营运船舶节能减排技术进展

孟晓东， 袁章新

(航运技术与安全国家重点实验室，上海 200135)

近年来，随着全球温室气体排放的控制、石油价格的持续上涨，船舶节能减排备受关注。国内外航运企业、研究机构纷纷从船舶的设计、建造、营运等各个阶段采取节能减排措施，开发节能减排新技术。船舶节能减排贯穿于船舶设计、制造、营运的整个船舶生命周期。船舶设计制造阶段的节能减排技术主要包括：线型优化、动力装置、高效螺旋桨设计、新燃料应用等[1][2]，在营运阶段的船舶节能减排包括结构性、技术性和管理性三个方面[3]。目前船舶营运节能减排技术主要从航行操纵管理、船体和螺旋桨工况管理、船载系统管理、整体能效管理四个层面[4]推进(见表1)。

最新研究成果表明，综合使用营运阶段节能减排措施后效果非常明显(见表2[5]，“+”代表该节能效果的前提是降低航速)，尤其是航行过程中航行操纵技术节能措施的综合应用，使节能效果高达10%～50%。

1 航行操纵节能

在整个航行过程中，有很多操纵方式可以提高营运能效，如：准时到港、有自适应自动操舵仪情况下尽量少使用手动舵、优化压载水重量以及纵倾、减少在港时间、气象导航减少风浪流阻力等。航行过程管理节能减排就是要综合考虑这些因素优化航线航速、调整纵倾等。

表1 营运船舶节能减排措施

表2 综合使用营运船舶节能技术的节能效果

1.1 航速优化

1) “最佳航速”数学模型的建立充分考虑各种影响因素，如复杂航行环境(风、浪、流等)、燃油价格、船舶调度计划、客户需求等，以保证往返航次(或某一规划期)利润最大化。

2) 对“最佳航速”数学模型的构建趋向运用多学科知识。虽然目前利用船模试验模拟航行环境，进而得到风浪流等参数影响系数的途径依然不失为建立油耗模型的优良方法之一，但随着测量技术的发展，利用传感器监测特定航线的航行数据已经成为现实。因此，实时监测复杂航行环境对油耗的影响，利用数学工具使模型更加精确。例如Tero Ilus和Aatos Heikkinen提出的处理风、浪、流等对船舶油耗影响系数的数学回归模型[6]。

3) “最佳航速”约束函数的求解更加精确，在利用非线线性规划求解船舶“最佳航速”、处理各种约束(如船舶原始设计限制航速必须在船舶设计最大最小航速之间、船舶在某一港口的开始服务时间受港口时间窗限制[7]等)时，利用基于可行性规则的更新策略，结合模拟退火的局部搜索技术的一种混合粒子群优化算法[8]，可以使船舶等待服务时间以及闲置船舶数量为零，充分提高营运效率以及船舶的利用率。

4) “最佳航速”趋向实现实时求解，最终得到基于同一航次不同时刻、不同航次之间，对应于任一航距的“最佳航速曲线”。

近年来最佳航速研究在下面两个方向上有突破性进展:

1) 将航速作为控制变量，通过收集航行数据建立风、浪、流等参数数据库，建立数学模型，得出风浪流等参数对油耗的影响系数，通过动态优化得到关于目标函数的最佳节能航速曲线[6]，并于2012年研发了最佳航速控制系统OSA(Optimum Speed Assistant)，实船应用节能效果可达1%～3%。

2) 仅考虑航线调度、船型优配以及油价对油耗成本以及对航次利润的影响，通过优化算法得到关于目标函数的最佳利润航速[8]。

1.2 航线优化、自动驾驶仪改进及纵倾优化

1) 通过选择航线克服风、浪、流阻力以及改进自动驾驶仪实现节能。目前这两种节能措施已比较成熟，例如Force Technology公司研发的航线优化系统SeaPlanner已经在实船应用多年，节能效果可达2%。航运公司需要根据两种节能措施的适用性以及节能效果(见表3[4])合理安排节能策略。

2) 采用计算机建模与仿真、网格计算等技术，将风、浪、流等参数对纵倾的实时影响纳入模型，实现动态控制。一般将纵倾看成是航速、吃水、水动力、船舶载重、螺旋桨推力、舵角甚至风流态势的函数，通过动态优化开发有效的可视化工具，构建最佳纵倾动态控制系统(见表4[9])。

表3 节能减排措施应用效果

表4 纵倾优化技术产品

2 航程性能监控分析综合节能

船舶运输过程是一个复杂的系统工程,要求从整体能效出发，对系统的节能技术进行总体协调整合，以达到最优规划、最优设计和最优控制的目的。因此，近年来节能技术逐渐向生产全过程综合优化方向发展，对生产运输全过程监测、分析的节能系统应运而生。航行性能监控分析系统力图整合船舶五大性能因数：功率系数、船型系数、螺旋桨系数、燃油消耗率、燃油消耗量，主要通过传感器采集船舶性能数据以及外部环境数据，然后对这些数据进行建模分析，使之提供实时、动态、全面、精确的航速、主机功率等。

2.1 数据分析技术

2.1.1 船体清污分析

目前对船体清污节能技术的研究主要运用信号滤波技术，建立分析决策平台进行实时监测、分析，例如Eniram公司开发的分析平台(EVP，Eniram Vessel Platform)。建立清污分析平台主要是根据长年的船体污损数据时间序列，交叉对比分析不同海域的船舶性能数据，建立不同航线、不同航段、相似船舶的船体污损数据库，辅以海域温度和盐度数据库，然后根据数据库进行污染趋势分析、敏感性分析、船舶从一海域驶进另一海域时的污染对节能的影响分析、船体污损的发展类型分析、船体清污维护对船舶性能短期以及长期影响分析，最后进行清污周期分析和优化，最终制定船体清污时间表以辅助决策节能。

伦敦大学能源研究所在该项节能技术上建立了比较精确的模型，Eniram公司学者通过先进的统计方法和数据采集系统研发出的清污分析决策平台也已经在实船上得到应用。经过多次实船实践发现该项节能可达3%～5%。

2.1.2 主机负荷优配分析

降速航行以及航行环境突变时会造成主机加速磨损，油耗数据的突变是主要监测信号。目前主要通过研发主机负荷最佳分配系统来实时调节主机运转，研究表明，配合降速航行,该项节能技术的节能效果可达3%(见表5[10])。该系统主要基于船舶各种航行环境下的燃料油流量表和主机输出功率的实时数据计算出燃油消耗率，在得到船舶每航段最佳航速的前提下，,计算出对应于每一航段航速的最佳主机负荷分配，最大限度地提高燃油效率，进而实时调节主机运转，实现节能最大化。

2.2 最新航程监控分析技术成果

伴随计算机信息和控制以及测量系统等学科的快速渗透，单项分析技术如主机老化分析、姊妹船推进系统能耗分析等，以及综合各种数据分析软件、控制系统的航行过程性能监控分析平台逐渐趋向智能化、数字化、精密化发展，例如Eniram 公司推出的多项数据分析节能软件，已经在多条实船运行中取得实验成功，节能效果显著(见表5)。表6列出了2011年以来的不同公司的最新航程性能监控分析平台。

表5 航行性能数据分析软件

表6 船舶性能监控分析平台

3 结 语

营运船舶节能减排问题越来越引起人们的关注，为了推进我国航运企业运营船舶的节能减排，应加强节能减排管理信息系统平台建设，在航运管理系统、机务信息系统以及船岸通信系统的基础上，建立船舶燃油消耗监控系统、燃油消耗与排放数据库，实现船舶燃油消耗与排放监控管理。积极应用信息化手段，优化航程航线和航速，提高船舶营运管理，对节能减排进行全方位的辅助决策、监控和管理。除了新技术方面要进行不断创新外，同时还要加强政策力度，加快节能技术的推广与应用，对船舶营运进行综合智能管理，使船舶运输具有更强的竞争力。

参考文献：

[1] 郝金凤,强兆新,等.船舶设计节能减排技术策略[J].舰船科学技术,2012,34(9):3-10.

[2] 唐艳.舰船节能措施现状与分析[J].中国水运，2013， 13(1):3-5.

[3] 范念.航运企业能源消耗考核体系研究[D].武汉：武汉理工大学,2012.

[4] ABS(American Bureau of Shipping).The Ship Energy Efficiency Measures Advisory[R]. Houston: ABS,2013.

[5] Mihaela Sin,F.xavier Martinez de oses.Improvement of the Energy Efficiency of Vessels As a Measure for the Energy Efficiency of Greenhouse Gases Emission from Sea Shipping[J].Journal of Marine Technology and Environment,2011,39(1):103-107.

[6] Tero Ilus,Aatos Heikkinen.Challenges in Vessel Speed Optimization[A].Volker Bertram .11th International Conference on Computer and IT Applications in the Maritime Industries[C].Hamburg:Technische Universität Hamburg-Harburg,2012.

[7] Fagerholt, K. Ship Scheduling with Soft Time Windows—an Optimization Based Approach[J]. European Journal of Operational Research, 2001,131(3):559-571.

[8] 杨秋平,谢新连,裴光石.考虑船舶航速的船队规划非线性模型[J].华南理工大学学报:自然科学版, 2011,39(10):119-126.

[9] José María Figueres, Andreas Chrysostomou, et al. Ship Efficiency:The Guide[K].Berkshire:Fathom Shipping,2011.

[10] BIMCO, Andreas Chrysostomou, etal.Ship Efficiency: The Guide[K].Berkshire:Fathom Shipping,2013.

[11] Phil Ballou, Ph.D., Henry Chen, Ph.D..Advanced Methods of Optimizing Ship Operations to Reduce Emissions Detrimental to Climate Change[C]. Oceans 08 Conference.2008.

[12] Notteboom, T.E, Vernimmen, B.The Effect of High Fuel Costs on Liner Service Configuration in Container Shipping[J].Journal of Transport Geography,2009,17(5):325-337.