營(yíng)運(yùn)碳強(qiáng)度指標(biāo)影響下的班輪航速優(yōu)化

張子倓 孟怡婕 陳 笛 胡晨濱 孫 領(lǐng)

（1.上海海事大學(xué)，上海 201306；2.上海航華國(guó)際船務(wù)有限公司，上海 200080）

0 引言

為推動(dòng)航運(yùn)業(yè)碳減排進(jìn)程，國(guó)際海事組織(International Maritime Organization，IMO)制定了船舶能效管理計(jì)劃。在海洋環(huán)境保護(hù)委員會(huì)第76 屆會(huì)議通過(guò)的營(yíng)運(yùn)碳強(qiáng)度指標(biāo)（Operational Carbon Intensity Indicator，后文簡(jiǎn)稱CII）及評(píng)級(jí)制度通過(guò)強(qiáng)制性要求對(duì)營(yíng)運(yùn)船舶碳排放量進(jìn)行約束，控制營(yíng)運(yùn)船舶碳減排將成為船公司發(fā)展的必由之路[1]。根據(jù)IMO對(duì)船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)（Energy Efficiency Operational Indicator，EEOI）的說(shuō)明，船舶能效體現(xiàn)為船舶航行過(guò)程中單位運(yùn)輸工作量所排放的二氧化碳量，且船舶能效指數(shù)越低船舶能效管理水平便越高[2]。

班輪運(yùn)輸承運(yùn)貨種繁多，航線覆蓋范圍廣闊，面臨著艱巨的碳減排任務(wù)[3]。根據(jù)CII 指標(biāo)規(guī)定，預(yù)計(jì)將有93.8%的集裝箱船受其影響。由于集裝箱班輪具有獨(dú)特的運(yùn)營(yíng)特性，對(duì)船舶如何在達(dá)到低碳要求時(shí)同時(shí)兼顧服務(wù)質(zhì)量更為看重。為了更準(zhǔn)確地計(jì)算燃料消耗和排放，航速是最主要的參數(shù)，一個(gè)微小的速度調(diào)整都可以顯著改善船舶的燃料消耗和能源效率[4]。在此背景下，優(yōu)化航速被認(rèn)為是降低集裝箱班輪營(yíng)運(yùn)碳排放的有效手段[5]?；诖耍疚耐ㄟ^(guò)與上海航華國(guó)際船務(wù)代理有限公司合作獲取數(shù)據(jù)支持，通過(guò)統(tǒng)計(jì)與分析船舶航次能耗大數(shù)據(jù)構(gòu)建兼具準(zhǔn)確性和外推性的油耗預(yù)測(cè)模型與航速測(cè)算模型，實(shí)現(xiàn)以滿足CII 相關(guān)政策約束下油耗最低為目標(biāo)的更精準(zhǔn)集裝箱班輪航速優(yōu)化。

1 船舶營(yíng)運(yùn)碳強(qiáng)度指標(biāo)（CII）政策解讀

1.1 營(yíng)運(yùn)碳強(qiáng)度指標(biāo)簡(jiǎn)介

船舶營(yíng)運(yùn)碳強(qiáng)度指數(shù)即船舶單位運(yùn)輸工作量的二氧化碳排放量。船舶營(yíng)運(yùn)碳強(qiáng)度指數(shù)分為達(dá)到的年度營(yíng)運(yùn)碳強(qiáng)度指數(shù)（Attained annual operational CII）與船型噸位應(yīng)達(dá)到的年度營(yíng)運(yùn)碳強(qiáng)度目標(biāo)值（Required annual operational CII），該目標(biāo)值根據(jù)每年測(cè)算所得船舶實(shí)際碳強(qiáng)度指數(shù)值的變化而改動(dòng)，該指標(biāo)通過(guò)逐年提高目標(biāo)要求以達(dá)到降低船舶碳強(qiáng)度的目標(biāo)。

1.2 營(yíng)運(yùn)碳強(qiáng)度評(píng)級(jí)方法介紹

基于船舶達(dá)到的年度營(yíng)運(yùn)碳強(qiáng)度指標(biāo)值，IMO 制定了船舶營(yíng)運(yùn)碳強(qiáng)度評(píng)級(jí)導(dǎo)則，旨在通過(guò)對(duì)相關(guān)船舶進(jìn)行營(yíng)運(yùn)碳強(qiáng)度評(píng)級(jí)促進(jìn)船舶降低營(yíng)運(yùn)碳強(qiáng)度并提升評(píng)級(jí)。根據(jù)船舶達(dá)到的年度營(yíng)運(yùn)碳強(qiáng)度指標(biāo)值百分比，船舶將會(huì)被給予A至E 的評(píng)級(jí)。各級(jí)船舶中，評(píng)級(jí)為D 和E 的船舶將需按要求提交船舶能效改進(jìn)措施。同時(shí)，當(dāng)前國(guó)際海事組織建議主管機(jī)港口及航運(yùn)相關(guān)方對(duì)評(píng)級(jí)為A 與B 級(jí)的船舶進(jìn)行激勵(lì)，而對(duì)連續(xù)3 年評(píng)級(jí)為D 或當(dāng)年評(píng)級(jí)為E 的船舶則要求制定并提交令船舶達(dá)到年度營(yíng)運(yùn)碳強(qiáng)度目標(biāo)值的糾正計(jì)劃，經(jīng)批準(zhǔn)后納入船舶能效管理計(jì)劃執(zhí)行，具體獎(jiǎng)懲措施仍需待2026 年后根據(jù)具體實(shí)施情況進(jìn)行規(guī)則評(píng)估。在相關(guān)措施推進(jìn)下，船公司將積極采取營(yíng)運(yùn)策略以降低營(yíng)運(yùn)過(guò)程中船舶碳排放量。

2 船舶航速優(yōu)化模型構(gòu)建

2.1 數(shù)據(jù)和變量

本文采集2019 年至2021 年間船舶能效數(shù)據(jù)報(bào)告中不同大小、船型、船齡的17 艘船舶（含姐妹船）的航次能耗數(shù)據(jù)、航次載貨數(shù)據(jù)、時(shí)間、航速等信息各項(xiàng)船舶記錄數(shù)據(jù)作為原始數(shù)據(jù)。

模型所涉及變量參數(shù)如下所示：

FC—船舶航次總油耗，噸

CM—船舶航次主機(jī)油耗，噸

CA—船舶航次輔機(jī)油耗，噸

tE—船舶航次營(yíng)運(yùn)時(shí)間，小時(shí)

tN—船舶航次航行時(shí)間，小時(shí)

tA—航次錨泊時(shí)間，小時(shí)

d—船舶航次航行距離，海里

v—船舶航速，節(jié)

Nz—船舶主機(jī)持續(xù)功率，千瓦

D—船舶排水量，噸

vs—經(jīng)修正的船舶靜水航速，節(jié)

β—船舶輔機(jī)油耗影響因子，受船舶能源策略影響

vmin—船舶根據(jù)船期安排的最低航速，節(jié)

vb—經(jīng)優(yōu)化的航次節(jié)能航速，節(jié)

FB—以節(jié)能航速行駛的航次總油耗，噸

g—船舶油耗率，噸每海里

C—船舶的航次貨載量，噸

2.2 油耗影響因素分析

本研究首先采用皮爾遜相關(guān)性分析法檢驗(yàn)航次總油耗CF 對(duì)船舶自身的船齡、船長(zhǎng)、船寬、型深及航次的營(yíng)運(yùn)時(shí)間、航行時(shí)間、航行距離、排水量、航速的相關(guān)性。結(jié)果顯示，每個(gè)變量都與航次總油耗相關(guān)，且顯著性較強(qiáng)，其中船齡的相關(guān)性為負(fù)值，經(jīng)原樣本分析，判斷為船齡大的船舶相對(duì)為小船型，單航次油耗較低，符合實(shí)際，見表1。

表1 船舶總油耗影響因素相關(guān)性分析表

在此基礎(chǔ)上，以總油耗為因變量對(duì)長(zhǎng)寬比、主機(jī)功率、航行距離、航行時(shí)間、營(yíng)運(yùn)時(shí)間、排水量進(jìn)行共線性診斷，并采用逐步回歸法去共線性，最終確定關(guān)鍵影響因素為長(zhǎng)寬比、航行距離、航行時(shí)間、營(yíng)運(yùn)時(shí)間、排水量。

2.3 班輪航次油耗回歸分析

船舶營(yíng)運(yùn)過(guò)程中，其油耗主要分為主機(jī)油耗和輔機(jī)油耗，前者為船舶航行提供動(dòng)力，后者則主要為發(fā)電以保證船舶內(nèi)部的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。則在船舶總油耗可為：

現(xiàn)有研究中估計(jì)主機(jī)有效功率常用海軍系數(shù)法，結(jié)合上文主機(jī)運(yùn)行原理可認(rèn)為在一定時(shí)間內(nèi)特定船舶的摩擦系數(shù)、主機(jī)老舊程度、內(nèi)部傳動(dòng)的能量損耗率等因素視為不變。此情況下，主機(jī)功率與排水量和航行速度正相關(guān)，同時(shí)可以在認(rèn)為功率乘時(shí)間即為主機(jī)所作的功，與主機(jī)油耗呈正比，而輔機(jī)油耗主要為船舶供電所用，消耗較為穩(wěn)定，因此可將航次船舶總油耗設(shè)為：

2.4 班輪航次航速優(yōu)化模型建立

可以明顯看出與營(yíng)運(yùn)時(shí)間有關(guān)的油耗α_3 t_E 不會(huì)影響航次最優(yōu)航速的選取，而在船舶機(jī)械狀態(tài)相對(duì)穩(wěn)定的情況下，船舶排水量會(huì)對(duì)航次最優(yōu)航速產(chǎn)生一定影響。根據(jù)IMO 營(yíng)運(yùn)管理的需求，希望各船舶在靠港時(shí)均連接岸電以減少燃油的使用。對(duì)此，在計(jì)算節(jié)能航速的時(shí)候，考慮其更變策略，在靠港時(shí)采取岸電，因此，此時(shí)，船舶的每公里油耗可由下式計(jì)算：

依此可結(jié)合油耗模型擬合結(jié)果中求解得到的未知參數(shù)，計(jì)算各船舶在空載、半載、滿載三種狀態(tài)下的節(jié)能航速，其油耗率如圖1 所示，由于船舶航行過(guò)程中存在隨時(shí)間變化的輔機(jī)油耗，也就是說(shuō)，并不是船開的越慢越省油，決策者應(yīng)避開此誤區(qū)，合理制定航速計(jì)劃。

圖1 排水量的靈敏性分析圖

3 算例分析

STARSHIP PEGASUS 是一艘船齡11 年的船舶，空船排水量為8 136 t，最多可載1 891 t，23 927 t 的貨物，該船齡的船舶在目前的政策環(huán)境下隨時(shí)有被勒令整改或淘汰的風(fēng)險(xiǎn)，因此以該輪為研究對(duì)象，分析其營(yíng)運(yùn)策略。簡(jiǎn)單列出該輪滿載、半載、空載時(shí)的最優(yōu)航速和對(duì)應(yīng)油耗率如表2 所示，在滿載的情況下節(jié)能航速整整比空載要低4.5 kn。

表2 航速優(yōu)化結(jié)果

以該輪的釜山—上海港航段為例，該班輪在上海港所靠碼頭為外高橋碼頭，需乘潮進(jìn)出，同時(shí)，因?yàn)樨涍\(yùn)擁堵，有時(shí)需保持較長(zhǎng)時(shí)間的排隊(duì)等候時(shí)間，即不能連接岸電的錨泊時(shí)間。節(jié)能航速選取的決策方法如下，在上一港離港時(shí)船方及時(shí)與港方交流，確認(rèn)泊位情況，如有泊位，說(shuō)明船舶行駛至下一港即可靠泊連接岸電，靠泊期間油耗可視為0，此時(shí)可用β=α2+α3代入計(jì)算最優(yōu)節(jié)能航速，若無(wú)泊位，則說(shuō)明即便提前抵港仍需錨泊等待，錨泊期間油耗為α3/h，因此以β=α2代入計(jì)算最優(yōu)節(jié)能航速。此外，還需確認(rèn)以節(jié)能航速行駛是否能按既定船期到達(dá)，若不能，則應(yīng)以式得的最低航速行駛。

采取此策略定速時(shí)，船舶的航次理論最低油耗可由計(jì)算：

選取部分班次信息如表3 所示，根據(jù)航速?zèng)Q策法制定航速策略vb，其真實(shí)航行航速有時(shí)候會(huì)低于本研究所采用的航速優(yōu)化方法計(jì)算所得的vb，有時(shí)候又會(huì)高于該值。將相關(guān)參數(shù)代入，計(jì)算得出，該輪總航次實(shí)際總油耗為772.48 t，采用本研究的定速策略STARSHIP PEGASUS 輪在該時(shí)間段內(nèi)的油耗理論最低可達(dá)706.06 t，降低8.6%，單航次最高減少26.41%的燃油消耗，優(yōu)化效果較為明顯。

表3 STARSHIP PEGASUS 航次數(shù)據(jù)樣表

4 結(jié)論

本文以班輪運(yùn)輸為研究對(duì)象，結(jié)合航速和船期表兩個(gè)決策層面對(duì)班輪的營(yíng)運(yùn)能效進(jìn)行優(yōu)化。有效利用海事局的船舶航次能耗報(bào)表數(shù)據(jù)和船舶航行AIS 數(shù)據(jù)，建立船舶油耗估算模型以計(jì)算船舶節(jié)能航速，并考慮排水量對(duì)油耗率的影響建立船期表優(yōu)化模型。通過(guò)算例分析，該油耗估算模型可判斷船舶實(shí)際營(yíng)運(yùn)中的主機(jī)工況、輔機(jī)工況、是否連接岸電等關(guān)鍵決策，并以此為依據(jù)優(yōu)化船舶節(jié)能航速，其準(zhǔn)確率較高，優(yōu)化效果較好。

本文研究成果為解決船舶航速優(yōu)化問(wèn)題提供了理論指導(dǎo)和決策依據(jù)。未來(lái)的研究可以考慮船舶載況和外部環(huán)節(jié)因素的耦合作用，建立更優(yōu)的油耗測(cè)算模型。

特別鳴謝合作單位上海航華國(guó)際船務(wù)代理有限公司提供的數(shù)據(jù)支持。（項(xiàng)目名：航華船舶航速及油耗優(yōu)化程序，項(xiàng)目編號(hào)：12020221311KX）