營運散貨船監(jiān)測數(shù)據(jù)處理與分析

喬繼潘, 伍 銳, 文逸彥, 季 盛

(上海船舶運輸科學研究所 航運技術與安全國家重點實驗室，上海 200135)

0 引 言

對于營運船舶，快速性始終都是船舶性能考核的重要指標之一，常規(guī)驗證快速性都是通過水池模型試驗預報航速功率，并通過交船測試來驗證特定狀態(tài)下的航速指標。但常規(guī)驗證方法存在一定的不確定性，如船模實船航速預報的精度、實船試航環(huán)境因素修正方法的準確性及交船測試工況到營運工況船舶性能換算方法的合理性等。同時，隨著船舶航行年限的增長，由于主機磨合、船體效率和螺旋槳表面狀態(tài)變化等因素的影響[1]，船舶快速性能會有較大變化，如何及時準確地獲得船舶當前的快速性能是目前船舶行業(yè)研究的熱點之一。

以一艘5萬噸級散貨船為研究對象，通過對實船航行開展長期監(jiān)測，利用大數(shù)據(jù)分析方法對航行數(shù)據(jù)進行清洗、插補、篩選和修正分析，研究實船航行數(shù)據(jù)修正分析方法，實時獲取船舶快速性指標狀況。

1 船舶參數(shù)

1.1 目標船選擇及航線情況

考慮到分析方法的普適性，對中海散貨運輸有限公司船隊進行調(diào)研，最終選擇較為經(jīng)典的超靈便型5萬噸級散貨船作為研究目標船。該目標船船型成熟、船齡較新，且運營航線較為穩(wěn)定。運輸航線為國內(nèi)沿海航線，主要靠泊沿海各港口如秦皇島港、黃驊港、威海港、大豐港及上海港等，也會出入長江口如常州等港口停靠。典型的航線見圖1，航線航行的主要海域為東海、黃海和渤海。

1.2 監(jiān)測參數(shù)

為滿足散貨船實船測試和長期監(jiān)測能效數(shù)據(jù)分析需求，通過在散貨船上安裝實船營運性能監(jiān)測平臺，對船舶航行過程中近百種信號進行采集監(jiān)測，監(jiān)測信息主要可分為能耗監(jiān)測、船舶航行姿態(tài)監(jiān)測和航行環(huán)境監(jiān)測等3部分。能耗監(jiān)測主要監(jiān)測船舶的航行效率，反映船舶在某一航速下的槳軸發(fā)出功率，包括槳軸扭矩、槳軸轉(zhuǎn)速、對地速度、對地航向及船舶球面坐標等。船舶航行姿態(tài)監(jiān)測主要監(jiān)測在風浪環(huán)境作用下的船舶運動姿態(tài)，用于修正運動對實船測試的影響和實船與模型對比，包括船舶吃水、舵角、船首方向及船舶六自由度狀態(tài)等。航行環(huán)境監(jiān)測主要監(jiān)測實船外界海洋環(huán)境，用于修正環(huán)境對實船性能的影響，包括風速風向、波浪參數(shù)、對水速度、水深，海水溫度及氣溫氣壓等。

2 監(jiān)測數(shù)據(jù)的預處理

實船營運性能原始監(jiān)測信號數(shù)據(jù)屬于多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，具有種類多、數(shù)據(jù)量大及質(zhì)量差異大等特點[2]，在數(shù)據(jù)分析前需要對數(shù)據(jù)進行預處理，主要包括數(shù)據(jù)的清洗與存儲和數(shù)據(jù)庫的平均處理兩個方面。

2.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)的清洗入庫

系統(tǒng)開發(fā)基于Windows平臺，選用Access數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)存儲，具體流程見圖2，進行數(shù)據(jù)的導入和臨時存儲，將監(jiān)測得到的實時信號數(shù)據(jù)導入，逐行判斷并轉(zhuǎn)換，由于每一條數(shù)據(jù)均含有多個監(jiān)測量，故還需判斷

該條數(shù)據(jù)是否結(jié)束，全部數(shù)據(jù)讀取完成后將其存入到臨時數(shù)組中。然后進行數(shù)據(jù)的初步清洗和入庫，針對不同的數(shù)據(jù)類型及數(shù)據(jù)質(zhì)量，對數(shù)據(jù)進行清洗。例如對于功率轉(zhuǎn)速，由于信號頻率的不一致造成數(shù)據(jù)缺失，需對缺失數(shù)據(jù)進行插值處理；對于水深，超出測深儀量程后會得到溢出信號，需將其填充為標識數(shù)字；對于風速等由于傳感器故障出現(xiàn)的異常數(shù)據(jù)，利用先驗知識建立數(shù)據(jù)的合理范圍，將不在區(qū)間內(nèi)的數(shù)據(jù)填充為標識數(shù)字。其他數(shù)據(jù)進行類似處理，將初步清洗后的數(shù)據(jù)導入數(shù)據(jù)庫中，運行結(jié)束后每天的監(jiān)測數(shù)據(jù)將生成一個數(shù)據(jù)庫文件。

2.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)的平均化及合并

由于監(jiān)測系統(tǒng)采集的所有數(shù)據(jù)均為瞬時信號，數(shù)據(jù)在一個范圍內(nèi)波動，具有一定的隨機性，用于后續(xù)的分析計算并不合理，故采用分段平均的方法，取一定時間內(nèi)各個監(jiān)測量的平均值用于計算。實船性能測試采用ISO 15016—2015[3]中的建議，實船測試數(shù)據(jù)每10 min平均一次，作為一個狀態(tài)點進行計算。為保證數(shù)據(jù)質(zhì)量及獲得盡可能多的分析點，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行平均化處理分析，以主機功率和相對風速為例，發(fā)現(xiàn)5 min平均即可濾去監(jiān)測數(shù)據(jù)的瞬時波動，故采取5 min時間約300條數(shù)據(jù)進行平均。讀取上面生成的原始數(shù)據(jù)庫，對數(shù)據(jù)進行取平均操作。同時，對數(shù)據(jù)的平均值進行分析，將部分不合理的數(shù)據(jù)進行插值或填充，對數(shù)據(jù)進行進一步的清洗，最后將每天的監(jiān)測數(shù)據(jù)生成新的平均化數(shù)據(jù)庫。散貨船部分監(jiān)測數(shù)據(jù)平均化前后對比見圖3～圖6所示。

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)修正分析

3.1 修正計算流程

營運監(jiān)測數(shù)據(jù)的功率航速轉(zhuǎn)速修正分析計算[4-6]參考試航修正規(guī)程ISO 15016—2015，采用直接功率法，分別將風、波浪、水溫、鹽度及排水量偏差等轉(zhuǎn)化為總阻力增加，乘以對應航速，并考慮變載荷系數(shù)、推進效率、傳遞效率等，得到總的功率修正量。淺水效應和流的影響則修正航速，最終得出當前載況及統(tǒng)一設定環(huán)境下(無風、無浪、無流、15 ℃氣溫及水溫)的航速功率點。但由于營運監(jiān)測數(shù)據(jù)的特殊性，在流速修正、風阻修正及航速功率插值等分析方法上較ISO 15016—2015有所不同，主要體現(xiàn)在以下幾方面。

(1) 實際營運載況較多，不能用單一的模型試驗數(shù)據(jù)與之對應，修正分析時的計算參數(shù)需根據(jù)靜水模型試驗圖譜選擇對應載況或相近載況通過插值得到。

(3) 由于監(jiān)測平臺采用波浪雷達監(jiān)測波浪參數(shù)，浪的方向難以確定，在營運數(shù)據(jù)分析時篩選海況較好的小波高數(shù)據(jù)，統(tǒng)一將浪向處理為迎浪，盡量降低波浪對數(shù)據(jù)的影響。

(4) 由于營運監(jiān)測數(shù)據(jù)單航次的特殊性，船舶不總是在同一海域航行，ISO 15016—2015中迭代法或平均法處理流速將不再適用，將通過對地航速及對水航速綜合考慮流帶來的影響。

(5) 對于水溫和鹽度增阻、排水量偏差增阻、變載荷系數(shù)增阻及淺水效應影響航速等，統(tǒng)一采用與ISO 15016—2015中相同的方法處理。

3.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)篩選

數(shù)據(jù)篩選是監(jiān)測數(shù)據(jù)進一步歸類分析的基礎，篩選結(jié)果將直接影響到營運數(shù)據(jù)的分析結(jié)果和結(jié)論。對5萬噸級散貨船已監(jiān)測的18個月約87 000條平均化數(shù)據(jù)進行篩選，主要從船舶航速、吃水、舵角、水深、波高、風速及轉(zhuǎn)速等方面考慮。

(1) 剔除非定速航行狀態(tài)及數(shù)據(jù)缺失嚴重狀態(tài)。根據(jù)航速和地球坐標點判斷船舶航行狀態(tài)，僅保留定速航行穩(wěn)定狀態(tài)速度，同時剔除首向角、風速及浪高等數(shù)據(jù)有缺失的點。

(2) 吃水和航速篩選。為實現(xiàn)螺旋槳不出水、保證航速不超出模型試驗可修正區(qū)間等外插現(xiàn)象條件，減少監(jiān)測數(shù)據(jù)不穩(wěn)定現(xiàn)象，設置散貨船吃水和航速相關篩選條件。

(4) 波高和風速篩選。對(3)結(jié)果進行計算，風浪修正功率百分比見圖7和圖8，可知波高為2.0 m時，波浪的平均修正功率約為10%；真風速為20 kn以下時的風阻修正功率在±18%以內(nèi)?？紤]風浪影響并保證監(jiān)測點數(shù)量，剔除波高2.0 m(4級海浪)，真風速20 kn(考慮測風儀高度位置，約蒲氏風5級)以上的數(shù)據(jù)。

(5) 其他篩選。考慮船舶在螺旋槳轉(zhuǎn)速改變后船速需在一段時間內(nèi)才能穩(wěn)定，通過數(shù)據(jù)關聯(lián)分析，將一定范圍內(nèi)轉(zhuǎn)速波動>0.3 r/min的數(shù)據(jù)點剔除。利用靜水快速性圖譜插值程序?qū)τ嬎憬Y(jié)果中的吃水、縱傾和航速進行全面的外插校核，剔除外插的點。

3.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

基于VB.net平臺對以上修正分析方法進行軟件實現(xiàn)，開發(fā)散貨船實船監(jiān)測數(shù)據(jù)分析軟件，可獲得當前載況、設定統(tǒng)一環(huán)境下的航速功率點。為驗證修正分析方法的可靠性，對修正數(shù)據(jù)按典型載況進行區(qū)分，將修正后的實船航速功率點與對應條件下模型試驗結(jié)果進行對比，分析功率相關因子Cp和轉(zhuǎn)速相關因子Cn的分布情況。

3.3.1 壓載載況計算結(jié)果分析

將篩選后的監(jiān)測數(shù)據(jù)計算結(jié)果按裝載狀況分成滿載和壓載。選取接近壓載載況(平均吃水約為6.1 m)數(shù)據(jù)的修正計算結(jié)果，其與模型試驗對比得到的Cp，Cn分布見圖9～圖14，Cp分布集中在0.7～1.4間，Cn分布集中在0.88～1.16，Cn離散度遠小于Cp，且二者隨航速的增大均有明顯降低的趨勢，Cp的變化尤為顯著。監(jiān)測數(shù)據(jù)壓載載況航速均值為12.41 kn，計算得到的Cp，Cn均值分別為1.046,1.012，表明在同等航速下，實船需求功率較模型試驗預報功率要大4.6%，該差異可認為運營4 a以來船舶快速性能的下降，基本驗證了修正分析方法的實用性。

3.3.2 滿載載況計算結(jié)果分析

篩選出吃水接近滿載載況的數(shù)據(jù)(平均吃水約為12.62 m)，其與模型試驗對比得到的Cp,Cn分布見圖15～圖20，均近似服從正態(tài)分布，且Cn分布離散度遠小于Cp，二者隨航速的增大均有明顯降低的趨勢，且Cp的變化尤為明顯。監(jiān)測數(shù)據(jù)滿載載況航速均值為11.26 kn，計算得到的Cp,Cn均值分別為1.038,1.006，表明在同等航速下，實船需求功率較模型試驗預報功率要大3.8%，該差異可認為運營4 a以來船舶快速性能的下降，基本驗證了修正分析方法的實用性。

3.4 監(jiān)測分析結(jié)果可靠性驗證

通過以上監(jiān)測數(shù)據(jù)分析和與模型試驗結(jié)果對比，基本驗證監(jiān)測分析方法的實用性。為驗證分析結(jié)果的可靠性，針對本次分析主要區(qū)分出的2個典型載況(壓載載況和滿載載況)開展了實船快速性測試見圖21，嚴格按照ISO 15016—2015試航規(guī)程對實船航速測定的相關要求進行試驗和性能計算。

按照ISO 15016—2015試航規(guī)程對測試數(shù)據(jù)進行修正計算，擬合得出實船航速功率曲線(見圖22)，對比模型試驗結(jié)果，可得出壓載狀態(tài)下實船測試/模型試驗功率相關因子Cp=1.017，滿載狀態(tài)下實船測試/模型試驗功率相關因子Cp=1.027，與監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結(jié)果非常吻合，驗證了監(jiān)測分析方法的可靠性。

4 結(jié) 語

利用5萬噸級散貨船獲得的長期實船性能和風浪環(huán)境數(shù)據(jù)開展實船快速性能監(jiān)測分析方法研究，通過原始監(jiān)測數(shù)據(jù)清洗入庫、監(jiān)測數(shù)據(jù)庫平均化合并、監(jiān)測數(shù)據(jù)篩選、數(shù)據(jù)計算修正及計算結(jié)果分析等工作，得到了以下幾點結(jié)論，可為今后類似實船快速性能評估分析提供很好的工程依據(jù)。

1) 由于儀器故障及系統(tǒng)誤差等原因，原始監(jiān)測數(shù)據(jù)存在數(shù)據(jù)缺失、異常等現(xiàn)象，在數(shù)據(jù)處理分析前需完成清洗入庫，對缺失數(shù)據(jù)進行插值處理，異常數(shù)據(jù)填充為標識數(shù)字。

2) 對散貨船航行監(jiān)測原始數(shù)據(jù)進行每5 min(300條數(shù)據(jù))平均，可在保證數(shù)據(jù)點數(shù)量的基礎上減小瞬時信號波動帶來的隨機性誤差，對縮短計算時間提高分析精度具有很大幫助。

3) 考慮實際船舶航行特點，從船舶航速、吃水、舵角、水深、波高、風及轉(zhuǎn)速等方面對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行篩選，計算結(jié)果表明篩選后的相關因子離散度較小，篩選條件設置較為合理。

4) 整體修正結(jié)果表明，各載況下Cp,Cn并不相同，滿載載況Cp與Cn分別為1.038,1.006，壓載載況Cp與Cn分別為1.046,1.012。

5) 與模型試驗實船預報采用的相關因子對比中可知，滿載載況及壓載載況下Cp，Cn均>1，表明隨著船齡的增長，船舶各載況下快速性能均在下降，但下降幅度不同。通過開展實船快速性試驗，驗證了性能下降的現(xiàn)象和該監(jiān)測分析方法的可靠性。

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