船舶节能航速辅助决策系统

屠海洋，屠关海，曹昌魁

(1.上海船舶运输科学研究所 航运技术与安全国家重点实验室，上海 200135;2.上海远洋运输有限公司，上海 200135)

船舶节能航速辅助决策系统

屠海洋1，屠关海2，曹昌魁1

(1.上海船舶运输科学研究所 航运技术与安全国家重点实验室，上海 200135;2.上海远洋运输有限公司，上海 200135)

通过对国内外船舶航行节能技术进行分析，提出节能航速辅助决策系统设计总体框架，对系统中涉及的主要关键技术和解决方法进行详细论述。提出从全局到局部的四段航速优化方法，可缩短航速优化计算时间，提高辅助系统的及时性。该系统的应用能在一定程度上消除船舶选择航速的盲目性，指导船舶在不同的航段选择不同的最佳航速。

船舶；节能;分段航速;航速优化;辅助决策

据报道，目前船舶燃油成本占船舶营运总成本的比例正在不断上升，已达45%～60%。因此，开发船舶节能系统，以最小的能量消耗取得最大的运输效益，具有重要的现实意义。

在满足船舶航次要求的前提下对合理优化船舶航速、最大程度地减少整个航次的油耗量进行研究，开发出相关优化辅助决策系统，既有利于提高船舶的经济效益，又能减少碳排放。

1 国内外船舶航行节能技术研究现状

当前，国内外的航运公司、相关研究机构纷纷加大力度研究船舶营运节能技术，相关研究主要包括船队的合理配置、单船最佳纵倾、船舶航线优化及船舶航速优化等。通过这些研究，船舶在满足航次要求的前提下获得最低的燃油消耗。目前，针对最佳航速的研究主要分为以下2类：

1)通过分析船舶主机油耗与船舶航速的关系,提出船舶当前排水量下的最佳航速。

2)从燃油价格和航次利润最大值的角度,提出不定期船的最佳航速优化模型。

赵福波等[1]从船型、燃油性能、船舶航速和船舶管理等方面分析船舶减排的有效途径；谢光明[2]从船舶航速、主机功率和耗油量之间的关系方面论述船舶减速节能的理论依据；殷翔宇等[3]以航次日均盈利最大化为目标构建不定期船最优航速模型；CARIOU[4]，KONTOVAS等[5]和PSARAFTIS等[6]分别针对集装箱船的降速航行，对减少碳排放的可行性及合理性进行分析。由此可见，国内外相关学者已对船舶最佳营运航速进行大量研究，开发出一些有助于航运公司提高经济效益和减少碳排放的决策系统。当前国内应用较多的是中国船级社(China Classification Society,CCS)通过船舶模型试验和计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)数值仿真计算开发的OTA(Optimal Trim Assistance)寻优软件[7]，芬兰Eniram公司开发的集成海浪洋流和天气预报的航速优化软件ENIRAM SPEED，丹麦Decision3开发的考虑风、吃水和波浪因素的航速与纵倾优化的GreenSteamTM系统，Jeppesen开发的的航线和航速的决策软件VVOS(Vessel and Voyage Optimization Solution)。

然而，目前国内还没有开发出全航程综合考虑风、浪、流影响和船舶性能的航速优化软件。因此，充分利用船舶航行过程中的水文气象条件，结合船舶的性能特征及船舶所有人的要求，在保证船舶安全航行的前提下对全航程进行船舶计划航速实时优化，使燃油消耗最少，从而降低营运成本、提高运输效率，具有重要的现实意义。

2 系统基本框架设计

通过调查并结合船舶的需求，针对船舶的航行方案，根据船舶航行区域、船舶的性能和船舶装载货物的相关数据，利用天气、海况预报信息规划出全航程最佳节能航速和船舶装载状态。船舶在航行过程中根据航行计划变更(如进港、靠泊计划变化)和航行区域环境条件变化实时修正航速，实现全航程最佳节能航速控制决策。节能航速优化系统基本框架见图1。

图1 节能航速优化系统基本框架

系统由以下5部分组成。

1)电子海图与信息显示模块：系统通过电子海图模块操作，展示船舶航行海域的地理环境及海区风、浪、流环境状况，实现航线设计等功能。该模块具有海图显示，海图作业，海图改正，定位和导航，在电子海图上显示船位、船速、航向，航行记录、报警等功能。

2)航线设计模块：根据船舶航次任务，为船舶安全航行提供航线设计。系统以电子海图为基础，具有各转向点的输入、修改、计算及显示等功能。

3)船舶油耗数据库模块：船舶油耗数据库是船舶航次油耗量计算的基础数据来源，通过建立船舶油耗模型为船舶经济航速提供决策。该模块具有船舶油耗数据录入、修改及显示等功能。

4)风、浪、流场数据库模块：通过建立风、浪、流场数据库，为船舶经济航速决策提供基础数据。该模块具有风浪流数据的录入、修改和显示等功能。

5)航速优化模块：根据航次任务，结合风向、风力和潮汐等水文及天气状况，同时考虑目的港的作业情况和港口费用等因素，以船舶利润最大或油耗最低为目标，进行航速优化。

3 关键技术及解决方法

3.1船舶在风浪中的失速预报技术

船舶在风浪中的失速预报技术是该系统的关键技术之一,速度预报的精确度将影响该系统得出的优化航速的效果。目前研究船舶在风浪中失速的方法主要有数理统计法[9]、水池试验法和理论计算法。这些方法大多以经验方法为依据，难以反映不同船舶的具体特征。为精确预报特定船舶在风浪中的失速，该系统参考KWON[10]给出的计算式，即

Δv=0.01(Cβ+Cu+CForm)v

(1)

式(1)中:v为船舶在静水中的速度;Δv为船舶失速;Cβ为失速方向因子，随风(浪)向的变化而变化；Cu为失速大小因子，随方形系数、装载量及傅汝德数的变化而变化；CForm为船型因子，随船型、风级(BN)及船舶排水量的变化而变化。

采用式(1)对特定船舶的特定工况进行计算，计算过程中考虑风浪的综合影响；同时，对相应的代表性船舶进行风浪作用下的模型试验，根据试验结果修正模型的参数，从而使船舶在不同风浪下的失速预报值更符合实际，为船舶航速优化打下基础。

3.2船舶燃油消耗计算模型

油耗模型的建立为营运船舶在风浪中采用节能航速航行和航程规划提供了数据基础。目前针对船舶在航油耗的研究已取得一定的成果，然而已有的对船舶在航油耗的计算大多以静水状态为前提，很少考虑风浪的影响，即使部分油耗模型包含风浪因素，也未考虑船舶纵倾对油耗的影响。船舶燃油消耗评估的准确性直接影响到船舶节能航速的决策。

影响船舶燃油消耗量的因素有很多，主要包括主机及副机工况、船型结构、装载量、航速和海况等。在开发该系统时，通过对各种航行条件和船舶技术状况变化等进行分析，结合模型试验结果建立燃油消耗模型，据此建立单船在特定航线上每小时的在航油耗模型，即将每小时的油耗分解为特定航速下每小时的静水油耗和风浪等因素造成的每小时附加油耗。该模型的表达式为

F=F(v)+ΔF(v,BN,β,…)

(2)

式(2)中：F为单船在实际海况中以航速v航行时每小时的油耗；F(v)为单船在静水中以航速v航行时每小时的油耗；ΔF(v,BN,β,…)为单船在实际海况中以航速v航行时每小时的附加油耗；BN为蒲氏风级。

该模型不仅能获得不同航速下的在航油耗数据，而且考虑航行过程中船舶纵倾的影响。

3.3船舶能效指数计算模型

根据IMO海洋环境保护委员会(Marine Environmental Protection Committee,MEPC)确定的船舶能效设计指数(Energy Efficiency Operational Indicator,EEOI)和船舶能效管理计划(Ship Energy Efficion Ma-nagement Plan,SEEMP),船舶碳排放监测可采用EEOI进行。根据MEPC通过的《船舶 EEOI自愿应用原则》，某个航段的EEOI基本表达式为

IEEOI=∑i(FCi·CFi)/(M·D)

(3)

式(3)中：i为燃油类型；FCi为燃油i的消耗量，t；CFi为燃油i的燃油量与CO2排放量的转换系数，表示每吨燃油燃烧后产生的CO2质量吨数，可从MEPC发布的《新船能效设计指数计算方法的临时指南》中查到；M为货物载货量，以载重吨表示；D为对货物运输距离，n mile。

对于整个航次的平均能效指标计算，只要将式(3)中航段的燃油消耗量改为整个航次的燃油消耗量，将航段的货物运输距离改为总的货物运输距离即可，得出的结果即可用来衡量该航次船舶能效的执行情况。

对于具体的某个航次,船舶的载货量和运输距离已定,降低航次的EEOI值就是降低船舶航次的燃油消耗量,从而达到节能减排的目的。

3.4全航程船舶航速优化算法

该系统重点研究单航次油耗最少情况下的航速，由于船舶航行时间较长，使得船舶遇到的海况变化较大,利用单一的海况条件计算得到的最佳节能航速与实际差别较大。因此，充分利用船舶航行环境因素，在保证船舶安全航行和顺利完成航次计划的前提下获得节能航速，使得燃油消耗最少，是实现节能减排的关键。

由于海况随时间、地点的不同而不同,因此要得到航次最低油耗,需综合考虑全航程的风、浪、流情况,优化船舶在航线上不同时刻的航速。通过比较分析，参考动态规划思想，对整个航线进行分段，对各航段上的航速进行优化，在按时完成航次任务的前提下使船舶燃油消耗最少，从而达到节能的目的。总体优化思路为：从总体到局部优化，从长距离到短距离优化，随时间的推移不断更新。全航段的航速优化涉及到的参数较多，较为复杂，后段所需的参数需从前段的计算结果(如时间、地点)中提取。

航行计划中的航速优化所涉及的数据和优化流程见图2，航段优化方法如下：

图2 全航程航速优化流程

1)将整个航段均分为I，II，III和IV等4段(见图3)。

图3 航程分段示意图

2)根据四分段航速优化算法(见图4)得出在安全完成航次任务的前提下最低油耗对应的各航段的船舶静水转速RI，RII，RIII，RIV和第I段完成时间TI。

3)按照方法“2)”对I航段进行四段优化，该段航内完成约束时间变为TI，这样不断地对每次的第1分段进行四段优化，直到等分距离缩短为1 d内的航程。

4)得出当前条件下各分段的主机推荐转速。

一般来说，只有在航次预定的时间比较富余的情况下船舶降速节能才有意义。若船舶以设计航速航行，刚好在预定的时间内完成航次任务，则再对船舶进行整个航程的航速优化已没有多大意义。由于船舶航程较长，短期的风浪预报往往无法覆盖到整个航线，使得超过短期预报时间的海区需采用中长期和平均风浪数据。因此，采用从粗到细的方式对不同航段的航速进行优化，符合海上航行的实际情况。

图4 航速优化算法流程图

4 系统实现效果

根据以上设计，开发出的系统既具有电子海图显示系统的功能，又能在海图上进行航线设计、航线附近障碍物和水深自动检测及各航段的航速优化。根据航线设计和航次命令，系统根据预先获得的航线上的自然环境，通过上述算法自动计算出最低油耗情况下各航段的船舶主机转速、转向点预计到达时间、到达目的港的剩余距离和预计到达时间。图5为海况信息显示，图6为航速优化显示界面。

图5 海况信息显示

该项目设计开发的船舶节能航速辅助决策系统已在某公司的船舶上得到应用，取得了良好效果，对精确测算航次效益、选用最佳航速起到了重要作用。通过进一步的改进和深化，该系统将会有良好的使用价值和推广应用前景。

图6 航速优化显示界面

5 结束语

本文通过对船舶最优航速辅助决策问题进行深入研究，创新性地提出从全程到局部的四段论航速优化方法，可在一定程度上解决一次优化计算时间较长的难题。最优航速决策涉及到的因素较多，尤其是海上因素变化较大，目前海上预报数据无法满足系统对航线上风浪流数据的精确性要求,使得系统优化结果尚不能完全反映实际情况。

[1] 赵福波，马海石．对海事船舶节能减排的一点认识[J]．中国海事，2008(11)：51-53．

[2] 谢光明．船舶降速航行的经济性和排放变化分析[D]．大连:大连海事大学，2009.

[3] 殷翔宇,张俊,谢新连.不定期船最佳航速优化研究[J].中国航海，2012,35(1):94-98.

[4] CARIOU P.Is Slow Steaming a Sustainable Means of Reducing CO2Emissions from Container Shipping[J].Transportation Research,2011,16(3):260-264.

[5] KONTOVAS C A,PSARAFIS H N.Reduction of Emissions Along the Maritime Intermodal Container Chain[J].Maritime Policy & Management,2011,38(4):455-473.

[6] PSARAFTIS H N,KONTOVAS C A.Ship Emissions:Logistics and Other Tradeoffs[C].Proceedings of 10th International Marine Design Conference,Trondheim,Norway,2009:26-29.

[7] 陈永念.CCS-OTA船舶最佳纵倾解决方案[J].中国船检，2013(10)：76-77.

[8] 褚善东.船舶在大风浪中航行产生的失速问题探讨[J].浙江国际海运职业技术学院学报，2008,4(2):1-3.

[9] 张永胜，陆冬青，蔡烽，等.几种失速计算方法的比较[J].航海技术，2005(1)：7-8.

[10] KWON Y J.Speed Loss Due to Added Resistance in Wind and Waves[J].The Naval Architect,2008(3):14-16.

ShipSpeedDecisionSupportSystemforEnergySaving

TUHaiyang1,TUGuanhai2,CAOChangkui1

(1.State Key Laboratory of Navigation and Safety Technology,Shanghai Ship and Shipping Research Institute,Shanghai 200135,China；2.Shanghai Ocean Shipping Co.,Ltd.,Shanghai 200135,China)

On the basis of the analysis and research on ship sailing energy-saving technologies at home and abroad,the overall framework for the decision system is put forward,and the key technologies of the system is described in detail.A new four-step whole-to-local velocity optimization method is put forward,which achieves shorter optimization time and improves the timeliness of the decision system.The application of the system,to a certain extent,will help to get rid of the blindness in deciding ship speed and guide ships choosing the best speed according to different voyage sectors.

ship; energy saving; sectional speed; speed optimization; assistant decision making

U676.3；U664.82

A

2017-04-18

高技术船舶科研项目(工信部联装函[2016]544号); 科研院所技术开发研究专项资金项目(2012EG124041)

屠海洋(1967—),男,浙江上虞人，研究员，硕士生导师，从事船舶航行安全与智能航海技术研究。E-mail:oceantu@126.com

1000-4653(2017)02-0125-04