳軸轉(zhuǎn)速、燃油消耗、對地速度、對地航向及船舶球面坐標(biāo)等。航行姿態(tài)監(jiān)測主要是監(jiān)測在各種海況環(huán)境作用下的船舶運動姿態(tài)，用于修正船舶運動對實船測試的影響和實船與模型對比，包括船舶吃水、舵角、首向角、橫縱傾等。航行環(huán)境監(jiān)測主要是監(jiān)測實船外界海洋環(huán)境，用于修正環(huán)境對實船性能的影響，包括風(fēng)速風(fēng)向、波高波周期、對水速度、水深水溫、氣溫氣壓等。實船監(jiān)測參數(shù)及設(shè)備如表1所示。

表 1 監(jiān)測參數(shù)及設(shè)備列表Tab. 1 Monitoring parameters and equipment list

2 監(jiān)測設(shè)備

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析要求，實船性能和海洋環(huán)境監(jiān)測平臺要在集裝箱船營運過程中長期穩(wěn)定監(jiān)測各項參數(shù)，監(jiān)測時間將以年計。對于設(shè)備系統(tǒng)而言，首先要求設(shè)備有極高的可靠性。而監(jiān)測數(shù)據(jù)將用于實船測試結(jié)果修正和船?！獙嵈嚓P(guān)因子分析，監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度和同步性將直接影響測試分析結(jié)果，因此測量設(shè)備的精度和動態(tài)特性也是設(shè)備選擇時需考慮的重要因素。

對于營運船舶，實船設(shè)備加裝較為困難，集裝箱實船營運監(jiān)測平臺的硬件搭建將以船上已有設(shè)備為基礎(chǔ)，最大限度地采用滿足精度、穩(wěn)定性、使用壽命等要求的已配備設(shè)備，如DGPS、電羅經(jīng)、計程儀；根據(jù)監(jiān)測需求，加裝部分功能設(shè)備，如運動姿態(tài)傳感器、測波儀等，建立全船監(jiān)測采集系統(tǒng)，將信號集中傳輸至監(jiān)測平臺上位機處理、顯示并存儲，完成實船性能和海洋環(huán)境監(jiān)測。綜合考慮系統(tǒng)的信號形式及精度需求，監(jiān)測平臺各主要監(jiān)測信號初步選擇測量設(shè)備詳述如下。

軸功率測量儀，用于獲取船舶推進(jìn)器的收到功率、扭矩和轉(zhuǎn)速信息；渦輪式燃油流量計，用于獲取船舶主機、輔機的油耗信息；雙DGPS，用于獲取船舶實時地球坐標(biāo)、UTC時間、對地航速和對地航向信息；舵角指示器，用于獲取舵的實時角度信息；運動姿態(tài)儀，用于獲取船舶當(dāng)前橫搖、縱搖、升沉等運動狀態(tài)信息；超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀，用于獲取船舶相對風(fēng)速、風(fēng)向信息；平臺測波儀，用于獲取船舶當(dāng)前位置海域的水溫信息；多普勒聲吶（計程儀），用于獲取船舶對水速度和方向信息；回聲測深儀，用于收集水深信息；海水溫度計，用于獲取船舶當(dāng)前位置海域的水溫信息；氣溫氣壓儀，用于獲取船舶當(dāng)前位置海域的大氣溫度、大氣壓力信息。

另外，船舶吃水信號是衡量船舶載況、浮態(tài)的重要參數(shù)，作為表征船舶狀態(tài)的一項重要指標(biāo)，在船舶營運中起著非常重要的作用。通過查閱多種船舶吃水測量方法，各方法的優(yōu)缺點及應(yīng)用條件如表2所示。

通過對現(xiàn)有船舶吃水測量技術(shù)實船適用性進(jìn)行分析，主要從船舶安裝條件、航行環(huán)境影響及測量設(shè)備適用性方面考慮，目前尚未有成熟的吃水測量設(shè)備能夠完全滿足營運船舶動態(tài)吃水長期監(jiān)測的功能和精度要求。項目組從實船應(yīng)用環(huán)境和測量技術(shù)進(jìn)行研究，采用如下監(jiān)測方案：自動識別船舶航行狀態(tài)，在船舶離開碼頭時，調(diào)用大副相關(guān)離港觀測吃水記錄，并對遙測吃水進(jìn)行校核標(biāo)定。由于油水消耗是一個相對連續(xù)的過程，考慮到艙室液位測量的精度問題，油水消耗對吃水影響的計算采用定時調(diào)用吃水計算軟件進(jìn)行吃水更新的方法來實現(xiàn)。對于壓載水的調(diào)動，根據(jù)壓載泵信號，每當(dāng)壓載泵工作結(jié)束后，調(diào)用吃水計算軟件，根據(jù)壓載泵開關(guān)前后的液位數(shù)據(jù)，更新船舶吃水。在船舶到港后，再次調(diào)用觀測到港吃水記錄，并對遙測吃水、計算吃水進(jìn)行校核修正，監(jiān)測系統(tǒng)方案如圖1所示，經(jīng)實船驗證，該吃水監(jiān)測系統(tǒng)精度在0.1 m以內(nèi)，滿足相關(guān)精度要求。

3 監(jiān)測平臺方案設(shè)計

監(jiān)測平臺要求在實船營運過程中能夠長期穩(wěn)定監(jiān)測船舶能效性能和海洋環(huán)境參數(shù)，并能將監(jiān)測數(shù)據(jù)同步保存并按規(guī)定格式存儲供試驗人員調(diào)用分析。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，實船性能和海洋環(huán)境監(jiān)測平臺監(jiān)測信號分布較為分散，測量設(shè)備輸出信號形式也各不相同，并且有部分模擬信號不適于長距離傳輸，這給平臺系統(tǒng)集成造成了較大困難。本平臺采用多層分級結(jié)構(gòu)形式的集散式測控系統(tǒng)，即在測量設(shè)備附近放置現(xiàn)場處理單元以此實現(xiàn)模擬信號的轉(zhuǎn)換收發(fā)，省去測量設(shè)備與主控單元之間大量連接電纜，同時也減少了模擬信號傳輸中的干擾；各現(xiàn)場處理單元再通過屏蔽電纜與上層總機相連，接收控制信號并傳遞預(yù)處理過的測量數(shù)據(jù)。使用接口轉(zhuǎn)換器將設(shè)備信號及現(xiàn)場處理單元輸出信號等轉(zhuǎn)換成網(wǎng)口輸出，并利用核心交換機將信息處理單元上掛至總線，總線通信選擇TCP網(wǎng)絡(luò)總線通信傳輸至監(jiān)測平臺主機，實現(xiàn)部分基于TCP網(wǎng)絡(luò)總線通信的集散式測控系統(tǒng)，監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計如圖2所示?？紤]監(jiān)測平臺遠(yuǎn)程管理和長期規(guī)劃的需求，船岸通信是監(jiān)測平臺實現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控和未來船岸一體化的必要組成部分?？紤]航線情況，利用遠(yuǎn)海衛(wèi)星寬帶VSTA搭建了基于IP技術(shù)的船岸通信，船端采用基于SMTP傳輸協(xié)議的每日數(shù)據(jù)定時傳輸。

表 2 各種船舶吃水測量方法的比較表Tab. 2 Comparison of various ship draught measurement methods

圖 1 營運船舶吃水監(jiān)測方案流程圖Fig. 1 Flow chart of operation ship draft monitoring scheme

圖 2 監(jiān)測平臺系統(tǒng)方案Fig. 2 Monitoring platform system chart

4 監(jiān)測系統(tǒng)軟件開發(fā)

實船營運監(jiān)測軟件以實船性能和海洋環(huán)境監(jiān)測平臺硬件設(shè)施為載體，基于Visual Basic程序語言進(jìn)行軟件編譯，實現(xiàn)監(jiān)測平臺各設(shè)備數(shù)據(jù)信號的自動采集和存儲功能。實船營運監(jiān)測軟件采用功能模塊化的設(shè)計思想，由1個用戶登錄界面和4個功能模塊組成，如圖3所示。4個功能模塊分別為通信設(shè)置模塊、實時信息模塊、數(shù)據(jù)庫模塊和實船性能分析模塊。各個模塊具有相互獨立性，以便于軟件系統(tǒng)的調(diào)試和維護(hù)，同時模塊與模塊之間也圍繞著監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析和處理存在著一定的內(nèi)在聯(lián)系。

通訊設(shè)置模塊主要完成監(jiān)測數(shù)據(jù)的同步采集和初步處理，采用統(tǒng)一計時器約定不同串口數(shù)據(jù)的時間一致性從而保證不同監(jiān)測數(shù)據(jù)的同步性，利用設(shè)定的邊界條件和數(shù)據(jù)之間關(guān)聯(lián)性進(jìn)行初步數(shù)據(jù)可靠性判斷和篩選處理。實時信息模塊接收通信模塊篩選處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行動態(tài)顯示和存儲。

數(shù)據(jù)庫模塊用于對船端數(shù)據(jù)的管理，船端采用Access數(shù)據(jù)庫搭建小型數(shù)據(jù)庫，可針對不同吃水、航速、海洋環(huán)境等狀態(tài)條件對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選查詢和統(tǒng)計分析。考慮監(jiān)測數(shù)據(jù)量較大的特點，每日數(shù)據(jù)約8萬條，數(shù)據(jù)文件大小可達(dá)到100 Mb，因此數(shù)據(jù)庫模塊采取每天形成一個數(shù)據(jù)庫文件。

圖 3 實船營運監(jiān)測軟件主要模塊Fig. 3 Main modules of operation ship monitoring software

實船性能分析模塊主要基于ISO15016:2015實船分析方法[11-12]對查詢選定的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行實船性能修正分析，將實船運營的性能統(tǒng)計結(jié)果與模型試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，初步分析實船的當(dāng)前載況下的航行性能。軟件界面如圖4所示。

圖 4 實船營運監(jiān)測軟件界面Fig. 4 Interface of operation ship monitoring software

5 監(jiān)測數(shù)據(jù)可靠性驗證

監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性是實船營運數(shù)據(jù)分析的首要前提，原始數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性將直接影響實船分析的精度。在搭建實船營運監(jiān)測平臺的過程中，已對監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定測試，對通信設(shè)備進(jìn)行可靠性檢查，通過實船性能測試數(shù)據(jù)再次驗證營運監(jiān)測平臺的可靠性和準(zhǔn)確性。

在集裝箱船營運過程中，選擇載況接近EEDI載況和輕載載況、風(fēng)浪條件較好的2個航次，在廣闊海域進(jìn)行實船測試，在實船上安裝了1套實船測試系統(tǒng)同步進(jìn)行采集，將營運監(jiān)測平臺和實船測試系統(tǒng)2個獨立系統(tǒng)同步采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，以此驗證實船營運監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性。EEDI載況實船測試總共進(jìn)行了10個工況，輕載載況為12個工況，每個工況數(shù)據(jù)采集時間約為10min，采樣頻率為1 Hz。實船測試系統(tǒng)與實船營運監(jiān)測平臺采集主要數(shù)據(jù)的平均化結(jié)果對比如圖5所示。

通過與集裝箱船EEDI、輕載載況實船性能測試數(shù)據(jù)對比，可以發(fā)現(xiàn)營運監(jiān)測數(shù)據(jù)主要信號數(shù)據(jù)偏差均較小，進(jìn)一步從實船測試方面驗證了營運監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性，為保證營運監(jiān)測數(shù)據(jù)分析、船模-實船相關(guān)分析結(jié)果的準(zhǔn)確性提供真實可信的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

基于ISO15015:2015修正標(biāo)準(zhǔn)，對實船測試期間的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行修正分析，將實船航行性能修正至理想海況，與交船試航換算結(jié)果、模型試驗結(jié)果對比如圖6所示。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，營運監(jiān)測修正結(jié)果更為接近模型預(yù)報結(jié)果，交船試航推算結(jié)果較營運監(jiān)測結(jié)果更為理想，認(rèn)為通過壓載試航得出功率系數(shù)推算出其他載況結(jié)果的方法存在一定偏差的可能，但船舶交船后運營3年航行性能下降也符合實際情況。

圖 5 實船測試系統(tǒng)與營運監(jiān)測平臺主要數(shù)據(jù)對比Fig. 5 Comparison of sea trial system amp; monitoring platform measure data

圖 6 EEDI載況下修正結(jié)果對比Fig. 6 Comparison of corrected results in EEDI draught condition

6 結(jié)論與展望

針對某萬箱級集裝箱船進(jìn)行實船營運性能和海洋環(huán)境監(jiān)測平臺設(shè)計搭建，主要對船上已有設(shè)備儀表進(jìn)行改造，并加裝部分必要通信測量設(shè)備，形成硬件系統(tǒng)平臺。開發(fā)實船營運監(jiān)測軟件，實現(xiàn)監(jiān)測平臺各設(shè)備數(shù)據(jù)信號的采集、清洗、存儲和分析。在實船運營過程中，選擇條件較好、載況接近的2個航次進(jìn)行實船測試，通過對比2套測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)，驗證了監(jiān)測平臺的準(zhǔn)確性。通過一年多時間的長期運營，也反應(yīng)了平臺的穩(wěn)定性。

集裝箱船營運性能和海洋環(huán)境監(jiān)測平臺的成功搭建，有利于收集營運船舶航行環(huán)境及實船性能參數(shù)的長期監(jiān)測數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確獲取實船在真實營運狀態(tài)下的航行性能指標(biāo)。通過初步修正分析發(fā)現(xiàn)，同載況下修正結(jié)果較為可靠，但是由于風(fēng)浪環(huán)境的隨機性，若不是特意進(jìn)行實船測試，積累同一條件下的航行性能數(shù)據(jù)需要較長時間。下一步正在對實船監(jiān)測數(shù)據(jù)展開大數(shù)據(jù)修正分析，形成基于統(tǒng)計學(xué)分析的航行性能評估結(jié)果。

[1]柳衛(wèi)東, 陳兵. 新造船能效設(shè)計指數(shù)及其對船舶設(shè)計的影響[J]. 船舶工程, 2010, 32(2): 17-21.

[2]彭傳圣, 李慶祥. 船舶能效設(shè)計指數(shù)與我國船舶的關(guān)系[J]. 水運管理, 2010, 32(2): 13-15.

[3]王美飛. 船舶能耗及船舶能效設(shè)計指數(shù)研究[D]. 上海, 上海交通大學(xué), 2013.

[4]沈文娜. 新造船能效設(shè)計指數(shù)規(guī)范研究[D]. 上海, 上海交通大學(xué), 2014.

[5]伍銳, 季盛, 文逸彥, 等. 集裝箱船浮態(tài)優(yōu)化與球首改型節(jié)能技術(shù)的實船驗證[C]// 船舶力學(xué)學(xué)術(shù)委員會測試技術(shù)學(xué)組2016年學(xué)術(shù)會議論文集, 2016, 251-261.

[6]夏利清, 范佘明. 實船測試航速修正方法評述[J]. 船舶工程,2005, 27(6): 49-51.XIA Li-qing, FAN She-ming. Comments on correction methods of ship speed trial results[J]. Ship Engineering, 2005, 27(6):49-51.

[7]顧溟宇, 王言英, 張佳寧. 實船航速試驗方法及數(shù)據(jù)分析計算機自動化[J]. 中國造船, 2009, 50(3): 135-145.GU Ming-yu, WANG Yan-ying, ZHANG Jia-ning. Method of speed rrial and automatic date processing and analysis with computer for transport ships with full-scale[J]. Shipbuliding of China, 2009, 50(3): 135-145.

[8]顧溟宇. 實船航速預(yù)報方法研究及其集裝箱船試航驗證[D].大連: 大連理工大學(xué), 2013.

[9]李曉嬌, 蔣永旭, 柳一點等. 基于ITTC的實船試航航速修正方法[J]. 船舶標(biāo)準(zhǔn)化工程師, 2014(5): 1-4.

[10]陳昌運, 李傳慶. 船舶營運大數(shù)據(jù)挖掘與應(yīng)用思考[J]. 船舶與海洋工程, 2015, 31(1): 5-8.CHEN Chang-yun, LI Chuan-qing. The thingking of data mining and application of shipping big data[J]. Naval Architecture and Ocean Engineering, 2015, 31(1): 5-8.

[11]ISO 15016. Ships and marine technology-Guidelines for the assessment of speed and power performance by analysis of speed trial data[S]. 2015.

[12]LACKENBY H. Note on the effect of shallow water on ship resistance[R]. BSRA Report No. 337, British shipbuilding Research Association, 1963.

Design and verification of on-service ship navigation performance and environment monitoring platform

JI Sheng, WEN Yi-yan, QIAO Ji-pan
(State Key Laboratory of Navigation and Safety Technology, SSSRI, Shanghai 200135, China)

Due to the limitation of trial condition, EEDI which was an important index to measure the efficiency of ships was analyzed based on model tests to correct the delivery trial results. Ship performance and environment monitoring platform developed by SSSRI could long term tracing monitor the ship and real-time collect the navigation environment and performance parameters in operation stage. Through the automatic identification of navigation condition, it could distinguish the influence on ship power and speed of sea area, sea state and ship load condition and improve the accuracy of EEDI testing result. The monitoring platform had been verified and took long-term monitoring in 10000 container ship.

EEDI；ship navigation performance and environment monitoring platform；on-service ship；long term monitoring

U661.3

A

1672-7649(2017)11-0164-05

10.3404/j.issn.1672-7649.2017.11.031

2017-08-31

工信部高技術(shù)船舶科研計劃資助項目(工信部聯(lián)裝[2014]502號)

季盛(1979-)，男，高級工程師，主要從事船舶水動力試驗技術(shù)研究。