基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的船舶油耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

謝云鵬　董良雄　施怡然　江偉

【摘 要】 為適應(yīng)IMO關(guān)于船舶記錄油耗數(shù)據(jù)的強(qiáng)制性要求，分析船舶油-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)參數(shù)集，建立基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的、具備船舶油耗數(shù)據(jù)分析能力的船舶油耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，使該系統(tǒng)可對(duì)船舶油耗信息進(jìn)行收集、整合和挖掘，向有關(guān)部門提供優(yōu)質(zhì)的船舶油耗監(jiān)測(cè)服務(wù)和實(shí)時(shí)的節(jié)能管理咨詢服務(wù)。利用無(wú)線傳感器采集數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)船舶能耗并開(kāi)發(fā)船舶能耗數(shù)據(jù)庫(kù)，不僅為船舶運(yùn)營(yíng)管理提供參考依據(jù)，還有助于船舶所有人更直觀地掌握船舶實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息，更方便地調(diào)度和管理船舶。

【關(guān)鍵詞】 大數(shù)據(jù)；船舶油耗；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；數(shù)據(jù)共享

0 引 言

國(guó)際海事組織（IMO）海洋環(huán)境保護(hù)委員會(huì)（MEPC）第69次會(huì)議提出：船舶應(yīng)在每年末向其船旗國(guó)報(bào)告船舶油耗數(shù)據(jù)，船旗國(guó)相關(guān)部門把收到的數(shù)據(jù)輸入IMO船舶燃油消耗數(shù)據(jù)庫(kù)，并向MEPC提供環(huán)保、能效等分析報(bào)告。MEPC第70次會(huì)議通過(guò)了強(qiáng)制性船舶能耗數(shù)據(jù)收集要求，將于2019年執(zhí)行。這對(duì)船舶管理人員的船舶油耗監(jiān)測(cè)能力和管理能力提出了更高的要求。

目前業(yè)界使用的船舶油耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)僅考慮到船舶動(dòng)力裝置的經(jīng)濟(jì)性因素，但實(shí)際上，受柴油機(jī)性能和自然條件的影響，貨物周轉(zhuǎn)量、船舶運(yùn)輸成本、柴油機(jī)排放性能等都是影響系統(tǒng)的因素。因此，船舶油耗影響因素是一個(gè)大數(shù)據(jù)集，在油耗管理中引進(jìn)大數(shù)據(jù)技術(shù)是一條行之有效的途徑。油耗管理的大數(shù)據(jù)技術(shù)包含船舶資源獲取、存儲(chǔ)管理、挖掘分析、可視展現(xiàn)等技術(shù)。本文設(shè)計(jì)的基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的船舶油耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可有效提高油耗監(jiān)測(cè)設(shè)備的適用性。

1 系統(tǒng)的構(gòu)成

船舶油耗近程監(jiān)控系統(tǒng)由船舶信息采集終端和岸基數(shù)據(jù)管理服務(wù)組成，具備以下終端：

（1）燃油信息采集終端，如燃油流量計(jì)，把船舶油耗信息進(jìn)行高效轉(zhuǎn)換，從而得到相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)；

（2）船舶大數(shù)據(jù)信息采集終端，如GPS模塊，接收船舶運(yùn)行的各項(xiàng)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)（包括經(jīng)度和緯度數(shù)據(jù)），將信息傳輸至指定的數(shù)據(jù)處理中心；

（3）采集網(wǎng)關(guān)，即參數(shù)收集與匯聚裝置，作用相當(dāng)于中央傳感器；

（4）岸端數(shù)據(jù)服務(wù)核心設(shè)備，用于將船舶端數(shù)據(jù)分類并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)服務(wù)器中，并提供操作界面，使用戶能夠直觀地檢查油耗數(shù)據(jù)。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓?fù)湟?jiàn)圖1。

2 建立數(shù)據(jù)庫(kù)

船舶的大數(shù)據(jù)信息主要分為環(huán)境、航行狀態(tài)、主機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)等數(shù)據(jù)，因此采集燃油密度、燃油溫度、燃油流量、船傾角度、船位緯度、船位經(jīng)度、位置1吃水、位置2吃水、水流速度、左螺距、左舵角、船速、右螺距、右舵角、羅經(jīng)航向、軌跡航向、船向、風(fēng)角、風(fēng)速等數(shù)據(jù)。船舶油耗檢測(cè)管理系統(tǒng)構(gòu)成見(jiàn)圖2。數(shù)據(jù)收集采取實(shí)時(shí)通信的方式，以單船數(shù)據(jù)為例，軟件實(shí)時(shí)收集船舶運(yùn)行參數(shù)信息，其中部分重要的數(shù)據(jù)將會(huì)在主界面顯示（見(jiàn)圖3）。

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 數(shù)據(jù)清洗

由于環(huán)境因素影響或采集器故障都可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)偏差過(guò)大甚至出現(xiàn)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，因此，為保證導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)適用，應(yīng)在數(shù)據(jù)導(dǎo)入前對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行嚴(yán)格判定，即數(shù)據(jù)清洗。數(shù)據(jù)清洗時(shí)需要設(shè)定異常數(shù)據(jù)的識(shí)別規(guī)則，將數(shù)據(jù)進(jìn)行閾值比對(duì)，若數(shù)據(jù)不在閾值范圍內(nèi)則被刪除，若數(shù)據(jù)在閾值范圍內(nèi)則被導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)，具體方法是：

（1）相鄰時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)正常時(shí)，采用插值法進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗。插值法包括平均數(shù)插值、線性插值、曲線性插值等。針對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，一般采用連續(xù)相鄰時(shí)刻的平均值替代丟失數(shù)據(jù)；針對(duì)離線數(shù)據(jù)的清洗，采用前后兩個(gè)相鄰時(shí)刻的平均值替代丟失數(shù)據(jù)。

（2）相鄰時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)不正常時(shí)，采用灰色關(guān)聯(lián)度算法。灰色關(guān)聯(lián)度能衡量?jī)蓚€(gè)因素之間關(guān)聯(lián)性大小，目的在于尋找系統(tǒng)中各因素之間的主要關(guān)系，從中找出影響目標(biāo)值的重要因素，從而獲得主要特征，步驟為：先選出含異常數(shù)據(jù)的數(shù)組，然后獲取樣本數(shù)據(jù)，計(jì)算灰色關(guān)聯(lián)度，最后將異常數(shù)據(jù)數(shù)組的異常單元補(bǔ)齊數(shù)據(jù)。

3.2 基于決策樹的數(shù)據(jù)處理

在經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)的初步處理和特征提取后，油耗的影響因素已被選出。由于浪級(jí)、燃油、溫度等諸因素之間的關(guān)聯(lián)性是非線性的，各項(xiàng)參數(shù)之間的物理因素很難被完整定量表示，因此采用決策樹模型來(lái)處理這種關(guān)聯(lián)性。[1]

4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享

船舶油耗是影響航運(yùn)企業(yè)營(yíng)收的重要因素。針對(duì)船舶運(yùn)營(yíng)燃油消耗受多種因素影響的特點(diǎn)，采用大數(shù)據(jù)技術(shù)設(shè)計(jì)的船舶油耗檢測(cè)系統(tǒng)是船舶營(yíng)運(yùn)過(guò)程中能耗分析與管理優(yōu)化的重要手段，可促進(jìn)船舶精細(xì)化管理。該系統(tǒng)具有船舶油耗信息標(biāo)準(zhǔn)體系的完善功能，因而能夠促進(jìn)航運(yùn)企業(yè)能耗管理體系的逐步健全。

在數(shù)據(jù)庫(kù)基礎(chǔ)上建立的船舶油耗數(shù)據(jù)分析服務(wù)，目標(biāo)是建成對(duì)航運(yùn)資源具有配置能力的服務(wù)中心，涉及港口、裝載、航速、油品供應(yīng)等信息交接轉(zhuǎn)換平臺(tái)。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正是對(duì)船舶油耗信息進(jìn)行收集、整合和挖掘的系統(tǒng)，能夠提供優(yōu)質(zhì)的船舶油耗監(jiān)測(cè)和節(jié)能管理咨詢的實(shí)時(shí)服務(wù)，咨詢系統(tǒng)顯示界面見(jiàn)圖4、圖5和圖6。

5 結(jié) 語(yǔ)

在無(wú)線傳感器廣泛應(yīng)用和“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代到來(lái)的背景下，遠(yuǎn)程運(yùn)行和監(jiān)管船舶將是航運(yùn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，在線監(jiān)測(cè)船舶能耗更是船舶遠(yuǎn)程管理的一個(gè)重要目標(biāo)。利用無(wú)線傳感器采集數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)船舶能耗并開(kāi)發(fā)船舶能耗數(shù)據(jù)庫(kù)，不僅為船舶運(yùn)營(yíng)管理提供參考依據(jù)，同時(shí)還有助于船舶所有人更直觀地掌握船舶實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息，更方便地調(diào)度和管理船舶。

參考文獻(xiàn)：

[1] 蔡德清，張燃，鄭士君，等.中遠(yuǎn)集運(yùn)船舶燃油監(jiān)控系統(tǒng)[J].航海技術(shù)，2008（5）：57-59.