遠(yuǎn)洋船舶能效管理系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

譚健 孫永明 岳躍申

【摘 要】 為優(yōu)化遠(yuǎn)洋船舶能效管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)，基于現(xiàn)有的能效管理系統(tǒng)，進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)功能，并結(jié)合理論計(jì)算。新系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集方面較之前更全面，數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)和功能更優(yōu)化，功能更智能，輔助決策對(duì)相應(yīng)的一些能效指標(biāo)作進(jìn)一步研究，探索能夠降低船舶能效營(yíng)運(yùn)指數(shù)的有效途徑，為船舶節(jié)能減排提供參考。

【關(guān)鍵詞】 船舶能效;優(yōu)化設(shè)計(jì);數(shù)據(jù)采集與傳輸;數(shù)據(jù)分析;可視化

0 引 言

船舶能效管理系統(tǒng)分為船舶端和岸基系統(tǒng)兩部分，船舶端將采集的船舶航行、船舶載貨量、船舶日耗燃油量、船存燃料等信息，通過(guò)海事衛(wèi)星定時(shí)發(fā)送到岸基數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng);岸基系統(tǒng)主要提供貿(mào)易區(qū)、航線、船舶信息、燃油定額、排放因子等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并設(shè)有船舶數(shù)據(jù)差異校核、船舶數(shù)據(jù)缺損預(yù)警功能，以及油耗、碳排放、氮氧化物、硫化物排放量統(tǒng)計(jì)和船舶能效運(yùn)營(yíng)指數(shù)（EEOI）統(tǒng)計(jì)功能。[1]

運(yùn)用現(xiàn)代化船舶能效管理的系統(tǒng)性方法，對(duì)船舶能源消耗、能源利用效率和二氧化碳排放進(jìn)行嚴(yán)格的控制和管理，實(shí)現(xiàn)船舶節(jié)能減排的能效要求，對(duì)推動(dòng)航運(yùn)綠色發(fā)展具有重要意義;因此，要從多方面優(yōu)化現(xiàn)有能效管理系統(tǒng)。本課題主要開(kāi)展的工作是數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)化和數(shù)據(jù)挖掘優(yōu)化，使船舶營(yíng)運(yùn)在追求利益最大化的同時(shí)減少對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞。

1 國(guó)內(nèi)外船舶能效管理系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)的大型船舶都裝有船舶能效管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以計(jì)算出船舶任一時(shí)間、航次、航線的EEOI值，可對(duì)船舶、航次、航線以各種方式進(jìn)行分析、類比、選優(yōu)，然后通過(guò)EEOI來(lái)分析可以降低碳排放的措施（船舶航線設(shè)計(jì)、航速確定、裝卸貨時(shí)間等）。

日本海事協(xié)會(huì)推出Prime Ship-GREEN/EEOI系統(tǒng)，用于計(jì)算和分析船舶的EEOI，以便根據(jù)國(guó)際海事組織的準(zhǔn)則檢查船舶操作期間的溫室氣體排放水平。通過(guò)在趨勢(shì)圖中顯示EEOI的計(jì)算結(jié)果，用戶可以直觀地確認(rèn)能源效率的變化及其影響因素。Prime Ship-GREEN/EEOI將有助于提高船舶的能源效率。

國(guó)內(nèi)外正在研發(fā)的相關(guān)船舶能效管理系統(tǒng)主要有以下特征：

（1）大部分船舶運(yùn)輸企業(yè)的能效管理系統(tǒng)基本都是通過(guò)每日的中午油報(bào)數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算EEOI值。數(shù)據(jù)從船端通過(guò)郵件方式發(fā)送到岸端，然后由岸端進(jìn)行分析后再確定下一步的改善措施。

（2）人為參與較多，有時(shí)會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)包丟失現(xiàn)象，需要通過(guò)多次發(fā)送和接收郵件來(lái)獲取想要的數(shù)據(jù)。

（3）隨著船舶運(yùn)輸企業(yè)對(duì)管理的要求越來(lái)越高，原來(lái)系統(tǒng)的功能有的已不能滿足要求，這時(shí)就需要添加新的功能模塊，對(duì)已有的模塊管理流程加以改造、優(yōu)化重組，以適應(yīng)新的要求。

2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

（1）船端數(shù)據(jù)采集。主要通過(guò)風(fēng)速儀、傾斜儀、GPS、計(jì)程儀、軸功率計(jì)、各種流量計(jì)等船上已有設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

（2）中央處理器。將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)。

（3）數(shù)據(jù)庫(kù)。儲(chǔ)存各種數(shù)據(jù)。

（4）采集數(shù)據(jù)交換。將所采集的數(shù)據(jù)與已經(jīng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，篩選出已更新的數(shù)據(jù)智能拆分打包并編號(hào)以郵件形式發(fā)送，未更新的數(shù)據(jù)不作處理。

船舶結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且通航河運(yùn)航道流域廣、里程長(zhǎng)，有線通信方式難以滿足船體內(nèi)采集的數(shù)據(jù)與船舶信息系統(tǒng)及岸基數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)信息交互要求，因此將采用無(wú)線通信方式。同時(shí)考慮信息傳輸?shù)目煽啃?、?shí)時(shí)性和經(jīng)濟(jì)性要求，從船岸、船內(nèi)通信兩個(gè)維度對(duì)低功耗局域網(wǎng)協(xié)議（ZigBee）、遠(yuǎn)距離無(wú)線電（LoRa）、AIS、甚小孔徑終端（VSAT）、2G、3G、4G、5G、窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）、衛(wèi)星通信等無(wú)線通信的信息傳輸應(yīng)用進(jìn)行研究，為船舶能效研究系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出合適的信息數(shù)據(jù)傳輸方案。[2]

能效管理系統(tǒng)船舶端架構(gòu)見(jiàn)圖1。

3 遠(yuǎn)洋船舶能效系統(tǒng)優(yōu)化關(guān)鍵設(shè)計(jì)

（1）在不影響數(shù)據(jù)包的情況下，傳輸?shù)奈募叫≡胶谩Ｒ驗(yàn)閭鬏斘募叫?，遠(yuǎn)洋船舶的通信費(fèi)用就越低，日積月累能節(jié)省較多的費(fèi)用。

（2）船岸交互采用JSON（JavaScript Object Notation，JavaScript對(duì)象表示法）格式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

JSON獨(dú)立于編程語(yǔ)言，解析器和JSON庫(kù)支持許多不同的編程語(yǔ)言。目前有非常多的動(dòng)態(tài)編程語(yǔ)言都支持JSON，其是存儲(chǔ)和交換文本信息的語(yǔ)法，是輕量級(jí)的文本數(shù)據(jù)交換格式，類似于XML，但比XML更小、更快、更易解析。JSON沒(méi)有結(jié)束標(biāo)簽，更短、讀寫(xiě)的速度更快，具有自我描述性，更易理解，能夠使用內(nèi)建的“Java Script eval（ ）”方法進(jìn)行解析，使用數(shù)組，不使用保留字。JSON格式數(shù)據(jù)示例見(jiàn)圖2。

能效系統(tǒng)優(yōu)化后采用JSON進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，智能拆分?jǐn)?shù)據(jù)包并自動(dòng)編號(hào)發(fā)送，自動(dòng)檢查且只發(fā)送更新后的數(shù)據(jù)，雙向檢索數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包丟失會(huì)自動(dòng)補(bǔ)包。通信技術(shù)將在優(yōu)化后的系統(tǒng)中發(fā)揮更大的作用，可以盡可能多地減少人為參與，達(dá)到數(shù)據(jù)傳輸智能化、高效化、實(shí)時(shí)化的目的。

（3）運(yùn)用IBM的SPSS Modeler軟件（Modeler/CRISP-DM，即“跨行業(yè)數(shù)據(jù)挖掘標(biāo)準(zhǔn)流程”，是一種業(yè)界認(rèn)可的用于指導(dǎo)數(shù)據(jù)挖掘工作的方法）對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行深層挖掘，不再是單純地只分析表面數(shù)據(jù)來(lái)導(dǎo)出各種圖表。

借助SPSS Modeler軟件，可以快速、直觀地構(gòu)建準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)模型而無(wú)需進(jìn)行編程，通過(guò)使用獨(dú)特的可視界面，可以輕松地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)挖掘過(guò)程的可視化。SPSS Modeler軟件還提供更高級(jí)的分析，可以發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中先前隱藏的模式和趨勢(shì)。

4 結(jié) 語(yǔ)

優(yōu)化后的船舶能效系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)包智能拆分、定時(shí)雙向（船端、岸端）檢測(cè)丟包后智能補(bǔ)包、基于JSON傳輸數(shù)據(jù)、AI數(shù)據(jù)分析功能、系統(tǒng)資源整合等實(shí)用功能。在信息化飛速發(fā)展的今天，船舶能效管理系統(tǒng)需要更加同步，船舶監(jiān)控需要更加有效，船舶運(yùn)營(yíng)需要更加經(jīng)濟(jì)，航運(yùn)企業(yè)勢(shì)必考慮智能化的能效管理系統(tǒng)。優(yōu)化船舶能效管理系統(tǒng)是船舶管理行業(yè)大勢(shì)所趨，是航運(yùn)企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的技術(shù)保障。如果能實(shí)現(xiàn)優(yōu)化后的船舶能效管理系統(tǒng)功能，航運(yùn)企業(yè)就能大大地提高船舶的能源效率，減少船員及公司管理人員的工作量，提高生產(chǎn)效率。這不僅能給企業(yè)帶來(lái)良好的效益，而且更能保證航運(yùn)企業(yè)在當(dāng)前經(jīng)濟(jì)危機(jī)中獲勝。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉中泰，鄭士君. 船舶營(yíng)運(yùn)能效管理[J]. 水運(yùn)管理，2011（5）：11-12.

[2] 鄭洪燕，王躍，朱軍. 船舶智能能效管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 水運(yùn)管理，2018（11）：25-28.