远洋船舶能效管理系统优化设计

谭健 孙永明 岳跃申

【摘 要】 为优化远洋船舶能效管理系统设计，基于现有的能效管理系统，进一步优化系统功能，并结合理论计算。新系统在数据采集方面较之前更全面，数据库存储和功能更优化，功能更智能，辅助决策对相应的一些能效指标作进一步研究，探索能够降低船舶能效营运指数的有效途径，为船舶节能减排提供参考。

【关键词】 船舶能效;优化设计;数据采集与传输;数据分析;可视化

0 引 言

船舶能效管理系统分为船舶端和岸基系统两部分，船舶端将采集的船舶航行、船舶载货量、船舶日耗燃油量、船存燃料等信息，通过海事卫星定时发送到岸基数据库系统;岸基系统主要提供贸易区、航线、船舶信息、燃油定额、排放因子等基础数据，并设有船舶数据差异校核、船舶数据缺损预警功能，以及油耗、碳排放、氮氧化物、硫化物排放量统计和船舶能效运营指数（EEOI）统计功能。[1]

运用现代化船舶能效管理的系统性方法，对船舶能源消耗、能源利用效率和二氧化碳排放进行严格的控制和管理，实现船舶节能减排的能效要求，对推动航运绿色发展具有重要意义;因此，要从多方面优化现有能效管理系统。本课题主要开展的工作是数据传输优化和数据挖掘优化，使船舶营运在追求利益最大化的同时减少对生态环境的破坏。

1 国内外船舶能效管理系统发展现状

目前国内的大型船舶都装有船舶能效管理系统。该系统可以计算出船舶任一时间、航次、航线的EEOI值，可对船舶、航次、航线以各种方式进行分析、类比、选优，然后通过EEOI来分析可以降低碳排放的措施（船舶航线设计、航速确定、装卸货时间等）。

日本海事协会推出Prime Ship-GREEN/EEOI系统，用于计算和分析船舶的EEOI，以便根据国际海事组织的准则检查船舶操作期间的温室气体排放水平。通过在趋势图中显示EEOI的计算结果，用户可以直观地确认能源效率的变化及其影响因素。Prime Ship-GREEN/EEOI将有助于提高船舶的能源效率。

国内外正在研发的相关船舶能效管理系统主要有以下特征：

（1）大部分船舶运输企业的能效管理系统基本都是通过每日的中午油报数据来计算EEOI值。数据从船端通过邮件方式发送到岸端，然后由岸端进行分析后再确定下一步的改善措施。

（2）人为参与较多，有时会发生数据包丢失现象，需要通过多次发送和接收邮件来获取想要的数据。

（3）随着船舶运输企业对管理的要求越来越高，原来系统的功能有的已不能满足要求，这时就需要添加新的功能模块，对已有的模块管理流程加以改造、优化重组，以适应新的要求。

2 系统总体架构

（1）船端数据采集。主要通过风速仪、倾斜仪、GPS、计程仪、轴功率计、各种流量计等船上已有设备进行数据采集。

（2）中央处理器。将采集的数据进行分析并存储到数据库。

（3）数据库。储存各种数据。

（4）采集数据交换。将所采集的数据与已经传输的数据进行比对，筛选出已更新的数据智能拆分打包并编号以邮件形式发送，未更新的数据不作处理。

船舶结构复杂，且通航河运航道流域广、里程长，有线通信方式难以满足船体内采集的数据与船舶信息系统及岸基数据中心的数据信息交互要求，因此将采用无线通信方式。同时考虑信息传输的可靠性、实时性和经济性要求，从船岸、船内通信两个维度对低功耗局域网协议（ZigBee）、远距离无线电（LoRa）、AIS、甚小孔徑终端（VSAT）、2G、3G、4G、5G、窄带物联网（NB-IoT）、卫星通信等无线通信的信息传输应用进行研究，为船舶能效研究系统设计提出合适的信息数据传输方案。[2]

能效管理系统船舶端架构见图1。

3 远洋船舶能效系统优化关键设计

（1）在不影响数据包的情况下，传输的文件越小越好。因为传输文件越小，远洋船舶的通信费用就越低，日积月累能节省较多的费用。

（2）船岸交互采用JSON（JavaScript Object Notation，JavaScript对象表示法）格式进行数据传输。

JSON独立于编程语言，解析器和JSON库支持许多不同的编程语言。目前有非常多的动态编程语言都支持JSON，其是存储和交换文本信息的语法，是轻量级的文本数据交换格式，类似于XML，但比XML更小、更快、更易解析。JSON没有结束标签，更短、读写的速度更快，具有自我描述性，更易理解，能够使用内建的“Java Script eval（ ）”方法进行解析，使用数组，不使用保留字。JSON格式数据示例见图2。

能效系统优化后采用JSON进行数据传输，智能拆分数据包并自动编号发送，自动检查且只发送更新后的数据，双向检索数据包，数据包丢失会自动补包。通信技术将在优化后的系统中发挥更大的作用，可以尽可能多地减少人为参与，达到数据传输智能化、高效化、实时化的目的。

（3）运用IBM的SPSS Modeler软件（Modeler/CRISP-DM，即“跨行业数据挖掘标准流程”，是一种业界认可的用于指导数据挖掘工作的方法）对历史数据进行深层挖掘，不再是单纯地只分析表面数据来导出各种图表。

借助SPSS Modeler软件，可以快速、直观地构建准确的预测模型而无需进行编程，通过使用独特的可视界面，可以轻松地实现数据挖掘过程的可视化。SPSS Modeler软件还提供更高级的分析，可以发现数据中先前隐藏的模式和趋势。

4 结 语

优化后的船舶能效系统具有数据包智能拆分、定时双向（船端、岸端）检测丢包后智能补包、基于JSON传输数据、AI数据分析功能、系统资源整合等实用功能。在信息化飞速发展的今天，船舶能效管理系统需要更加同步，船舶监控需要更加有效，船舶运营需要更加经济，航运企业势必考虑智能化的能效管理系统。优化船舶能效管理系统是船舶管理行业大势所趋，是航运企业可持续发展的技术保障。如果能实现优化后的船舶能效管理系统功能，航运企业就能大大地提高船舶的能源效率，减少船员及公司管理人员的工作量，提高生产效率。这不仅能给企业带来良好的效益，而且更能保证航运企业在当前经济危机中获胜。

参考文献：

[1] 刘中泰，郑士君. 船舶营运能效管理[J]. 水运管理，2011（5）：11-12.

[2] 郑洪燕，王跃，朱军. 船舶智能能效管理系统设计[J]. 水运管理，2018（11）：25-28.