孟曉東， 袁章新

(航運(yùn)技術(shù)與安全國家重點實驗室，上海 200135)

近年來，隨著全球溫室氣體排放的控制、石油價格的持續(xù)上漲，船舶節(jié)能減排備受關(guān)注。國內(nèi)外航運(yùn)企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)紛紛從船舶的設(shè)計、建造、營運(yùn)等各個階段采取節(jié)能減排措施，開發(fā)節(jié)能減排新技術(shù)。船舶節(jié)能減排貫穿于船舶設(shè)計、制造、營運(yùn)的整個船舶生命周期。船舶設(shè)計制造階段的節(jié)能減排技術(shù)主要包括：線型優(yōu)化、動力裝置、高效螺旋槳設(shè)計、新燃料應(yīng)用等[1][2]，在營運(yùn)階段的船舶節(jié)能減排包括結(jié)構(gòu)性、技術(shù)性和管理性三個方面[3]。目前船舶營運(yùn)節(jié)能減排技術(shù)主要從航行操縱管理、船體和螺旋槳工況管理、船載系統(tǒng)管理、整體能效管理四個層面[4]推進(jìn)(見表1)。

最新研究成果表明，綜合使用營運(yùn)階段節(jié)能減排措施后效果非常明顯(見表2[5]，“+”代表該節(jié)能效果的前提是降低航速)，尤其是航行過程中航行操縱技術(shù)節(jié)能措施的綜合應(yīng)用，使節(jié)能效果高達(dá)10%～50%。

1 航行操縱節(jié)能

在整個航行過程中，有很多操縱方式可以提高營運(yùn)能效，如：準(zhǔn)時到港、有自適應(yīng)自動操舵儀情況下盡量少使用手動舵、優(yōu)化壓載水重量以及縱傾、減少在港時間、氣象導(dǎo)航減少風(fēng)浪流阻力等。航行過程管理節(jié)能減排就是要綜合考慮這些因素優(yōu)化航線航速、調(diào)整縱傾等。

表1 營運(yùn)船舶節(jié)能減排措施

表2 綜合使用營運(yùn)船舶節(jié)能技術(shù)的節(jié)能效果

1.1 航速優(yōu)化

1) “最佳航速”數(shù)學(xué)模型的建立充分考慮各種影響因素，如復(fù)雜航行環(huán)境(風(fēng)、浪、流等)、燃油價格、船舶調(diào)度計劃、客戶需求等，以保證往返航次(或某一規(guī)劃期)利潤最大化。

2) 對“最佳航速”數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建趨向運(yùn)用多學(xué)科知識。雖然目前利用船模試驗?zāi)M航行環(huán)境，進(jìn)而得到風(fēng)浪流等參數(shù)影響系數(shù)的途徑依然不失為建立油耗模型的優(yōu)良方法之一，但隨著測量技術(shù)的發(fā)展，利用傳感器監(jiān)測特定航線的航行數(shù)據(jù)已經(jīng)成為現(xiàn)實。因此，實時監(jiān)測復(fù)雜航行環(huán)境對油耗的影響，利用數(shù)學(xué)工具使模型更加精確。例如Tero Ilus和Aatos Heikkinen提出的處理風(fēng)、浪、流等對船舶油耗影響系數(shù)的數(shù)學(xué)回歸模型[6]。

3) “最佳航速”約束函數(shù)的求解更加精確，在利用非線線性規(guī)劃求解船舶“最佳航速”、處理各種約束(如船舶原始設(shè)計限制航速必須在船舶設(shè)計最大最小航速之間、船舶在某一港口的開始服務(wù)時間受港口時間窗限制[7]等)時，利用基于可行性規(guī)則的更新策略，結(jié)合模擬退火的局部搜索技術(shù)的一種混合粒子群優(yōu)化算法[8]，可以使船舶等待服務(wù)時間以及閑置船舶數(shù)量為零，充分提高營運(yùn)效率以及船舶的利用率。

4) “最佳航速”趨向?qū)崿F(xiàn)實時求解，最終得到基于同一航次不同時刻、不同航次之間，對應(yīng)于任一航距的“最佳航速曲線”。

近年來最佳航速研究在下面兩個方向上有突破性進(jìn)展:

1) 將航速作為控制變量，通過收集航行數(shù)據(jù)建立風(fēng)、浪、流等參數(shù)數(shù)據(jù)庫，建立數(shù)學(xué)模型，得出風(fēng)浪流等參數(shù)對油耗的影響系數(shù)，通過動態(tài)優(yōu)化得到關(guān)于目標(biāo)函數(shù)的最佳節(jié)能航速曲線[6]，并于2012年研發(fā)了最佳航速控制系統(tǒng)OSA(Optimum Speed Assistant)，實船應(yīng)用節(jié)能效果可達(dá)1%～3%。

2) 僅考慮航線調(diào)度、船型優(yōu)配以及油價對油耗成本以及對航次利潤的影響，通過優(yōu)化算法得到關(guān)于目標(biāo)函數(shù)的最佳利潤航速[8]。

1.2 航線優(yōu)化、自動駕駛儀改進(jìn)及縱傾優(yōu)化

1) 通過選擇航線克服風(fēng)、浪、流阻力以及改進(jìn)自動駕駛儀實現(xiàn)節(jié)能。目前這兩種節(jié)能措施已比較成熟，例如Force Technology公司研發(fā)的航線優(yōu)化系統(tǒng)SeaPlanner已經(jīng)在實船應(yīng)用多年，節(jié)能效果可達(dá)2%。航運(yùn)公司需要根據(jù)兩種節(jié)能措施的適用性以及節(jié)能效果(見表3[4])合理安排節(jié)能策略。

2) 采用計算機(jī)建模與仿真、網(wǎng)格計算等技術(shù)，將風(fēng)、浪、流等參數(shù)對縱傾的實時影響納入模型，實現(xiàn)動態(tài)控制。一般將縱傾看成是航速、吃水、水動力、船舶載重、螺旋槳推力、舵角甚至風(fēng)流態(tài)勢的函數(shù)，通過動態(tài)優(yōu)化開發(fā)有效的可視化工具，構(gòu)建最佳縱傾動態(tài)控制系統(tǒng)(見表4[9])。

表3 節(jié)能減排措施應(yīng)用效果

表4 縱傾優(yōu)化技術(shù)產(chǎn)品

2 航程性能監(jiān)控分析綜合節(jié)能

船舶運(yùn)輸過程是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程,要求從整體能效出發(fā)，對系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)進(jìn)行總體協(xié)調(diào)整合，以達(dá)到最優(yōu)規(guī)劃、最優(yōu)設(shè)計和最優(yōu)控制的目的。因此，近年來節(jié)能技術(shù)逐漸向生產(chǎn)全過程綜合優(yōu)化方向發(fā)展，對生產(chǎn)運(yùn)輸全過程監(jiān)測、分析的節(jié)能系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。航行性能監(jiān)控分析系統(tǒng)力圖整合船舶五大性能因數(shù)：功率系數(shù)、船型系數(shù)、螺旋槳系數(shù)、燃油消耗率、燃油消耗量，主要通過傳感器采集船舶性能數(shù)據(jù)以及外部環(huán)境數(shù)據(jù)，然后對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行建模分析，使之提供實時、動態(tài)、全面、精確的航速、主機(jī)功率等。

2.1 數(shù)據(jù)分析技術(shù)

2.1.1 船體清污分析

目前對船體清污節(jié)能技術(shù)的研究主要運(yùn)用信號濾波技術(shù)，建立分析決策平臺進(jìn)行實時監(jiān)測、分析，例如Eniram公司開發(fā)的分析平臺(EVP，Eniram Vessel Platform)。建立清污分析平臺主要是根據(jù)長年的船體污損數(shù)據(jù)時間序列，交叉對比分析不同海域的船舶性能數(shù)據(jù)，建立不同航線、不同航段、相似船舶的船體污損數(shù)據(jù)庫，輔以海域溫度和鹽度數(shù)據(jù)庫，然后根據(jù)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行污染趨勢分析、敏感性分析、船舶從一海域駛進(jìn)另一海域時的污染對節(jié)能的影響分析、船體污損的發(fā)展類型分析、船體清污維護(hù)對船舶性能短期以及長期影響分析，最后進(jìn)行清污周期分析和優(yōu)化，最終制定船體清污時間表以輔助決策節(jié)能。

倫敦大學(xué)能源研究所在該項節(jié)能技術(shù)上建立了比較精確的模型，Eniram公司學(xué)者通過先進(jìn)的統(tǒng)計方法和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研發(fā)出的清污分析決策平臺也已經(jīng)在實船上得到應(yīng)用。經(jīng)過多次實船實踐發(fā)現(xiàn)該項節(jié)能可達(dá)3%～5%。

2.1.2 主機(jī)負(fù)荷優(yōu)配分析

降速航行以及航行環(huán)境突變時會造成主機(jī)加速磨損，油耗數(shù)據(jù)的突變是主要監(jiān)測信號。目前主要通過研發(fā)主機(jī)負(fù)荷最佳分配系統(tǒng)來實時調(diào)節(jié)主機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，研究表明，配合降速航行,該項節(jié)能技術(shù)的節(jié)能效果可達(dá)3%(見表5[10])。該系統(tǒng)主要基于船舶各種航行環(huán)境下的燃料油流量表和主機(jī)輸出功率的實時數(shù)據(jù)計算出燃油消耗率，在得到船舶每航段最佳航速的前提下，,計算出對應(yīng)于每一航段航速的最佳主機(jī)負(fù)荷分配，最大限度地提高燃油效率，進(jìn)而實時調(diào)節(jié)主機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，實現(xiàn)節(jié)能最大化。

2.2 最新航程監(jiān)控分析技術(shù)成果

伴隨計算機(jī)信息和控制以及測量系統(tǒng)等學(xué)科的快速滲透，單項分析技術(shù)如主機(jī)老化分析、姊妹船推進(jìn)系統(tǒng)能耗分析等，以及綜合各種數(shù)據(jù)分析軟件、控制系統(tǒng)的航行過程性能監(jiān)控分析平臺逐漸趨向智能化、數(shù)字化、精密化發(fā)展，例如Eniram 公司推出的多項數(shù)據(jù)分析節(jié)能軟件，已經(jīng)在多條實船運(yùn)行中取得實驗成功，節(jié)能效果顯著(見表5)。表6列出了2011年以來的不同公司的最新航程性能監(jiān)控分析平臺。

表5 航行性能數(shù)據(jù)分析軟件

表6 船舶性能監(jiān)控分析平臺

3 結(jié) 語

營運(yùn)船舶節(jié)能減排問題越來越引起人們的關(guān)注，為了推進(jìn)我國航運(yùn)企業(yè)運(yùn)營船舶的節(jié)能減排，應(yīng)加強(qiáng)節(jié)能減排管理信息系統(tǒng)平臺建設(shè)，在航運(yùn)管理系統(tǒng)、機(jī)務(wù)信息系統(tǒng)以及船岸通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，建立船舶燃油消耗監(jiān)控系統(tǒng)、燃油消耗與排放數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)船舶燃油消耗與排放監(jiān)控管理。積極應(yīng)用信息化手段，優(yōu)化航程航線和航速，提高船舶營運(yùn)管理，對節(jié)能減排進(jìn)行全方位的輔助決策、監(jiān)控和管理。除了新技術(shù)方面要進(jìn)行不斷創(chuàng)新外，同時還要加強(qiáng)政策力度，加快節(jié)能技術(shù)的推廣與應(yīng)用，對船舶營運(yùn)進(jìn)行綜合智能管理，使船舶運(yùn)輸具有更強(qiáng)的競爭力。

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