船舶智能能效管理技術發(fā)展現(xiàn)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(yè)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(fā)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(qū)域經(jīng)濟發(fā)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(jù)國際海事組織(International Maritime Organization, IMO)2014年發(fā)布的第3次溫室氣體報告，國際航運業(yè)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(yè)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(qū)的空氣質量惡化，對大氣環(huán)境和人類健康造成很大危害。

IMO為了推動航運業(yè)的節(jié)能減排，提出了具有強制性的船舶能效規(guī)則，主要包括針對新造船的船舶能效設計指數(shù)(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(yè)性和強制性的溫室氣體減排規(guī)則。對于大量營運中的船舶，優(yōu)化全船能耗以及提升動力系統(tǒng)效率等能效管理手段都是當前航運企業(yè)普遍采用的節(jié)能減排措施。此外，加強船舶能效管理，對航運業(yè)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(chǎn)品發(fā)展現(xiàn)狀，了解能效管理技術的發(fā)展趨勢，能夠更好的促進我國能效管理系統(tǒng)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(chǎn)實踐的能源利用與轉化過程中，實際發(fā)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(shù)(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(shù)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(shù)監(jiān)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(chuàng)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(xiàn)代信息技術和人工智能等賦能技術的發(fā)展，推動著船舶能效管理技術的實船應用。在傳統(tǒng)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(tǒng)，可形成(智能)能效管理系統(tǒng)。系統(tǒng)具備較高的成熟度、產(chǎn)品化之后，則形成船舶能效管理的相關產(chǎn)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(jié)能減排，IMO與我國海事管理部門出臺了相關政策法規(guī)，引導航運業(yè)實施船舶能效管理。IMO除了引入強制性船舶能效規(guī)則，于2016年通過了全球船舶燃油消耗收集機制，作為海運節(jié)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(yè)排放的“初步戰(zhàn)略”，在2050年將航運業(yè)CO2總排放量減半。同年，國家海事局出臺《船舶能效數(shù)據(jù)收集管理辦法》，規(guī)范了中國港口船舶能效數(shù)據(jù)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(fā)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(guī)模、船型、航區(qū)、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(xiàn)有船舶能效指數(shù)(energy efficiency existing ship index，EEXI)概念，針對現(xiàn)存大量不適用于EEDI的船舶排放，以實現(xiàn)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(jù)統(tǒng)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(yè)最大的運營成本。此外，我國船舶動力系統(tǒng)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(fā)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(yōu)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(yè)實現(xiàn)降本增效，也有利于履行國際減排法規(guī)要求。實施船舶能效管理有利于提升航運企業(yè)的競爭力，在航運企業(yè)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(fā)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(shù)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(tǒng)。CCS發(fā)布的《智能船舶規(guī)范》以及工信部等部委發(fā)布的《智能船舶發(fā)展行動計劃(2019-2021年)》，把實現(xiàn)智能能效管理作為未來智能船舶發(fā)展的核心功能模塊。在船舶智能化與無人化發(fā)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(tǒng)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(fā)展現(xiàn)狀

3.1 國外能效管理技術發(fā)展現(xiàn)狀

3.1.1 日韓

日本船級社發(fā)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(wǎng)頁端EEOI-Web。船端用于輸入船載數(shù)據(jù)的專門軟件，如航程信息、運行數(shù)據(jù)(航行距離、燃料消耗等)。網(wǎng)頁端則用于計算和分析船端數(shù)據(jù)，并以圖表的形式直觀展示數(shù)據(jù)，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(tǒng)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(jiān)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(shù)據(jù)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(jiān)控、報告、分析和優(yōu)化等功能整合到一個基于Web的平臺，NAPA Logbook的數(shù)據(jù)也可以導入其中。其數(shù)據(jù)庫中分析了55 000多艘船舶的全球行業(yè)數(shù)據(jù)，并且能夠集成各種數(shù)據(jù)源，如AIS，中午報告和自動化信號等。可以將各種數(shù)據(jù)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(wǎng)頁上獲取航速航線優(yōu)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(yōu)化的解決方法，并開發(fā)了相對應的優(yōu)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(shù)據(jù)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(fā)動機數(shù)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(zhí)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(tǒng)的UT 776 CD PSV試驗期間，其燃料節(jié)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(jiān)控的軟件系統(tǒng)，可以實現(xiàn)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(yōu)化、歷史數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)分析等功能，可以自動將數(shù)據(jù)、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(yōu)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(xiàn)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(yōu)化、動態(tài)縱傾優(yōu)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(fā)展現(xiàn)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(tǒng)的研究工作。

CCS推出了船舶能效采集監(jiān)測軟件、在線智能管理系統(tǒng)以及CCS-OTA縱傾優(yōu)化軟件。其中，船舶能效采集監(jiān)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(shù)據(jù)?；诒O(jiān)測結果，還能夠統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)、生成滿足不同法規(guī)要求的船舶能效數(shù)據(jù)采集報告。船舶能效在線智能管理系統(tǒng)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?？v傾優(yōu)化軟件需在界面輸入船舶航速、吃水等參數(shù)，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(fā)的智能船舶能效系統(tǒng)(SEMOS系統(tǒng))，其目的是簡化船舶操作并降低船舶運營成本，該系統(tǒng)具備遠程監(jiān)控、燃油管理、性能分析、故障診斷、縱傾優(yōu)化、航速優(yōu)化等功能。該系統(tǒng)目前已經(jīng)在13360TEU“中遠荷蘭”輪上實船驗證，為該集裝箱船的節(jié)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(fā)了能效管理系統(tǒng)，通過實時采集水深、水流速度、風速風向等通航環(huán)境數(shù)據(jù)，以及船舶航速、航向、經(jīng)緯度等航行姿態(tài)數(shù)據(jù)，還有能耗數(shù)據(jù)(主機油耗、功率、扭矩、轉速)等，根據(jù)船舶能效和通航環(huán)境之間的動態(tài)響應關系模型，可以在不同通航環(huán)境條件下優(yōu)化船舶航速提升能效；研制的能效管理系統(tǒng)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(fā)了船舶綜合能效智能管理系統(tǒng)(IMSMEE)，具有能效參數(shù)在線監(jiān)測、耗能分布分析、耗能設備能效評估以及縱傾、航速、航線優(yōu)化等智能管理功能，已經(jīng)形成了較完備的能效管理產(chǎn)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(shù)據(jù)中心平臺，開發(fā)了船舶能效管理系統(tǒng)產(chǎn)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(fā)展現(xiàn)狀，可以得出船舶能效管理系統(tǒng)的功能主要包括4個方面，即船舶能效在線監(jiān)測、能效評估、能效優(yōu)化以及能效輔助功能。其中，能效在線監(jiān)測可采集能效數(shù)據(jù)，服務于其他3項功能，主要對船舶能耗、環(huán)境、航行等參數(shù)進行監(jiān)測；能效評估基于在線監(jiān)測采集的數(shù)據(jù)，運用數(shù)據(jù)挖掘技術，得到船舶能耗狀況；能耗優(yōu)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?？梢钥闯?，船舶在線能效監(jiān)測、智能能效評估和能效優(yōu)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(jiān)測

能效在線智能監(jiān)控是智能能效管理系統(tǒng)所應具備的基本功能之一。在線智能監(jiān)控，即對船上主要耗能設備、船舶航行狀況等進行監(jiān)測，進行數(shù)據(jù)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(jiān)測是能效在線智能監(jiān)控的重要內容，同時也是能效智能評估和優(yōu)化的研究基礎。

能效在線監(jiān)測的信息來源可分為2類：1)人工輸入的信息(靜態(tài)數(shù)據(jù))，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(shù)字信息(動態(tài)數(shù)據(jù))，主要對象為主要耗能設備參數(shù)與船舶航行狀況參數(shù)，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(tǒng)船舶，主機、發(fā)電機組和船用鍋爐是主要能源消耗設備，主要監(jiān)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(jiān)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(tài)監(jiān)測[10]。船舶航行狀態(tài)參數(shù)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(shù)據(jù)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(jiān)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(shù)據(jù)挖掘技術的支持下，從船舶航行以及日常運營，挖掘船舶節(jié)能潛力，同時也為管理者提供更優(yōu)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(xiàn)較好的船舶借鑒節(jié)能經(jīng)驗。

針對積累的大量船舶能耗、航行以及通航環(huán)境數(shù)據(jù)，使用關聯(lián)、聚類、機器學習等方法挖掘能效數(shù)據(jù)中的特征以及規(guī)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(shù)據(jù)，通過計算EEOI、航行過程燃料消耗指數(shù)、CO2指數(shù)等能效及排放指標，評估船舶能效水平與狀態(tài)；根據(jù)采集的油耗及功率，實時評估推進系統(tǒng)能效，為能效管理提供輔助決策[13]；根據(jù)船舶主機狀態(tài)，結合環(huán)境參數(shù)與歷史數(shù)據(jù)信息，利用大數(shù)據(jù)技術和機器學習算法自動判斷船舶航行工況；根據(jù)船舶能耗實時數(shù)據(jù)，分析得出船舶動態(tài)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(shù)據(jù)分析，基于數(shù)據(jù)擬合、聚類算法等方法，分析能耗因素、環(huán)境參數(shù)、主要耗能設備運行參數(shù)之間的關系[14-15]。

4.3 船舶能效優(yōu)化控制

航速優(yōu)化、航線優(yōu)化和縱傾優(yōu)化是常見的3種能效優(yōu)化手段[16]?！吨悄艽耙?guī)范》中航速優(yōu)化和縱傾優(yōu)化分別設立了智能能效管理補充功能標志，航線優(yōu)化對于海運船舶有較好的節(jié)能效果[17]。

1)航速優(yōu)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(yōu)航速，能使船舶在規(guī)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(jīng)濟航速[20]。目前航速優(yōu)化的2個主要目標為最佳經(jīng)濟效益和最佳環(huán)境效益。在考慮通航環(huán)境的影響下，實現(xiàn)EEOI、CO2等能效排放指數(shù)的優(yōu)化，或者通過應用智能算法到達多目標優(yōu)化的目的[21-23]。

2)航線優(yōu)化技術。航線優(yōu)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(yōu)等，充分利用電子海圖所傳達的航行綜合環(huán)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(yōu)航線，主要用于海洋航行的船舶。航線優(yōu)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(yōu)化技術。船舶吃水、橫傾角、縱傾角是描述船舶浮態(tài)的重要特征參數(shù)。特征參數(shù)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(yōu)化結果。在滿足船舶穩(wěn)性、強度、浮態(tài)和實際航次要求的條件下，通過調整配載水實現(xiàn)優(yōu)化的縱傾結果。相關研究通過調節(jié)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(tǒng)的有效性[28]。此外，考慮船舶航行過程中的船舶及環(huán)境信息，實現(xiàn)船舶縱傾動態(tài)優(yōu)化是進一步的研究方向[29]?？v傾優(yōu)化軟件經(jīng)濟效益較好，無需船舶改造與設備更新，能夠達到1%～8%的節(jié)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(jiān)測或午報數(shù)據(jù)基礎上，然后逐步發(fā)展了能效評估、航速優(yōu)化、縱傾優(yōu)化、故障診斷等衍生功能，已經(jīng)在不同船型上得到了一定的應用，取得了較好的節(jié)能效果。在技術水平方面，國外機構在能效監(jiān)測傳感器以及智能分析軟件方面技術水平相對成熟，產(chǎn)品化程度更高，占據(jù)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(huán)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(tài)、在線、自主化為特征的智能評估和優(yōu)化比較缺乏。

在未來發(fā)展方面，受到現(xiàn)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(fā)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(shù)據(jù)庫軟件，到單一優(yōu)化功能能效軟件，再到輔助決策智能能效管理系統(tǒng)。從簡單的數(shù)據(jù)采集分析，到提出一定的優(yōu)化建議，再到在線監(jiān)測、能效評估、輔助優(yōu)化建議等多種功能集成，智能功能逐步增強[31]。

2)船岸互聯(lián)與云端“即服務”。在船端采集相關能效數(shù)據(jù)，并將單船數(shù)據(jù)傳輸至岸端；岸端集成船隊，甚至其他公司船舶的能效數(shù)據(jù)，管理者可通過移動客戶端APP實時查看。專業(yè)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)進行挖掘與分析，開展單船或船隊能效評估與優(yōu)化服務。