船舶智能能效管理技术发展现状及展望

贺亚鹏， 严新平,2,3， 范爱龙,2,3， 王拯

(1.武汉理工大学 能源与动力工程学院 可靠性工程研究所，湖北 武汉 430063； 2.武汉理工大学 船舶动力工程技术交通行业重点实验室，湖北 武汉 430063； 3.武汉理工大学 国家水运安全工程技术研究中心，湖北 武汉 430063)

近20年来，随着气候变化在全球范围内引发越来越多的关注与担忧，温室气体减排已成为世界各国的共识。船舶作为大宗商品的运载工具，在国际贸易以及区域经济发展中具有重要的支撑作用。然而，船舶被称为是目前最不受管制的空气污染源之一，其排放控制问题已到了不容忽视的程度。根据国际海事组织(International Maritime Organization, IMO)2014年发布的第3次温室气体报告，国际航运业在2012年的CO2总排放量为9.38亿吨，占到当年全球CO2总排放量的2.6%。若不及时采取行之有效的解决措施，预计到2050年，航运业排放的温室气体总量将会占全球总排放量的17%。同时，船舶所排放的CO2、NOx、SO2、颗粒物等大气污染物会使得港口和航道周边人口密集地区的空气质量恶化，对大气环境和人类健康造成很大危害。

IMO为了推动航运业的节能减排，提出了具有强制性的船舶能效规则，主要包括针对新造船的船舶能效设计指数(energy efficiency design index, EEDI)和400总吨以上船舶的船舶能效管理计划(ship energy efficiency management plan, SEEMP)[1-2]。这是世界范围内第1部兼具行业性和强制性的温室气体减排规则。对于大量营运中的船舶，优化全船能耗以及提升动力系统效率等能效管理手段都是当前航运企业普遍采用的节能减排措施。此外，加强船舶能效管理，对航运业降本增效和船舶智能化管理也具有重要意义。本文通过调研国内外能效管理技术与产品发展现状，了解能效管理技术的发展趋势，能够更好的促进我国能效管理系统的研究与应用。

1 船舶能效管理内涵

能效作为一种评价指标，是指能源利用效率，即生产实践的能源利用与转化过程中，实际发挥作用的能源量与总消耗的能源量之比[3]。船舶能效是能效众多领域中的一个分支。面向营运中的船舶，IMO在SEEMP中提出船舶能效营运指数(energy efficiency operation index, EEOI)衡量营运船舶的能效水平。EEOI反映的是船舶实际航行运输过程中单位运输工作量所排放的CO2量，EEOI指数越低表明船舶的营运能效水平越高[4]。

船舶能效管理主要是面向营运船舶，指利用相关技术手段加强船舶航行过程中的操作管理，包括基于传感器的能效参数监测、能效水平的智能评估以及基于模型分析的能效管理策略制定等。通常情况下，把通过操作管理创新、提升营运船舶能效水平的技术集合称为船舶能效管理技术。随着现代信息技术和人工智能等赋能技术的发展，推动着船舶能效管理技术的实船应用。在传统管理技术的基础上，应用智能算法和技术，为船舶管理和操作人员提供辅助决策功能，称为智能能效管理技术。以(智能)能效管理技术为核心，辅以相关的软硬件系统，可形成(智能)能效管理系统。系统具备较高的成熟度、产品化之后，则形成船舶能效管理的相关产品。图1所示为船舶能效管理概念演变的示意图。

图1 船舶能效管理概念演变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 政策导向分析

为了推动营运船舶的节能减排，IMO与我国海事管理部门出台了相关政策法规，引导航运业实施船舶能效管理。IMO除了引入强制性船舶能效规则，于2016年通过了全球船舶燃油消耗收集机制，作为海运节能减排“三步走”的第一步，将于2019年1月1日起开始生效。2018年，IMO MEPC(the Marine Environment Protection Committee)也通过了减少航运业排放的“初步战略”，在2050年将航运业CO2总排放量减半。同年，国家海事局出台《船舶能效数据收集管理办法》，规范了中国港口船舶能效数据收集与报告提交要求。中国船级社(China Classification Society, CCS)在船舶能效管理方面相继发布了《船舶能效管理计划编制指南》与《船舶智能能效管理检验指南》，要求通过管理者制定符合公司规模、船型、航区、航线、航程等特点的能效方针，来降低单船能耗、提升能效[5]。2020年11月举行的MEPC 75次会议上，引入了现有船舶能效指数(energy efficiency existing ship index，EEXI)概念，针对现存大量不适用于EEDI的船舶排放，以实现2030年的短期减排目标。

图2 IMO与我国船舶能效政策演变Fig.2 Evolution of IMO and China′s ship energy efficiency policies

2.2 市场需求分析

根据统计，船舶燃油费用占到了总运营成本的50%，燃油支出是航运企业最大的运营成本。此外，我国船舶动力系统普遍存在效率低、排放水平高的问题，比如在内河船舶方面，我国每百吨公里的燃油消耗高出发达国家20%以上，能源利用效率明显低于国际领先标准。交通运输部要求，2020年营运船舶单位运输周转量能耗和CO2排放量相较于2015年分别下降6%和7%，这也需要船舶能效管理的助力。通过优化船舶的营运管理，提升船舶营运能效水平，降低燃油消耗，既有利于航运企业实现降本增效，也有利于履行国际减排法规要求。实施船舶能效管理有利于提升航运企业的竞争力，在航运企业中具有很高的需求。

2.3 技术驱动分析

随着信息、传感、通信、人工智能等赋能技术的不断发展及应用，推动着船舶能效管理技术的实船应用。随着自动化和智能化程度的不断加深，船舶能效管理计划将会不断地信息化、数字化，逐步形成具有一定辅助决策能力的船舶智能能效管理系统。CCS发布的《智能船舶规范》以及工信部等部委发布的《智能船舶发展行动计划(2019-2021年)》，把实现智能能效管理作为未来智能船舶发展的核心功能模块。在船舶智能化与无人化发展的大背景下，包含能效管理功能的智能驾驶辅助决策系统将是船舶设计、建造以及运营的重要研究内容。

3 智能能效管理技术发展现状

3.1 国外能效管理技术发展现状

3.1.1 日韩

日本船级社发布了PrimeShip-GREEN/EEOI能效分析软件，主要目的是减少CO2排放，分为船端EEOI-Onboard和网页端EEOI-Web。船端用于输入船载数据的专门软件，如航程信息、运行数据(航行距离、燃料消耗等)。网页端则用于计算和分析船端数据，并以图表的形式直观展示数据，比较不同船只的运营效率，设定排放目标。韩国三星能效管理系统EN-Saver通过对船舶的能源信息进行收集和分析，对船上能源流动的分析和效率评估，能够监督主要装备的能源利用信息，分析各部分装备的能源效率和损失等，也提供纵倾、航线、速度的最佳化的解决方案。

3.1.2 芬兰

NAPA是芬兰的海事软件公司，主要为船舶设计和运营提供数据主导解决方案。旗下NAPA Logbook已获得相关船旗国的批准，可用作船舶的官方航海日志，作为纸质日志的替代品；NAPA Fleet Intelligence将航行监控、报告、分析和优化等功能整合到一个基于Web的平台，NAPA Logbook的数据也可以导入其中。其数据库中分析了55 000多艘船舶的全球行业数据，并且能够集成各种数据源，如AIS，中午报告和自动化信号等。可以将各种数据源与高度精确的船舶性能模型相结合，为改进船舶性能提供建议；NAPA Voyage Optimization作为NAPA Fleet Intelligence的一部分，从网页上获取航速航线优化以及相关的地图和天气消息等主要功能。芬兰瓦锡兰旗下子公司Eniram从船队效率、航行效率以及单船效率3个方面提出了能效优化的解决方法，并开发了相对应的优化服务及应用软件。

3.1.3 英国

Rolls-Royce的Energy Management system同样具有2个界面Onboard interface和Onshore interface。在On-board Interface的显示帮助下，船员能更好地了解船舶性能，例如在船队运营期间，船舶操作员可以查看与历史数据基线相比的燃料消耗水平，操作员可以立即评估并查看消耗量是否高于所需的消耗量，来确定运行的发动机数量，调整船舶的燃料消耗。在On-shore Interface上能够比较船队实时和历史性能指标，执行基准分析，也可以比对和其他船舶的能效水平。在Golden Energy Offshore两台应用了EM系统的UT 776 CD PSV试验期间，其燃料节省高达15%。

3.1.4 美国

Kyma Ship Performance(KSP)是由美国Kyma提出的用于整船性能监控的软件系统，可以实现实时性能信息、燃油消耗报告、航速滑失和性能分析、海试报告、日常报告和航行报告、EEOI计算、吃水优化、历史数据数据分析等功能，可以自动将数据、趋势和报告导出到Kyma Online/onshore。除了上述功能之外，KSP还能提供船舶整体诊断、纵倾优化等功能模块供客户选择。

3.1.5 瑞士

瑞士ABB公司的 Energy Management Marine Advisory(EMMA)能够实现对实际船舶能源和燃油消耗的显示与分析，对船舶电站运行进行优化、动态纵倾优化、提供指导航速。值得一提的是，EMMA还能够显示船舶推进器功率的实际情况以及各类损失占比。

3.2 国内能效管理技术发展现状

国内CCS、南通中远川崎公司、武汉理工大学、哈尔滨工程大学和中船重工711研究所等单位开展了船舶能效管理技术及系统的研究工作。

CCS推出了船舶能效采集监测软件、在线智能管理系统以及CCS-OTA纵倾优化软件。其中，船舶能效采集监测软件可采集船舶单航次(航段)航程内燃油变动记录、航行里程、抵离港时间和名称、载货量等相关能效数据。基于监测结果，还能够统计分析数据、生成满足不同法规要求的船舶能效数据采集报告。船舶能效在线智能管理系统包含船端版和岸基版软件，具备一定智能能效管理功能，目前已在100多艘船舶安装使用。纵倾优化软件需在界面输入船舶航速、吃水等参数，就能对航行最佳纵倾提出操作建议[6]。

南通中远川崎公司开发的智能船舶能效系统(SEMOS系统)，其目的是简化船舶操作并降低船舶运营成本，该系统具备远程监控、燃油管理、性能分析、故障诊断、纵倾优化、航速优化等功能。该系统目前已经在13360TEU“中远荷兰”轮上实船验证，为该集装箱船的节约燃油和操作维护提供支持[7]。

武汉理工大学针对多艘内河船舶研发了能效管理系统，通过实时采集水深、水流速度、风速风向等通航环境数据，以及船舶航速、航向、经纬度等航行姿态数据，还有能耗数据(主机油耗、功率、扭矩、转速)等，根据船舶能效和通航环境之间的动态响应关系模型，可以在不同通航环境条件下优化船舶航速提升能效；研制的能效管理系统已成功在内河豪华游船、散货船、柴油-LNG双燃料船舶上进行了应用。

哈尔滨工程大学开发了船舶综合能效智能管理系统(IMSMEE)，具有能效参数在线监测、耗能分布分析、耗能设备能效评估以及纵倾、航速、航线优化等智能管理功能，已经形成了较完备的能效管理产品，2019年在大连制造厂的2艘VLCC船上完成示范应用。中船重工711研究所基于搭建的大数据中心平台，开发了船舶能效管理系统产品，目前在航标船、汽渡轮和拖轮上都有应用。

4 关键技术分析

综合对比和分析国内外技术发展现状，可以得出船舶能效管理系统的功能主要包括4个方面，即船舶能效在线监测、能效评估、能效优化以及能效辅助功能。其中，能效在线监测可采集能效数据，服务于其他3项功能，主要对船舶能耗、环境、航行等参数进行监测；能效评估基于在线监测采集的数据，运用数据挖掘技术，得到船舶能耗状况；能耗优化则向船舶给出航速、航线与纵倾等最佳参考值，提升船舶营运能效；能效辅助功能主要提供符合IMO与海事部门要求的日志与报表。可以看出，船舶在线能效监测、智能能效评估和能效优化控制研究是船舶能效管理的关键技术。图3是船舶能效管理关键技术架构图。

4.1 船舶能效在线监测

能效在线智能监控是智能能效管理系统所应具备的基本功能之一。在线智能监控，即对船上主要耗能设备、船舶航行状况等进行监测，进行数据的采集、传输、储存、分析，并对船舶能效和能耗等相关技术指标进行评估和报警[8]。因此，船舶能效在线监测是能效在线智能监控的重要内容，同时也是能效智能评估和优化的研究基础。

能效在线监测的信息来源可分为2类：1)人工输入的信息(静态数据)，主要从船舶基本资料和日常报表中获取[9]，如船舶尺寸信息、船舶航行起点、终点、预计到达时间等；2)借由布设的传感器采集的数字信息(动态数据)，主要对象为主要耗能设备参数与船舶航行状况参数，如图4所示。

对于不同动力类型船舶，其主要耗能设备不同。对于传统船舶，主机、发电机组和船用锅炉是主要能源消耗设备，主要监控内容为设备油耗(或气耗)以及主机转速与轴功率，气体机则需对LNG浓度进行安全监控，以保障船舶运行安全。对于混动、纯电等新能源船舶，还需要对蓄电池、超级电容等储能装置进行状态监测[10]。船舶航行状态参数包括船舶对水航速、对地航速、船舶位置、吃水、纵倾角、水流速度与流向、水深、风速风向等，其数据来源主要为船载助航设备，如计程仪、GPS、吃水测量设备、陀螺仪、测深仪、风速风向仪等。

图3 船舶智能能效管理关键技术架构Fig.3 Key technology architecture diagram of ship intelligent energy efficiency management

图4 船舶能效在线监测信息来源Fig.4 Schematic diagram of information sources for online monitoring of ship energy efficiency

4.2 船舶智能能效评估

智能能效评估是在数据挖掘技术的支持下，从船舶航行以及日常运营，挖掘船舶节能潜力，同时也为管理者提供更优的能效管理方案建议。借助能效评估，管理者可以找到能效标杆，设立能效基准水平，也可以从同航线同船型的其他能效表现较好的船舶借鉴节能经验。

针对积累的大量船舶能耗、航行以及通航环境数据，使用关联、聚类、机器学习等方法挖掘能效数据中的特征以及规律[11-12]，在特征分析的基础上进行能效评估。评估的内容包括：基于实测数据，通过计算EEOI、航行过程燃料消耗指数、CO2指数等能效及排放指标，评估船舶能效水平与状态；根据采集的油耗及功率，实时评估推进系统能效，为能效管理提供辅助决策[13]；根据船舶主机状态，结合环境参数与历史数据信息，利用大数据技术和机器学习算法自动判断船舶航行工况；根据船舶能耗实时数据，分析得出船舶动态能量消耗分布比例及各部分能量利用效率。当前研究集中于采集到的能耗数据分析，基于数据拟合、聚类算法等方法，分析能耗因素、环境参数、主要耗能设备运行参数之间的关系[14-15]。

4.3 船舶能效优化控制

航速优化、航线优化和纵倾优化是常见的3种能效优化手段[16]。《智能船舶规范》中航速优化和纵倾优化分别设立了智能能效管理补充功能标志，航线优化对于海运船舶有较好的节能效果[17]。

1)航速优化技术。船舶的航速与油耗之间呈三次方关系[18]。降速航行是单船提升能效水平，降低船舶排放的有效措施。但是航速降低的范围是有限的，速度过低可能会导致超时抵港，航行时间变长也会增加设备磨损以及船员生活成本[19]。此外，港口状况、油价与物价、船速要求和限制、租船合同等其他因素也需要考虑。因此，存在一最优航速，能使船舶在规定时间到达目的地，同时也能保证航行过程中的功耗最低，即技术经济航速[20]。目前航速优化的2个主要目标为最佳经济效益和最佳环境效益。在考虑通航环境的影响下，实现EEOI、CO2等能效排放指数的优化，或者通过应用智能算法到达多目标优化的目的[21-23]。

2)航线优化技术。航线优化是指按照某一性能指标，如燃油消耗最低、航行路线最短、安全性能最高、航行时间最优等，充分利用电子海图所传达的航行综合环境信息以及交通管理控制信息，在智能技术的支持下，形成一条从起始港到目的港的最优航线，主要用于海洋航行的船舶。航线优化可视为在多约束下的最佳路径问题，蚁群算法、多目标遗传算法、模拟退火算法等多种智能算法被用来解决相关问题[24-26]。

3)纵倾优化技术。船舶吃水、横倾角、纵倾角是描述船舶浮态的重要特征参数。特征参数的变化会导致船舶水下体积几何形状改变，从而影响船体阻力和船舶操纵性。对于不同吃水、不同航速都存在一个最佳的纵倾角度[27]。通过船模水池试验或CFD仿真，得到不同吃水、不同纵倾以及不同航速下的螺旋桨功率曲线，使用多元插值等方法得到纵倾优化结果。在满足船舶稳性、强度、浮态和实际航次要求的条件下，通过调整配载水实现优化的纵倾结果。相关研究通过调节船模前后压载水量以达到设定纵倾角，并开展了模型功能试验，验证了系统的有效性[28]。此外，考虑船舶航行过程中的船舶及环境信息，实现船舶纵倾动态优化是进一步的研究方向[29]。纵倾优化软件经济效益较好，无需船舶改造与设备更新，能够达到1%～8%的节油量，单船使用的成本回收期为1～12个月[30]。

5 结论

当前国内外船舶能效管理方面的研究大多建立在对能耗、功率等监测或午报数据基础上，然后逐步发展了能效评估、航速优化、纵倾优化、故障诊断等衍生功能，已经在不同船型上得到了一定的应用，取得了较好的节能效果。在技术水平方面，国外机构在能效监测传感器以及智能分析软件方面技术水平相对成熟，产品化程度更高，占据了国内外船舶能效管理的主流市场。在应用场景方面，国内外机构在该领域的研究多面向大型海船，针对双机双桨型、水文环境复杂的内河船舶研究较少。在智能化程度方面，国内外的船舶能效管理仍以离线分析为主，以动态、在线、自主化为特征的智能评估和优化比较缺乏。

在未来发展方面，受到现代信息技术和人工智能等赋能技术的推动，船舶能效管理将进一步朝向功能智能化、管理集约化方向发展：

1)能效管理功能逐渐加强。能效管理从服务于船舶运营管理的能效数据库软件，到单一优化功能能效软件，再到辅助决策智能能效管理系统。从简单的数据采集分析，到提出一定的优化建议，再到在线监测、能效评估、辅助优化建议等多种功能集成，智能功能逐步增强[31]。

2)船岸互联与云端“即服务”。在船端采集相关能效数据，并将单船数据传输至岸端；岸端集成船队，甚至其他公司船舶的能效数据，管理者可通过移动客户端APP实时查看。专业化平台公司将为船东提供云端“即服务”，船东无需在船端和岸端配备高性能处理器，只需提供相关数据至云端。复杂的计算以及模拟在“即服务”公司云端高性能计算机上运行，对海量船舶能效数据进行挖掘与分析，开展单船或船队能效评估与优化服务。