船舶智能能效管理系统设计

赵 科，丁 琦

(1.中国远洋海运集团有限公司，上海 200080；2.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)

0 引 言

近年来，由于排放法规日趋严格，IMO、欧盟、中国海事局等都提出了对于航运排放的申报检验要求，满足MRV 排放的监测、报告和验证要求，提高营运能源利用率，降低排放是航运企业提高航运效益、保障社会责任的必然选择。随着现代船舶综合自动化水平的提高和船舶设备专业性的增强，对船舶能效的监控管理始终是船舶营运工作的主要内容。国际海事组织（IMO）也在第62 次会议提出两项船舶能效评判标准：船舶能效管理计划（SEEMP）和能效设计指数（EEDI）。该标准从船舶设计、建造、营运等各个环节采用相关节能降耗的措施来提高船舶综合能效水平。

随着船舶管理向数字化、信息化、智能化方向发展[1 –2]，智能船舶等概念的提出，船舶能效管理的数字化及智能化应用逐渐成为未来船舶节能减排发展的重要需求。采用智能化的船舶智能能效管理系统是希望集监测、分析、报告和管理于一体，对船舶进行实时监控、航行评估、数据分析与报告管理。船上机电设备种类繁多，系统结构复杂，随着全电力船舶的发展，对船舶能效的产生、管理、分配也愈发困难，而对于船东而言，能效管理的工作贯穿经营、机务、海务、技术保障和环保等多个业务口径，较难整理出完整的功能需求。

目前国外企业已经从典型业务需求出发，开发出集监测与管理功能为一体的船舶综合智能能效管理系统，如挪威的康士伯公司的EMS 系统提供了更加数据化的机舱性能管理和决策方法，提高整船的设备监控能力，降低能耗并减少排放。冰岛的MARORKA 公司从航行优化角度，提供基于气象的航速纵倾等航行优化和航段信息监控评估，提高船舶航行能效和运营效率。而国内目前的一些厂家如CCS 提供整套较为通用的能效监测管理解决方案，相关功能对于船东需求的覆盖还需要进一步验证和加强，因此开展船舶综合智能能效管理系统的研究势在必行，在营运船舶能效方面的管理措施还需进一步加强。

为提高智能船舶营运过程中的能效水平，实现系统化的船舶能效管理，降低船舶能耗，提高能源利用效率。本文在分析船舶能效指标与能效管理计划的基础上，对船舶综合智能能效管理系统进行功能划分，系统设计，能效优化，提出一种高效、绿色的能效管理系统方案，降低排放，减少能耗，满足智能船舶未来发展的要求，同时对日后国产能效管理系统提供参考依据。

1 船舶能效管理计划与能效指标分析

船舶能效管理计划（SEEMP）从能源消耗、能源利用效率和CO2排放等方面对船舶进行严格的控制和管理来提高能效水平。它对航运公司监测船舶CO2等温室气体的排放提出了量化要求，并要求从计划、实施到监控、自我评估，建立一整套完善的提高船舶营运效率 管理机制[3–5]。

船舶营运能效指数（EEOI）是获得营运船舶或船队能效量值的国际公认工具之一，其反映的是消耗燃油所排放的CO2与货物的数量和运输距离的比值，用来衡量阶段时期内船舶能效的高低[6–8]。EEOI 可以定义为：

式中： j 为燃油类型； Fcj为 燃油j 的消耗量；CFj为燃油j 的燃油量与CO2排放量之间的转换系数； mcargo为货物种类（t）或完成工作量（标准集装箱数目或人员或武器）或客船的总吨位；D 为航行距离（n mile）。

影响EEOI 的因子在实际中非常复杂，总体可以归纳为设备能耗状态、船舶性能状态、当前航行环境及状态、营运计划及人员操作等，因此，针对船舶航行过程中的营运特点与多种影响因素进行综合研究，能有效降低能耗，提高船舶性能。为落实船舶能效营运指数，根据船舶能效管理计划的思想建立船舶能效管理体系，遵循计划-实施-检查-行动（PDCA）运行模式，如图1 所示。

图1 船舶综合能效管理计划的运行流程Fig.1 Operation process of ship comprehensive energy efficiency management plan.

2 能效管理系统功能框架

根据能效管理计划运行流程，船舶智能能效管理系统应负责对船舶能耗、能效的监测与评估、能量的产生分配、管理调度等。将采集监控数据进行关联分析、通过数学建模以及优化算法，对船舶能耗、能效以及排放进行综合评估、分析、预测并为船舶管理者提出能效辅助优化建议，实现对船舶营运状态的实时在线监控、智能评估、能效优化以及历史报告管理等功能。继而通过收集到的大量实船航行数据，对船舶关键能耗设备进行针对性能效建模、航速优化、纵倾优化等，提高船舶运行过程中的经济效益。

从降低船舶营运能效指数的角度考虑，船舶智能能效管理系统应包括数据采集、设备能耗监测、推进系统监测、船舶综合航行监测、能耗分析与优化及岸基管理等功能，如图2 所示。

图2 船舶智能能效管理系统功能框架Fig.2 Functional framework of ship intelligent energy efficiency management system.

1）数据采集。该功能是能效管理系统的基础，通过燃油计量装置、轴功率仪、GPS、风速仪、测深仪、倾斜仪等各种传感器将船舶营运过程中的能效数据进行采集并汇总，经通讯系统传输到船舶工作站以及岸端数据服务器。

2）设备能耗监测。根据管理计划分析，对降低EEOI 直观重要的全船主要耗能设备的运行状态进行监测，对其进行能耗分类，并对关键能耗设备如主机、发电机、锅炉的关键参数如功率、转速等进行监控。基于状态评估算法开展数据分析优化，进行系统的节能潜力评估与实际节能效率计算。

3）推进系统监测。对与航行效率相关的主机、轴系、桨等推进系统设备的物理指标与运行情况进行监测报警，保证船上推进系统的正常运行。

4）综合航行监测。对GPS、计程仪和风速风向仪系统等航行状态和航行环境参数进行监测记录，保障船舶的安全稳定运行，并为航行时的紧急状况提供处理依据。

5）能耗分析与优化。将全船设备能耗参数进行汇总计算，提供对比图表、历史数据查询等功能。通过对存储数据的分析，确定船舶营运过程最佳能效管理方案，提高船舶整体效能，并结合航行特点、燃料消耗、经济效益等评估结果，提供基于不同目标的优化方案[9]。

6）岸基管理。进行船岸数据实时传输，船队层级数据的存储、分析与实时监测，建立岸端数据库，实现岸端对所有在航船舶进行统一远程监控，并对船端进行能耗优化提供辅助决策与远程技术支持。

3 能效管理系统设计及开发

能效管理系统的设计应当从宏观、总体、系统的角度对船舶营运能效参数进行收集汇总，并利用数学建模与先进的优化算法进行科学分析，提高船舶总体能效水平。

3.1 硬件设计

在硬件架构设计上，由于船上拥有大量现代化电力设备与先进的控制技术，船舶电站对于网络数据传输的稳定性、时效性与安全性提出了更多的要求，为了保证不同工况下网络的整体性能，系统采用船舶总线控制网与工业以太网混合异构型网络为基础的开放式船舶物联网体系架构。其中船舶总线控制网用于对安全性与时效性要求较高但对信息量要求不大的现场设备层网络，并提供防尘、防爆等安全特性，工业以太网用于对安全性与实时性要求较高但是对信息量需求不大的上层信息管理网络，此种架构可以方便地进行通信网络中的模块增减改动，如图3 所示。

3.2 软件设计

在软件方案设计上，选用B/S 架构对船舶智能能效管理系统进行设计。Browser 端需要提供友好的用户访问交流界面，且接口响应时间不超过5 s，页面刷新时间不超过3 min，Server 端需要提供所有大型计算处理服务，各功能模块（优化模块除外）响应时间不超过30 s。

图3 船舶智能能效管理系统架构Fig.3 Architecture of ship intelligent energy efficiency management system

系统采用3 层松散耦合的结构设计，数据层通过外部环境接口运用数据采集处理组件与实时通讯组件从现场设备采集数据并存储到数据库，或向现场设备发送指令，与应用层和服务层交互。服务层可以从数据库读取现场设备实时工况数据，调用不同的管理组件进行分析计算以供应用层调用。应用层根据各功能模块的需求，调用服务层组件，显示不同的程序界面，实现船舶智能能效管理系统软件的功能。船舶智能能效管理系统软件设计思路如图4 所示。

图4 船舶智能能效管理系统平台设计思路Fig.4 Design of ship intelligent energy efficiency management system

在数据库开发上，选择MySQL 数据库平台，并利用Navicat for MySQL 进行数据的导入导出工作。主要功能包括 SQL 创建工具或编辑器、数据模型工具、数据传输、导入或导出、数据或结构同步、报表、以及更多。

3.3 数据采集与处理

数据采集与处理是船舶智能能效管理系统运行的基础，针对不同数据来源，提供2 种通讯方式进行数据实时获取。对于提供数据库接口的数据采集终端系统，通过开放数据库互联（ODBC）进行数据通信；对于不提供数据库接口的数据采集终端系统，通过TCP 或UDP 协议与数据采集终端系统进行数据通信。实时数据每隔1 s 采集1 次，并导入至船端数据库中，并通过计算转化为10 分钟表、1 小时表、1 天表分别存储在船端数据库中，每小时定时将1 小时的能效数据打包并发送到岸端数据库中，并针对不同类型的数据进行标识与区分（静态、人工、计算、在线监测），供专业人士进行后续能效优化与辅助决策制定。

3.4 能耗分布与评估方法

参考《船舶能量消耗分布与节能指南》，考虑实船实际参数监测能力，由船舶主机、辅机、锅炉燃油计量装置计算船舶当前工况各能耗设备燃油消耗量，计算得到能量输入基值，根据系统流程与各设备进出口工质热力学参数，计算各主要设备能耗情况，并与能量输入基值对比，得到设备能量效率与能耗分布百分比，计算框架如图5 所示。同时根据试航数据以及设计资料计算出船舶设计航速下主要耗能设备的静态能耗分布比例与静态指标，二者进行对比，超过标准值时系统可认为能耗分布异常，并提供相关报警显示。能耗分布对比分析流程如图6 所示。

3.5 船舶性能评估方法

图5 能耗分布图Fig.5 Energy consumption distribution

图6 能耗分布对比流程Fig.6 Energy consumption distribution comparison process

船舶总体性能是从整体角度对船舶能效状态进行分析和评估，分为能效指标趋势和船舶性能状态两部分。

根据监测燃油流量计、GPS、计程仪计算船舶单位时间内的燃油消耗量和船舶航速及航行距离，根据配载仪或由船员输入得知船舶当前载货量，计算船舶耗能系统每海里燃油耗量、每运输功燃油耗量、每海里CO2排放量、每运输功CO2排放量等能效指标，从整体能效整体角度进行趋势分析和相应报警。

参考ISO15016-2015: Ships and marine technology –Guidelines for the assessment of speed and power performance by analysis of speed trial data，计算风浪等的阻力增加，对功率航速数据进行修正，消除环境因素对船舶性能的影响。将修正后的数据与模型试验数据进行对比，参考ISO19030-Ships and marine technology - Measurement of changes in hull and propeller performance，计算相同航速下两者的功率差别，作为航行性能长期评估的指标值。

3.6 节能优化建议

船舶智能能效管理系统需提供节能优化建议功能，使船舶以更经济、节能、环保的方式运行管理。主要提供系列节能减排优化措施，如纵倾优化、航速优化等，如图7 所示。纵倾优化提供基于纵倾数据库的纵倾优化计算，给出指定载况指定航速下的最优纵倾和推荐吃水，航速优化由系统每日生成航速、燃油、功率相关报表进行计算，将推荐航速邮件发送至船长房间提供参考。系统可基于当前航线和航行计划，对航线总体油耗、主机辅机等功率分布情况进行评估，并根据基准值给出评估结果，如图8 和图9 所示。

图7 纵倾优化模块Fig.7 Trim optimization module

3.7 能效辅助决策与管理

船舶智能能效管理系统根据长时间累积下来的船舶运行数据，给出船舶能效管理辅助决策。根据能耗相关分项数据，以图表形式展示船舶动态信息，方便相关人员直观地了解船舶当前能效状态并提出科学建议。船舶管理方可以通过岸端能效管理系统登录可视化系统界面操作，同时可以进行船舶相关数据报告管理工作。包括排放监测报告、排放区预警、燃料信息管理以及污底评估等。岸端能效系统同时可以提供多船能效数据存储以及能效分析交叉比对，继而实现后续大数据优化分析，为船端工作人员提供最优决策。如图10 所示。

图8 船舶智能能效管理系统主机能耗评估Fig.8 Main engine energy consumption evaluation of the ship intelligent energy efficiency management system

图9 船舶智能能效管理系统综合能耗评估Fig.9 Comprehensive energy consumption evaluation of ship intelligent energy efficiency management system

图10 船舶智能能效管理系统能效分析Fig.10 Energy efficiency analysis of ship intelligent energy efficiency management system

4 结 语

船舶能效管理是船舶营运管理的重要环节，系统化的能效管理可以提高船舶能效水平，降低船舶营运成本。本文综合船舶能效管理的需求等多方面分析并设计了船舶智能能效管理系统，实现全船能效的在线监测与控制，保证了数据的实时性、有效性与可靠性，降低船舶营运成本，提高船舶运行效率。同时系统可操作性强，可根据不同船型增减功能模块，定制需求，该船舶智能能效管理系统已经在集团部分散货、集装箱和油轮船上使用，系统还须进一步在实践中优化与完善。