豪华邮船能效管理系统设计

陈伟波， 陈自强， 刘 健， 葛云龙

(上海交通大学 a.船舶海洋与建筑工程学院， b.海洋工程国家重点实验室， c.高新船舶与深海开发装备协同创新中心，上海200240)

0 引 言

为有效控制船舶营运对地球环境造成的污染破坏，2011年国际海事组织召开第62次会议，制定公约并提出两项船舶能效标准：能效设计指数(Energy Efficiency Design Index，EEDI)和船舶能效管理计划(Ship Energy Efficiency Management Plan，SEEMP)。这两项船舶能效标准从2013年1月1日开始实施，以鼓励船舶设计、建造、营运等各环节的厂商采用各种节能减排、降低能耗的措施来提高船舶能效水平，减少CO2的排放。

当前国际邮船市场重心开始向亚太区域转移，中国邮船产业取得了较大进步，在邮船设计建造和营运管理等方面也获得较快发展。在豪华邮船设计建造与运营管理过程中，同样应满足SEEMP，达到较低的EEDI和能效营运指数，实现经济效益和环保效益双赢。豪华邮船上的机电设备种类繁多，系统结构复杂，而目前国内缺乏对于豪华邮船能效营运管理方面的研究，开展针对豪华邮船的能效管理研究势在必行。针对豪华邮船能效管理系统，国外ABB公司和WARTSILA ENRIAM公司已设计开发出相关软件系统，而国内现在还没有这方面的研究和产品。对豪华邮船能效管理系统进行设计研究，可为以后国产邮船做国产化配套集成更多功能。

为在豪华邮船营运过程中提高能效水平、实现节能减排，本文在分析研究豪华邮船特点和通航环境特点的基础上，针对豪华邮船的能效管理计划和能效营运指数，设计出一种节约燃油、绿色高效的能效管理系统解决方案，通过各种措施降低船舶能耗、提高燃油利用效率、减少CO2排放，以满足船旗国主管机关、国际海事组织、船级社等相关要求，对豪华邮船营运过程中节能减排、降低成本具有重大现实意义。

1 能效指标分析

船舶能效管理计划从能源消耗、能源利用效率和CO2排放等方面对船舶进行严格的控制和管理，以提高能效水平。它对航运公司监控船舶CO2等温室气体的排放提出了量化要求，并要求从计划、实施到监控、自我评估，建立一整套完善的提高船舶营运效率的管理机制。

船舶能效营运指数(Energy Efficiency Operational Indicator，EEOI)反映的是船舶单位运输作业所排放的CO2量，即消耗燃油所排放的CO2与货物的数量和运输距离的比值，用来衡量阶段时期内船舶能效的高低[1-2]。EEOI可以定义为

(1)

式中：j表示燃油类型；FCj表示燃油j的消耗量；CFj表示燃油j的燃油量与CO2排放量之间的转换系数：mcargo表示货物种类(t)或完成工作量(标准集装箱数目或人员)或客船的总吨位；D表示以海里计的航行距离。

豪华邮船的运营方式较其他常规船型有较大差异，如何在保证邮船正常运行时获得最低的EEOI指数至关重要。对于豪华邮船而言，影响EEOI的因子较常规船型更为复杂，如主副机油耗、航行状态、载重等，因此需针对豪华邮船的营运特点对多影响因素进行综合研究，从而实现有效降低EEOI的优化方法。

2 豪华邮船特点分析

豪华邮船是环球海上航行或在地中海、加勒比海等特定地区航行，没有货物甲板且专门用于商业运输在海上航行中过夜的乘客，以在船上娱乐和停靠地观光游览为目的的船舶。针对不同的航行条件，从操作设施配备及操纵性能看，豪华邮船同内河船舶相比，在能效研究的方面有很多不同，其主要特点[3]如下：

(1) 豪华邮船以在船上娱乐和停靠地观光游览为目的，搭乘人员多，内装设计新奇且个性鲜明，布局陆上化，娱乐多样化，在安全性、舒适性和节能环保方面的要求标准比普通船舶更高。

(2) 在豪华邮船电力系统方面，生活用电所占比例相对较大，一般须额外配备较大的发电机舱，再加上安全返港的要求，豪华邮船推进目前多采用柴电联合推进方式。

(3) 豪华邮船船体方形系数在0.7左右，与普通货船类似；无论吨位大小，长宽比基本维持在5～10，且朝宽大型发展，以避免吨位增大出现长宽比显著性增加；吃水一般在8～9 m，水面以上船体高，受风面积大。

(4) 豪华邮船航速较高，一般为20 kn以上；满舵回转时的纵矩约为3.5倍船长，回转初径约为4倍船长；在港内时的操纵性能好，能依靠自身首尾侧推器或吊舱桨完成离泊操纵，在一般情况下不需拖轮协助就能靠离泊。

此外，豪华邮船在通航中还需要考虑如下问题：

(1) 豪华邮船在航行过程中，在港口之间的航线上有很大的选择余地，因此豪华游轮节能减排方面往往首先考虑优化航线与航迹控制。

(2) 豪华邮船须经常在港口停泊，以满足船上旅客下船观光旅游的需求，并须及时补充生活资料和油料等，因此在提升能效水平时应在总体上进行时间维度的考虑。

(3) 因海上航行和内河航运不同，豪华邮船在海上航行时须主要考虑风浪的作用，而不用考虑受固定方向水流的影响。

(4) 对豪华邮船阻力产生影响的因素中，可不用考虑内河的枯水期与丰水期影响，而须将更多的注意力放在海上季风和水文气象等方面，因为这些因素会随着季节更替而出现明显有规律的变化。

(5) 豪华邮船能效管理研究应从整体上进行考虑，可有效避免海上船舶之间的航行行为相互影响、相互牵制。

3 豪华邮船能效管理系统设计

豪华邮船船舶能效管理系统设计原则为：(1)全面性原则。在豪华邮船能效管理系统设计过程中，应当遵从全面性原则，对所有可能对邮船营运能效产生影响的因素进行全面分析。(2)针对性原则。在能效管理系统设计过程中，考虑豪华邮船特征和通航环境特点，针对具体情况与实际条件采取适宜的优化措施。(3)系统性原则。能效管理系统设计应当从宏观、总体、系统的角度进行科学分析，实施措施。

豪华邮船船舶能效管理系统建立在节能减排的理念之上，运用科学措施和先进手段从经营、管理、操作、设备的各个层面不断提高邮船能效水平。该系统可对船舶运行状态、设备运行数据、能耗排放等数据进行自动采集、监测，并与岸基决策支持系统进行船岸信息传输。基于大数据方法对历史数据进行分析，挖掘出数据之间存在的关系，生成各种图表供邮船管理人员对船舶能耗及能量使用效率进行监控分析。船上及岸端人员根据系统提供的信息数据，从航行优化、船舶操纵、船体检查清洁、机械设备维护等方面建立可靠高效的邮船营运能效管理优化最佳方案，以减少邮船油耗、降低能效营运指数。系统方案如图1所示。系统网络架构如图2所示。

图1 豪华邮船能效管理系统方案

图2 豪华邮船能效管理系统架构及相关硬件

豪华邮船能效管理系统设计包括：数据库及服务器的开发，数据采集与处理，航线、航速及推进效率优化，纵倾优化及压载管理，岸基决策支持系统等。

3.1 数据库开发

数据库及服务器是整个系统的核心，因此开发一种合理高效的并且能够适应豪华邮船海量数据的数据库系统。通过对数据库的调查研究，选择MySQL数据库平台。服务器的布置：一方面，从节省成本的角度上考虑，租用云服务器，在船舶本地采集数据，直接通过卫星通信输出至云端，在不考虑海量数据量交换的情况下，能够减少硬件成本，优势非常明显；另一方面，出于对豪华邮船海量数据交换量及记录时效性的要求，须在邮船本地配置强大稳定的服务器。

3.2 数据采集与处理

数据采集工作是进行豪华邮船能效管理的基础，不同信息必须选择合适的数据采集手段。数据采集模块可从自动化监控系统内通过串口通信自动获取主副机等耗能设备、轴功率设备数据，从卫星定位系统、测深仪、计程仪、风速仪、风向仪等航行设备中通过NMEA协议获取运行参数数据。数据每5 min进行1次记录，并进行过滤、处理后导入数据库，每经12 h将存储的数据向岸边专用数据库传输，以供豪华邮船进行能效优化与控制。

对邮船设备的功率消耗数据进行分析处理，能够直观了解功率消耗的大小，通过定时间隔的记录比较消耗的数值，例如月消耗、季度消耗、年消耗量的比较。

3.3 航线、航速及推进效率优化

收集整理、统计分析邮船航线，综合考虑各种因素，针对不同航区设计经济安全的航线，通过精心的计划和执行航次有利于船舶安全和最低能耗产生，根据执行效果及时更新优化方案。计算出每一航线的标准能耗，指导船舶提高能效水平。

可显著降低邮船能耗的措施是优化航速。在优化改进航线的基础上，根据航线、航路对航速的限制要求，船舶状况，装载状态，水文气象条件等因素，合理调整航速，以最优航速航行，尽可能保持整个航次的均匀性，使该次航程每吨海里燃油使用量保持在最低水平[4-5]。此外，借助舵和航向控制系统(自动操舵仪)，根据水文气象条件来优化调节、合理配置风流压角，有效控制因经常偏离既定航向或频繁使用舵而导致偏离计划航线等情况发生，避免邮船航行距离增加。

考虑船舶操纵和海况环境对数据进行修正处理后，基于航速、推进功率、主机燃油消耗量等数据，主要分析评估邮船的水动力效率和主机的热效率，进行推进效率优化[6]。推进效率优化模块界面如图3所示。邮船推进功率与航速满足一定关系，如图4所示，其中V*表示目标航速，P*表示目标推进功率。在某一海况下，当设定邮船目标航速后，可立即得到其对应的推进功率。通过排水量、吃水差及海况信息对推进功率进行修正，得到目标推进效率，计算出目标燃油消耗量。当邮船航行在目标航速时，可节省3%左右的燃油消耗量。

图3 推进效率优化模块

图4 推进功率与航速关系

3.4 纵倾优化及压载管理

邮船在海上航行时，保持适当的尾倾将有利于提高船舶推进效率和节约燃油。通过纵倾优化设计，系统可更精确地优化邮船倾角，调整适应不同航速和吃水下的船舶推进性能，保证能耗更少。纵倾优化模块界面如图5所示。邮船在进出港口时，为使受风面积较小，使舵保持高效水平，满足在港内的操纵需要，一般规定艏吃水≥2%的船长，艉吃水≥3%的船长。在配载时一般应保证艏吃水<艉吃水，同时保持适当的艉倾，这样既可减小船舶的盲区从而有利于航行安全，又可避免造成艉部上浪。

图5 纵倾优化模块

压载管理与纵倾优化紧密相关，包括燃油、滑油、淡水资源管理及压载水的全面监控及资源分享。可从船舶现有的液位遥测系统中采集数据，也可与通信导航系统和电子海图系统通信，以便于比较数据和提供记录，从而通过高精度倾斜仪等设备进行倾角计算。利用压载水管理系统，根据船舶实际载荷与重心计算出最佳值，合理调节压载水分布，帮助船舶减阻。

3.5 岸基决策支持系统

岸基决策支持系统主要功能是接收船端发送的各类数据，对能耗相关数据分类分项，以图表形式显示给管理人员，动态化、图形化地显示船舶油耗、航行轨迹等动态信息，从而方便岸端人员更加直观地了解船舶航行状态、科学分析管理船舶、提出相关建议措施。船舶管理方可以通过Citrix(云计算虚拟化、虚拟桌面和远程接入技术)登录岸端可视化系统界面操作，同时对于需要的数据可以通过QlikView(可视化服务器，可在网上发布并可通过任意PC端进行访问)进行数据过滤导出Excel电子表格。同时岸端长期数据库可以包括不止单船的数据，可由船队规模进行交叉比对，从而实现大数据的优化分析，再通过卫星通信返回船端，将最优决策可视化呈现给邮船高级管理人员。图6和图7展示了岸基决策支持系统的关键绩效指标和趋势分析案例。

图6 岸基决策支持系统中的关键绩效指标

图7 岸基决策支持系统中的趋势分析

4 结 语

邮船在航行过程中，有效的能效管理可以提高能源利用效率，减少CO2排放，降低船舶运营成本。本文提出的豪华邮船能效管理系统从多方面分析设计了如何进行节能降耗、降低公司船队的运营成本、提高经营效率的功能模块，系统可操作性强，可为豪华邮船的开发建造及实际运营提供指导。但豪华邮船能效管理具有很高的综合性和复杂度，其管理成效的优化还须进一步在实践中不断探索和完善。

[1] 倪骏恺. 船舶能效营运指数研究[D]. 上海：上海交通大学, 2010.

[2] 刘伊凡, 孙培廷, 张跃文，等. 船舶能效营运指数预测的建模及仿真分析[J]. 哈尔滨工程大学学报, 2016, 37(8):1015-1021.

[3] 李华, 杨宇琨. 基于关键参数分析的全球邮船船型特征研究[J]. 海洋开发与管理, 2017, 34(2):10-16.

[4] 徐延军, 王敏. 基于能效管理的船舶经济航速决策系统[J]. 中国航海, 2013, 36(4):135-138.

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[6] 潘志远, 周兰喜. 船舶推进中的节能技术研究[J]. 江苏科技大学学报(自然科学版), 2011, 25(5):413-418.