船舶營運油耗考核指標評估

劉 興，段俊利，韓 懿

(1.中遠海運散貨運輸有限公司，廣州 510220； 2.中遠海運科技股份有限公司，上海 200135)

0 引 言

近年來，隨著全球經(jīng)濟的迅速發(fā)展，航運業(yè)的重要性越來越突出。據(jù)統(tǒng)計，目前80%的國際貿(mào)易是通過船舶完成的。與此同時，全球溫室氣體排放量不斷增加，這使得節(jié)能減排成為了當前的一個重要研究課題。為推動船舶節(jié)能減排，近年來國際海事組織 (International Maritime Organization，IMO)提出了一系列船舶能效規(guī)則，采取了更加嚴格的船舶監(jiān)管措施，以此約束船舶的碳排放。2020年9月，我國提出了“二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和”的目標和愿景。

船舶能耗不僅影響航運業(yè)在減少溫室氣體排放方面的戰(zhàn)略舉措，而且直接影響船舶的營運成本。燃油燃料費用占船舶總運輸成本的30%～60%，合理管理船舶能耗不僅能降低船舶營運成本，而且能推動航運業(yè)碳排放戰(zhàn)略的發(fā)展。目前航運業(yè)已進入數(shù)字化時代，各環(huán)節(jié)積累的數(shù)據(jù)資源較為豐富，因此基于大數(shù)據(jù)對船舶能耗進行管控成為了一種重要手段。

近年來已有很多學者對船舶能耗進行研究。范愛龍等[1]根據(jù)內(nèi)河船舶運行的特點，基于離散化思想對實船采集的通航環(huán)境和能效數(shù)據(jù)的特征進行了分析，并建立了多種內(nèi)河船舶油耗預測模型；鄭齊清等[2]采用聚類分析方法對營運船舶定速航行時的能效數(shù)據(jù)進行了分析，評估了主機負荷與油耗率的關(guān)系；孫超等[3]采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法對船舶的主機轉(zhuǎn)速進行了優(yōu)化研究；高梓博等[4]分析了船舶在不同工況下的最佳工況點，得到了主機功率與單位海里油耗的關(guān)系曲線；CORADDU等[5]結(jié)合輪機工程原理提出了2個灰盒模型，將其作為預測模型預測燃油消耗，在此基礎(chǔ)上提出了油船縱傾優(yōu)化設(shè)計方案；DALHEIM等[6]開發(fā)了一種時間序列數(shù)據(jù)處理工具，由此提高船舶操作和性能分析的質(zhì)量；YAN等[7]提出了一種海運大數(shù)據(jù)分析平臺，通過分析航行環(huán)境因素優(yōu)化內(nèi)河船舶發(fā)動機的轉(zhuǎn)速，其在研究中應用分布式并行k-Means 聚類算法對選定的內(nèi)河船舶進行航路劃分，進而找到不同航行工況下最優(yōu)的發(fā)動機轉(zhuǎn)速。上述研究均是針對實際營運轉(zhuǎn)速和油耗開展的，缺少對船舶自身指標的評價。

合理實施能耗監(jiān)管對于航運企業(yè)提升市場競爭力而言至關(guān)重要。然而，目前設(shè)置的船舶能耗考核指標較為粗放，一般以船舶試航數(shù)據(jù)為依據(jù)，固定考核標準，忽略航行環(huán)境的影響，借助輪機長的經(jīng)驗對能耗進行考核評定和異常情況分析。這種方式可能會使試航指標不符合船舶實際運營情況，無法對船舶真實的油耗情況作出正確的評定和分析。

對此，本文以中遠海運散貨運輸有限公司的散貨船“錦泰峰”輪為研究對象，采用最小二乘法對理論轉(zhuǎn)速與油耗進行回歸，得到回歸模型，并將實際營運數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)相對比，評估油耗考核指標的合理性和實用性。

1 船公司油耗管理現(xiàn)狀

當前實際運營船舶的能耗考核標準一般較為粗放。在船舶投入運營之前，船公司會以船舶試航數(shù)據(jù)為依據(jù)制定一套轉(zhuǎn)速與油耗指標，將其作為考核油耗的基準，油耗估算方法簡單，忽略了航行環(huán)境的影響。在船舶投入運營之后，船公司會根據(jù)監(jiān)測、報告與核查(Monitoring Report and Verification，MRV)報文統(tǒng)計船舶航行數(shù)據(jù)，借助輪機長的經(jīng)驗對船舶油耗進行考核評定和異常情況分析。

以“錦泰峰”輪航次26的航段燃油消耗跟蹤為例，對MRV報文數(shù)據(jù)與油耗考核表進行對比，計算油耗偏差和偏差比例(見表1)，對航次油耗情況進行評價。

表1 “錦泰峰”輪航次26的油耗考核表

然而，上述考核結(jié)論往往很難得到船舶所有人和船員的一致認可，船員往往會因船報轉(zhuǎn)速有誤、考核指標偏低、遭遇惡劣氣象和船舶污底等而對考核結(jié)論提出異議，使得上述管理方式難以完全有效落實。

2 船舶油耗考核指標評估算法設(shè)計

中遠海運散貨運輸有限公司是一家規(guī)模較大的專門從事散裝貨物運輸?shù)钠髽I(yè)，擁有各類散貨船400多艘，擁有大量實船運營數(shù)據(jù)。本文采用的數(shù)據(jù)為船舶試航期間的轉(zhuǎn)速與油耗數(shù)據(jù)、逐年由機務(wù)主管調(diào)整的考核數(shù)據(jù)和船舶營運過程中由報文給出的轉(zhuǎn)速與油耗數(shù)據(jù)，分別在空載和滿載工況下對油耗考核指標進行評估。

2.1 數(shù)據(jù)準備

在船舶投入運營之前，根據(jù)航行測試結(jié)果制定一套轉(zhuǎn)速與油耗指標。隨著時間的推移，船舶會擁有多套轉(zhuǎn)速與油耗考核體系，其不同點在于生效日期不同，需查詢轉(zhuǎn)速與油耗考核數(shù)據(jù)中最新生效的數(shù)據(jù)。油耗設(shè)定為主機油耗與輔機油耗之和。由于船舶理論數(shù)據(jù)中油耗的單位為“t·d”，為保持數(shù)據(jù)的一致性，船舶實際運營期間的油耗也以“t·d”為單位。為保證日報油耗數(shù)據(jù)的準確性，查詢船舶日報中航行時長超過23 h的日報平均轉(zhuǎn)速與油耗數(shù)據(jù)，該日的油耗修正公式為

Fc=Fd/Tv·24

(1)

式(1)中：Fd為日油耗；Tv為日航行時長；Fc為修正的油耗。

船舶的載況(空載和滿載)由航次報文中的貨量決定。對日報與航次報進行關(guān)聯(lián)，采用船舶的呼號(vessel_code)、日報日期和航次報日期進行關(guān)聯(lián)查詢，得到該日的貨量信息，貨量不為0(標記為1)記船舶在該日為滿載狀態(tài)，否則(標記為0)記船舶在該日為空載狀態(tài)。最終的數(shù)據(jù)形式見表2和表3。

表2 理論轉(zhuǎn)速與油耗考核數(shù)據(jù)

表3 實際轉(zhuǎn)速與油耗數(shù)據(jù)

2.2 模型建立

(2)

船舶主機轉(zhuǎn)速可表示船舶主機工況，一般在計算中認為轉(zhuǎn)速與能耗呈三次方關(guān)系，本文以此關(guān)系為先驗輸入，對理論轉(zhuǎn)速與油耗進行回歸擬合。

置信區(qū)間是指由樣本統(tǒng)計量構(gòu)造的總體參數(shù)的估計區(qū)間。在統(tǒng)計學中，一個概率樣本的置信區(qū)間是對該樣本的某個總體參數(shù)的區(qū)間估計。置信區(qū)間展現(xiàn)的是這個總體參數(shù)的真實值有一定概率落在與該測量結(jié)果有關(guān)的某對應區(qū)間內(nèi)。置信區(qū)間給出的是聲稱總體參數(shù)的真實值在測量值區(qū)間內(nèi)所具有的可信程度，即前面要求的“一定概率”。給定1-α的置信水平，區(qū)間估計為

(3)

(4)

由于船舶實際報文中的轉(zhuǎn)速保留2位小數(shù)，而理論轉(zhuǎn)速為整數(shù)，為方便評估，針對每艘船舶，生成最小轉(zhuǎn)速與最大轉(zhuǎn)速之間步長為0.1的等差數(shù)列作為虛擬的轉(zhuǎn)速Xvirtual。在本文所述模型中，將船舶理論轉(zhuǎn)速的三次方作為自變量X，將理論油耗(主機油耗與輔機油耗之和)作為因變量Y。得到回歸模型之后，求Xvirtual對應的油耗為

(5)

(6)

3 試驗分析

本文以“錦泰峰”輪為研究對象，對船舶油耗考核指標進行評估研究。“錦泰峰”輪的vessel_code為B339，查詢最新生效的理論轉(zhuǎn)速與油耗數(shù)據(jù)，結(jié)果見表4。

表4 “錦泰峰”輪最新生效的理論轉(zhuǎn)速與油耗數(shù)據(jù)

查詢“錦泰峰”輪近1 a的實際運營日報中日航行時長超過23 h的轉(zhuǎn)速與油耗數(shù)據(jù)，根據(jù)式(1)得到修正的日油耗。利用vessel_code、日報時間和航次時間，將日報與航次報相關(guān)聯(lián)，得到航次報中的貨量數(shù)據(jù)。日報中的空滿載情況利用航次報中的cargo_volumn字段表示，cargo_volumn不為0，記為1，為滿載，否則記為0，為空載。表5為“錦泰峰”輪實際轉(zhuǎn)速與油耗數(shù)據(jù)。

表5 “錦泰峰”輪實際轉(zhuǎn)速與油耗數(shù)據(jù)

采用Plotly繪制實際轉(zhuǎn)速的箱型圖，查看“錦泰峰”輪實際運營期間的轉(zhuǎn)速分布情況，可看到船舶實際運營時的轉(zhuǎn)速主要集中在80～95 r/min，而分布在70～105 r/min，70～80 r/min和95～105 r/min范圍內(nèi)的理論轉(zhuǎn)速與船舶實際運營期間的轉(zhuǎn)速相比，屬于離群點。圖1為實際轉(zhuǎn)速箱型圖。

圖1 實際轉(zhuǎn)速箱型圖

采用Python的statsmodels模塊中的OLS(Ordinary Least Squares)方法，分別對理論轉(zhuǎn)速的三次方與理論油耗進行回歸，結(jié)果見圖2和圖3。

圖2 滿載理論轉(zhuǎn)速與油耗回歸分析結(jié)果

圖3 空載理論轉(zhuǎn)速與油耗回歸分析結(jié)果

從圖2中可看出，R2=0.997，擬合效果較好，Pvalue小于顯著性水平，拒絕回歸系數(shù)為0的原假設(shè)?；貧w方程為

y=4.058×10-5x3+5.491 3

(7)

從圖3中可看出，R2=0.997，擬合效果較好，Pvalue小于顯著性水平，拒絕回歸系數(shù)為0的原假設(shè)?；貧w方程為

y=3.936×10-5x3+5.403 1

(8)

將生成的虛擬Xvirtual代入式(7)、式(8)和置信區(qū)間公式中，求得95%置信區(qū)間見圖4和圖5。

圖4 滿載油耗置信區(qū)間與實際油耗

圖5 空載油耗置信區(qū)間與實際油耗

將實際運營中的轉(zhuǎn)速四舍五入，保留1位小數(shù)，比較相同轉(zhuǎn)速下船舶實際運營中的油耗對理論油耗的符合程度。計算得到滿載油耗符合率為0.367，空載油耗符合率為0.684。滿載理論油耗在常用轉(zhuǎn)速下相比船舶實際運營中的油耗偏高，應當作降低的調(diào)整；空載理論油耗在常用的較低轉(zhuǎn)速下設(shè)計合理，但在88 r/min轉(zhuǎn)速以上設(shè)計的偏高，應調(diào)低油耗。由上述分析可知，該船的空載和滿載油耗考核指標均存在設(shè)計偏高的問題，因此可采用上述方法滾動迭代，幫助船公司根據(jù)實際油耗表現(xiàn)合理設(shè)置動態(tài)考核指標。

4 結(jié) 語

本文以中遠海運散貨運輸有限公司的“錦泰峰”輪為研究對象，采用最小二乘法對其理論轉(zhuǎn)速與油耗進行回歸，將理論轉(zhuǎn)速作為自變量，將理論油耗作為因變量建立回歸模型，對船舶油耗考核指標的實用性和適用性進行評估。同時，生成虛擬轉(zhuǎn)速油耗點的95%置信區(qū)間，比較相同轉(zhuǎn)速下實際油耗與理論油耗95%置信區(qū)間的符合程度，將其作為船舶油耗考核指標的評價標準。試驗結(jié)果顯示，“錦泰峰”輪空載油耗考核指標符合率為0.648，滿載油耗考核指標符合率為0.367，滿載理論指標與實際指標相比設(shè)計值偏高，需結(jié)合船舶實際情況和管理經(jīng)驗進行調(diào)整。本文只對考核指標進行了評估，在后續(xù)研究中，可綜合評價各因素對主機能耗的影響，通過將實船數(shù)據(jù)與理論考核指標相對比，對船舶設(shè)備性能和船體故障等進行評估研究。