船舶智能能效管理技術發展現狀及展望

賀亞鵬， 嚴新平,2,3， 范愛龍,2,3， 王拯

(1.武漢理工大學 能源與動力工程學院 可靠性工程研究所，湖北 武漢 430063； 2.武漢理工大學 船舶動力工程技術交通行業重點實驗室，湖北 武漢 430063； 3.武漢理工大學 國家水運安全工程技術研究中心，湖北 武漢 430063)

近20年來，隨著氣候變化在全球范圍內引發越來越多的關注與擔憂，溫室氣體減排已成為世界各國的共識。船舶作為大宗商品的運載工具，在國際貿易以及區域經濟發展中具有重要的支撐作用。然而，船舶被稱為是目前最不受管制的空氣污染源之一，其排放控制問題已到了不容忽視的程度。根據國際海事組織(International Maritime Organization, IMO)2014年發布的第3次溫室氣體報告，國際航運業在2012年的CO2總排放量為9.38億噸，占到當年全球CO2總排放量的2.6%。若不及時采取行之有效的解決措施，預計到2050年，航運業排放的溫室氣體總量將會占全球總排放量的17%。同時，船舶所排放的CO2、NOx、SO2、顆粒物等大氣污染物會使得港口和航道周邊人口密集地區的空氣質量惡化，對大氣環境和人類健康造成很大危害。

IMO為了推動航運業的節能減排，提出了具有強制性的船舶能效規則，主要包括針對新造船的船舶能效設計指數(energy efficiency design index, EEDI)和400總噸以上船舶的船舶能效管理計劃(ship energy efficiency management plan, SEEMP)[1-2]。這是世界范圍內第1部兼具行業性和強制性的溫室氣體減排規則。對于大量營運中的船舶，優化全船能耗以及提升動力系統效率等能效管理手段都是當前航運企業普遍采用的節能減排措施。此外，加強船舶能效管理，對航運業降本增效和船舶智能化管理也具有重要意義。本文通過調研國內外能效管理技術與產品發展現狀，了解能效管理技術的發展趨勢，能夠更好的促進我國能效管理系統的研究與應用。

1 船舶能效管理內涵

能效作為一種評價指標，是指能源利用效率，即生產實踐的能源利用與轉化過程中，實際發揮作用的能源量與總消耗的能源量之比[3]。船舶能效是能效眾多領域中的一個分支。面向營運中的船舶，IMO在SEEMP中提出船舶能效營運指數(energy efficiency operation index, EEOI)衡量營運船舶的能效水平。EEOI反映的是船舶實際航行運輸過程中單位運輸工作量所排放的CO2量，EEOI指數越低表明船舶的營運能效水平越高[4]。

船舶能效管理主要是面向營運船舶，指利用相關技術手段加強船舶航行過程中的操作管理，包括基于傳感器的能效參數監測、能效水平的智能評估以及基于模型分析的能效管理策略制定等。通常情況下，把通過操作管理創新、提升營運船舶能效水平的技術集合稱為船舶能效管理技術。隨著現代信息技術和人工智能等賦能技術的發展，推動著船舶能效管理技術的實船應用。在傳統管理技術的基礎上，應用智能算法和技術，為船舶管理和操作人員提供輔助決策功能，稱為智能能效管理技術。以(智能)能效管理技術為核心，輔以相關的軟硬件系統，可形成(智能)能效管理系統。系統具備較高的成熟度、產品化之后，則形成船舶能效管理的相關產品。圖1所示為船舶能效管理概念演變的示意圖。

圖1 船舶能效管理概念演變Fig.1 Schematic diagram of the evolution of ship energy efficiency management concepts

2 船舶能效管理必要性分析

2.1 政策導向分析

為了推動營運船舶的節能減排，IMO與我國海事管理部門出臺了相關政策法規，引導航運業實施船舶能效管理。IMO除了引入強制性船舶能效規則，于2016年通過了全球船舶燃油消耗收集機制，作為海運節能減排“三步走”的第一步，將于2019年1月1日起開始生效。2018年，IMO MEPC(the Marine Environment Protection Committee)也通過了減少航運業排放的“初步戰略”，在2050年將航運業CO2總排放量減半。同年，國家海事局出臺《船舶能效數據收集管理辦法》，規范了中國港口船舶能效數據收集與報告提交要求。中國船級社(China Classification Society, CCS)在船舶能效管理方面相繼發布了《船舶能效管理計劃編制指南》與《船舶智能能效管理檢驗指南》，要求通過管理者制定符合公司規模、船型、航區、航線、航程等特點的能效方針，來降低單船能耗、提升能效[5]。2020年11月舉行的MEPC 75次會議上，引入了現有船舶能效指數(energy efficiency existing ship index，EEXI)概念，針對現存大量不適用于EEDI的船舶排放，以實現2030年的短期減排目標。

圖2 IMO與我國船舶能效政策演變Fig.2 Evolution of IMO and China′s ship energy efficiency policies

2.2 市場需求分析

根據統計，船舶燃油費用占到了總運營成本的50%，燃油支出是航運企業最大的運營成本。此外，我國船舶動力系統普遍存在效率低、排放水平高的問題，比如在內河船舶方面，我國每百噸公里的燃油消耗高出發達國家20%以上，能源利用效率明顯低于國際領先標準。交通運輸部要求，2020年營運船舶單位運輸周轉量能耗和CO2排放量相較于2015年分別下降6%和7%，這也需要船舶能效管理的助力。通過優化船舶的營運管理，提升船舶營運能效水平，降低燃油消耗，既有利于航運企業實現降本增效，也有利于履行國際減排法規要求。實施船舶能效管理有利于提升航運企業的競爭力，在航運企業中具有很高的需求。

2.3 技術驅動分析

隨著信息、傳感、通信、人工智能等賦能技術的不斷發展及應用，推動著船舶能效管理技術的實船應用。隨著自動化和智能化程度的不斷加深，船舶能效管理計劃將會不斷地信息化、數字化，逐步形成具有一定輔助決策能力的船舶智能能效管理系統。CCS發布的《智能船舶規范》以及工信部等部委發布的《智能船舶發展行動計劃(2019-2021年)》，把實現智能能效管理作為未來智能船舶發展的核心功能模塊。在船舶智能化與無人化發展的大背景下，包含能效管理功能的智能駕駛輔助決策系統將是船舶設計、建造以及運營的重要研究內容。

3 智能能效管理技術發展現狀

3.1 國外能效管理技術發展現狀

3.1.1 日韓

日本船級社發布了PrimeShip-GREEN/EEOI能效分析軟件，主要目的是減少CO2排放，分為船端EEOI-Onboard和網頁端EEOI-Web。船端用于輸入船載數據的專門軟件，如航程信息、運行數據(航行距離、燃料消耗等)。網頁端則用于計算和分析船端數據，并以圖表的形式直觀展示數據，比較不同船只的運營效率，設定排放目標。韓國三星能效管理系統EN-Saver通過對船舶的能源信息進行收集和分析，對船上能源流動的分析和效率評估，能夠監督主要裝備的能源利用信息，分析各部分裝備的能源效率和損失等，也提供縱傾、航線、速度的最佳化的解決方案。

3.1.2 芬蘭

NAPA是芬蘭的海事軟件公司，主要為船舶設計和運營提供數據主導解決方案。旗下NAPA Logbook已獲得相關船旗國的批準，可用作船舶的官方航海日志，作為紙質日志的替代品；NAPA Fleet Intelligence將航行監控、報告、分析和優化等功能整合到一個基于Web的平臺，NAPA Logbook的數據也可以導入其中。其數據庫中分析了55 000多艘船舶的全球行業數據，并且能夠集成各種數據源，如AIS，中午報告和自動化信號等。可以將各種數據源與高度精確的船舶性能模型相結合，為改進船舶性能提供建議；NAPA Voyage Optimization作為NAPA Fleet Intelligence的一部分，從網頁上獲取航速航線優化以及相關的地圖和天氣消息等主要功能。芬蘭瓦錫蘭旗下子公司Eniram從船隊效率、航行效率以及單船效率3個方面提出了能效優化的解決方法，并開發了相對應的優化服務及應用軟件。

3.1.3 英國

Rolls-Royce的Energy Management system同樣具有2個界面Onboard interface和Onshore interface。在On-board Interface的顯示幫助下，船員能更好地了解船舶性能，例如在船隊運營期間，船舶操作員可以查看與歷史數據基線相比的燃料消耗水平，操作員可以立即評估并查看消耗量是否高于所需的消耗量，來確定運行的發動機數量，調整船舶的燃料消耗。在On-shore Interface上能夠比較船隊實時和歷史性能指標，執行基準分析，也可以比對和其他船舶的能效水平。在Golden Energy Offshore兩臺應用了EM系統的UT 776 CD PSV試驗期間，其燃料節省高達15%。

3.1.4 美國

Kyma Ship Performance(KSP)是由美國Kyma提出的用于整船性能監控的軟件系統，可以實現實時性能信息、燃油消耗報告、航速滑失和性能分析、海試報告、日常報告和航行報告、EEOI計算、吃水優化、歷史數據數據分析等功能，可以自動將數據、趨勢和報告導出到Kyma Online/onshore。除了上述功能之外，KSP還能提供船舶整體診斷、縱傾優化等功能模塊供客戶選擇。

3.1.5 瑞士

瑞士ABB公司的 Energy Management Marine Advisory(EMMA)能夠實現對實際船舶能源和燃油消耗的顯示與分析，對船舶電站運行進行優化、動態縱傾優化、提供指導航速。值得一提的是，EMMA還能夠顯示船舶推進器功率的實際情況以及各類損失占比。

3.2 國內能效管理技術發展現狀

國內CCS、南通中遠川崎公司、武漢理工大學、哈爾濱工程大學和中船重工711研究所等單位開展了船舶能效管理技術及系統的研究工作。

CCS推出了船舶能效采集監測軟件、在線智能管理系統以及CCS-OTA縱傾優化軟件。其中，船舶能效采集監測軟件可采集船舶單航次(航段)航程內燃油變動記錄、航行里程、抵離港時間和名稱、載貨量等相關能效數據。基于監測結果，還能夠統計分析數據、生成滿足不同法規要求的船舶能效數據采集報告。船舶能效在線智能管理系統包含船端版和岸基版軟件，具備一定智能能效管理功能，目前已在100多艘船舶安裝使用。縱傾優化軟件需在界面輸入船舶航速、吃水等參數，就能對航行最佳縱傾提出操作建議[6]。

南通中遠川崎公司開發的智能船舶能效系統(SEMOS系統)，其目的是簡化船舶操作并降低船舶運營成本，該系統具備遠程監控、燃油管理、性能分析、故障診斷、縱傾優化、航速優化等功能。該系統目前已經在13360TEU“中遠荷蘭”輪上實船驗證，為該集裝箱船的節約燃油和操作維護提供支持[7]。

武漢理工大學針對多艘內河船舶研發了能效管理系統，通過實時采集水深、水流速度、風速風向等通航環境數據，以及船舶航速、航向、經緯度等航行姿態數據，還有能耗數據(主機油耗、功率、扭矩、轉速)等，根據船舶能效和通航環境之間的動態響應關系模型，可以在不同通航環境條件下優化船舶航速提升能效；研制的能效管理系統已成功在內河豪華游船、散貨船、柴油-LNG雙燃料船舶上進行了應用。

哈爾濱工程大學開發了船舶綜合能效智能管理系統(IMSMEE)，具有能效參數在線監測、耗能分布分析、耗能設備能效評估以及縱傾、航速、航線優化等智能管理功能，已經形成了較完備的能效管理產品，2019年在大連制造廠的2艘VLCC船上完成示范應用。中船重工711研究所基于搭建的大數據中心平臺，開發了船舶能效管理系統產品，目前在航標船、汽渡輪和拖輪上都有應用。

4 關鍵技術分析

綜合對比和分析國內外技術發展現狀，可以得出船舶能效管理系統的功能主要包括4個方面，即船舶能效在線監測、能效評估、能效優化以及能效輔助功能。其中，能效在線監測可采集能效數據，服務于其他3項功能，主要對船舶能耗、環境、航行等參數進行監測；能效評估基于在線監測采集的數據，運用數據挖掘技術，得到船舶能耗狀況；能耗優化則向船舶給出航速、航線與縱傾等最佳參考值，提升船舶營運能效；能效輔助功能主要提供符合IMO與海事部門要求的日志與報表。可以看出，船舶在線能效監測、智能能效評估和能效優化控制研究是船舶能效管理的關鍵技術。圖3是船舶能效管理關鍵技術架構圖。

4.1 船舶能效在線監測

能效在線智能監控是智能能效管理系統所應具備的基本功能之一。在線智能監控，即對船上主要耗能設備、船舶航行狀況等進行監測，進行數據的采集、傳輸、儲存、分析，并對船舶能效和能耗等相關技術指標進行評估和報警[8]。因此，船舶能效在線監測是能效在線智能監控的重要內容，同時也是能效智能評估和優化的研究基礎。

能效在線監測的信息來源可分為2類：1)人工輸入的信息(靜態數據)，主要從船舶基本資料和日常報表中獲取[9]，如船舶尺寸信息、船舶航行起點、終點、預計到達時間等；2)借由布設的傳感器采集的數字信息(動態數據)，主要對象為主要耗能設備參數與船舶航行狀況參數，如圖4所示。

對于不同動力類型船舶，其主要耗能設備不同。對于傳統船舶，主機、發電機組和船用鍋爐是主要能源消耗設備，主要監控內容為設備油耗(或氣耗)以及主機轉速與軸功率，氣體機則需對LNG濃度進行安全監控，以保障船舶運行安全。對于混動、純電等新能源船舶，還需要對蓄電池、超級電容等儲能裝置進行狀態監測[10]。船舶航行狀態參數包括船舶對水航速、對地航速、船舶位置、吃水、縱傾角、水流速度與流向、水深、風速風向等，其數據來源主要為船載助航設備，如計程儀、GPS、吃水測量設備、陀螺儀、測深儀、風速風向儀等。

圖3 船舶智能能效管理關鍵技術架構Fig.3 Key technology architecture diagram of ship intelligent energy efficiency management

圖4 船舶能效在線監測信息來源Fig.4 Schematic diagram of information sources for online monitoring of ship energy efficiency

4.2 船舶智能能效評估

智能能效評估是在數據挖掘技術的支持下，從船舶航行以及日常運營，挖掘船舶節能潛力，同時也為管理者提供更優的能效管理方案建議。借助能效評估，管理者可以找到能效標桿，設立能效基準水平，也可以從同航線同船型的其他能效表現較好的船舶借鑒節能經驗。

針對積累的大量船舶能耗、航行以及通航環境數據，使用關聯、聚類、機器學習等方法挖掘能效數據中的特征以及規律[11-12]，在特征分析的基礎上進行能效評估。評估的內容包括：基于實測數據，通過計算EEOI、航行過程燃料消耗指數、CO2指數等能效及排放指標，評估船舶能效水平與狀態；根據采集的油耗及功率，實時評估推進系統能效，為能效管理提供輔助決策[13]；根據船舶主機狀態，結合環境參數與歷史數據信息，利用大數據技術和機器學習算法自動判斷船舶航行工況；根據船舶能耗實時數據，分析得出船舶動態能量消耗分布比例及各部分能量利用效率。當前研究集中于采集到的能耗數據分析，基于數據擬合、聚類算法等方法，分析能耗因素、環境參數、主要耗能設備運行參數之間的關系[14-15]。

4.3 船舶能效優化控制

航速優化、航線優化和縱傾優化是常見的3種能效優化手段[16]。《智能船舶規范》中航速優化和縱傾優化分別設立了智能能效管理補充功能標志，航線優化對于海運船舶有較好的節能效果[17]。

1)航速優化技術。船舶的航速與油耗之間呈三次方關系[18]。降速航行是單船提升能效水平，降低船舶排放的有效措施。但是航速降低的范圍是有限的，速度過低可能會導致超時抵港，航行時間變長也會增加設備磨損以及船員生活成本[19]。此外，港口狀況、油價與物價、船速要求和限制、租船合同等其他因素也需要考慮。因此，存在一最優航速，能使船舶在規定時間到達目的地，同時也能保證航行過程中的功耗最低，即技術經濟航速[20]。目前航速優化的2個主要目標為最佳經濟效益和最佳環境效益。在考慮通航環境的影響下，實現EEOI、CO2等能效排放指數的優化，或者通過應用智能算法到達多目標優化的目的[21-23]。

2)航線優化技術。航線優化是指按照某一性能指標，如燃油消耗最低、航行路線最短、安全性能最高、航行時間最優等，充分利用電子海圖所傳達的航行綜合環境信息以及交通管理控制信息，在智能技術的支持下，形成一條從起始港到目的港的最優航線，主要用于海洋航行的船舶。航線優化可視為在多約束下的最佳路徑問題，蟻群算法、多目標遺傳算法、模擬退火算法等多種智能算法被用來解決相關問題[24-26]。

3)縱傾優化技術。船舶吃水、橫傾角、縱傾角是描述船舶浮態的重要特征參數。特征參數的變化會導致船舶水下體積幾何形狀改變，從而影響船體阻力和船舶操縱性。對于不同吃水、不同航速都存在一個最佳的縱傾角度[27]。通過船模水池試驗或CFD仿真，得到不同吃水、不同縱傾以及不同航速下的螺旋槳功率曲線，使用多元插值等方法得到縱傾優化結果。在滿足船舶穩性、強度、浮態和實際航次要求的條件下，通過調整配載水實現優化的縱傾結果。相關研究通過調節船模前后壓載水量以達到設定縱傾角，并開展了模型功能試驗，驗證了系統的有效性[28]。此外，考慮船舶航行過程中的船舶及環境信息，實現船舶縱傾動態優化是進一步的研究方向[29]。縱傾優化軟件經濟效益較好，無需船舶改造與設備更新，能夠達到1%～8%的節油量，單船使用的成本回收期為1～12個月[30]。

5 結論

當前國內外船舶能效管理方面的研究大多建立在對能耗、功率等監測或午報數據基礎上，然后逐步發展了能效評估、航速優化、縱傾優化、故障診斷等衍生功能，已經在不同船型上得到了一定的應用，取得了較好的節能效果。在技術水平方面，國外機構在能效監測傳感器以及智能分析軟件方面技術水平相對成熟，產品化程度更高，占據了國內外船舶能效管理的主流市場。在應用場景方面，國內外機構在該領域的研究多面向大型海船，針對雙機雙槳型、水文環境復雜的內河船舶研究較少。在智能化程度方面，國內外的船舶能效管理仍以離線分析為主，以動態、在線、自主化為特征的智能評估和優化比較缺乏。

在未來發展方面，受到現代信息技術和人工智能等賦能技術的推動，船舶能效管理將進一步朝向功能智能化、管理集約化方向發展：

1)能效管理功能逐漸加強。能效管理從服務于船舶運營管理的能效數據庫軟件，到單一優化功能能效軟件，再到輔助決策智能能效管理系統。從簡單的數據采集分析，到提出一定的優化建議，再到在線監測、能效評估、輔助優化建議等多種功能集成，智能功能逐步增強[31]。

2)船岸互聯與云端“即服務”。在船端采集相關能效數據，并將單船數據傳輸至岸端；岸端集成船隊，甚至其他公司船舶的能效數據，管理者可通過移動客戶端APP實時查看。專業化平臺公司將為船東提供云端“即服務”，船東無需在船端和岸端配備高性能處理器，只需提供相關數據至云端。復雜的計算以及模擬在“即服務”公司云端高性能計算機上運行，對海量船舶能效數據進行挖掘與分析，開展單船或船隊能效評估與優化服務。