基于AIS數(shù)據(jù)的船舶排放估測模型與實(shí)船驗(yàn)證

王直歡　王維勛　施欣

摘要：

為提升船舶能耗和排放估測的準(zhǔn)確性和靈活性，提出面向船舶自動識別系統(tǒng)（automatic?identification?system，?AIS）大數(shù)據(jù)的完全自下而上的船舶能耗和排放估測新方法。該方法視船舶為一種基于船舶航跡的線排放源，在構(gòu)建船舶網(wǎng)格化軌跡模型的基礎(chǔ)上，考慮每個(gè)網(wǎng)格航段的持續(xù)時(shí)間和發(fā)動機(jī)負(fù)載，實(shí)現(xiàn)船舶能耗和排放的精細(xì)化建模，統(tǒng)一船舶排放總量和空間分布計(jì)算。實(shí)船應(yīng)用表明，該方法可提供更加準(zhǔn)確的船舶能耗估計(jì)，并可靈活計(jì)算各種航行狀態(tài)、船隊(duì)規(guī)模和時(shí)空尺度的能耗和排放清單。

關(guān)鍵詞：

船舶自動識別系統(tǒng)（AIS）;?船舶軌跡;?船舶排放估測

中圖分類號：U675.7;?X736.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

AIS?data-based?ship?emission?estimation?model?and?real?ship?verification

WANG?Zhihuana，?WANG?Weixuna，?SHI?Xinb

（

a.?Institute?of?Logistics?Science?&?Engineering;?b.?School?of?Transport?&?Communications，

Shanghai?Maritime?University，?Shanghai?201306，?China）

Abstract：

To?improve?accuracy?and?flexibility?of?ship?energy?consumption?and?emission?estimation，?a?new?and?completely?bottom-up?method?suitable?for?automatic?identification?system?（AIS）?big?data?is?proposed?to?estimate?the?ship?energy?consumption?and?emission.?The?method?regards?a?ship?as?a?line?emission?source?based?on?the?ship?trajectory.?On?the?basis?of?building?the?ship?meshing?trajectory?model，?the?duration?and?the?engine?load?of?each?grid?are?taken?into?consideration，?the?fine?modeling?of?the?ship?energy?consumption?and?emission?is?realized，?and?the?total?emission?and?their?space?distribution?are?unified.?The?real?ship?application?shows?that，?the?method?can?provide?more?accurate?estimation?of?ship?energy?consumption，?and?can?flexibly?calculate?the?ship?energy?consumption?and?emission?list?of?various?navigation?states，?fleet?sizes?and?space-time?scales.

Key?words：

automatic?identification?system?（AIS）;?ship?trajectory;?ship?emission?estimation

收稿日期：?2019-01-21

修回日期：?2019-05-08

基金項(xiàng)目：

國家自然科學(xué)基金（41505001）

作者簡介：

王直歡（1980—），男，浙江臺州人，工程師，博士研究生，研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)智能與綠色物流，（E-mail）zhwang@shmtu.edu.cn;

王維勛（1995—），男，山東菏澤人，碩士研究生，研究方向?yàn)槲锪鞴こ膛c管理，（E-mail）806543161@qq.com;

施欣（1966—），男，上海人，教授，博導(dǎo)，博士，研究方向?yàn)榻煌ㄟ\(yùn)輸規(guī)劃與管理，（E-mail）xinshi@shmtu.edu.cn

0?引?言

船舶大氣污染問題近年來受到了國內(nèi)外高度重視[1-2]。國際海事組織（IMO）以及主要航運(yùn)國家都在制定相應(yīng)的海運(yùn)船舶減排政策和措施。例如，IMO海上環(huán)境保護(hù)委員會（MEPC）第70次會議通過決議，要求從2020年開始在全球海域船舶燃油硫含量不超過0.5%。中國在2015年底設(shè)立了環(huán)渤海、長三角和珠三角排放控制區(qū)（ECA），并于2018年11月進(jìn)一步將ECA拓展到我國沿海12?n?mile以內(nèi)的海域。全球性航運(yùn)限硫和我國新ECA政策將對我國航運(yùn)業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。準(zhǔn)確估測船舶能耗和排放對政府管理機(jī)構(gòu)制定和評估各種減排政策以及船公司選擇最優(yōu)的減排措施都具有非常重要的意義。

然而，現(xiàn)有的模型可能無法提供可靠的估測?；诖坝秃牡姆椒ㄍǔ２捎萌加弯N售數(shù)據(jù)推斷船舶排放[3-4]。該類方法一般應(yīng)用于全球排放的統(tǒng)計(jì)，并且存在非常顯著的不確定性。由于燃油銷售數(shù)據(jù)與實(shí)際使用區(qū)域無法準(zhǔn)確匹配，該類方法難以計(jì)算特定區(qū)域的排放?；诖盎顒拥姆椒ǜ鶕?jù)船舶實(shí)際航速等活動信息計(jì)算船舶發(fā)動機(jī)載荷以及各種航行模式下的航行時(shí)間，從而得到船舶能耗和排放，具有較高的時(shí)空分辨率，但是對輸入數(shù)據(jù)要求比較高[5]。此外，船舶排放的空間分布一般都采用空間代理的方式（如船舶自動識別系統(tǒng)（AIS）報(bào)告點(diǎn)的密度）將排放總量分?jǐn)偟降乩砭W(wǎng)格中得到，存在船舶采樣偏差等諸多問題[6-7]。

近幾年基于AIS的船舶能耗和排放估測成為新的趨勢。AIS數(shù)據(jù)可應(yīng)用于不同空間尺度（從港口和城市級別到特定海域甚至全球范圍[8-11]）的排放統(tǒng)計(jì)。例如：文獻(xiàn)[3]提出一個(gè)船舶交通排放估測模型（STEAM2），該模型根據(jù)AIS數(shù)據(jù)中的航速信息、船舶檔案等數(shù)據(jù)計(jì)算船舶的瞬時(shí)能耗和排放，并應(yīng)用于波羅的海地區(qū);NG等[11]利用AIS數(shù)據(jù)計(jì)算船舶在香港的主要航道上的航速，并根據(jù)船舶主副機(jī)的油耗（為不同航行模式下發(fā)動機(jī)平均載荷、航行時(shí)間與發(fā)動機(jī)瞬時(shí)油耗率的乘積）計(jì)算香港地區(qū)的船舶能耗和排放;FAN等[8]和ZHANG等[10]利用AIS數(shù)據(jù)分析了中國沿海船舶排放及其對空氣質(zhì)量的影響;JOHANSSON等[5]利用AIS數(shù)據(jù)對全球船舶排放進(jìn)行估測。

當(dāng)前基于AIS數(shù)據(jù)的船舶排放估測還存在一些不足。在排放總量計(jì)算方面，當(dāng)前基于AIS的模型大多采用點(diǎn)排放源（即船舶在AIS報(bào)告點(diǎn)的能耗和排放）的方式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，這種方式忽略了船舶能耗和排放是一個(gè)伴隨船舶航行軌跡的連續(xù)過程，可能顯著低估了AIS信號較差地區(qū)（如遠(yuǎn)離港口的區(qū)域）的能耗和排放。此外，當(dāng)前基于空間代理計(jì)算排放空間分布的估算方式通常通過每個(gè)網(wǎng)格中AIS報(bào)告點(diǎn)的相對密度分?jǐn)偱欧帕俊＿@種方式忽視了船舶在不同的地理網(wǎng)格內(nèi)發(fā)動機(jī)負(fù)載、航行距離和航行時(shí)間的差別，估測結(jié)果存在較大偏差。

為此，本文從船舶軌跡出發(fā)，視船舶為一種連續(xù)的線性排放源，提出一種完全自下而上的基于網(wǎng)格化AIS軌跡的船舶能耗和排放估測新方法。該方法通過對網(wǎng)格航段能耗和排放的精細(xì)化建模和計(jì)算，自下而上統(tǒng)一了船舶排放總量和空間分布計(jì)算。為測試該方法的有效性，本文以一艘真實(shí)船為案例，采用本文提出的研究方法分析其排放特征，并將估測的油耗分別與真實(shí)油耗和NG等[11]的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較分析。

1?模型構(gòu)建

1.1?AIS數(shù)據(jù)

本文提出的排放估測模型主要基于AIS數(shù)據(jù)。根據(jù)IMO《國際海上人命安全公約》規(guī)定，總噸大于300?t的海運(yùn)船舶都需要安裝AIS終端設(shè)備。船舶發(fā)送的AIS信息通常可以被附近的岸邊或者衛(wèi)星AIS接收裝置接收，基本可實(shí)現(xiàn)全球范圍的船舶追蹤。AIS數(shù)據(jù)主要包括動態(tài)信息和靜態(tài)信息，其中動態(tài)信息主要包括船舶位置（經(jīng)緯度坐標(biāo)）、航速、航向等，靜態(tài)信息包括船舶載重噸、目的港和預(yù)計(jì)到達(dá)時(shí)間等。動態(tài)信息一般由與AIS相連接的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備自動提供，這些信息在航行時(shí)通常幾秒鐘更新一次，在停泊時(shí)幾分鐘更新一次，且準(zhǔn)確性較高。靜態(tài)信息一般由人工輸入，存在信息缺失或者不正確問題，可靠性相對較差。

1.2?船舶軌跡模型

船舶軌跡由一系列按照時(shí)間順序排列的AIS報(bào)告點(diǎn)組成，通過連接相鄰兩個(gè)AIS報(bào)告點(diǎn)可得到一條連續(xù)的船舶軌跡。為便于空間計(jì)算和分析，可對船舶軌跡進(jìn)行網(wǎng)格化處理。一個(gè)軌跡航段可以被網(wǎng)格進(jìn)一步分割成一個(gè)或者多個(gè)網(wǎng)格航段。圖1為基于AIS數(shù)據(jù)的網(wǎng)格化船舶軌跡模型。圖中船舶軌跡共由5個(gè)AIS報(bào)

告點(diǎn)（P1，P2，P3，P4，P5）和4個(gè)軌跡航段（L1，L2，L3，L4）組成，該軌跡經(jīng)過7個(gè)經(jīng)緯度網(wǎng)格航段（G12，G22，G32，G42，G43，G53，G63），被分割為10個(gè)網(wǎng)格航段，其中，同一網(wǎng)格中相鄰兩點(diǎn)之間的軌跡為1個(gè)網(wǎng)格航段，網(wǎng)格航段的端點(diǎn)可以是AIS報(bào)告點(diǎn)或者軌跡與網(wǎng)格的交點(diǎn)。

1.3?網(wǎng)格航段排放模型

船舶能耗和排放可以通過計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格航段得到，因此網(wǎng)格航段排放模型是本文的核心內(nèi)容。本文基于STEAM2構(gòu)建了網(wǎng)格航段排放估算方法，考慮到波浪和風(fēng)力阻力等數(shù)據(jù)難以獲取，本文沒

有考慮波浪和風(fēng)力等影響因素，具體見圖2。

由圖2可知，網(wǎng)格航段排放估測是一個(gè)比較復(fù)雜的過程，需要各種不同的數(shù)據(jù)（主要涉及船舶檔案數(shù)據(jù)、AIS數(shù)據(jù)、ECA和相關(guān)文獻(xiàn)）來計(jì)算。船舶檔案數(shù)據(jù)提供船舶類型、噸位、發(fā)動機(jī)額定載荷和服務(wù)航速等船舶結(jié)構(gòu)和特征基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。AIS數(shù)據(jù)用于提取網(wǎng)格航段的平均航速、持續(xù)時(shí)間、航行模式等信息，進(jìn)而用于估測船舶主機(jī)的載荷系數(shù)以及副機(jī)功率等動態(tài)信息。ECA提供船舶燃油的硫含量等限值，ECA外部的排放主要通過船舶燃油采購記錄或者參考相關(guān)文獻(xiàn)獲得。通過研究文獻(xiàn)可以得到船舶在不同航行狀態(tài)下的排放因子以及主機(jī)的低載荷系數(shù)?；谶@些數(shù)據(jù)計(jì)算船舶在每個(gè)網(wǎng)格航段的功耗。結(jié)合船舶功耗、各種排放物的排放因子和載荷調(diào)整因子可估算出各網(wǎng)格航段的油耗和各種排放。

值得注意的是，本文網(wǎng)格尺度可根據(jù)需要進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。每個(gè)網(wǎng)格也可以再劃分為多個(gè)子網(wǎng)格，以滿足各種排放空間分辨率的要求，排放計(jì)算原理基本相同。網(wǎng)格航段的航速與其所在的軌跡航段的平均航速相同。計(jì)算軌跡航段平均航速時(shí)，需要綜合考慮軌跡航段兩個(gè)端點(diǎn)之間的持續(xù)時(shí)間和距離。當(dāng)時(shí)間或者距離大于某一閾值（如時(shí)間大于20?min或者距離大于5?n?mile）時(shí)，采用網(wǎng)格航段球面距離除以持續(xù)時(shí)間來確定平均航速，否則取兩個(gè)端點(diǎn)的平均瞬時(shí)航速作為軌跡航段平均航速。網(wǎng)格較大時(shí)，可能同時(shí)包括多個(gè)軌跡航段，每個(gè)軌跡航段的航行工況不同。因此，同一個(gè)網(wǎng)格可包括多種航行工況。若網(wǎng)格較小，網(wǎng)格航段的航行時(shí)間小于AIS數(shù)據(jù)周期，則通過空間計(jì)算得到AIS軌跡航段與網(wǎng)格的交點(diǎn)，將軌跡航段分割為多個(gè)網(wǎng)格航段，網(wǎng)格航段航速為該AIS軌跡航段的平均航速。由于每個(gè)網(wǎng)格航段處的風(fēng)浪等海況可能不同，當(dāng)網(wǎng)格較小時(shí)可以考慮更加精細(xì)的風(fēng)浪、ECA邊界等因素，有可能提供更加準(zhǔn)確的航行工況和排放因子，有利于提高測算精度。

1.4?總體排放估測模型

船舶能耗和排放主要來自船舶主機(jī)、副機(jī)和鍋爐，鑒于鍋爐的排放量通常極小，并且缺乏可靠的數(shù)據(jù)支撐，存在非常大的不確定性，本研究暫不考慮鍋爐的油耗和排放。船舶在一定時(shí)間內(nèi)的排放總量和時(shí)空分布可通過匯總每個(gè)網(wǎng)格航段的排放得到。一艘船的排放物w的排放總量可表示為

Ew=ni=1（Emw，i+Eaw，i）

（1）

式中：w為大氣排放物，可為CO2、SO2等不同大氣排放物;n為船舶網(wǎng)格航段總數(shù);Emw，i和Eaw，i分別表示網(wǎng)格航段i上船舶主機(jī)和副機(jī)排放的w的量。

船舶的油耗量主要通過與船舶的CO2排放量換算得到。CO2排放量與燃油硫含量基本無關(guān)，并且與油耗量成正比，油耗量O可表示為

O=ECO2/Cf

（2）

式中：ECO2為CO2排放量，g;Cf為燃油碳系數(shù)，表示單位燃油產(chǎn)生的CO2量，具體可參考文獻(xiàn)[12]。

船舶主機(jī)排放量計(jì)算式為

Emw，i=P（vi/vmax）3tiFew，i

（3）

式中：vi為在航段i上的平均航速，kn;vmax為船舶最大航速，kn;Few，i為

排放物w在航段i上的排放因子，

g/（kW·h）。vi通常通過航行距離和航行時(shí)間得到，但是在航行距離較近時(shí)直接選取通過航段兩端點(diǎn)的瞬時(shí)航速以減小誤差。Few，i通過下式計(jì)算：

Few，i=FswFfw，iAi

（4）

式中：Fsw為船舶排放物w的排放因子，g/（kW·h），可參考文獻(xiàn)[2];Ffw，i表示排放物w在航段i上的排放因子與基準(zhǔn)排放因子的比值，如果船舶使用的燃油不同于基準(zhǔn)燃油則需要用燃油修正系數(shù)進(jìn)行修正，具體可參考文獻(xiàn)[13];Ai，當(dāng)發(fā)動機(jī)載荷小于20%時(shí)，發(fā)動機(jī)燃油燃燒效率降低，需乘以該因子，該因子的取值可參考文獻(xiàn)[13]中表3.9。

船舶副機(jī)排放量的計(jì)算方式與主機(jī)略有不同。船舶一般有多個(gè)副機(jī)，單個(gè)副機(jī)的載荷都比較高，因此，低載調(diào)整系數(shù)都為1，即不需要調(diào)整。副機(jī)排放計(jì)算公式如下：

Eaw，i=PitiFswFfw，i

（5）

式中：Pi為在航段i上船舶副機(jī)平均功率，kW。船舶副機(jī)功率通過船舶航行模式確定，在不同航行模式下船舶副機(jī)的功率區(qū)別較大，具體可參考文獻(xiàn)[2]。

2?實(shí)船應(yīng)用

為測試本文方法的有效性和適用性，分別以本文提出的方法和NG等[11]使用的方法估測一艘真實(shí)船的油耗和排放特征，并與該船的真實(shí)油耗進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)船為一艘2009年建造，主機(jī)額定功率為4?400?kW，額定轉(zhuǎn)速為460?r/min，服務(wù)航速為12?kn，載重噸為23?515?t的普通貨船。該船主機(jī)主要消耗重油，副機(jī)主要消耗柴油。AIS數(shù)據(jù)由第三方平臺提供，涵蓋該船從2013-10-24T02：00到2013-10-28T12：30，從中國京唐港航行至常州港的整個(gè)航次的數(shù)據(jù)。該航次總共包括5?107個(gè)AIS觀測點(diǎn)，5?106個(gè)軌跡航段，總共歷時(shí)106.5?h，總航程708?n?mile。

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（編輯?賈裙平）