船舶節(jié)能航速輔助決策系統(tǒng)

屠海洋，屠關(guān)海，曹昌魁

(1.上海船舶運輸科學(xué)研究所 航運技術(shù)與安全國家重點實驗室，上海 200135;2.上海遠洋運輸有限公司，上海 200135)

船舶節(jié)能航速輔助決策系統(tǒng)

屠海洋1，屠關(guān)海2，曹昌魁1

(1.上海船舶運輸科學(xué)研究所 航運技術(shù)與安全國家重點實驗室，上海 200135;2.上海遠洋運輸有限公司，上海 200135)

通過對國內(nèi)外船舶航行節(jié)能技術(shù)進行分析，提出節(jié)能航速輔助決策系統(tǒng)設(shè)計總體框架，對系統(tǒng)中涉及的主要關(guān)鍵技術(shù)和解決方法進行詳細論述。提出從全局到局部的四段航速優(yōu)化方法，可縮短航速優(yōu)化計算時間，提高輔助系統(tǒng)的及時性。該系統(tǒng)的應(yīng)用能在一定程度上消除船舶選擇航速的盲目性，指導(dǎo)船舶在不同的航段選擇不同的最佳航速。

船舶；節(jié)能;分段航速;航速優(yōu)化;輔助決策

據(jù)報道，目前船舶燃油成本占船舶營運總成本的比例正在不斷上升，已達45%～60%。因此，開發(fā)船舶節(jié)能系統(tǒng)，以最小的能量消耗取得最大的運輸效益，具有重要的現(xiàn)實意義。

在滿足船舶航次要求的前提下對合理優(yōu)化船舶航速、最大程度地減少整個航次的油耗量進行研究，開發(fā)出相關(guān)優(yōu)化輔助決策系統(tǒng)，既有利于提高船舶的經(jīng)濟效益，又能減少碳排放。

1 國內(nèi)外船舶航行節(jié)能技術(shù)研究現(xiàn)狀

當(dāng)前，國內(nèi)外的航運公司、相關(guān)研究機構(gòu)紛紛加大力度研究船舶營運節(jié)能技術(shù)，相關(guān)研究主要包括船隊的合理配置、單船最佳縱傾、船舶航線優(yōu)化及船舶航速優(yōu)化等。通過這些研究，船舶在滿足航次要求的前提下獲得最低的燃油消耗。目前，針對最佳航速的研究主要分為以下2類：

1)通過分析船舶主機油耗與船舶航速的關(guān)系,提出船舶當(dāng)前排水量下的最佳航速。

2)從燃油價格和航次利潤最大值的角度,提出不定期船的最佳航速優(yōu)化模型。

趙福波等[1]從船型、燃油性能、船舶航速和船舶管理等方面分析船舶減排的有效途徑；謝光明[2]從船舶航速、主機功率和耗油量之間的關(guān)系方面論述船舶減速節(jié)能的理論依據(jù)；殷翔宇等[3]以航次日均盈利最大化為目標構(gòu)建不定期船最優(yōu)航速模型；CARIOU[4]，KONTOVAS等[5]和PSARAFTIS等[6]分別針對集裝箱船的降速航行，對減少碳排放的可行性及合理性進行分析。由此可見，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者已對船舶最佳營運航速進行大量研究，開發(fā)出一些有助于航運公司提高經(jīng)濟效益和減少碳排放的決策系統(tǒng)。當(dāng)前國內(nèi)應(yīng)用較多的是中國船級社(China Classification Society,CCS)通過船舶模型試驗和計算流體動力學(xué)(Computational Fluid Dynamics,CFD)數(shù)值仿真計算開發(fā)的OTA(Optimal Trim Assistance)尋優(yōu)軟件[7]，芬蘭Eniram公司開發(fā)的集成海浪洋流和天氣預(yù)報的航速優(yōu)化軟件ENIRAM SPEED，丹麥Decision3開發(fā)的考慮風(fēng)、吃水和波浪因素的航速與縱傾優(yōu)化的GreenSteamTM系統(tǒng)，Jeppesen開發(fā)的的航線和航速的決策軟件VVOS(Vessel and Voyage Optimization Solution)。

然而，目前國內(nèi)還沒有開發(fā)出全航程綜合考慮風(fēng)、浪、流影響和船舶性能的航速優(yōu)化軟件。因此，充分利用船舶航行過程中的水文氣象條件，結(jié)合船舶的性能特征及船舶所有人的要求，在保證船舶安全航行的前提下對全航程進行船舶計劃航速實時優(yōu)化，使燃油消耗最少，從而降低營運成本、提高運輸效率，具有重要的現(xiàn)實意義。

2 系統(tǒng)基本框架設(shè)計

通過調(diào)查并結(jié)合船舶的需求，針對船舶的航行方案，根據(jù)船舶航行區(qū)域、船舶的性能和船舶裝載貨物的相關(guān)數(shù)據(jù)，利用天氣、海況預(yù)報信息規(guī)劃出全航程最佳節(jié)能航速和船舶裝載狀態(tài)。船舶在航行過程中根據(jù)航行計劃變更(如進港、靠泊計劃變化)和航行區(qū)域環(huán)境條件變化實時修正航速，實現(xiàn)全航程最佳節(jié)能航速控制決策。節(jié)能航速優(yōu)化系統(tǒng)基本框架見圖1。

圖1 節(jié)能航速優(yōu)化系統(tǒng)基本框架

系統(tǒng)由以下5部分組成。

1)電子海圖與信息顯示模塊：系統(tǒng)通過電子海圖模塊操作，展示船舶航行海域的地理環(huán)境及海區(qū)風(fēng)、浪、流環(huán)境狀況，實現(xiàn)航線設(shè)計等功能。該模塊具有海圖顯示，海圖作業(yè)，海圖改正，定位和導(dǎo)航，在電子海圖上顯示船位、船速、航向，航行記錄、報警等功能。

2)航線設(shè)計模塊：根據(jù)船舶航次任務(wù)，為船舶安全航行提供航線設(shè)計。系統(tǒng)以電子海圖為基礎(chǔ)，具有各轉(zhuǎn)向點的輸入、修改、計算及顯示等功能。

3)船舶油耗數(shù)據(jù)庫模塊：船舶油耗數(shù)據(jù)庫是船舶航次油耗量計算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源，通過建立船舶油耗模型為船舶經(jīng)濟航速提供決策。該模塊具有船舶油耗數(shù)據(jù)錄入、修改及顯示等功能。

4)風(fēng)、浪、流場數(shù)據(jù)庫模塊：通過建立風(fēng)、浪、流場數(shù)據(jù)庫，為船舶經(jīng)濟航速決策提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。該模塊具有風(fēng)浪流數(shù)據(jù)的錄入、修改和顯示等功能。

5)航速優(yōu)化模塊：根據(jù)航次任務(wù)，結(jié)合風(fēng)向、風(fēng)力和潮汐等水文及天氣狀況，同時考慮目的港的作業(yè)情況和港口費用等因素，以船舶利潤最大或油耗最低為目標，進行航速優(yōu)化。

3 關(guān)鍵技術(shù)及解決方法

3.1船舶在風(fēng)浪中的失速預(yù)報技術(shù)

船舶在風(fēng)浪中的失速預(yù)報技術(shù)是該系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一,速度預(yù)報的精確度將影響該系統(tǒng)得出的優(yōu)化航速的效果。目前研究船舶在風(fēng)浪中失速的方法主要有數(shù)理統(tǒng)計法[9]、水池試驗法和理論計算法。這些方法大多以經(jīng)驗方法為依據(jù)，難以反映不同船舶的具體特征。為精確預(yù)報特定船舶在風(fēng)浪中的失速，該系統(tǒng)參考KWON[10]給出的計算式，即

Δv=0.01(Cβ+Cu+CForm)v

(1)

式(1)中:v為船舶在靜水中的速度;Δv為船舶失速;Cβ為失速方向因子，隨風(fēng)(浪)向的變化而變化；Cu為失速大小因子，隨方形系數(shù)、裝載量及傅汝德數(shù)的變化而變化；CForm為船型因子，隨船型、風(fēng)級(BN)及船舶排水量的變化而變化。

采用式(1)對特定船舶的特定工況進行計算，計算過程中考慮風(fēng)浪的綜合影響；同時，對相應(yīng)的代表性船舶進行風(fēng)浪作用下的模型試驗，根據(jù)試驗結(jié)果修正模型的參數(shù)，從而使船舶在不同風(fēng)浪下的失速預(yù)報值更符合實際，為船舶航速優(yōu)化打下基礎(chǔ)。

3.2船舶燃油消耗計算模型

油耗模型的建立為營運船舶在風(fēng)浪中采用節(jié)能航速航行和航程規(guī)劃提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。目前針對船舶在航油耗的研究已取得一定的成果，然而已有的對船舶在航油耗的計算大多以靜水狀態(tài)為前提，很少考慮風(fēng)浪的影響，即使部分油耗模型包含風(fēng)浪因素，也未考慮船舶縱傾對油耗的影響。船舶燃油消耗評估的準確性直接影響到船舶節(jié)能航速的決策。

影響船舶燃油消耗量的因素有很多，主要包括主機及副機工況、船型結(jié)構(gòu)、裝載量、航速和海況等。在開發(fā)該系統(tǒng)時，通過對各種航行條件和船舶技術(shù)狀況變化等進行分析，結(jié)合模型試驗結(jié)果建立燃油消耗模型，據(jù)此建立單船在特定航線上每小時的在航油耗模型，即將每小時的油耗分解為特定航速下每小時的靜水油耗和風(fēng)浪等因素造成的每小時附加油耗。該模型的表達式為

F=F(v)+ΔF(v,BN,β,…)

(2)

式(2)中：F為單船在實際海況中以航速v航行時每小時的油耗；F(v)為單船在靜水中以航速v航行時每小時的油耗；ΔF(v,BN,β,…)為單船在實際海況中以航速v航行時每小時的附加油耗；BN為蒲氏風(fēng)級。

該模型不僅能獲得不同航速下的在航油耗數(shù)據(jù)，而且考慮航行過程中船舶縱傾的影響。

3.3船舶能效指數(shù)計算模型

根據(jù)IMO海洋環(huán)境保護委員會(Marine Environmental Protection Committee,MEPC)確定的船舶能效設(shè)計指數(shù)(Energy Efficiency Operational Indicator,EEOI)和船舶能效管理計劃(Ship Energy Efficion Ma-nagement Plan,SEEMP),船舶碳排放監(jiān)測可采用EEOI進行。根據(jù)MEPC通過的《船舶 EEOI自愿應(yīng)用原則》，某個航段的EEOI基本表達式為

IEEOI=∑i(FCi·CFi)/(M·D)

(3)

式(3)中：i為燃油類型；FCi為燃油i的消耗量，t；CFi為燃油i的燃油量與CO2排放量的轉(zhuǎn)換系數(shù)，表示每噸燃油燃燒后產(chǎn)生的CO2質(zhì)量噸數(shù)，可從MEPC發(fā)布的《新船能效設(shè)計指數(shù)計算方法的臨時指南》中查到；M為貨物載貨量，以載重噸表示；D為對貨物運輸距離，n mile。

對于整個航次的平均能效指標計算，只要將式(3)中航段的燃油消耗量改為整個航次的燃油消耗量，將航段的貨物運輸距離改為總的貨物運輸距離即可，得出的結(jié)果即可用來衡量該航次船舶能效的執(zhí)行情況。

對于具體的某個航次,船舶的載貨量和運輸距離已定,降低航次的EEOI值就是降低船舶航次的燃油消耗量,從而達到節(jié)能減排的目的。

3.4全航程船舶航速優(yōu)化算法

該系統(tǒng)重點研究單航次油耗最少情況下的航速，由于船舶航行時間較長，使得船舶遇到的海況變化較大,利用單一的海況條件計算得到的最佳節(jié)能航速與實際差別較大。因此，充分利用船舶航行環(huán)境因素，在保證船舶安全航行和順利完成航次計劃的前提下獲得節(jié)能航速，使得燃油消耗最少，是實現(xiàn)節(jié)能減排的關(guān)鍵。

由于海況隨時間、地點的不同而不同,因此要得到航次最低油耗,需綜合考慮全航程的風(fēng)、浪、流情況,優(yōu)化船舶在航線上不同時刻的航速。通過比較分析，參考動態(tài)規(guī)劃思想，對整個航線進行分段，對各航段上的航速進行優(yōu)化，在按時完成航次任務(wù)的前提下使船舶燃油消耗最少，從而達到節(jié)能的目的。總體優(yōu)化思路為：從總體到局部優(yōu)化，從長距離到短距離優(yōu)化，隨時間的推移不斷更新。全航段的航速優(yōu)化涉及到的參數(shù)較多，較為復(fù)雜，后段所需的參數(shù)需從前段的計算結(jié)果(如時間、地點)中提取。

航行計劃中的航速優(yōu)化所涉及的數(shù)據(jù)和優(yōu)化流程見圖2，航段優(yōu)化方法如下：

圖2 全航程航速優(yōu)化流程

1)將整個航段均分為I，II，III和IV等4段(見圖3)。

圖3 航程分段示意圖

2)根據(jù)四分段航速優(yōu)化算法(見圖4)得出在安全完成航次任務(wù)的前提下最低油耗對應(yīng)的各航段的船舶靜水轉(zhuǎn)速RI，RII，RIII，RIV和第I段完成時間TI。

3)按照方法“2)”對I航段進行四段優(yōu)化，該段航內(nèi)完成約束時間變?yōu)門I，這樣不斷地對每次的第1分段進行四段優(yōu)化，直到等分距離縮短為1 d內(nèi)的航程。

4)得出當(dāng)前條件下各分段的主機推薦轉(zhuǎn)速。

一般來說，只有在航次預(yù)定的時間比較富余的情況下船舶降速節(jié)能才有意義。若船舶以設(shè)計航速航行，剛好在預(yù)定的時間內(nèi)完成航次任務(wù)，則再對船舶進行整個航程的航速優(yōu)化已沒有多大意義。由于船舶航程較長，短期的風(fēng)浪預(yù)報往往無法覆蓋到整個航線，使得超過短期預(yù)報時間的海區(qū)需采用中長期和平均風(fēng)浪數(shù)據(jù)。因此，采用從粗到細的方式對不同航段的航速進行優(yōu)化，符合海上航行的實際情況。

圖4 航速優(yōu)化算法流程圖

4 系統(tǒng)實現(xiàn)效果

根據(jù)以上設(shè)計，開發(fā)出的系統(tǒng)既具有電子海圖顯示系統(tǒng)的功能，又能在海圖上進行航線設(shè)計、航線附近障礙物和水深自動檢測及各航段的航速優(yōu)化。根據(jù)航線設(shè)計和航次命令，系統(tǒng)根據(jù)預(yù)先獲得的航線上的自然環(huán)境，通過上述算法自動計算出最低油耗情況下各航段的船舶主機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向點預(yù)計到達時間、到達目的港的剩余距離和預(yù)計到達時間。圖5為海況信息顯示，圖6為航速優(yōu)化顯示界面。

圖5 海況信息顯示

該項目設(shè)計開發(fā)的船舶節(jié)能航速輔助決策系統(tǒng)已在某公司的船舶上得到應(yīng)用，取得了良好效果，對精確測算航次效益、選用最佳航速起到了重要作用。通過進一步的改進和深化，該系統(tǒng)將會有良好的使用價值和推廣應(yīng)用前景。

圖6 航速優(yōu)化顯示界面

5 結(jié)束語

本文通過對船舶最優(yōu)航速輔助決策問題進行深入研究，創(chuàng)新性地提出從全程到局部的四段論航速優(yōu)化方法，可在一定程度上解決一次優(yōu)化計算時間較長的難題。最優(yōu)航速決策涉及到的因素較多，尤其是海上因素變化較大，目前海上預(yù)報數(shù)據(jù)無法滿足系統(tǒng)對航線上風(fēng)浪流數(shù)據(jù)的精確性要求,使得系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果尚不能完全反映實際情況。

[1] 趙福波，馬海石．對海事船舶節(jié)能減排的一點認識[J]．中國海事，2008(11)：51-53．

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ShipSpeedDecisionSupportSystemforEnergySaving

TUHaiyang1,TUGuanhai2,CAOChangkui1

(1.State Key Laboratory of Navigation and Safety Technology,Shanghai Ship and Shipping Research Institute,Shanghai 200135,China；2.Shanghai Ocean Shipping Co.,Ltd.,Shanghai 200135,China)

On the basis of the analysis and research on ship sailing energy-saving technologies at home and abroad,the overall framework for the decision system is put forward,and the key technologies of the system is described in detail.A new four-step whole-to-local velocity optimization method is put forward,which achieves shorter optimization time and improves the timeliness of the decision system.The application of the system,to a certain extent,will help to get rid of the blindness in deciding ship speed and guide ships choosing the best speed according to different voyage sectors.

ship; energy saving; sectional speed; speed optimization; assistant decision making

U676.3；U664.82

A

2017-04-18

高技術(shù)船舶科研項目(工信部聯(lián)裝函[2016]544號); 科研院所技術(shù)開發(fā)研究專項資金項目(2012EG124041)

屠海洋(1967—),男,浙江上虞人，研究員，碩士生導(dǎo)師，從事船舶航行安全與智能航海技術(shù)研究。E-mail:oceantu@126.com

1000-4653(2017)02-0125-04