大數(shù)據(jù)技術(shù)在船舶能效管理中的應(yīng)用

武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院 龔婷

燃油價格的上漲和港口使用及船只維護費用的上升增大了船舶營運的成本，而燃油費用占了總成本的三分之二，有巨大的節(jié)約壓縮空間，所以船舶的能效管理是控制運營成本的關(guān)鍵部分。目前，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)滲透到各行各業(yè)，大數(shù)據(jù)、云計算和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)已經(jīng)在交通運輸和通信行業(yè)得到了應(yīng)用。在對管理技術(shù)和制度進行變革創(chuàng)新的基礎(chǔ)上利用大數(shù)據(jù)技術(shù)來節(jié)約能效，不僅能夠提高我國海上交通管理的品質(zhì)與質(zhì)量，也能節(jié)約資源，降低運輸成本，推動我國經(jīng)濟發(fā)展。因此，船舶行業(yè)需要根據(jù)信息化特點科學(xué)地利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，為船舶營運提供更加全面的技術(shù)支持，提高船舶工作運輸效率。

1 大數(shù)據(jù)及其相關(guān)技術(shù)

1.1 大數(shù)據(jù)簡介

大數(shù)據(jù)是指充分利用互聯(lián)網(wǎng)和計算機技術(shù)，獲取大批量信息數(shù)據(jù)并對其進行整合。其中，“大數(shù)據(jù)”中的“大”并不僅僅指信息數(shù)據(jù)量的龐大，還體現(xiàn)了通過數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)對數(shù)據(jù)和信息進行專業(yè)化處理，和對數(shù)據(jù)信息自身蘊含的應(yīng)用價值的肯定。大數(shù)據(jù)具有 5V 的特點：Volume（大量）、Velocity（高速）、Variety（多樣）、Value（低價值密度）和 Veracity（真實）。其中，Volume 指的是大數(shù)據(jù)的數(shù)量龐大，種類雜亂；Velocity 指的是數(shù)據(jù)增長速度快，呈幾何式增長，且越到后期增長越快，對數(shù)據(jù)處理的速度也不斷提高；Variety 指的是大數(shù)據(jù)中數(shù)據(jù)類型多樣，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，表現(xiàn)形式不同；Value 指大數(shù)據(jù)包含大量無用信息，這就使得需要的信息往往被無用信息覆蓋，導(dǎo)致數(shù)據(jù)利用困難，簡單來說，需要對海量的數(shù)據(jù)進行采集、處理和分析才能獲取所需要的信息；Veracity 指的是數(shù)據(jù)產(chǎn)生和處理是實時的，具有準(zhǔn)確的特點。大數(shù)據(jù)的這些特性，使其具有廣闊的應(yīng)用前景和巨大的應(yīng)用潛力。

1.2 大數(shù)據(jù)技術(shù)

大數(shù)據(jù)本身Value（低密度）的特點，導(dǎo)致需要對數(shù)據(jù)進行處理才能使用，否則數(shù)據(jù)將毫無價值。大數(shù)據(jù)處理以大數(shù)據(jù)為原材料，而正是因為大數(shù)據(jù)不同于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)量的龐大，導(dǎo)致無法用傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)進行處理，所以大數(shù)據(jù)處理技術(shù)應(yīng)運而生。

大數(shù)據(jù)處理技術(shù)已經(jīng)成了大數(shù)據(jù)領(lǐng)域內(nèi)各行各業(yè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在互聯(lián)網(wǎng)和計算機技術(shù)的推動下，各種大數(shù)據(jù)處理方法已經(jīng)得到了廣泛的發(fā)展和應(yīng)用。一般來說，大數(shù)據(jù)處理需要經(jīng)過以下幾個步驟：數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的存儲和數(shù)據(jù)的分析。經(jīng)過這些處理后才有可能獲取所需要的信息。常見的大數(shù)據(jù)技術(shù)有信息管理系統(tǒng)、NoSQL、分布式數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)挖掘和類聚分析等。大數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展離不開計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感技術(shù)和數(shù)學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科的進步。目前社會上已經(jīng)出現(xiàn)了大量的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和算法，并在各行各業(yè)發(fā)揮作用，未來還會出現(xiàn)更加先進高效的大數(shù)據(jù)處理技術(shù)，不斷推動著大數(shù)據(jù)的發(fā)展。

2 智能能效管理

船舶的能效管理有如下三個層次：第一層次是與能效相關(guān)的數(shù)據(jù)信息的采集；第二層次根據(jù)采集的能效數(shù)據(jù)對船舶的航行操作提供決策參考和輔助；第三層次主要是優(yōu)化船舶的水動力性能，完成固定船舶的型線優(yōu)化。

能效管理是一個非常復(fù)雜的過程，船舶的智能能效管理是通過能效監(jiān)控和管理設(shè)備實現(xiàn)的，這兩個部分都能進行實時采集關(guān)于航行狀態(tài)、航行中設(shè)備機器的耗能情況等信息，自動收集船舶航行時的狀態(tài)、外界環(huán)境條件、機器耗能情況等數(shù)據(jù)，并以此為基礎(chǔ)評估船舶的能效、航行和裝載情況，更進一步，再利用大數(shù)據(jù)技術(shù)、數(shù)值仿真分析等優(yōu)化技術(shù)為船舶提供直觀的可視化分析結(jié)果，為操作人員提供數(shù)據(jù)分析的結(jié)果和操縱上關(guān)于調(diào)整航行速度、最佳配載等決策的輔助建議，如提供最佳航速的參考，降低船舶耗能；裝載計算機給出最佳裝載建議，降低船舶阻力和油耗。真正做到對船舶實時監(jiān)控、評估和優(yōu)化。

3 船舶能效管理的具體作用

3.1 調(diào)度優(yōu)化

隨著我國海上交通運輸?shù)陌l(fā)展，船舶的數(shù)量迅速壯大，不過港口和航道的規(guī)劃建設(shè)越來越難以跟上船舶增加的節(jié)奏，這就導(dǎo)致港口和航道的設(shè)置安排越來越雜亂，極大地增加了船舶調(diào)度的難度。而大量的船舶在港口的調(diào)度和航道規(guī)劃受到諸多因素的影響，如果把這些因素統(tǒng)計起來用數(shù)據(jù)表示，將是極大的數(shù)據(jù)量，符合大數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)，可以利用大數(shù)據(jù)的采集和處理思路來解決。目前大數(shù)據(jù)分析技術(shù)已經(jīng)在船舶調(diào)度管理方面得到了初步應(yīng)用，并且一定程度上提高了調(diào)度的效率。具體步驟是，先把船舶信息預(yù)存入中心系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中，然后對它們進行集中分析處理，利用大數(shù)據(jù)相關(guān)技術(shù)（如數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)處理等）對船舶的動態(tài)進行即時分析和調(diào)度，實現(xiàn)船舶調(diào)度的科學(xué)化和信息化，在很大程度上緩解了港口和航道規(guī)劃建設(shè)方面的壓力，彌補了由于港口航道調(diào)度跟不上船舶發(fā)展而造成的漏洞。目前已經(jīng)有學(xué)者提出了多種以大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的船舶調(diào)度方案，如圖譜特征分析、關(guān)聯(lián)特征匹配、數(shù)據(jù)挖掘等，對船舶調(diào)度管理做出了優(yōu)化處理。

3.2 縱傾優(yōu)化

縱傾優(yōu)化是指應(yīng)用CFD 工具或船模水池試驗來計算船舶在不同裝載情況或不同航速下受到的阻力，同時采用優(yōu)化思想，以實現(xiàn)最小阻力為目標(biāo)，在考慮航行視線、穩(wěn)定和強度安全的前提下，給出最佳縱傾浮態(tài)的參考，為船舶實際的營運提供決策建議。設(shè)計縱傾性能數(shù)據(jù)庫的傳統(tǒng)方法是在設(shè)計階段通過開頭提到的兩種方法來計算船舶在不同航行狀態(tài)下吃水時對應(yīng)的不同航速和縱傾受到的阻力，從而計算出吃水、航速和縱傾下的主機功率。再根據(jù)航行前預(yù)設(shè)的航速和吃水情況，找到最低功率下對應(yīng)的最佳縱傾情況。

這種縱傾方法存在一定的局限性，比如實際的航速和吃水情況都不一定和試驗時模擬的數(shù)據(jù)一致。所以需要在縱傾矩陣內(nèi)插入一些數(shù)值，并假設(shè)它們和原數(shù)值之間存在線性關(guān)系。不過當(dāng)吃水深度和縱傾離球鼻艏浸沒點非常接近的時候，這種方式往往并不準(zhǔn)確。另外，這種方法也存在局限，比如沒有考慮到船舶外界擾動和動態(tài)的實時情況，如出現(xiàn)風(fēng)或下沉，簡單來說，船員不能準(zhǔn)確獲得船舶的實際吃水深度，只能確定出航前的狀態(tài)。即使按比例放大也會出現(xiàn)偏差，從而阻礙了船舶獲得最佳縱傾并按照這個狀態(tài)航行。

航速、海況、海面等種種會在實際航行中實時變化的因素，導(dǎo)致航行中實際縱傾角度和靜態(tài)縱傾角度相差很大，甚至可以達到1m。所以，對船舶航行數(shù)據(jù)進行實時采集是很有必要的，還要在此基礎(chǔ)上進行多維分析，尋找優(yōu)化動態(tài)縱傾的最佳方法。動態(tài)縱傾優(yōu)化需要考慮大量的變量因素，如流體學(xué)相關(guān)和天氣情況。在綜合考慮這些種種因素后，再計算出最佳縱傾數(shù)值，并持續(xù)不斷采集數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行清洗和分析，不斷提高優(yōu)化縱傾的精度，實現(xiàn)船舶的節(jié)能智能航行。

3.3 航速優(yōu)化

主機轉(zhuǎn)速和航速也是影響油耗的重要因素。在船期范圍內(nèi)，大型船舶通常采取降低航速的方式來減少油耗。以航行數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合航次記畫、航線和燃料消耗情況以及成本分析，得出優(yōu)化航速的最佳方案。能源監(jiān)控系統(tǒng)既可以輸入預(yù)定的航行線路、燃油價格、出發(fā)到達的具體時間，還可以接收基地發(fā)送的天氣情況如風(fēng)、浪涌和潮流等氣象信息，然后將航線分為多個部分，對每一部分計算出具體的最佳航速和轉(zhuǎn)速，為操作人員提供參考。

3.4 清除污底優(yōu)化

隨著船舶運營時間的增加，船體和螺旋槳表里都會積累大量污底。為了減小由此帶來的阻力，提高螺旋槳工作推行的效率，需要定期清除船舶污底。大數(shù)據(jù)技術(shù)能夠為這項工作提供更加高效的建議。大數(shù)據(jù)技術(shù)可以對運營時監(jiān)測到的數(shù)據(jù)進行梳理，從中篩選出有關(guān)船速和主機功率的數(shù)據(jù)，并按照時間順序進行排序，清除風(fēng)、浪、流和海水溫度等自然因素對船舶營運功率的影響，進一步得到船舶污底與營運時間和航線這三者之間的關(guān)系，根據(jù)實際情況清除污損，能夠提高船舶能效、降低營運成本。

3.5 航線優(yōu)化

海上交通運輸?shù)奶厥庑允沟么氨仨氁揽恳欢ǖ膶?dǎo)航系統(tǒng)才能到達目的地，而海事部門也需要對船舶的航跡進行預(yù)測掌握，從而調(diào)整航路調(diào)度，避免事故的發(fā)生。隨著水上運輸事業(yè)的發(fā)展，船舶定位和航跡預(yù)測的工作也變得越來越重要，成了近年來的熱點話題。目前實現(xiàn)船舶定位和航跡預(yù)測方法的核心思想都是通過船舶定位數(shù)據(jù)進行曲線擬合，進而完成船舶定位和航跡預(yù)測，具體有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、灰色模型、貝葉斯等方法。雖然這些方法在實際中已經(jīng)有了應(yīng)用，但準(zhǔn)確性和可靠性都還有待提高，并且存在一定的局限性。例如，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)需要建立在大量的歷史數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)之上；灰色模型法還局限于線性擬合等。而大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用為船舶導(dǎo)航和航跡預(yù)測的性能奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，可以使船舶導(dǎo)航和航跡預(yù)測更加精確可靠，滿足了海上運輸和船舶能效管理的實際需要，具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

4 結(jié)語

本文對大數(shù)據(jù)技術(shù)在船舶運輸行業(yè)中的具體應(yīng)用做出了初步的分析和討論，論證了大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用于船舶能效管理的重要性和必要性。大數(shù)據(jù)技術(shù)在船舶能效管理方面具有巨大的潛力和利用價值，通過對實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析幫助操作人員做出最佳決策，為船舶的航行提供參考建議，提高船舶的營運效率，降低能耗，實現(xiàn)船舶的能效管理。