营运碳强度指标影响下的班轮航速优化

张子倓 孟怡婕 陈 笛 胡晨滨 孙 领

（1.上海海事大学，上海 201306；2.上海航华国际船务有限公司，上海 200080）

0 引言

为推动航运业碳减排进程，国际海事组织(International Maritime Organization，IMO)制定了船舶能效管理计划。在海洋环境保护委员会第76 届会议通过的营运碳强度指标（Operational Carbon Intensity Indicator，后文简称CII）及评级制度通过强制性要求对营运船舶碳排放量进行约束，控制营运船舶碳减排将成为船公司发展的必由之路[1]。根据IMO对船舶能效设计指数（Energy Efficiency Operational Indicator，EEOI）的说明，船舶能效体现为船舶航行过程中单位运输工作量所排放的二氧化碳量，且船舶能效指数越低船舶能效管理水平便越高[2]。

班轮运输承运货种繁多，航线覆盖范围广阔，面临着艰巨的碳减排任务[3]。根据CII 指标规定，预计将有93.8%的集装箱船受其影响。由于集装箱班轮具有独特的运营特性，对船舶如何在达到低碳要求时同时兼顾服务质量更为看重。为了更准确地计算燃料消耗和排放，航速是最主要的参数，一个微小的速度调整都可以显著改善船舶的燃料消耗和能源效率[4]。在此背景下，优化航速被认为是降低集装箱班轮营运碳排放的有效手段[5]。基于此，本文通过与上海航华国际船务代理有限公司合作获取数据支持，通过统计与分析船舶航次能耗大数据构建兼具准确性和外推性的油耗预测模型与航速测算模型，实现以满足CII 相关政策约束下油耗最低为目标的更精准集装箱班轮航速优化。

1 船舶营运碳强度指标（CII）政策解读

1.1 营运碳强度指标简介

船舶营运碳强度指数即船舶单位运输工作量的二氧化碳排放量。船舶营运碳强度指数分为达到的年度营运碳强度指数（Attained annual operational CII）与船型吨位应达到的年度营运碳强度目标值（Required annual operational CII），该目标值根据每年测算所得船舶实际碳强度指数值的变化而改动，该指标通过逐年提高目标要求以达到降低船舶碳强度的目标。

1.2 营运碳强度评级方法介绍

基于船舶达到的年度营运碳强度指标值，IMO 制定了船舶营运碳强度评级导则，旨在通过对相关船舶进行营运碳强度评级促进船舶降低营运碳强度并提升评级。根据船舶达到的年度营运碳强度指标值百分比，船舶将会被给予A至E 的评级。各级船舶中，评级为D 和E 的船舶将需按要求提交船舶能效改进措施。同时，当前国际海事组织建议主管机港口及航运相关方对评级为A 与B 级的船舶进行激励，而对连续3 年评级为D 或当年评级为E 的船舶则要求制定并提交令船舶达到年度营运碳强度目标值的纠正计划，经批准后纳入船舶能效管理计划执行，具体奖惩措施仍需待2026 年后根据具体实施情况进行规则评估。在相关措施推进下，船公司将积极采取营运策略以降低营运过程中船舶碳排放量。

2 船舶航速优化模型构建

2.1 数据和变量

本文采集2019 年至2021 年间船舶能效数据报告中不同大小、船型、船龄的17 艘船舶（含姐妹船）的航次能耗数据、航次载货数据、时间、航速等信息各项船舶记录数据作为原始数据。

模型所涉及变量参数如下所示：

FC—船舶航次总油耗，吨

CM—船舶航次主机油耗，吨

CA—船舶航次辅机油耗，吨

tE—船舶航次营运时间，小时

tN—船舶航次航行时间，小时

tA—航次锚泊时间，小时

d—船舶航次航行距离，海里

v—船舶航速，节

Nz—船舶主机持续功率，千瓦

D—船舶排水量，吨

vs—经修正的船舶静水航速，节

β—船舶辅机油耗影响因子，受船舶能源策略影响

vmin—船舶根据船期安排的最低航速，节

vb—经优化的航次节能航速，节

FB—以节能航速行驶的航次总油耗，吨

g—船舶油耗率，吨每海里

C—船舶的航次货载量，吨

2.2 油耗影响因素分析

本研究首先采用皮尔逊相关性分析法检验航次总油耗CF 对船舶自身的船龄、船长、船宽、型深及航次的营运时间、航行时间、航行距离、排水量、航速的相关性。结果显示，每个变量都与航次总油耗相关，且显著性较强，其中船龄的相关性为负值，经原样本分析，判断为船龄大的船舶相对为小船型，单航次油耗较低，符合实际，见表1。

表1 船舶总油耗影响因素相关性分析表

在此基础上，以总油耗为因变量对长宽比、主机功率、航行距离、航行时间、营运时间、排水量进行共线性诊断，并采用逐步回归法去共线性，最终确定关键影响因素为长宽比、航行距离、航行时间、营运时间、排水量。

2.3 班轮航次油耗回归分析

船舶营运过程中，其油耗主要分为主机油耗和辅机油耗，前者为船舶航行提供动力，后者则主要为发电以保证船舶内部的正常运转。则在船舶总油耗可为：

现有研究中估计主机有效功率常用海军系数法，结合上文主机运行原理可认为在一定时间内特定船舶的摩擦系数、主机老旧程度、内部传动的能量损耗率等因素视为不变。此情况下，主机功率与排水量和航行速度正相关，同时可以在认为功率乘时间即为主机所作的功，与主机油耗呈正比，而辅机油耗主要为船舶供电所用，消耗较为稳定，因此可将航次船舶总油耗设为：

2.4 班轮航次航速优化模型建立

可以明显看出与营运时间有关的油耗α_3 t_E 不会影响航次最优航速的选取，而在船舶机械状态相对稳定的情况下，船舶排水量会对航次最优航速产生一定影响。根据IMO 营运管理的需求，希望各船舶在靠港时均连接岸电以减少燃油的使用。对此，在计算节能航速的时候，考虑其更变策略，在靠港时采取岸电，因此，此时，船舶的每公里油耗可由下式计算：

依此可结合油耗模型拟合结果中求解得到的未知参数，计算各船舶在空载、半载、满载三种状态下的节能航速，其油耗率如图1 所示，由于船舶航行过程中存在随时间变化的辅机油耗，也就是说，并不是船开的越慢越省油，决策者应避开此误区，合理制定航速计划。

图1 排水量的灵敏性分析图

3 算例分析

STARSHIP PEGASUS 是一艘船龄11 年的船舶，空船排水量为8 136 t，最多可载1 891 t，23 927 t 的货物，该船龄的船舶在目前的政策环境下随时有被勒令整改或淘汰的风险，因此以该轮为研究对象，分析其营运策略。简单列出该轮满载、半载、空载时的最优航速和对应油耗率如表2 所示，在满载的情况下节能航速整整比空载要低4.5 kn。

表2 航速优化结果

以该轮的釜山—上海港航段为例，该班轮在上海港所靠码头为外高桥码头，需乘潮进出，同时，因为货运拥堵，有时需保持较长时间的排队等候时间，即不能连接岸电的锚泊时间。节能航速选取的决策方法如下，在上一港离港时船方及时与港方交流，确认泊位情况，如有泊位，说明船舶行驶至下一港即可靠泊连接岸电，靠泊期间油耗可视为0，此时可用β=α2+α3代入计算最优节能航速，若无泊位，则说明即便提前抵港仍需锚泊等待，锚泊期间油耗为α3/h，因此以β=α2代入计算最优节能航速。此外，还需确认以节能航速行驶是否能按既定船期到达，若不能，则应以式得的最低航速行驶。

采取此策略定速时，船舶的航次理论最低油耗可由计算：

选取部分班次信息如表3 所示，根据航速决策法制定航速策略vb，其真实航行航速有时候会低于本研究所采用的航速优化方法计算所得的vb，有时候又会高于该值。将相关参数代入，计算得出，该轮总航次实际总油耗为772.48 t，采用本研究的定速策略STARSHIP PEGASUS 轮在该时间段内的油耗理论最低可达706.06 t，降低8.6%，单航次最高减少26.41%的燃油消耗，优化效果较为明显。

表3 STARSHIP PEGASUS 航次数据样表

4 结论

本文以班轮运输为研究对象，结合航速和船期表两个决策层面对班轮的营运能效进行优化。有效利用海事局的船舶航次能耗报表数据和船舶航行AIS 数据，建立船舶油耗估算模型以计算船舶节能航速，并考虑排水量对油耗率的影响建立船期表优化模型。通过算例分析，该油耗估算模型可判断船舶实际营运中的主机工况、辅机工况、是否连接岸电等关键决策，并以此为依据优化船舶节能航速，其准确率较高，优化效果较好。

本文研究成果为解决船舶航速优化问题提供了理论指导和决策依据。未来的研究可以考虑船舶载况和外部环节因素的耦合作用，建立更优的油耗测算模型。

特别鸣谢合作单位上海航华国际船务代理有限公司提供的数据支持。（项目名：航华船舶航速及油耗优化程序，项目编号：12020221311KX）