船舶能效數(shù)據(jù)的處理與分析

王楠，周旭，何金偉，周蘭喜，莫中華，徐文宇

(南通中遠(yuǎn)海運(yùn)川崎船舶工程有限公司，江蘇 南通 226005)

目前，船舶營運(yùn)數(shù)據(jù)大多是通過人工每天定時發(fā)送午報的方式進(jìn)行采集[1]，自動化能力弱，并且采用一段時間內(nèi)的平均數(shù)據(jù)作為分析船舶能效的源數(shù)據(jù)，并不能很準(zhǔn)確地反映船舶實(shí)際的航行性能[2]。鑒于營運(yùn)數(shù)據(jù)量十分龐大，并且在對數(shù)據(jù)采集的過程中，由于設(shè)備、外界干擾及人為操作等因素，實(shí)際數(shù)據(jù)往往會出現(xiàn)丟失、錯誤及異常等情況，因此，有必要對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。目前，對數(shù)據(jù)處理的研究包括統(tǒng)計分析、設(shè)定閥值、插值或補(bǔ)全及聚類分析等[3-6]，這些方法能夠有效地對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行“清洗”，并且關(guān)聯(lián)了不同參數(shù)之間的關(guān)系。但是忽略了船舶在實(shí)際操縱過程中參數(shù)的變化對船舶的影響，而這部分影響在船舶能效分析的過程中是不能被忽視的。為此，基于南通中遠(yuǎn)海運(yùn)川崎船舶工程有限公司研發(fā)的智能能效管理與操作系統(tǒng)(smart ship energy management and operation system,SEMOS)，提出船舶營運(yùn)數(shù)據(jù)采集、處理及分析的流程。以某萬箱級集裝箱船為研究對象，對其實(shí)際營運(yùn)數(shù)據(jù)進(jìn)行長期監(jiān)測，實(shí)時獲取船舶能效指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)船舶能效的自動分析，為船東對船舶的進(jìn)一步管理提供數(shù)據(jù)參考。

1 數(shù)據(jù)采集及傳輸系統(tǒng)

為滿足船舶營運(yùn)數(shù)據(jù)的長期監(jiān)測及分析的需求，需要在船上安裝實(shí)船營運(yùn)數(shù)據(jù)監(jiān)測平臺。SEMOS系統(tǒng)集成了數(shù)據(jù)采集及分析功能，可與岸基實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，完成船岸兩端數(shù)據(jù)管理、顯示與分析等功能，實(shí)現(xiàn)對船舶的全面監(jiān)控與智能化管理。通過SEMOS系統(tǒng)監(jiān)測的航行性能信號參數(shù)主要可分為船舶狀態(tài)監(jiān)測、航行環(huán)境和機(jī)艙能耗等參數(shù)，涉及的設(shè)備主要分為通信導(dǎo)航設(shè)備及機(jī)艙設(shè)備等。各個設(shè)備所采用的數(shù)據(jù)傳輸接口不盡相同，一般導(dǎo)航設(shè)備都支持串行接口通信；機(jī)艙設(shè)備中，很多傳感器一般采用模擬量信號和開關(guān)量信號，大型控制設(shè)備一般配有專門的通信模塊，支持串行通信或以太網(wǎng)通信等。為了方便不同信號的數(shù)據(jù)采集，需要將各設(shè)備通信接口轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一接口，接入數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)服務(wù)器通過數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)采集數(shù)據(jù)并經(jīng)過數(shù)據(jù)處理模塊處理后存儲到船端數(shù)據(jù)庫。同時，數(shù)據(jù)處理模塊會定時將該段時間內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密壓縮，通過衛(wèi)星通訊FBB系統(tǒng)將數(shù)據(jù)發(fā)送至岸端并存儲于數(shù)據(jù)庫中，形成能效數(shù)據(jù)的長期監(jiān)控，見圖1。

圖1 數(shù)據(jù)采集及傳輸系統(tǒng)原理

2 數(shù)據(jù)處理

船舶能效數(shù)據(jù)包括船舶航速、主機(jī)輸出功率和單位油耗等，采集的原始數(shù)據(jù)有船舶航行數(shù)據(jù)、外界環(huán)境數(shù)據(jù)和主機(jī)能效數(shù)據(jù)，主要包含航速、航向、船舶姿態(tài)、風(fēng)力、水深、流速、主機(jī)轉(zhuǎn)速、功率、油耗，以及主機(jī)運(yùn)行時間等。由于海上風(fēng)浪和船舶各種設(shè)備運(yùn)行環(huán)境的復(fù)雜性，監(jiān)測的數(shù)據(jù)難免會有不完整或者明顯異常的情況，如，在某一時刻，船速信號丟失、船舶姿態(tài)測量值超出合理范圍等。因此，需要對收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行缺失值和異常值的篩選。

營運(yùn)數(shù)據(jù)的缺失和異常值屬于小概率事件，對船舶能效的影響較小。因此，考慮采用直接刪除的方式進(jìn)行處理，即對所有能效數(shù)據(jù)，設(shè)定閥值，對于范圍之外的數(shù)據(jù)均將其剔除。通過這種方式對某天的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以速度和功率為例，篩選結(jié)果見圖2。

圖2 篩選后的速度和功率分布(某天)

圖2中雖然速度和功率的數(shù)據(jù)均處于合理的范圍之內(nèi)，但是存在某段時間內(nèi)數(shù)據(jù)明顯波動的情況。當(dāng)天船舶的實(shí)際航行距離和操舵分布見圖3。從圖3可以看出，船舶在00:00～04:00期間，航速快速下降并且停船，隨后航速快速增加，達(dá)到穩(wěn)定航速，同時存在著左右大舵角操船的過程。在這種情況下，船舶主機(jī)轉(zhuǎn)速是不穩(wěn)定的，其輸出的功率也不穩(wěn)定。因此，這部分?jǐn)?shù)據(jù)不適合用來評估船舶航行性能。

圖3 某船實(shí)際航行距離和舵角分布(某天)

此外，當(dāng)船舶在遭遇惡劣海況時，會造成船舶失速的現(xiàn)象。因外界條件突變造成數(shù)據(jù)不能真實(shí)地反映船舶的實(shí)際航行性能，有必要對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。首先認(rèn)為在某一時刻的所有參數(shù)既是“獨(dú)立的”又是“連續(xù)的”。假定在某一指定數(shù)量的數(shù)據(jù)集合中，每一個參數(shù)服從正態(tài)分布，而判斷數(shù)據(jù)不穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)是以計算數(shù)據(jù)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差為基礎(chǔ)，具體的處理過程如下。

對于將缺失值和異樣值篩選后的一系列數(shù)據(jù)集合，按照數(shù)據(jù)采集的日期進(jìn)行升序排列，從初始時刻開始，連續(xù)選擇每N個數(shù)據(jù)點(diǎn)作為一個數(shù)據(jù)子集。即如果整個數(shù)據(jù)集合有M個數(shù)據(jù)點(diǎn)，則所有包含N個數(shù)據(jù)子集的數(shù)量有(M-N+1)個，從而保證船舶能效數(shù)據(jù)變化的連續(xù)性。計算每一個子集中所有參數(shù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。對于第k個數(shù)據(jù)子集，N個數(shù)據(jù)點(diǎn)di的平均值μ和標(biāo)準(zhǔn)差σ的計算公式如下。

(1)

(2)

當(dāng)外界環(huán)境突變時，采用Chauvenet準(zhǔn)則反映參數(shù)偏離均值的程度。即對子集內(nèi)的數(shù)據(jù)點(diǎn)di發(fā)生偏離的概率進(jìn)行計算。

(3)

對于該N個數(shù)據(jù)點(diǎn)集合內(nèi)的數(shù)據(jù)，如果滿足式(4)，則認(rèn)為該時刻的所有數(shù)據(jù)均無效。

P(di)·N<0.5

(4)

與船舶能效相關(guān)的主要參數(shù)有船速、轉(zhuǎn)速和主機(jī)功率，對3個參數(shù)進(jìn)行式(1)～(4)的計算。對圖2中篩選后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，N分別取N1、N2、N3(N1

表1 不同N值“穩(wěn)定性”篩選后的數(shù)據(jù)占比(某天)

圖4 “穩(wěn)定性”篩選后的速度和功率分布

對比表1及圖4，N取N1時，數(shù)據(jù)仍存在小部分的波動，而當(dāng)N為N2或N3時，基本可有效地濾去波動異常的數(shù)據(jù)，但是N=N2時可以保留更多的數(shù)據(jù)。因此,N取N2。

在N個數(shù)據(jù)點(diǎn)的集合內(nèi)，對于船舶速度和轉(zhuǎn)速，如果其計算得到的標(biāo)準(zhǔn)差的臨界值超出表2給出的值，則該時刻的數(shù)據(jù)也被視為無效值。

表2 船速和轉(zhuǎn)速的標(biāo)準(zhǔn)差臨界值

通過上述分析，數(shù)據(jù)急速上升或者下降的過程已經(jīng)被過濾掉，數(shù)據(jù)在不同時間段內(nèi)已經(jīng)趨于平穩(wěn)，認(rèn)為這些數(shù)據(jù)相對比較穩(wěn)定。進(jìn)一步地，限制舵角為-5°～5°，限制風(fēng)級在4級及4級以下，由于浪、涌、流等參數(shù)很難自動采集，這里僅對風(fēng)影響進(jìn)行篩選。通過上述數(shù)據(jù)處理過程可獲取用于船舶能效分析的有效數(shù)據(jù)。

3 船舶能效數(shù)據(jù)分析

3.1 功率與航速及船舶油耗

通過對船舶實(shí)際運(yùn)營時的速度與功率的分析，可以獲得船舶在既定環(huán)境下的快速性能，應(yīng)用國際標(biāo)準(zhǔn)ISO15016：2015航速修正方法將船舶修正到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，進(jìn)而得到速度與功率的實(shí)際值與理論值的差別，為新船設(shè)計提供參考，對于外界環(huán)境的影響僅考慮了風(fēng)力的影響。

此外，船舶營運(yùn)時的燃油消耗直接關(guān)系到船舶的CO2排放量，而船舶能效營運(yùn)指數(shù)(energy efficiency operational indicator,EEOI)可以用來評估船舶CO2的排放量。EEOI的定義為船舶單位運(yùn)輸作業(yè)所排放的CO2量，其表達(dá)式如下。

(5)

式中：i為燃油類型；FCi為燃油i的消耗量；CFi為燃油i的燃油量與CO2量轉(zhuǎn)換系數(shù)；mcargo為船舶的載貨總噸，t；D為船舶載貨航距，n mile。

假設(shè)船舶在單航次中運(yùn)輸?shù)呢浳锟偭坎蛔儯⑶胰加皖愋鸵膊蛔儯瑒tEEOI的值可以看成是單海里油耗和一個常數(shù)的乘積，因此,可以近似用單位海里油耗的變化表征船舶EEOI的變化[6]。

3.2 污底分析

船舶在營運(yùn)過程中，隨著航行時間和距離的增長，因出現(xiàn)船舶污底會導(dǎo)致船舶阻力增加，船體性能降低[7]。對于性能下降值，船體污損的程度，參考ISO19030給出的方法[8]，獲得有效數(shù)據(jù)，然后對有效數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)阻力的修正，獲得修正后的功率值。引入速度損失作為評價船體性能變化的參數(shù)。

速度損失=

(6)

式中:期望的速度為修正后功率在理論速度功率曲線上的插值，而不同排水量下的理論功率曲線可預(yù)先通過海軍系數(shù)法進(jìn)行或者CFD方法進(jìn)行估算。

建立參考區(qū)域和評價區(qū)域系統(tǒng)，計算這兩個區(qū)域內(nèi)所有數(shù)據(jù)點(diǎn)速度損失的平均值，通過對比兩個區(qū)域內(nèi)的平均速度損失值，以評價船體性能的變化。

3.3 分析結(jié)果

以某萬箱級集裝箱船為研究對象，該船交船日期為2013年，并于2018年10月進(jìn)塢塢修。為實(shí)現(xiàn)船舶運(yùn)營數(shù)據(jù)的自動采集，該船安裝了SEMOS系統(tǒng)，并采集了塢修前后數(shù)據(jù)。此外，收集了船東在該段時間內(nèi)提供的午報數(shù)據(jù)。其中SEMOS系統(tǒng)采用圖7的流程對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，船東的午報數(shù)據(jù)則僅對缺失值和超出閥值的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分別對這兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以速度和主機(jī)功率的關(guān)系為例。

本船采用午報數(shù)據(jù)分析的設(shè)計吃水附近速度與功率之間的實(shí)際關(guān)系見圖5。

圖5 采用午報數(shù)據(jù)分析速度功率關(guān)系(設(shè)計吃水)

由圖5發(fā)現(xiàn)，塢修前后得到的結(jié)果并無明顯區(qū)別，即如果采用午報數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在樣本容量有限的前提下，很難反映船舶的實(shí)際運(yùn)營性能。

塢修前的時間段里，SEMOS系統(tǒng)分析的結(jié)果和午報數(shù)據(jù)分析結(jié)果見圖6，并引入了理論值進(jìn)行對比。

圖6 設(shè)計吃水下SEMOS數(shù)據(jù)和午報數(shù)據(jù)分析結(jié)果(塢修前)

由圖6可見，SEMOS分析的結(jié)果擬合趨勢與理論值基本平行，驗證了數(shù)據(jù)處理方法的可靠性。而午報數(shù)據(jù)分析的結(jié)果較SEMOS分析的結(jié)果低，并且隨著速度的增加，兩者的差別也越來越大。在不同航速下午報分析的結(jié)果與理論值的趨勢并不十分吻合。說明采用每天的平均值作為能效分析的源數(shù)據(jù)并不能實(shí)際反映船舶的營運(yùn)性能。本船SEMOS分析的結(jié)果與理論值之間的差距超過20%，這是因為該船已經(jīng)運(yùn)營了4年的時間，存在著污底的影響。另外，外界環(huán)境的因素也會造成兩者的差別。通過分析，可以獲得該船在運(yùn)營4年之后，并且在4級風(fēng)以下時的實(shí)際海上裕度。

該集裝箱船的污底分析結(jié)果見圖7，其中分析區(qū)域選擇了塢修前的2個時間段和塢修后的1個時間段，分別計算了這3個時間段內(nèi)的平均速度損失，如圖7中的直線和虛線所示。

圖7 某集裝箱船污底分析結(jié)果

結(jié)果表明，本船在塢修前的速度損失約為10%，并且2018年4～10月內(nèi)的速度損失比2017年9月—2018年3月內(nèi)的速度損失大約1.5%。

此外，本船經(jīng)過塢修之后，速度損失較塢修前降低了約4%。所以，采用該方法能夠有效地監(jiān)測船體性能的變化，進(jìn)一步說明了上述分析方法的適用性。

4 結(jié)論

通過對原始數(shù)據(jù)的缺失值、異常值和穩(wěn)定性等處理，可以獲得用于船舶實(shí)際能效分析的有效數(shù)據(jù)，并且分析后的實(shí)際值與理論值在趨勢上比較吻合，驗證了數(shù)據(jù)處理的可靠性。此外，通過對船舶實(shí)際運(yùn)營數(shù)據(jù)的長期監(jiān)測分析，實(shí)時獲得船舶運(yùn)營性能指標(biāo)，可為船舶營運(yùn)數(shù)據(jù)分析及船舶運(yùn)營管理提供參考。

通過船舶營運(yùn)大數(shù)據(jù)的處理與分析，可以獲取諸如航行狀態(tài)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及航線海況等信息，進(jìn)一步地將分析結(jié)果反饋到船舶設(shè)計與操作中，實(shí)現(xiàn)航路優(yōu)化、智能機(jī)艙管理、船舶能效管理等功能，以促進(jìn)船舶智能化的發(fā)展。