内河船舶能耗监测物联网系统设计

郎绍程，徐梦婷，徐 建

(1.嘉兴南洋职业技术学院，浙江 嘉兴 314031；2.浙江禾东船业科技股份有限公司，浙江 嘉兴 314024；3.浙江兴禾船舶检验检测有限公司，浙江 嘉兴 314024)

在实现“双碳”目标的要求下，有效、合理地使用能源，进行有效的能耗监测监管，降低船舶能耗的需求极为迫切。实现内河船舶的节能减排目标，需要摸清内河船舶能源消耗水平及内河船舶节能减排技术状况。针对此问题，本文开展内河船舶能耗监测物联网系统研究，并完成了该系统的研发工作。

1 内河船舶能耗监测物联网系统架构

内河船舶监测物联网系统整体原理示意图见图1，其由4大层级和2套体系组成，形成资源共享体系、制度规范体系、安全保障体系，可为内河船舶能耗管理提供统一、规范、高效、透明的业务管理和决策支持服务。

该系统包含的4大层级为：①基础设施层，为应用系统提供基础软硬件环境及相应的数据传输网络；②数据层，为系统的建设提供数据支撑基础；③应用管理层，在数据采集的基础上，通过实施监测、数据统计、能效管理、碳排控制、决策支持等功能模块，配套应用支撑平台和数据共享与交换，为政府部门、企业提供统一的应用服务；④用户层，本系统通过应用管理层各个模块的系统功能，对内河船舶能耗进行在线监测，推进内河航运低碳化管理水平，为交通管理政府部门、航运企业及技术支撑单位提供有效的管控手段。

2套体系为：①信息标准规范体系，制定完善内容保障、资源共享、运维管理、安全保密等制度规范；②信息安全保障体系，依据系统的重要性、敏感程度和安全风险等因素，优化整合信息安全资源，合理划分安全域，贯彻执行安全管理规章制度，做好灾难备份和应急响应工作。

图1 内河船舶监测物联网系统整体原理示意图

2 内河船舶能耗监测物联网系统设计

2.1 数据库结构设计

基于内河船舶能耗监测物联网系统数据统计需求，将企业基础信息、能源、温室气体排放及运维管理等系统所需的全部信息资源纳入管控。需建设包含基础信息数据库、能源数据库、温室气体排放数据库和综合信息数据[1]的综合性数据库。①基础信息数据库，包括企业名录、船舶信息、用户角色信息、地图信息以及能源等元数据；②能源数据库，使用能源数据库对船舶各类能源品种的消耗数据进行统一、集中管理；③温室气体排放数据库，温室气体排放量需要基于能源消耗数据进行换算，该数据库主要针对排放系数信息、活动水平数据和排放量进行管理；④综合信息数据库，对系统运行所需要的其他业务数据进行统一管理。

2.2 技术路线

内河船舶能耗监测物联网系统采用基于Java2平台企业版技术体系，并基于浏览器/服务器模式架构，使用关系型数据库管理系统8.0(MySQL 8.0)以上版本数据库。采用Java服务器页面(JSP)、服务连接器编程技术，将复杂的业务逻辑、流程控制逻辑和数据存取逻辑有效整合，实现了业务逻辑的快速部署和灵活调整，充分保证数据库系统的安全可靠访问。系统采用中间件技术和工作流技术，支持基于构件的开发模式，体现了“服务器端控件”的思想[2]。

2.3 系统功能设计

1)实施监测子系统。在船舶终端安装和扩展控制区域网数据采集模块，实施采集船舶动态油耗和实时工况，并复合利用通用无线分组业务通信信道，将数据传输至数据中心进行存储和分析[3]。

(1)监测内容。重点水路企业单船的运输及能耗相关数据，包括船型、建成年月、净载重量、功率、货运量、货物周转量、能耗能。

(2)监测指标。船舶轨迹、行程数据、船舶状况、安防数据、驾驶行为数据、碳排放数据等[4]。

2)数据统计子系统。船厂和船舶公司等相关企业可根据报表目录进行企业能耗的网上填报、逻辑审核、保存提交、数据导入导出操作，实现采集系统数据的本地传输以及船岸数据的交互等功能。

(1)基础数据统计。内河船舶能耗监测物联网系统，包括船舶交通运输行业的抽样、船舶行业相关企业能耗数据统计、车载自动诊断系统数据分析和能耗碳排放的测算等功能，所需要掌握的基础数据包含能耗碳排放数据、地学信息系统空间数据、宏观交通数据和其他数据。

(2)多源异构数据获取。建立长久的数据统计监测制度，定期从管理部门与交通流数据归口管理部门获取水运交通与能耗碳排放数据，为嘉兴水运交通运输能耗与碳排放统计监测系统的构建提供可靠的数据保障。

3)能耗与碳排放分析。基于统计数据和模型进行实时数据能耗、历史数据、能耗预测、能耗与碳排放评价等分析。①能耗分析。以不同类型的船舶、燃料、航线、时段等为条件，统计分析船舶的能耗数据，并以图表等形式展示分析结果。其中，船舶类型包括游艇、内河散货船等种类；燃料类型包括汽油、柴油、天然气、电力等[5]；航线根据船舶所属的线路来划分。②历史数据分析。根据设定条件，查询并显示运输方式或企业历史能耗及排放的分类数据和总体数据。③能耗预测。依据设定的算法，显示运输方式或企业的能耗预测结果。④能耗与碳排放评价。依据能耗强度指标，对船舶运输企业、运输方式、能耗数据、节能数据和排放数据进行考核评价。

4)决策支持。基于系统获取的水运交通能耗碳排放监测结果，有效核算内河船舶能耗与碳排放，预测企业碳排放峰值，为绿色低碳交通建设提供基础信息，助力交通运输部门出台节能减排规划、政策和标准。

3 某船舶企业能耗分析案例

选取某内河航运企业，开展内河船舶能耗监测物联网系统的试运行。并通过数据采集结果，分析船舶设备及企业管理中存在的问题，为找出行之有效的节能降耗的措施提供技术支持。

3.1 船舶样本结构分析

对某船舶企业的船舶结构类型进行统计。该船舶企业共有货运、客运和执法艇3类船舶，共22艘，其能源类型主要为柴油、液化天然气(LNG)、纯锂电池及锂电池+柴油混动4类，船舶类型和燃料类型满足系统的实用性的验证要求。某船舶企业船舶样本及能耗结构见表1。

3.2 船舶能耗结构分析

为该企业的22艘船安装车载自动诊断系统(OBD)设备，进行数据采集。通过为期2个月的设备运行监测，该船舶企业的货运、客运和执法艇等22艘船OBD设备监测数据采集、传输状态正常运行。

表1 某船舶企业船舶样本及能耗结构

4 结束语

本文基于系统研发工作，提出了系统架构、功能模块组成以及适用性能等内容。通过大数据分析，从源头上减少用能的损失与计量误差，对能耗进行合理的管控，及时发现并改正运行中存在的能耗异常，随时处理[6]。本文的研究成果有效提高了内河水上运输领域节能减排的精细化管理能力和交通低碳管理水平，对于后续开展相关类型船舶智能化能效监控系统的设计具有一定的参考意义。