船舶智能能效管理系統(tǒng)設(shè)計

鄭洪燕 王躍 朱軍

【摘 要】 為推動我國航運業(yè)節(jié)能減排，提高船舶能效管理效率，介紹國內(nèi)外船舶能效管理現(xiàn)狀，分析影響船舶能效的因素及管理能效的途徑，提出在船舶信息化、智能化形勢下的船舶智能能效管理系統(tǒng)。針對該系統(tǒng)，分別從系統(tǒng)架構(gòu)、系統(tǒng)軟件硬件及功能模塊進行研究，為后續(xù)系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用提供參考。

【關(guān)鍵詞】 國際海事組織（IMO）;船舶能效營運指數(shù)（EEOI）;船舶智能能效管理系統(tǒng)

1 國內(nèi)外船舶能效管理現(xiàn)狀

隨著環(huán)境保護要求的提高，國際海事組織（IMO）海洋環(huán)境保護委員會制定了《船舶能效管理計劃制訂導(dǎo)則》，提出節(jié)能減排，要求對船舶能效進行管理。我國積極響應(yīng)國際社會對節(jié)能減排的要求，中國船級社于2015年制訂《智能船舶規(guī)范》，并于2016年正式生效。該規(guī)范針對船舶能效管理提出智能能效管理規(guī)范的具體要求。

IMO通過船舶能效管理計劃（Ship Energy Efficiency Management Plan，SEEMP）和船舶能效營運指數(shù)（Ship Energy Efficiency Operational Indicator，EEOI）兩種方式對營運船舶的能效進行管理控制。[1] 《船舶能效管理計劃制訂導(dǎo)則》已強制生效，適用對象為400噸級及以上船舶，通過計劃、執(zhí)行、監(jiān)測、自我評估和改進等環(huán)節(jié)的循環(huán)來達到提升船舶能效的目標;由于在EEOI的指標中包含影響船舶能效準確度的因素（如船速、船舶滿載率、燃油品質(zhì)、航線距離、海況等），該標準未強制生效。

我國主要通過制定和實施與船舶能效相關(guān)的管理措施來控制營運船舶能效。在船舶企業(yè)管理辦法上，將船舶企業(yè)劃分為重點類、關(guān)注類和一般類等3類，并規(guī)定了企業(yè)節(jié)能減排的統(tǒng)計報告、監(jiān)測、考核及獎懲等具體要求;在船舶能效相關(guān)準則方面，頒布《營運船舶CO2排放限值及驗證方法》和《營運船舶燃料消耗限值及驗證方法》，這兩種標準已正式生效，但尚處于推薦性實施階段。由此可見，我國在營運船舶能效方面的管理措施還需進一步加強。

2 影響船舶能效的因素及管理途徑

要做好船舶能效管理工作，首先要了解影響船舶能效的因素，即在船舶運輸或作業(yè)過程中，影響船舶能源消耗、能源利用效率和CO2排放等因素。

能效因素可以從管理、技術(shù)和操作等方面考慮：在管理上，包含對船隊的管理優(yōu)化，即通過技術(shù)、經(jīng)濟、季節(jié)等多方面因素的分析，定期對航行綜合能效和經(jīng)濟水平進行評估，根據(jù)評估結(jié)果對船舶航線和船隊配置進行優(yōu)化調(diào)整[2];在技術(shù)上，有提高主機效率技術(shù)（高效節(jié)能柴油機技術(shù)、可調(diào)頻主機軸帶發(fā)電機技術(shù)）、提高推進效率技術(shù)（船-機-槳匹配優(yōu)化技術(shù)、高效螺旋槳技術(shù)、吊艙對轉(zhuǎn)螺旋槳技術(shù)、螺旋槳前來流整流附體裝置技術(shù)等）、降低船體阻力技術(shù)（線形優(yōu)化技術(shù)、船舶氣泡潤滑減阻技術(shù)、低表面能涂料技術(shù)等）、排煙余熱回收技術(shù)、冷熱水余熱回收技術(shù)、清潔能源應(yīng)用技術(shù)（太陽能技術(shù)、風(fēng)能應(yīng)用技術(shù)、燃料電池技術(shù)等）。

在技術(shù)水平和操作水平有限的情況下，加強對船舶能效的管理可以有效提高船舶能效。船舶能效管理的途徑可以從機器本身考慮如何監(jiān)控船舶油耗、從航次計劃考慮如何優(yōu)化航行狀態(tài)從而降低油耗、從企業(yè)層面考慮如何管理船舶運營中的油耗等方面考慮。

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，信息化、智能化將成為未來船舶能效運營管理的趨勢，智能能效管理將成為人們越來越關(guān)注的技術(shù)創(chuàng)新點。船舶智能能效管理系統(tǒng)應(yīng)運而生，在船舶能效管理過程中將成為不可或缺的應(yīng)用。

3 船舶智能能效管理系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)概述

船舶智能能效管理系統(tǒng)根據(jù)功能的高低可分為基本功能和高級功能?；竟δ苁侵笇Υ澳芎?、能效的監(jiān)測及評估，通過對船舶航行狀態(tài)、能耗狀況數(shù)據(jù)的自動采集和在線監(jiān)測，依據(jù)船舶能效管理計劃的相關(guān)規(guī)范要求，并應(yīng)用數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析、數(shù)據(jù)模型算法等技術(shù)，對船舶能耗、能效及排放量等進行分析、評估和預(yù)測，為船舶運營管理者提供數(shù)據(jù)評估分析結(jié)果和輔助決策建議，實現(xiàn)船舶能效實時監(jiān)控、智能評估及優(yōu)化、綜合報告生成等智能能效管理的基本功能。高級功能是指對船舶航速的優(yōu)化，在完成采集海量的實船能效、能耗及航行狀態(tài)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，建立船舶能效分析模型、航速優(yōu)化分析模型，從而實現(xiàn)基于航次計劃的航速優(yōu)化和基于經(jīng)濟效益的航速優(yōu)化功能。

3.2 系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)能效管理系統(tǒng)的基本功能要求，并結(jié)合實船情況進行分析，構(gòu)建船舶智能能效管理系統(tǒng)架構(gòu)，見圖1。系統(tǒng)主要功能如下：

（1）船舶航行狀態(tài)、能效及耗能狀況在線監(jiān)測和數(shù)據(jù)的自動采集，以及氣象環(huán)境數(shù)據(jù)的獲得;

（2）對船舶能效及能耗狀況進行評估、報告和報警;

（3）根據(jù)分析評估結(jié)果，為船舶能效管理提供輔助決策建議。

對主要耗能設(shè)備、能耗計量設(shè)備、航行狀況設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲，以及能耗模型、能效分析數(shù)據(jù)庫的建立，可實現(xiàn)船舶能效及耗能情況評估、報告和報警，以及主要耗能設(shè)備的能效及耗能實時監(jiān)測，最終為船舶運營管理人員提供能效管理輔助決策的依據(jù)。

3.3 系統(tǒng)設(shè)計

3.3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

硬件平臺是支撐應(yīng)用系統(tǒng)運行的核心基礎(chǔ)設(shè)施，主要包括高性能計算機、可編程自動化控制器和其他相關(guān)軟硬件設(shè)備。硬件系統(tǒng)主要負責采集船舶上主要耗能設(shè)備、計量設(shè)備和航行設(shè)備監(jiān)測參數(shù)，為軟件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析提供數(shù)據(jù)支撐，具體包括：主要耗能設(shè)備的功率、壓力、溫度參數(shù)，主要耗能設(shè)備燃料消耗參數(shù)，主機軸功率參數(shù)，風(fēng)向、風(fēng)力參數(shù)，水深值，船舶吃水值，涌浪參數(shù)等?？删幊套詣踊刂破鳂?gòu)成了信號采集箱的主體，將控制、信息處理和通信功能整合在單控制器系統(tǒng)內(nèi)，提供雙控制器架構(gòu)，以滿足不同任務(wù)。提供雙接口的以太網(wǎng)及CAN總線接口，通過級聯(lián)或者菊花鏈式提供高密度的I/O采集接口，可實現(xiàn)模擬量輸入和輸出、數(shù)字量輸入和輸出、熱電偶輸入、熱電阻輸入等功能，滿足信息處理及通信的需求。系統(tǒng)主要通過信號采集箱、監(jiān)測主機、監(jiān)測顯示器、交換機、串口服務(wù)器等將采集的數(shù)據(jù)傳入。系統(tǒng)硬件架構(gòu)見圖2。

3.3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

在系統(tǒng)軟件設(shè)計過程中，軟件首先必須滿足基本的功能要求，然后再考慮如何使人機界面更美化、布局更合理、使用更方便。軟件設(shè)計過程要遵循總體設(shè)計原則，如規(guī)范符合、操作性好、結(jié)構(gòu)合理、運行效率高等，其中：人機界面設(shè)計原則有統(tǒng)一性、界面切換合理性、界面布局合理性、字體和顏色使用合理性、注釋明確、集中顯示等。

根據(jù)《智能船舶規(guī)范》對智能能效管理的要求，船舶智能能效管理系統(tǒng)軟件的總體業(yè)務(wù)流程設(shè)計見圖3。

設(shè)計系統(tǒng)人機界面時，要注重登錄界面、系統(tǒng)管理界面，以及其他如能效及能耗評估、能耗分布分析及指標超限提醒、能效管理輔助決策和能效輔助管理等各個功能模塊界面的合理性。

3.3.3 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

系統(tǒng)主要由系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)分析、能效及能耗評估、能效管理輔助決策、能效輔助管理等5個功能模塊組成。系統(tǒng)功能模塊架構(gòu)見圖4。

數(shù)據(jù)分析模塊是5個功能模塊的核心，主要是對能效及排放指標進行分析，分析如下：

（1）EEOI

一個航次的EEOI的基本表達式為

eEEOI=

式中： j為燃油類型; Fj為在航段中j類燃油的消耗量，t; C為燃油量與CO2排放量轉(zhuǎn)換系數(shù); M為載貨量，t; D為船舶航行的里程，n mile。

某段時間內(nèi)多個航段的EEOI平均值計算公式為：

eEEOI=

式中： Fij為在航程i中燃油j的消耗量，t; Di為航段i的里程，指在所考慮的航次或時間段的實際航行距離，n mile。

（2）單位距離燃料消耗量

單位距離燃料消耗量計算公式為

e1=

式中：F為各航段油耗量的總和，t;D為各航段航程之和，n mile。

（3）單位運輸功燃料消耗量

單位運輸功燃料消耗量計算公式為

e2=

（4）單位距離CO2排放量

單位距離CO2排放量計算公式為

e3=

（5）單位運輸量CO2排放量

單位運輸量CO2排放量計算公式為

e4=

分析以上各個指標，對比設(shè)定的指標基準值，評估船舶能效及能耗，根據(jù)評估結(jié)果提出可以改善能效的輔助決策，為改善船舶能效提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

3.4 系統(tǒng)測試和結(jié)果分析

按照上文的設(shè)計對船舶智能能效管理系統(tǒng)的原理樣機進行開發(fā)，通過對原理樣機進行測試，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)各個功能模塊能耗、能效實時顯示和耗能設(shè)備能耗實時評估，系統(tǒng)界面見圖5;船舶能效及排放指標評估和能效管理輔助決策系統(tǒng)界面見圖6。

4 結(jié) 語

船舶能效管理是船舶營運管理的重要環(huán)節(jié)。船舶管理人員應(yīng)：積極響應(yīng)國內(nèi)外對節(jié)能減排的要求，加強船舶能效管理;多方面拓展提高船舶能效的方法，并順應(yīng)信息化、智能化的要求，對船舶能效管理信息化手段和船舶智能能效管理系統(tǒng)進行研究，提高船舶能效管理效率;在船舶智能能效管理系統(tǒng)原理樣機的研制基礎(chǔ)上，進一步通過建立船舶能效分析模型和航速優(yōu)化分析模型來實現(xiàn)高級功能中的航速優(yōu)化，深入研究智能船舶規(guī)范中的智能能效管理功能模塊，以達到有效提高船舶能效的目的。

參考文獻：

[1] 于巧嬋，高惠君，駱義，等.運用可監(jiān)測、可匯報、可核查機制提升我國營運船舶能效管理水平[J].水運管理，2015（11）：26-28.

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