船舶智能能效管理系统设计

郑洪燕 王跃 朱军

【摘 要】 为推动我国航运业节能减排，提高船舶能效管理效率，介绍国内外船舶能效管理现状，分析影响船舶能效的因素及管理能效的途径，提出在船舶信息化、智能化形势下的船舶智能能效管理系统。针对该系统，分别从系统架构、系统软件硬件及功能模块进行研究，为后续系统开发及应用提供参考。

【关键词】 国际海事组织（IMO）;船舶能效营运指数（EEOI）;船舶智能能效管理系统

1 国内外船舶能效管理现状

随着环境保护要求的提高，国际海事组织（IMO）海洋环境保护委员会制定了《船舶能效管理计划制订导则》，提出节能减排，要求对船舶能效进行管理。我国积极响应国际社会对节能减排的要求，中国船级社于2015年制订《智能船舶规范》，并于2016年正式生效。该规范针对船舶能效管理提出智能能效管理规范的具体要求。

IMO通过船舶能效管理计划（Ship Energy Efficiency Management Plan，SEEMP）和船舶能效营运指数（Ship Energy Efficiency Operational Indicator，EEOI）两种方式对营运船舶的能效进行管理控制。[1] 《船舶能效管理计划制订导则》已强制生效，适用对象为400吨级及以上船舶，通过计划、执行、监测、自我评估和改进等环节的循环来达到提升船舶能效的目标;由于在EEOI的指标中包含影响船舶能效准确度的因素（如船速、船舶满载率、燃油品质、航线距离、海况等），该标准未强制生效。

我国主要通过制定和实施与船舶能效相关的管理措施来控制营运船舶能效。在船舶企业管理办法上，将船舶企业划分为重点类、关注类和一般类等3类，并规定了企业节能减排的统计报告、监测、考核及奖惩等具体要求;在船舶能效相关准则方面，颁布《营运船舶CO2排放限值及验证方法》和《营运船舶燃料消耗限值及验证方法》，这两种标准已正式生效，但尚处于推荐性实施阶段。由此可见，我国在营运船舶能效方面的管理措施还需进一步加强。

2 影响船舶能效的因素及管理途径

要做好船舶能效管理工作，首先要了解影响船舶能效的因素，即在船舶运输或作业过程中，影响船舶能源消耗、能源利用效率和CO2排放等因素。

能效因素可以从管理、技术和操作等方面考虑：在管理上，包含对船队的管理优化，即通过技术、经济、季节等多方面因素的分析，定期对航行综合能效和经济水平进行评估，根据评估结果对船舶航线和船队配置进行优化调整[2];在技术上，有提高主机效率技术（高效节能柴油机技术、可调频主机轴带发电机技术）、提高推进效率技术（船-机-桨匹配优化技术、高效螺旋桨技术、吊舱对转螺旋桨技术、螺旋桨前来流整流附体装置技术等）、降低船体阻力技术（线形优化技术、船舶气泡润滑减阻技术、低表面能涂料技术等）、排烟余热回收技术、冷热水余热回收技术、清洁能源应用技术（太阳能技术、风能应用技术、燃料电池技术等）。

在技术水平和操作水平有限的情况下，加强对船舶能效的管理可以有效提高船舶能效。船舶能效管理的途径可以从机器本身考虑如何监控船舶油耗、从航次计划考虑如何优化航行状态从而降低油耗、从企业层面考虑如何管理船舶运营中的油耗等方面考虑。

随着信息技术的发展，信息化、智能化将成为未来船舶能效运营管理的趋势，智能能效管理将成为人们越来越关注的技术创新点。船舶智能能效管理系统应运而生，在船舶能效管理过程中将成为不可或缺的应用。

3 船舶智能能效管理系统

3.1 系统概述

船舶智能能效管理系统根据功能的高低可分为基本功能和高级功能。基本功能是指对船舶能耗、能效的監测及评估，通过对船舶航行状态、能耗状况数据的自动采集和在线监测，依据船舶能效管理计划的相关规范要求，并应用数据关联分析、数据模型算法等技术，对船舶能耗、能效及排放量等进行分析、评估和预测，为船舶运营管理者提供数据评估分析结果和辅助决策建议，实现船舶能效实时监控、智能评估及优化、综合报告生成等智能能效管理的基本功能。高级功能是指对船舶航速的优化，在完成采集海量的实船能效、能耗及航行状态数据的基础上，建立船舶能效分析模型、航速优化分析模型，从而实现基于航次计划的航速优化和基于经济效益的航速优化功能。

3.2 系统架构

根据能效管理系统的基本功能要求，并结合实船情况进行分析，构建船舶智能能效管理系统架构，见图1。系统主要功能如下：

（1）船舶航行状态、能效及耗能状况在线监测和数据的自动采集，以及气象环境数据的获得;

（2）对船舶能效及能耗状况进行评估、报告和报警;

（3）根据分析评估结果，为船舶能效管理提供辅助决策建议。

对主要耗能设备、能耗计量设备、航行状况设备的数据采集、传输、存储，以及能耗模型、能效分析数据库的建立，可实现船舶能效及耗能情况评估、报告和报警，以及主要耗能设备的能效及耗能实时监测，最终为船舶运营管理人员提供能效管理辅助决策的依据。

3.3 系统设计

3.3.1 系统硬件设计

硬件平台是支撑应用系统运行的核心基础设施，主要包括高性能计算机、可编程自动化控制器和其他相关软硬件设备。硬件系统主要负责采集船舶上主要耗能设备、计量设备和航行设备监测参数，为软件系统的数据分析提供数据支撑，具体包括：主要耗能设备的功率、压力、温度参数，主要耗能设备燃料消耗参数，主机轴功率参数，风向、风力参数，水深值，船舶吃水值，涌浪参数等。可编程自动化控制器构成了信号采集箱的主体，将控制、信息处理和通信功能整合在单控制器系统内，提供双控制器架构，以满足不同任务。提供双接口的以太网及CAN总线接口，通过级联或者菊花链式提供高密度的I/O采集接口，可实现模拟量输入和输出、数字量输入和输出、热电偶输入、热电阻输入等功能，满足信息处理及通信的需求。系统主要通过信号采集箱、监测主机、监测显示器、交换机、串口服务器等将采集的数据传入。系统硬件架构见图2。

3.3.2 系统软件设计

在系统软件设计过程中，软件首先必须满足基本的功能要求，然后再考虑如何使人机界面更美化、布局更合理、使用更方便。软件设计过程要遵循总体设计原则，如规范符合、操作性好、结构合理、运行效率高等，其中：人机界面设计原则有统一性、界面切换合理性、界面布局合理性、字体和颜色使用合理性、注释明确、集中显示等。

根据《智能船舶规范》对智能能效管理的要求，船舶智能能效管理系统软件的总体业务流程设计见图3。

设计系统人机界面时，要注重登录界面、系统管理界面，以及其他如能效及能耗评估、能耗分布分析及指标超限提醒、能效管理辅助决策和能效辅助管理等各个功能模块界面的合理性。

3.3.3 系统功能模块设计

系统主要由系统管理、数据分析、能效及能耗评估、能效管理辅助决策、能效辅助管理等5个功能模块组成。系统功能模块架构见图4。

數据分析模块是5个功能模块的核心，主要是对能效及排放指标进行分析，分析如下：

（1）EEOI

一个航次的EEOI的基本表达式为

eEEOI=

式中： j为燃油类型; Fj为在航段中j类燃油的消耗量，t; C为燃油量与CO2排放量转换系数; M为载货量，t; D为船舶航行的里程，n mile。

某段时间内多个航段的EEOI平均值计算公式为：

eEEOI=

式中： Fij为在航程i中燃油j的消耗量，t; Di为航段i的里程，指在所考虑的航次或时间段的实际航行距离，n mile。

（2）单位距离燃料消耗量

单位距离燃料消耗量计算公式为

e1=

式中：F为各航段油耗量的总和，t;D为各航段航程之和，n mile。

（3）单位运输功燃料消耗量

单位运输功燃料消耗量计算公式为

e2=

（4）单位距离CO2排放量

单位距离CO2排放量计算公式为

e3=

（5）单位运输量CO2排放量

单位运输量CO2排放量计算公式为

e4=

分析以上各个指标，对比设定的指标基准值，评估船舶能效及能耗，根据评估结果提出可以改善能效的辅助决策，为改善船舶能效提供有力的数据支撑。

3.4 系统测试和结果分析

按照上文的设计对船舶智能能效管理系统的原理样机进行开发，通过对原理样机进行测试，系统能够实现各个功能模块能耗、能效实时显示和耗能设备能耗实时评估，系统界面见图5;船舶能效及排放指标评估和能效管理辅助决策系统界面见图6。

4 结 语

船舶能效管理是船舶营运管理的重要环节。船舶管理人员应：积极响应国内外对节能减排的要求，加强船舶能效管理;多方面拓展提高船舶能效的方法，并顺应信息化、智能化的要求，对船舶能效管理信息化手段和船舶智能能效管理系统进行研究，提高船舶能效管理效率;在船舶智能能效管理系统原理样机的研制基础上，进一步通过建立船舶能效分析模型和航速优化分析模型来实现高级功能中的航速优化，深入研究智能船舶规范中的智能能效管理功能模块，以达到有效提高船舶能效的目的。

参考文献：

[1] 于巧婵，高惠君，骆义，等.运用可监测、可汇报、可核查机制提升我国营运船舶能效管理水平[J].水运管理，2015（11）：26-28.

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