摘要：受到全球變暖、環(huán)境保護以及降本增效等因素影響，各大航運企業(yè)對船舶能效管理技術(shù)的需求越來越高。本文從政策導(dǎo)向、市場需求以及技術(shù)驅(qū)動等3個方面分析了能效管理技術(shù)的必要性;總結(jié)了國內(nèi)外現(xiàn)有船舶能效管理技術(shù)與產(chǎn)品，并從功能差異和優(yōu)缺點等方面開展了現(xiàn)狀分析;從船舶能效在線監(jiān)測、能效智能評估以及能效優(yōu)化控制等3個方面分析了船舶能效管理的關(guān)鍵技術(shù);最后，對船舶能效管理技術(shù)的未來發(fā)展趨勢進行了展望。研究表明監(jiān)測是當(dāng)前國內(nèi)外船舶能效管理的基礎(chǔ)，然后逐步發(fā)展了能效評估、航速優(yōu)化、縱傾優(yōu)化、故障診斷等衍生功能。在智能化程度方面，國內(nèi)外的船舶能效管理仍以離線分析為主，以動態(tài)、在線、自主化為特征的智能評估和優(yōu)化比較缺乏。本文可為船舶動力系統(tǒng)低碳化、智能化研究與發(fā)展提供指導(dǎo)。

　　關(guān)鍵詞：全球變暖;航運業(yè);船舶節(jié)能;二氧化碳;智能能效;傳感器;航速優(yōu)化;數(shù)據(jù)挖掘

　　近20年來，隨著氣候變化在全球范圍內(nèi)引發(fā)越來越多的關(guān)注與擔(dān)憂，溫室氣體減排已成為世界各國的共識。船舶作為大宗商品的運載工具，在國際貿(mào)易以及區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展中具有重要的支撐作用。然而，船舶被稱為是目前最不受管制的空氣污染源之一，其排放控制問題已到了不容忽視的程度。根據(jù)國際海事組織(InternationalMaritimeOrganization,IMO)2014年發(fā)布的第3次溫室氣體報告，國際航運業(yè)在2012年的CO2總排放量為9.38億噸，占到當(dāng)年全球CO2總排放量的2.6%。若不及時采取行之有效的解決措施，預(yù)計到2050年，航運業(yè)排放的溫室氣體總量將會占全球總排放量的17%。

　　同時，船舶所排放的CO2、NOx、SO2、顆粒物等大氣污染物會使得港口和航道周邊人口密集地區(qū)的空氣質(zhì)量惡化，對大氣環(huán)境和人類健康造成很大危害。IMO為了推動航運業(yè)的節(jié)能減排，提出了具有強制性的船舶能效規(guī)則，主要包括針對新造船的船舶能效設(shè)計指數(shù)(energyefficiencydesignindex,EEDI)和400總噸以上船舶的船舶能效管理計劃(shipenergyefficiencymanagementplan,SEEMP)[1-2]。這是世界范圍內(nèi)第一部兼具行業(yè)性和強制性的溫室氣體減排規(guī)則。對于大量營運中的船舶，優(yōu)化全船能耗以及提升動力系統(tǒng)效率等能效管理手段都是當(dāng)前航運企業(yè)普遍采用的節(jié)能減排措施。此外，加強船舶能效管理，對航運業(yè)降本增效和船舶智能化管理也具有重要意義。本研究通過調(diào)研國內(nèi)外能效管理技術(shù)與產(chǎn)品發(fā)展現(xiàn)狀，了解能效管理技術(shù)的發(fā)展趨勢，能夠更好的促進我國能效管理系統(tǒng)的研究與應(yīng)用。

　　1船舶能效管理內(nèi)涵

　　能效作為一種評價指標(biāo)，是指能源利用效率，即生產(chǎn)實踐的能源利用與轉(zhuǎn)化過程中，實際發(fā)揮作用的能源量與總消耗的能源量之比[3]。船舶能效是能效眾多領(lǐng)域中的一個分支。面向營運中的船舶，IMO在SEEMP中提出船舶能效營運指數(shù)(energyefficiencyoperationindex,EEOI)來衡量營運船舶的能效水平。EEOI反映的是船舶實際航行運輸過程中單位運輸工作量所排放的CO2量，EEOI指數(shù)越低表明船舶的營運能效水平越高[4]。

　　船舶能效管理主要是面向營運船舶，指利用相關(guān)技術(shù)手段加強船舶航行過程中的操作管理，包括基于傳感器的能效參數(shù)監(jiān)測、能效水平的智能評估以及基于模型分析的能效管理策略制定等。通常情況下，把通過操作管理創(chuàng)新、提升營運船舶能效水平的技術(shù)集合稱為船舶能效管理技術(shù)。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)和人工智能等賦能技術(shù)的發(fā)展，推動著船舶能效管理技術(shù)的實船應(yīng)用。在傳統(tǒng)管理技術(shù)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用智能算法和技術(shù)，為船舶管理和操作人員提供輔助決策功能，稱為智能能效管理技術(shù)。以(智能)能效管理技術(shù)為核心，輔以相關(guān)的軟硬件系統(tǒng)，可形成(智能)能效管理系統(tǒng)。系統(tǒng)具備較高的成熟度、產(chǎn)品化之后，則形成船舶能效管理的相關(guān)產(chǎn)品。

　　2船舶能效管理必要性分析

　　2.1政策導(dǎo)向分析

　　為了推動營運船舶的節(jié)能減排，IMO與我國海事管理部門出臺了相關(guān)政策法規(guī)，引導(dǎo)航運業(yè)實施船舶能效管理。IMO除了引入強制性船舶能效規(guī)則，于2016年通過了全球船舶燃油消耗收集機制，作為海運節(jié)能減排“三步走”第一步，將于2019年1月1日起開始生效。2018年，IMOMEPC(theMarineEnvironmentProtectionCommittee)也通過了減少航運業(yè)排放的“初步戰(zhàn)略”，在2050年將航運業(yè)CO2總排放量減半。

　　同年，國家海事局出臺《船舶能效數(shù)據(jù)收集管理辦法》，規(guī)范了中國港口船舶能效數(shù)據(jù)收集與報告提交要求。中國船級社(ChinaClassificationSociety,CCS)在船舶能效管理方面相繼發(fā)布了《船舶能效管理計劃編制指南》與《船舶智能能效管理檢驗指南》，要求通過管理者制定符合公司規(guī)模、船型、航區(qū)、航線、航程等特點的能效方針，來降低單船能耗、提升能效[5]。2020年11月舉行的MEPC75次會議上，引入了EEXI(energyefficiencyexistingshipindex)概念，針對現(xiàn)存大量不適用于EEDI的船舶排放，以實現(xiàn)2030年的短期減排目標(biāo)。

　　2.2市場需求分析

　　根據(jù)統(tǒng)計，船舶燃油費用占到了總運營成本的50%，燃油支出是航運企業(yè)最大的運營成本。此外，我國船舶動力系統(tǒng)普遍存在效率低、排放水平高的問題，比如在內(nèi)河船舶方面，我國每百噸公里的燃油消耗高出發(fā)達(dá)國家20%以上，能源利用效率明顯低于國際領(lǐng)先標(biāo)準(zhǔn)。交通運輸部要求，2020年營運船舶單位運輸周轉(zhuǎn)量能耗和CO2排放量相較于2015年分別下降6%和7%，這也需要船舶能效管理的助力。通過優(yōu)化船舶的營運管理，提升船舶營運能效水平，降低燃油消耗，既有利于航運企業(yè)實現(xiàn)降本增效，也有利于履行國際減排法規(guī)要求。實施船舶能效管理有利于提升航運企業(yè)的競爭力，在航運企業(yè)中具有很高的需求。

　　2.3技術(shù)驅(qū)動分析

　　隨著信息、傳感、通信、人工智能等賦能技術(shù)的不斷發(fā)展及應(yīng)用，推動著船舶能效管理技術(shù)的實船應(yīng)用。隨著自動化和智能化程度的不斷加深，船舶能效管理計劃將會不斷地信息化、數(shù)字化，逐步形成具有一定輔助決策能力的船舶智能能效管理系統(tǒng)。CCS發(fā)布的《智能船舶規(guī)范》以及工信部等部委發(fā)布的《智能船舶發(fā)展行動計劃(2019-2021年)》，把實現(xiàn)智能能效管理作為未來智能船舶發(fā)展的核心功能模塊。在船舶智能化與無人化發(fā)展的大背景下，包含能效管理功能的智能駕駛輔助決策系統(tǒng)將是船舶設(shè)計、建造以及運營的重要研究內(nèi)容。

　　3智能能效管理技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

　　3.1國外能效管理技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

　　3.1.1日韓

　　日本船級社發(fā)布了PrimeShip-GREEN/EEOI能效分析軟件，主要目的是減少CO2排放，分為船端EEOI-Onboard和網(wǎng)頁端EEOI-Web。船端用于輸入船載數(shù)據(jù)的專門軟件，如航程信息、運行數(shù)據(jù)(航行距離、燃料消耗等)。網(wǎng)頁端則用于計算和分析船端數(shù)據(jù)，并以圖表的形式直觀展示數(shù)據(jù)，比較不同船只的運營效率，設(shè)定排放目標(biāo)。韓國三星能效管理系統(tǒng)EN-Saver通過對船舶的能源信息進行收集和分析，對船上能源流動的分析和效率評估，能夠監(jiān)督主要裝備的能源利用信息，分析各部分裝備的能源效率和損失等，也提供縱傾、航線、速度的最佳化的解決方案。

　　3.1.2芬蘭

　　NAPA是芬蘭的海事軟件公司，主要為船舶設(shè)計和運營提供數(shù)據(jù)主導(dǎo)解決方案。旗下NAPALogbook已獲得相關(guān)船旗國的批準(zhǔn)，可用作船舶的官方航海日志，作為紙質(zhì)日志的替代品;NAPAFleetIntelligence將航行監(jiān)控、報告、分析和優(yōu)化等功能整合到一個基于Web的平臺，NAPALogbook的數(shù)據(jù)也可以導(dǎo)入其中。

　　其數(shù)據(jù)庫中分析了55000多艘船舶的全球行業(yè)數(shù)據(jù)，并且能夠集成各種數(shù)據(jù)源，如AIS，中午報告和自動化信號等。可以將各種數(shù)據(jù)源與高度精確的船舶性能模型相結(jié)合，為改進船舶性能提供建議;NAPAVoyageOptimization作為NAPAFleetIntelligence的一部分，從網(wǎng)頁上獲取航速航線優(yōu)化以及相關(guān)的地圖和天氣消息等主要功能。芬蘭瓦錫蘭旗下子公司Eniram從船隊效率、航行效率以及單船效率3個方面提出了能效優(yōu)化的解決方法，并開發(fā)了相對應(yīng)的優(yōu)化服務(wù)及應(yīng)用軟件。

　　4關(guān)鍵技術(shù)分析

　　綜合對比和分析國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，可以得出船舶能效管理系統(tǒng)的功能主要包括4個方面，船舶能效在線監(jiān)測、能效評估、能效優(yōu)化以及能效輔助功能。其中，能效在線監(jiān)測可采集能效數(shù)據(jù)，服務(wù)于其它3項功能，主要對船舶能耗、環(huán)境、航行等參數(shù)進行監(jiān)測;能效評估基于在線監(jiān)測采集的數(shù)據(jù)，運用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，得到船舶能耗狀況;能耗優(yōu)化則向船舶給出航速、航線與縱傾等最佳參考值，提升船舶營運能效;能效輔助功能主要提供符合IMO與海事部門要求的日志與報表。可以看出，船舶在線能效監(jiān)測、智能能效評估和能效優(yōu)化控制研究是船舶能效管理的關(guān)鍵技術(shù)。

　　4.1船舶能效在線監(jiān)測

　　能效在線智能監(jiān)控是智能能效管理系統(tǒng)所應(yīng)具備的基本功能之一。在線智能監(jiān)控，即對船上主要耗能設(shè)備、船舶航行狀況等進行監(jiān)測，進行數(shù)據(jù)的采集、傳輸、儲存、分析，并對船舶能效和能耗等相關(guān)技術(shù)指標(biāo)進行評估和報警[8]。因此，船舶能效在線監(jiān)測是能效在線智能監(jiān)控的重要內(nèi)容，同時也是能效智能評估和優(yōu)化的研究基礎(chǔ)。能效在線監(jiān)測的信息來源可分為2類：1)人工輸入的信息(靜態(tài)數(shù)據(jù))，主要從船舶基本資料和日常報表中獲取[9]，如船舶尺寸信息、船舶航行起點、終點、預(yù)計到達(dá)時間等;2)借由布設(shè)的傳感器采集的數(shù)字信息(動態(tài)數(shù)據(jù))，主要對象為主要耗能設(shè)備參數(shù)與船舶航行狀況參數(shù)。

　　對于不同動力類型船舶，其主要耗能設(shè)備不同。對于傳統(tǒng)船舶，主機、發(fā)電機組和船用鍋爐是主要能源消耗設(shè)備，主要監(jiān)控內(nèi)容為設(shè)備油耗(或氣耗)以及主機轉(zhuǎn)速與軸功率，氣體機則需對LNG濃度進行安全監(jiān)控，以保障船舶運行安全。對于混動、純電等新能源船舶，還需要對蓄電池、超級電容等儲能裝置進行狀態(tài)監(jiān)測[10]。船舶航行狀態(tài)參數(shù)包括船舶對水航速、對地航速、船舶位置、吃水、縱傾角、水流速度與流向、水深、風(fēng)速風(fēng)向等，其數(shù)據(jù)來源主要為船載助航設(shè)備，如計程儀、GPS、吃水測量設(shè)備、陀螺儀、測深儀、風(fēng)速風(fēng)向儀等。

　　4.2船舶智能能效評估

　　智能能效評估是在數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的支持下，從船舶航行以及日常運營，挖掘船舶節(jié)能潛力，同時也為管理者提供更優(yōu)的能效管理方案建議。借助能效評估，管理者可以找到能效標(biāo)桿，設(shè)立能效基準(zhǔn)水平，也可以從同航線同船型的其他能效表現(xiàn)較好的船舶借鑒節(jié)能經(jīng)驗。

　　針對積累的大量船舶能耗、航行以及通航環(huán)境數(shù)據(jù)，使用關(guān)聯(lián)、聚類、機器學(xué)習(xí)等方法挖掘能效數(shù)據(jù)中的特征以及規(guī)律[11-12]，在特征分析的基礎(chǔ)上進行能效評估。評估的內(nèi)容包括：基于實測數(shù)據(jù)，通過計算EEOI、航行過程燃料消耗指數(shù)、CO2指數(shù)等能效及排放指標(biāo)，評估船舶能效水平與狀態(tài);根據(jù)采集的油耗及功率，實時評估推進系統(tǒng)能效，為能效管理提供輔助決策[13];根據(jù)船舶主機狀態(tài)，結(jié)合環(huán)境參數(shù)與歷史數(shù)據(jù)信息，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)和機器學(xué)習(xí)算法自動判斷船舶航行工況;根據(jù)船舶能耗實時數(shù)據(jù)，分析得出船舶動態(tài)能量消耗分布比例及各部分能量利用效率。當(dāng)前研究集中于采集到的能耗數(shù)據(jù)分析，基于數(shù)據(jù)擬合、聚類算法等方法，分析能耗因素、環(huán)境參數(shù)、主要耗能設(shè)備運行參數(shù)之間的關(guān)系[14-15]。

　　5結(jié)論與展望

　　當(dāng)前國內(nèi)外船舶能效管理方面的研究大多建立在對能耗、功率等監(jiān)測或午報數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，然后逐步發(fā)展了能效評估、航速優(yōu)化、縱傾優(yōu)化、故障診斷等衍生功能，已經(jīng)在不同船型上得到了一定的應(yīng)用，取得了較好的節(jié)能效果。在技術(shù)水平方面，國外機構(gòu)在能效監(jiān)測傳感器以及智能分析軟件方面技術(shù)水平相對成熟，產(chǎn)品化程度更高，占據(jù)了國內(nèi)外船舶能效管理的主流市場。在應(yīng)用場景方面，國內(nèi)外機構(gòu)在該領(lǐng)域的研究多面向大型海船，針對雙機雙槳型、水文環(huán)境復(fù)雜的內(nèi)河船舶研究較少。在智能化程度方面，國內(nèi)外的船舶能效管理仍以離線分析為主，以動態(tài)、在線、自主化為特征的智能評估和優(yōu)化比較缺乏。在未來發(fā)展方面，受到現(xiàn)代信息技術(shù)和人工智能等賦能技術(shù)的推動，船舶能效管理將進一步朝向功能智能化、管理集約化方向發(fā)展：

　　交通運輸論文范例：淺析當(dāng)前交通運輸轉(zhuǎn)型升級存在的問題及對策

　　1)能效管理功能逐漸加強。能效管理從服務(wù)于船舶運營管理的能效數(shù)據(jù)庫軟件，到單一優(yōu)化功能能效軟件，再到輔助決策智能能效管理系統(tǒng)。從簡單的數(shù)據(jù)采集分析，到提出一定的優(yōu)化建議，再到在線監(jiān)測、能效評估、輔助優(yōu)化建議等多種功能集成，智能功能逐步增強[31]。

　　2)船岸互聯(lián)與云端“即服務(wù)”。在船端采集相關(guān)能效數(shù)據(jù)，并將單船數(shù)據(jù)傳輸至岸端;岸端集成船隊，甚至其他公司船舶的能效數(shù)據(jù)，管理者可通過移動客戶端APP實時查看。專業(yè)化平臺公司將為船東提供云端“即服務(wù)”，船東無需在船端和岸端配備高性能處理器，只需提供相關(guān)數(shù)據(jù)至云端。復(fù)雜的計算以及模擬在“即服務(wù)”公司云端高性能計算機上運行，對海量船舶能效數(shù)據(jù)進行挖掘與分析，開展單船或船隊能效評估與優(yōu)化服務(wù)。

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　　作者：賀亞鵬1，嚴(yán)新平1,2,3，范愛龍1,2,3，王拯1