基于船舶能效提升的航速優(yōu)化研究現(xiàn)狀及展望

楊天宇， 楊志勇,b， 張 彥,b,c， 袁成清,b,c

(武漢理工大學(xué) a. 能源與動(dòng)力工程學(xué)院；b.船舶動(dòng)力工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)試驗(yàn)室；c.國(guó)家水運(yùn)安全工程技術(shù)研究中心，武漢 430063)

船舶運(yùn)輸作為交通運(yùn)輸領(lǐng)域的重要一環(huán)，是全球80%以上貨物在物流途中的必經(jīng)環(huán)節(jié)。根據(jù)《2017中國(guó)航運(yùn)發(fā)展報(bào)告》，我國(guó)水路運(yùn)輸貨物的總量以及周轉(zhuǎn)量在各種運(yùn)輸方式中所占的比例分別為13.9%和49.7%。相比于陸運(yùn)和航空運(yùn)輸，水路運(yùn)輸在經(jīng)濟(jì)性、安全性和環(huán)境保護(hù)等方面擁有突出的優(yōu)勢(shì)。[1]

當(dāng)今世界造船能力供大于求，船廠建造的船舶價(jià)格直逼成本線，甚至虧本造船，許多船舶所有人趁機(jī)大量造船，導(dǎo)致運(yùn)力過剩，大批船舶運(yùn)輸任務(wù)不足；同時(shí)在資源逐漸枯竭與貿(mào)易戰(zhàn)的壓力下，一段時(shí)間油價(jià)大幅上漲，燃料成本居高不下，直接導(dǎo)致水路運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)性下降。自2009年12月聯(lián)合國(guó)氣候大會(huì)召開后，關(guān)于如何減少排放CO2進(jìn)入大氣以及如何提升CO2利用效率的問題，引起各行各業(yè)的重視。因此，提升船舶能效和降低油耗量，成為各國(guó)相關(guān)學(xué)者研究的熱點(diǎn)?，F(xiàn)階段提升船舶能效的方法主要集中在：船舶航速優(yōu)化[2]、船舶防污減阻技術(shù)[3]、非碳能源在船舶上的利用[4]及船舶航線優(yōu)化設(shè)計(jì)[5]等。

根據(jù)相關(guān)研究[6-7]，優(yōu)化船舶航速是降低船舶油耗及碳排放的有效措施之一。一般認(rèn)為大多數(shù)船型的燃油消耗量與船舶航速是3次方的關(guān)系[8-9]，因此，通過降低航速能夠極大程度減少航行過程中的燃油消耗量，從而提高船舶的能效，同時(shí)緩解水路運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)性下降帶來的壓力。但是，隨著船舶航速的降低，船舶航行的時(shí)間及船舶的租金等都會(huì)大幅度提高，導(dǎo)致船舶費(fèi)用上升，經(jīng)濟(jì)性變差，甚至有可能因?yàn)楹剿龠^低，引起船舶主機(jī)燃燒性能變差，導(dǎo)致船舶油耗增加。因此，可認(rèn)為航速優(yōu)化并不等同于降低航速。如何選取船舶的最優(yōu)航速，既滿足節(jié)油降耗的要求，又不引起安全性降低、機(jī)械損傷等問題，成為該領(lǐng)域的一個(gè)研究重點(diǎn)。本文結(jié)合目前船舶航速優(yōu)化的研究現(xiàn)狀，從提高船舶能效的角度對(duì)現(xiàn)階段航速優(yōu)化的研究成果進(jìn)行歸納，以期為相關(guān)技術(shù)的發(fā)展提供依據(jù)。

1 航速優(yōu)化對(duì)能效提升的作用

1.1 船舶航速的3種選擇

一般而言，對(duì)于船舶行駛來說，常用航速可分為設(shè)計(jì)航速、經(jīng)濟(jì)航速和最優(yōu)航速等3種。[10-11]

1.1.1設(shè)計(jì)航速

設(shè)計(jì)航速指船舶根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書所設(shè)計(jì)的航速，代表著船舶滿載時(shí)理論上能夠達(dá)到的最大航速。在設(shè)計(jì)航速下，螺旋槳與主機(jī)的配合合理，但是由于航速過高，采用該航速行駛時(shí)，往往油耗率較大。

1.1.2經(jīng)濟(jì)航速

經(jīng)濟(jì)航速指船舶每航行1 n mile油耗量最低的航速，在該航速下船舶航行的燃油成本最低。

1.1.3最優(yōu)航速

最優(yōu)航速指航行時(shí)滿足綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)的航行速度。在一般情況下，設(shè)計(jì)航速與經(jīng)濟(jì)航速往往不是滿足綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)的最優(yōu)航速。最優(yōu)航速的選擇，通常需要考慮各個(gè)方面的評(píng)價(jià)指標(biāo)。較常見的是時(shí)間條件和船舶能效指標(biāo)。在節(jié)能減排的強(qiáng)烈要求下，提升船舶能效成為航速優(yōu)化的主要目的。目前很多研究通常重點(diǎn)考慮航速優(yōu)化后船舶能效的提升情況，而簡(jiǎn)化其他方面的限制條件。通常采用的評(píng)價(jià)指標(biāo)包括船舶能效運(yùn)營(yíng)指數(shù)(Energy Efficiency Operational Indicator, EEOI)、船舶油耗和廢氣的排放量(一般指CO2和NOx)。[12]通過確定這些指標(biāo)與航速的關(guān)系，可找到滿足給定指標(biāo)的最優(yōu)航速。

1.2 船舶能效與航速的關(guān)系

EEOI是由國(guó)際海事組織(International Maritime Organization, IMO)推出的衡量船舶能效的標(biāo)準(zhǔn)，用于評(píng)價(jià)船舶能效管理的實(shí)施情況。[13]據(jù)2009年7月IMO第59次會(huì)議通過的《船舶EEOI自愿使用指南》[14]，可得到某段時(shí)期內(nèi)EEOI的計(jì)算公式為

(1)

式(1)中：Fj為船舶在航行過程中消耗的燃油j的質(zhì)量；CFj為燃油j的CO2排放因子；mcargo為貨船的載貨質(zhì)量；D為船舶的航行里程。

根據(jù)公式，EEOI與船舶的載重情況、航行里程成反比，與燃油消耗量、燃油碳含量成正比。由于油耗量與船舶航速是三次方的關(guān)系[15]，相關(guān)研究表明[16]當(dāng)船舶航速降低時(shí)，EEOI會(huì)隨之下降，船舶能效得以提升，且EEOI對(duì)于航速的變化極為敏感，航速產(chǎn)生較小的變化即會(huì)導(dǎo)致EEOI發(fā)生較大的變化。

2 最優(yōu)航速的主要影響因素

2.1 船舶能效影響因素

由于提升船舶能效成為航速優(yōu)化的主要目的，因此可認(rèn)為在節(jié)能減排的強(qiáng)烈要求下，以EEOI為表征的能效成為最優(yōu)航速的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，而對(duì)應(yīng)的影響因素統(tǒng)稱為能效影響因素。

研究顯示：驅(qū)使船舶正常航行能量?jī)H占必需的船用燃料提供能量的21.5%。[18]船舶在航行過程中消耗的燃料產(chǎn)生的輸出功率，一部分用來克服船舶的航行阻力，另一部分則用來彌補(bǔ)船舶內(nèi)摩擦所造成的能量損失。無論是船舶的航行阻力還是船舶內(nèi)摩擦造成的能量損失都與船舶航速息息相關(guān)。

對(duì)于航行阻力，大多數(shù)的研究都只關(guān)注特定的影響因素，主要包括水流速度與方向、波浪、船舶污底以及風(fēng)速與風(fēng)向等。[19-21]

水流速度與方向主要影響相對(duì)航速；波浪主要影響興波阻力和造成船舶失速；污底則主要影響船舶表面粗糙度甚至改變船舶形貌。船舶所受水下阻力特性曲線見圖1[22]：隨著航速的增加，船體所受到的阻力會(huì)迅速增加；當(dāng)航速超過一定的值時(shí)，興波阻力相對(duì)摩擦阻力而言，對(duì)于航速的變化更加敏感；此時(shí)，波浪對(duì)于船體阻力造成的影響往往不能被忽略。當(dāng)改變這些影響因素時(shí)，船舶受到的各種阻力曲線的斜率就會(huì)發(fā)生變化，從而影響到船舶能效及最優(yōu)航速的選取。

圖1 船舶所受水下阻力特性曲線

風(fēng)速與風(fēng)向主要通過作用于船體水面以上的建筑影響船體所受的風(fēng)阻，船舶在風(fēng)影響下的平面運(yùn)動(dòng)模型見圖2。船舶受風(fēng)力影響后的航速可由船舶的漂角β、風(fēng)舷角θT、風(fēng)致漂移航速vT以及船舶航速vspeed等表示出來。風(fēng)速和風(fēng)向直接造成船舶速度的變化。同時(shí)，風(fēng)還對(duì)船體上層建筑造成一個(gè)風(fēng)壓力[24]，阻礙船舶的航行。

圖2 風(fēng)影響下的船舶平面運(yùn)動(dòng)

船舶內(nèi)摩擦導(dǎo)致各部分的能量傳遞損失，主要體現(xiàn)在動(dòng)力系統(tǒng)的關(guān)鍵摩擦部件上。摩擦造成的能量損失會(huì)影響船-機(jī)-槳匹配特性，從而直接作用到航速上。目前，該部分對(duì)于航速的影響計(jì)算，常采用經(jīng)驗(yàn)值直接代入[25]，而袁成清等提出在考慮關(guān)鍵摩擦部件減摩的基礎(chǔ)上，動(dòng)態(tài)考慮內(nèi)摩擦、航速與能效的關(guān)系。

2.2 邊界條件影響因素

以能效為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)所得到的最優(yōu)航速能夠起到很好的節(jié)能減排效果，但由于在船舶運(yùn)輸過程中，航行安全、托運(yùn)人需求和整體經(jīng)濟(jì)性都是實(shí)際影響航速?zèng)Q策的關(guān)鍵因素，因此現(xiàn)有研究表明航速優(yōu)化過程中還需要引入經(jīng)濟(jì)性影響因素(例如托運(yùn)人對(duì)運(yùn)輸及時(shí)性的要求、運(yùn)力-運(yùn)量供需平衡以及燃料價(jià)格變化等)和安全性影響因素(例如海上航行安全性、船舶機(jī)械運(yùn)行合理性等作為邊界條件)。

支撐船舶運(yùn)輸發(fā)生的關(guān)鍵是托運(yùn)人的需求，而經(jīng)濟(jì)性是其重點(diǎn)考慮的指標(biāo)。減低航速勢(shì)必導(dǎo)致船舶航行時(shí)間大幅度提高，延長(zhǎng)船舶運(yùn)行周期，從而有可能造成：與托運(yùn)人對(duì)運(yùn)輸及時(shí)性的要求產(chǎn)生矛盾；船舶租金增加導(dǎo)致船舶費(fèi)用上升，經(jīng)濟(jì)性變差；過多的運(yùn)力投入，浪費(fèi)船員與資源；船舶調(diào)度波動(dòng)，影響運(yùn)力-運(yùn)量供需平衡。有時(shí)又需要低速航行來應(yīng)對(duì)航運(yùn)市場(chǎng)低迷帶來的運(yùn)力過剩，節(jié)省運(yùn)營(yíng)成本。與此同時(shí)，對(duì)于托運(yùn)人來說，降低航速的主觀動(dòng)力是降低油耗量來降低燃油成本和受制于環(huán)保法規(guī)，因此，燃油價(jià)格的變化也會(huì)造成不一樣的航速?zèng)Q策。在實(shí)際計(jì)算過程中，通常將各經(jīng)濟(jì)性影響因素?fù)Q算成運(yùn)輸成本值來限定航速的變化區(qū)間，從而影響航速優(yōu)化。

在船舶運(yùn)輸過程中，安全性永遠(yuǎn)是先于節(jié)能降耗的，而船舶航速的持續(xù)降低，在復(fù)雜海況下會(huì)影響船舶在海上抵抗風(fēng)險(xiǎn)的能力，降低安全性。同時(shí)，長(zhǎng)期低速航行的船舶還會(huì)導(dǎo)致船舶的機(jī)械損傷，引起船舶主機(jī)燃燒性能變差，造成積油、積炭，活塞環(huán)、環(huán)槽和缸套過度磨損，影響主機(jī)運(yùn)行安全。在實(shí)際計(jì)算過程中，通常以安全航速以及船舶實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)來限定優(yōu)化航速的波動(dòng)區(qū)間。

3 基于船舶能效提升的航速優(yōu)化方法

基于船舶能效提升的航速優(yōu)化并不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系求解，實(shí)際是確定多目標(biāo)條件下的區(qū)間值[26-27]，關(guān)鍵在于目標(biāo)函數(shù)的確定。目標(biāo)函數(shù)即為各種評(píng)價(jià)指標(biāo)的表達(dá)函數(shù)，通常優(yōu)化問題的目標(biāo)函數(shù)并不是一個(gè)，這些優(yōu)化函數(shù)組合在一起，形成非線性的規(guī)劃問題，在綜合的邊界約束條件下，求解出最優(yōu)的航速。

目前，出于不同研究目的，設(shè)計(jì)的航速優(yōu)化模型有很多種，主體包括兩類：一類是基于邏輯數(shù)理關(guān)系建立函數(shù)集，通過優(yōu)化算法求解；另一類是基于大量數(shù)據(jù)擬合出對(duì)應(yīng)曲線從而獲得函數(shù)求解。例如，WONG等[28]建立基于對(duì)數(shù)和線性效用函數(shù)的規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)和風(fēng)險(xiǎn)中型的決策模型，得到權(quán)衡碳排放、油耗和到貨時(shí)間的最優(yōu)航速。WANG等[29]利用歷史經(jīng)營(yíng)數(shù)據(jù)研究船舶燃油消耗量-航行速度的關(guān)系，并且建立非線性模型，進(jìn)行航速優(yōu)化。綜合各類航速優(yōu)化模型的研究方法，并基于最優(yōu)航速主要影響因素分析，提出最優(yōu)航速求解的一般方法見圖3。

圖3 最優(yōu)航速求解的一般方法

根據(jù)研究的需要，首先確定研究的評(píng)價(jià)指標(biāo)以及需要涉及的影響因素。根據(jù)不同影響因素的特點(diǎn)，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，使各影響因素通過航速與評(píng)價(jià)指標(biāo)建立聯(lián)系，并進(jìn)行仿真。根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)和邊界約束條件的特點(diǎn)，可從仿真結(jié)果中選取恰當(dāng)?shù)娜≈底鳛樽顑?yōu)航速的取值。這個(gè)最優(yōu)航速的取值是一個(gè)理論值，只能在一定程度上反映最優(yōu)航速真實(shí)值的取值范圍。為確定模型的可靠性，通常需要進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比分析，從而獲得試驗(yàn)值與理論值的誤差分析，確定模型的可靠性。

仿真一般采用MATLAB/SIMULINK配合其他軟件進(jìn)行。以選擇EEOI為評(píng)價(jià)指標(biāo)，研究航速變化與船舶能效提升的關(guān)系為例：通常使用FLUENT研究各個(gè)影響因素對(duì)航行阻力的影響，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果獲得各影響因素的數(shù)學(xué)模型。將獲得的數(shù)學(xué)模型代入MATLAB/SIMULINK中的能效模型中仿真，得到的數(shù)據(jù)繪制成曲線，在經(jīng)濟(jì)性影響因素與安全性影響因素作為邊界約束條件所允許的可行域內(nèi)，確定最小的EEOI所對(duì)應(yīng)的航速，即為最優(yōu)航速。在這個(gè)航速下航行，船舶的能效最高。

4 船用新能源使用下的航速優(yōu)化

在節(jié)能減排的巨大壓力下，綠色船舶已成為未來船舶的發(fā)展方向，而在諸多綠色船舶技術(shù)中，以風(fēng)能、太陽能、液化天然氣等新能源的使用最具前景。[30]船用新能源的使用最直接的影響在于油耗量的降低，從而提升船舶能效。但對(duì)于風(fēng)帆、太陽能光伏系統(tǒng)等，其運(yùn)行效能在很大程度上受制于航行過程中海洋環(huán)境的具體情況，例如風(fēng)速、輻照強(qiáng)度等，而其與航速之間有所關(guān)聯(lián)。

船用新能源的使用，例如風(fēng)帆，會(huì)直接影響船舶航行時(shí)的阻力、船-機(jī)-槳匹配等特性，從而改變諸多因素與最優(yōu)航速之間的影響關(guān)系，使得最優(yōu)航速求解問題需要采取新的途徑。由于船用新能源的使用研究仍處于發(fā)展階段，關(guān)于船用新能源使用下的航速優(yōu)化問題還未有過多研究成果，主要集中于風(fēng)帆助航對(duì)螺旋槳特性的影響、對(duì)船舶阻力的增益等，通過增加變量的方式引入到多目標(biāo)函數(shù)中求解最優(yōu)航速；也有部分學(xué)者[31]提出，由于風(fēng)能、太陽能等新能源的使用效率與航線息息相關(guān)，可通過建立船舶能效、航線優(yōu)化、航行時(shí)間與航速之間的關(guān)系來進(jìn)行最優(yōu)航速求解。正是由于船用新能源使用的發(fā)展，其與航速優(yōu)化的協(xié)同控制將是未來提高船舶能效的主要途徑之一。

5 結(jié)束語

現(xiàn)階段的研究主要集中在航速優(yōu)化的思路和算法上，針對(duì)不同類型的船舶和需要進(jìn)行優(yōu)化的評(píng)價(jià)指標(biāo)，探求船舶在不同通航環(huán)境中的最優(yōu)航速。研究船舶內(nèi)摩擦導(dǎo)致的能量損失及船舶通航對(duì)船舶阻力的影響，搭建更精細(xì)的數(shù)學(xué)模型，縮小最優(yōu)航速的選擇范圍，為研究提升船舶能效的策略提供可靠的依據(jù)。

對(duì)于船舶航速優(yōu)化的研究，在基于各影響因素?cái)?shù)學(xué)關(guān)系解決相對(duì)固定的靜態(tài)航速優(yōu)化問題方面已經(jīng)有了許多成果。但對(duì)于通航環(huán)境等各方面影響因素發(fā)生變化后的動(dòng)態(tài)船舶最優(yōu)航速調(diào)整問題涉及較少。未來應(yīng)重點(diǎn)完善航速優(yōu)化研究，使得船舶在應(yīng)對(duì)多變的通航環(huán)境時(shí)具有更好的適應(yīng)性。