豪華郵船能效管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳偉波， 陳自強(qiáng)， 劉 健， 葛云龍

(上海交通大學(xué) a.船舶海洋與建筑工程學(xué)院， b.海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， c.高新船舶與深海開(kāi)發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海200240)

0 引 言

為有效控制船舶營(yíng)運(yùn)對(duì)地球環(huán)境造成的污染破壞，2011年國(guó)際海事組織召開(kāi)第62次會(huì)議，制定公約并提出兩項(xiàng)船舶能效標(biāo)準(zhǔn)：能效設(shè)計(jì)指數(shù)(Energy Efficiency Design Index，EEDI)和船舶能效管理計(jì)劃(Ship Energy Efficiency Management Plan，SEEMP)。這兩項(xiàng)船舶能效標(biāo)準(zhǔn)從2013年1月1日開(kāi)始實(shí)施，以鼓勵(lì)船舶設(shè)計(jì)、建造、營(yíng)運(yùn)等各環(huán)節(jié)的廠商采用各種節(jié)能減排、降低能耗的措施來(lái)提高船舶能效水平，減少CO2的排放。

當(dāng)前國(guó)際郵船市場(chǎng)重心開(kāi)始向亞太區(qū)域轉(zhuǎn)移，中國(guó)郵船產(chǎn)業(yè)取得了較大進(jìn)步，在郵船設(shè)計(jì)建造和營(yíng)運(yùn)管理等方面也獲得較快發(fā)展。在豪華郵船設(shè)計(jì)建造與運(yùn)營(yíng)管理過(guò)程中，同樣應(yīng)滿足SEEMP，達(dá)到較低的EEDI和能效營(yíng)運(yùn)指數(shù)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益雙贏。豪華郵船上的機(jī)電設(shè)備種類繁多，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而目前國(guó)內(nèi)缺乏對(duì)于豪華郵船能效營(yíng)運(yùn)管理方面的研究，開(kāi)展針對(duì)豪華郵船的能效管理研究勢(shì)在必行。針對(duì)豪華郵船能效管理系統(tǒng)，國(guó)外ABB公司和WARTSILA ENRIAM公司已設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出相關(guān)軟件系統(tǒng)，而國(guó)內(nèi)現(xiàn)在還沒(méi)有這方面的研究和產(chǎn)品。對(duì)豪華郵船能效管理系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，可為以后國(guó)產(chǎn)郵船做國(guó)產(chǎn)化配套集成更多功能。

為在豪華郵船營(yíng)運(yùn)過(guò)程中提高能效水平、實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，本文在分析研究豪華郵船特點(diǎn)和通航環(huán)境特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)豪華郵船的能效管理計(jì)劃和能效營(yíng)運(yùn)指數(shù)，設(shè)計(jì)出一種節(jié)約燃油、綠色高效的能效管理系統(tǒng)解決方案，通過(guò)各種措施降低船舶能耗、提高燃油利用效率、減少CO2排放，以滿足船旗國(guó)主管機(jī)關(guān)、國(guó)際海事組織、船級(jí)社等相關(guān)要求，對(duì)豪華郵船營(yíng)運(yùn)過(guò)程中節(jié)能減排、降低成本具有重大現(xiàn)實(shí)意義。

1 能效指標(biāo)分析

船舶能效管理計(jì)劃從能源消耗、能源利用效率和CO2排放等方面對(duì)船舶進(jìn)行嚴(yán)格的控制和管理，以提高能效水平。它對(duì)航運(yùn)公司監(jiān)控船舶CO2等溫室氣體的排放提出了量化要求，并要求從計(jì)劃、實(shí)施到監(jiān)控、自我評(píng)估，建立一整套完善的提高船舶營(yíng)運(yùn)效率的管理機(jī)制。

船舶能效營(yíng)運(yùn)指數(shù)(Energy Efficiency Operational Indicator，EEOI)反映的是船舶單位運(yùn)輸作業(yè)所排放的CO2量，即消耗燃油所排放的CO2與貨物的數(shù)量和運(yùn)輸距離的比值，用來(lái)衡量階段時(shí)期內(nèi)船舶能效的高低[1-2]。EEOI可以定義為

(1)

式中：j表示燃油類型；FCj表示燃油j的消耗量；CFj表示燃油j的燃油量與CO2排放量之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)：mcargo表示貨物種類(t)或完成工作量(標(biāo)準(zhǔn)集裝箱數(shù)目或人員)或客船的總噸位；D表示以海里計(jì)的航行距離。

豪華郵船的運(yùn)營(yíng)方式較其他常規(guī)船型有較大差異，如何在保證郵船正常運(yùn)行時(shí)獲得最低的EEOI指數(shù)至關(guān)重要。對(duì)于豪華郵船而言，影響EEOI的因子較常規(guī)船型更為復(fù)雜，如主副機(jī)油耗、航行狀態(tài)、載重等，因此需針對(duì)豪華郵船的營(yíng)運(yùn)特點(diǎn)對(duì)多影響因素進(jìn)行綜合研究，從而實(shí)現(xiàn)有效降低EEOI的優(yōu)化方法。

2 豪華郵船特點(diǎn)分析

豪華郵船是環(huán)球海上航行或在地中海、加勒比海等特定地區(qū)航行，沒(méi)有貨物甲板且專門用于商業(yè)運(yùn)輸在海上航行中過(guò)夜的乘客，以在船上娛樂(lè)和?？康赜^光游覽為目的的船舶。針對(duì)不同的航行條件，從操作設(shè)施配備及操縱性能看，豪華郵船同內(nèi)河船舶相比，在能效研究的方面有很多不同，其主要特點(diǎn)[3]如下：

(1) 豪華郵船以在船上娛樂(lè)和停靠地觀光游覽為目的，搭乘人員多，內(nèi)裝設(shè)計(jì)新奇且個(gè)性鮮明，布局陸上化，娛樂(lè)多樣化，在安全性、舒適性和節(jié)能環(huán)保方面的要求標(biāo)準(zhǔn)比普通船舶更高。

(2) 在豪華郵船電力系統(tǒng)方面，生活用電所占比例相對(duì)較大，一般須額外配備較大的發(fā)電機(jī)艙，再加上安全返港的要求，豪華郵船推進(jìn)目前多采用柴電聯(lián)合推進(jìn)方式。

(3) 豪華郵船船體方形系數(shù)在0.7左右，與普通貨船類似；無(wú)論噸位大小，長(zhǎng)寬比基本維持在5～10，且朝寬大型發(fā)展，以避免噸位增大出現(xiàn)長(zhǎng)寬比顯著性增加；吃水一般在8～9 m，水面以上船體高，受風(fēng)面積大。

(4) 豪華郵船航速較高，一般為20 kn以上；滿舵回轉(zhuǎn)時(shí)的縱矩約為3.5倍船長(zhǎng)，回轉(zhuǎn)初徑約為4倍船長(zhǎng)；在港內(nèi)時(shí)的操縱性能好，能依靠自身首尾側(cè)推器或吊艙槳完成離泊操縱，在一般情況下不需拖輪協(xié)助就能靠離泊。

此外，豪華郵船在通航中還需要考慮如下問(wèn)題：

(1) 豪華郵船在航行過(guò)程中，在港口之間的航線上有很大的選擇余地，因此豪華游輪節(jié)能減排方面往往首先考慮優(yōu)化航線與航跡控制。

(2) 豪華郵船須經(jīng)常在港口停泊，以滿足船上旅客下船觀光旅游的需求，并須及時(shí)補(bǔ)充生活資料和油料等，因此在提升能效水平時(shí)應(yīng)在總體上進(jìn)行時(shí)間維度的考慮。

(3) 因海上航行和內(nèi)河航運(yùn)不同，豪華郵船在海上航行時(shí)須主要考慮風(fēng)浪的作用，而不用考慮受固定方向水流的影響。

(4) 對(duì)豪華郵船阻力產(chǎn)生影響的因素中，可不用考慮內(nèi)河的枯水期與豐水期影響，而須將更多的注意力放在海上季風(fēng)和水文氣象等方面，因?yàn)檫@些因素會(huì)隨著季節(jié)更替而出現(xiàn)明顯有規(guī)律的變化。

(5) 豪華郵船能效管理研究應(yīng)從整體上進(jìn)行考慮，可有效避免海上船舶之間的航行行為相互影響、相互牽制。

3 豪華郵船能效管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

豪華郵船船舶能效管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則為：(1)全面性原則。在豪華郵船能效管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)遵從全面性原則，對(duì)所有可能對(duì)郵船營(yíng)運(yùn)能效產(chǎn)生影響的因素進(jìn)行全面分析。(2)針對(duì)性原則。在能效管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，考慮豪華郵船特征和通航環(huán)境特點(diǎn)，針對(duì)具體情況與實(shí)際條件采取適宜的優(yōu)化措施。(3)系統(tǒng)性原則。能效管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)從宏觀、總體、系統(tǒng)的角度進(jìn)行科學(xué)分析，實(shí)施措施。

豪華郵船船舶能效管理系統(tǒng)建立在節(jié)能減排的理念之上，運(yùn)用科學(xué)措施和先進(jìn)手段從經(jīng)營(yíng)、管理、操作、設(shè)備的各個(gè)層面不斷提高郵船能效水平。該系統(tǒng)可對(duì)船舶運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)、能耗排放等數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)采集、監(jiān)測(cè)，并與岸基決策支持系統(tǒng)進(jìn)行船岸信息傳輸?；诖髷?shù)據(jù)方法對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，挖掘出數(shù)據(jù)之間存在的關(guān)系，生成各種圖表供郵船管理人員對(duì)船舶能耗及能量使用效率進(jìn)行監(jiān)控分析。船上及岸端人員根據(jù)系統(tǒng)提供的信息數(shù)據(jù)，從航行優(yōu)化、船舶操縱、船體檢查清潔、機(jī)械設(shè)備維護(hù)等方面建立可靠高效的郵船營(yíng)運(yùn)能效管理優(yōu)化最佳方案，以減少郵船油耗、降低能效營(yíng)運(yùn)指數(shù)。系統(tǒng)方案如圖1所示。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示。

圖1 豪華郵船能效管理系統(tǒng)方案

圖2 豪華郵船能效管理系統(tǒng)架構(gòu)及相關(guān)硬件

豪華郵船能效管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括：數(shù)據(jù)庫(kù)及服務(wù)器的開(kāi)發(fā)，數(shù)據(jù)采集與處理，航線、航速及推進(jìn)效率優(yōu)化，縱傾優(yōu)化及壓載管理，岸基決策支持系統(tǒng)等。

3.1 數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)

數(shù)據(jù)庫(kù)及服務(wù)器是整個(gè)系統(tǒng)的核心，因此開(kāi)發(fā)一種合理高效的并且能夠適應(yīng)豪華郵船海量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的調(diào)查研究，選擇MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)。服務(wù)器的布置：一方面，從節(jié)省成本的角度上考慮，租用云服務(wù)器，在船舶本地采集數(shù)據(jù)，直接通過(guò)衛(wèi)星通信輸出至云端，在不考慮海量數(shù)據(jù)量交換的情況下，能夠減少硬件成本，優(yōu)勢(shì)非常明顯；另一方面，出于對(duì)豪華郵船海量數(shù)據(jù)交換量及記錄時(shí)效性的要求，須在郵船本地配置強(qiáng)大穩(wěn)定的服務(wù)器。

3.2 數(shù)據(jù)采集與處理

數(shù)據(jù)采集工作是進(jìn)行豪華郵船能效管理的基礎(chǔ)，不同信息必須選擇合適的數(shù)據(jù)采集手段。數(shù)據(jù)采集模塊可從自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)通過(guò)串口通信自動(dòng)獲取主副機(jī)等耗能設(shè)備、軸功率設(shè)備數(shù)據(jù)，從衛(wèi)星定位系統(tǒng)、測(cè)深儀、計(jì)程儀、風(fēng)速儀、風(fēng)向儀等航行設(shè)備中通過(guò)NMEA協(xié)議獲取運(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)每5 min進(jìn)行1次記錄，并進(jìn)行過(guò)濾、處理后導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)，每經(jīng)12 h將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)向岸邊專用數(shù)據(jù)庫(kù)傳輸，以供豪華郵船進(jìn)行能效優(yōu)化與控制。

對(duì)郵船設(shè)備的功率消耗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，能夠直觀了解功率消耗的大小，通過(guò)定時(shí)間隔的記錄比較消耗的數(shù)值，例如月消耗、季度消耗、年消耗量的比較。

3.3 航線、航速及推進(jìn)效率優(yōu)化

收集整理、統(tǒng)計(jì)分析郵船航線，綜合考慮各種因素，針對(duì)不同航區(qū)設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)安全的航線，通過(guò)精心的計(jì)劃和執(zhí)行航次有利于船舶安全和最低能耗產(chǎn)生，根據(jù)執(zhí)行效果及時(shí)更新優(yōu)化方案。計(jì)算出每一航線的標(biāo)準(zhǔn)能耗，指導(dǎo)船舶提高能效水平。

可顯著降低郵船能耗的措施是優(yōu)化航速。在優(yōu)化改進(jìn)航線的基礎(chǔ)上，根據(jù)航線、航路對(duì)航速的限制要求，船舶狀況，裝載狀態(tài)，水文氣象條件等因素，合理調(diào)整航速，以最優(yōu)航速航行，盡可能保持整個(gè)航次的均勻性，使該次航程每噸海里燃油使用量保持在最低水平[4-5]。此外，借助舵和航向控制系統(tǒng)(自動(dòng)操舵儀)，根據(jù)水文氣象條件來(lái)優(yōu)化調(diào)節(jié)、合理配置風(fēng)流壓角，有效控制因經(jīng)常偏離既定航向或頻繁使用舵而導(dǎo)致偏離計(jì)劃航線等情況發(fā)生，避免郵船航行距離增加。

考慮船舶操縱和海況環(huán)境對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正處理后，基于航速、推進(jìn)功率、主機(jī)燃油消耗量等數(shù)據(jù)，主要分析評(píng)估郵船的水動(dòng)力效率和主機(jī)的熱效率，進(jìn)行推進(jìn)效率優(yōu)化[6]。推進(jìn)效率優(yōu)化模塊界面如圖3所示。郵船推進(jìn)功率與航速滿足一定關(guān)系，如圖4所示，其中V*表示目標(biāo)航速，P*表示目標(biāo)推進(jìn)功率。在某一海況下，當(dāng)設(shè)定郵船目標(biāo)航速后，可立即得到其對(duì)應(yīng)的推進(jìn)功率。通過(guò)排水量、吃水差及海況信息對(duì)推進(jìn)功率進(jìn)行修正，得到目標(biāo)推進(jìn)效率，計(jì)算出目標(biāo)燃油消耗量。當(dāng)郵船航行在目標(biāo)航速時(shí)，可節(jié)省3%左右的燃油消耗量。

圖3 推進(jìn)效率優(yōu)化模塊

圖4 推進(jìn)功率與航速關(guān)系

3.4 縱傾優(yōu)化及壓載管理

郵船在海上航行時(shí)，保持適當(dāng)?shù)奈矁A將有利于提高船舶推進(jìn)效率和節(jié)約燃油。通過(guò)縱傾優(yōu)化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)可更精確地優(yōu)化郵船傾角，調(diào)整適應(yīng)不同航速和吃水下的船舶推進(jìn)性能，保證能耗更少。縱傾優(yōu)化模塊界面如圖5所示。郵船在進(jìn)出港口時(shí)，為使受風(fēng)面積較小，使舵保持高效水平，滿足在港內(nèi)的操縱需要，一般規(guī)定艏吃水≥2%的船長(zhǎng)，艉吃水≥3%的船長(zhǎng)。在配載時(shí)一般應(yīng)保證艏吃水<艉吃水，同時(shí)保持適當(dāng)?shù)聂簝A，這樣既可減小船舶的盲區(qū)從而有利于航行安全，又可避免造成艉部上浪。

圖5 縱傾優(yōu)化模塊

壓載管理與縱傾優(yōu)化緊密相關(guān)，包括燃油、滑油、淡水資源管理及壓載水的全面監(jiān)控及資源分享?？蓮拇艾F(xiàn)有的液位遙測(cè)系統(tǒng)中采集數(shù)據(jù)，也可與通信導(dǎo)航系統(tǒng)和電子海圖系統(tǒng)通信，以便于比較數(shù)據(jù)和提供記錄，從而通過(guò)高精度傾斜儀等設(shè)備進(jìn)行傾角計(jì)算。利用壓載水管理系統(tǒng)，根據(jù)船舶實(shí)際載荷與重心計(jì)算出最佳值，合理調(diào)節(jié)壓載水分布，幫助船舶減阻。

3.5 岸基決策支持系統(tǒng)

岸基決策支持系統(tǒng)主要功能是接收船端發(fā)送的各類數(shù)據(jù)，對(duì)能耗相關(guān)數(shù)據(jù)分類分項(xiàng)，以圖表形式顯示給管理人員，動(dòng)態(tài)化、圖形化地顯示船舶油耗、航行軌跡等動(dòng)態(tài)信息，從而方便岸端人員更加直觀地了解船舶航行狀態(tài)、科學(xué)分析管理船舶、提出相關(guān)建議措施。船舶管理方可以通過(guò)Citrix(云計(jì)算虛擬化、虛擬桌面和遠(yuǎn)程接入技術(shù))登錄岸端可視化系統(tǒng)界面操作，同時(shí)對(duì)于需要的數(shù)據(jù)可以通過(guò)QlikView(可視化服務(wù)器，可在網(wǎng)上發(fā)布并可通過(guò)任意PC端進(jìn)行訪問(wèn))進(jìn)行數(shù)據(jù)過(guò)濾導(dǎo)出Excel電子表格。同時(shí)岸端長(zhǎng)期數(shù)據(jù)庫(kù)可以包括不止單船的數(shù)據(jù)，可由船隊(duì)規(guī)模進(jìn)行交叉比對(duì)，從而實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)的優(yōu)化分析，再通過(guò)衛(wèi)星通信返回船端，將最優(yōu)決策可視化呈現(xiàn)給郵船高級(jí)管理人員。圖6和圖7展示了岸基決策支持系統(tǒng)的關(guān)鍵績(jī)效指標(biāo)和趨勢(shì)分析案例。

圖6 岸基決策支持系統(tǒng)中的關(guān)鍵績(jī)效指標(biāo)

圖7 岸基決策支持系統(tǒng)中的趨勢(shì)分析

4 結(jié) 語(yǔ)

郵船在航行過(guò)程中，有效的能效管理可以提高能源利用效率，減少CO2排放，降低船舶運(yùn)營(yíng)成本。本文提出的豪華郵船能效管理系統(tǒng)從多方面分析設(shè)計(jì)了如何進(jìn)行節(jié)能降耗、降低公司船隊(duì)的運(yùn)營(yíng)成本、提高經(jīng)營(yíng)效率的功能模塊，系統(tǒng)可操作性強(qiáng)，可為豪華郵船的開(kāi)發(fā)建造及實(shí)際運(yùn)營(yíng)提供指導(dǎo)。但豪華郵船能效管理具有很高的綜合性和復(fù)雜度，其管理成效的優(yōu)化還須進(jìn)一步在實(shí)踐中不斷探索和完善。

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