賀亞鵬， 嚴(yán)新平,2,3， 范愛龍,2,3， 王拯

(1.武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院 可靠性工程研究所，湖北 武漢 430063； 2.武漢理工大學(xué) 船舶動(dòng)力工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430063； 3.武漢理工大學(xué) 國家水運(yùn)安全工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430063)

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(shí)。船舶作為大宗商品的運(yùn)載工具，在國際貿(mào)易以及區(qū)域經(jīng)濟(jì)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(International Maritime Organization, IMO)2014年發(fā)布的第3次溫室氣體報(bào)告，國際航運(yùn)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(shí)采取行之有效的解決措施，預(yù)計(jì)到2050年，航運(yùn)業(yè)排放的溫室氣體總量將會(huì)占全球總排放量的17%。同時(shí)，船舶所排放的CO2、NOx、SO2、顆粒物等大氣污染物會(huì)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(duì)大氣環(huán)境和人類健康造成很大危害。

IMO為了推動(dòng)航運(yùn)業(yè)的節(jié)能減排，提出了具有強(qiáng)制性的船舶能效規(guī)則，主要包括針對(duì)新造船的船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)(energy efficiency design index, EEDI)和400總噸以上船舶的船舶能效管理計(jì)劃(ship energy efficiency management plan, SEEMP)[1-2]。這是世界范圍內(nèi)第1部兼具行業(yè)性和強(qiáng)制性的溫室氣體減排規(guī)則。對(duì)于大量營運(yùn)中的船舶，優(yōu)化全船能耗以及提升動(dòng)力系統(tǒng)效率等能效管理手段都是當(dāng)前航運(yùn)企業(yè)普遍采用的節(jié)能減排措施。此外，加強(qiáng)船舶能效管理，對(duì)航運(yùn)業(yè)降本增效和船舶智能化管理也具有重要意義。本文通過調(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(shì)，能夠更好的促進(jìn)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(píng)價(jià)指標(biāo)，是指能源利用效率，即生產(chǎn)實(shí)踐的能源利用與轉(zhuǎn)化過程中，實(shí)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(gè)分支。面向營運(yùn)中的船舶，IMO在SEEMP中提出船舶能效營運(yùn)指數(shù)(energy efficiency operation index, EEOI)衡量營運(yùn)船舶的能效水平。EEOI反映的是船舶實(shí)際航行運(yùn)輸過程中單位運(yùn)輸工作量所排放的CO2量，EEOI指數(shù)越低表明船舶的營運(yùn)能效水平越高[4]。

船舶能效管理主要是面向營運(yùn)船舶，指利用相關(guān)技術(shù)手段加強(qiáng)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(cè)、能效水平的智能評(píng)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(yùn)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(dòng)著船舶能效管理技術(shù)的實(shí)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。圖1所示為船舶能效管理概念演變的示意圖。

圖1 船舶能效管理概念演變Fig.1 Schematic diagram of the evolution of ship energy efficiency management concepts

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(dòng)營運(yùn)船舶的節(jié)能減排，IMO與我國海事管理部門出臺(tái)了相關(guān)政策法規(guī)，引導(dǎo)航運(yùn)業(yè)實(shí)施船舶能效管理。IMO除了引入強(qiáng)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(jī)制，作為海運(yùn)節(jié)能減排“三步走”的第一步，將于2019年1月1日起開始生效。2018年，IMO MEPC(the Marine Environment Protection Committee)也通過了減少航運(yùn)業(yè)排放的“初步戰(zhàn)略”，在2050年將航運(yùn)業(yè)CO2總排放量減半。同年，國家海事局出臺(tái)《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(bào)告提交要求。中國船級(jí)社(China Classification Society, CCS)在船舶能效管理方面相繼發(fā)布了《船舶能效管理計(jì)劃編制指南》與《船舶智能能效管理檢驗(yàn)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(diǎn)的能效方針，來降低單船能耗、提升能效[5]。2020年11月舉行的MEPC 75次會(huì)議上，引入了現(xiàn)有船舶能效指數(shù)(energy efficiency existing ship index，EEXI)概念，針對(duì)現(xiàn)存大量不適用于EEDI的船舶排放，以實(shí)現(xiàn)2030年的短期減排目標(biāo)。

圖2 IMO與我國船舶能效政策演變Fig.2 Evolution of IMO and China′s ship energy efficiency policies

2.2 市場(chǎng)需求分析

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，船舶燃油費(fèi)用占到了總運(yùn)營成本的50%，燃油支出是航運(yùn)企業(yè)最大的運(yùn)營成本。此外，我國船舶動(dòng)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(yùn)輸部要求，2020年?duì)I運(yùn)船舶單位運(yùn)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(yùn)管理，提升船舶營運(yùn)能效水平，降低燃油消耗，既有利于航運(yùn)企業(yè)實(shí)現(xiàn)降本增效，也有利于履行國際減排法規(guī)要求。實(shí)施船舶能效管理有利于提升航運(yùn)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，在航運(yùn)企業(yè)中具有很高的需求。

2.3 技術(shù)驅(qū)動(dòng)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(dòng)著船舶能效管理技術(shù)的實(shí)船應(yīng)用。隨著自動(dòng)化和智能化程度的不斷加深，船舶能效管理計(jì)劃將會(huì)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(dòng)計(jì)劃(2019-2021年)》，把實(shí)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(jì)、建造以及運(yùn)營的重要研究?jī)?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(jí)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(yùn)行數(shù)據(jù)(航行距離、燃料消耗等)。網(wǎng)頁端則用于計(jì)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(yùn)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(duì)船舶的能源信息進(jìn)行收集和分析，對(duì)船上能源流動(dòng)的分析和效率評(píng)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(jì)和運(yùn)營提供數(shù)據(jù)主導(dǎo)解決方案。旗下NAPA Logbook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；NAPA Fleet Intelligence將航行監(jiān)控、報(bào)告、分析和優(yōu)化等功能整合到一個(gè)基于Web的平臺(tái)，NAPA Logbook的數(shù)據(jù)也可以導(dǎo)入其中。其數(shù)據(jù)庫中分析了55 000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(bào)告和自動(dòng)化信號(hào)等?？梢詫⒏鞣N數(shù)據(jù)源與高度精確的船舶性能模型相結(jié)合，為改進(jìn)船舶性能提供建議；NAPA Voyage Optimization作為NAPA Fleet Intelligence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(duì)效率、航行效率以及單船效率3個(gè)方面提出了能效優(yōu)化的解決方法，并開發(fā)了相對(duì)應(yīng)的優(yōu)化服務(wù)及應(yīng)用軟件。

3.1.3 英國

Rolls-Royce的Energy Management system同樣具有2個(gè)界面Onboard interface和Onshore interface。在On-board Interface的顯示幫助下，船員能更好地了解船舶性能，例如在船隊(duì)運(yùn)營期間，船舶操作員可以查看與歷史數(shù)據(jù)基線相比的燃料消耗水平，操作員可以立即評(píng)估并查看消耗量是否高于所需的消耗量，來確定運(yùn)行的發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量，調(diào)整船舶的燃料消耗。在On-shore Interface上能夠比較船隊(duì)實(shí)時(shí)和歷史性能指標(biāo)，執(zhí)行基準(zhǔn)分析，也可以比對(duì)和其他船舶的能效水平。在Golden Energy Offshore兩臺(tái)應(yīng)用了EM系統(tǒng)的UT 776 CD PSV試驗(yàn)期間，其燃料節(jié)省高達(dá)15%。

3.1.4 美國

Kyma Ship Performance(KSP)是由美國Kyma提出的用于整船性能監(jiān)控的軟件系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性能信息、燃油消耗報(bào)告、航速滑失和性能分析、海試報(bào)告、日常報(bào)告和航行報(bào)告、EEOI計(jì)算、吃水優(yōu)化、歷史數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)分析等功能，可以自動(dòng)將數(shù)據(jù)、趨勢(shì)和報(bào)告導(dǎo)出到Kyma Online/onshore。除了上述功能之外，KSP還能提供船舶整體診斷、縱傾優(yōu)化等功能模塊供客戶選擇。

3.1.5 瑞士

瑞士ABB公司的 Energy Management Marine Advisory(EMMA)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)實(shí)際船舶能源和燃油消耗的顯示與分析，對(duì)船舶電站運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化、動(dòng)態(tài)縱傾優(yōu)化、提供指導(dǎo)航速。值得一提的是，EMMA還能夠顯示船舶推進(jìn)器功率的實(shí)際情況以及各類損失占比。

3.2 國內(nèi)能效管理技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)CCS、南通中遠(yuǎn)川崎公司、武漢理工大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)和中船重工711研究所等單位開展了船舶能效管理技術(shù)及系統(tǒng)的研究工作。

CCS推出了船舶能效采集監(jiān)測(cè)軟件、在線智能管理系統(tǒng)以及CCS-OTA縱傾優(yōu)化軟件。其中，船舶能效采集監(jiān)測(cè)軟件可采集船舶單航次(航段)航程內(nèi)燃油變動(dòng)記錄、航行里程、抵離港時(shí)間和名稱、載貨量等相關(guān)能效數(shù)據(jù)?；诒O(jiān)測(cè)結(jié)果，還能夠統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)、生成滿足不同法規(guī)要求的船舶能效數(shù)據(jù)采集報(bào)告。船舶能效在線智能管理系統(tǒng)包含船端版和岸基版軟件，具備一定智能能效管理功能，目前已在100多艘船舶安裝使用。縱傾優(yōu)化軟件需在界面輸入船舶航速、吃水等參數(shù)，就能對(duì)航行最佳縱傾提出操作建議[6]。

南通中遠(yuǎn)川崎公司開發(fā)的智能船舶能效系統(tǒng)(SEMOS系統(tǒng))，其目的是簡(jiǎn)化船舶操作并降低船舶運(yùn)營成本，該系統(tǒng)具備遠(yuǎn)程監(jiān)控、燃油管理、性能分析、故障診斷、縱傾優(yōu)化、航速優(yōu)化等功能。該系統(tǒng)目前已經(jīng)在13360TEU“中遠(yuǎn)荷蘭”輪上實(shí)船驗(yàn)證，為該集裝箱船的節(jié)約燃油和操作維護(hù)提供支持[7]。

武漢理工大學(xué)針對(duì)多艘內(nèi)河船舶研發(fā)了能效管理系統(tǒng)，通過實(shí)時(shí)采集水深、水流速度、風(fēng)速風(fēng)向等通航環(huán)境數(shù)據(jù)，以及船舶航速、航向、經(jīng)緯度等航行姿態(tài)數(shù)據(jù)，還有能耗數(shù)據(jù)(主機(jī)油耗、功率、扭矩、轉(zhuǎn)速)等，根據(jù)船舶能效和通航環(huán)境之間的動(dòng)態(tài)響應(yīng)關(guān)系模型，可以在不同通航環(huán)境條件下優(yōu)化船舶航速提升能效；研制的能效管理系統(tǒng)已成功在內(nèi)河豪華游船、散貨船、柴油-LNG雙燃料船舶上進(jìn)行了應(yīng)用。

哈爾濱工程大學(xué)開發(fā)了船舶綜合能效智能管理系統(tǒng)(IMSMEE)，具有能效參數(shù)在線監(jiān)測(cè)、耗能分布分析、耗能設(shè)備能效評(píng)估以及縱傾、航速、航線優(yōu)化等智能管理功能，已經(jīng)形成了較完備的能效管理產(chǎn)品，2019年在大連制造廠的2艘VLCC船上完成示范應(yīng)用。中船重工711研究所基于搭建的大數(shù)據(jù)中心平臺(tái)，開發(fā)了船舶能效管理系統(tǒng)產(chǎn)品，目前在航標(biāo)船、汽渡輪和拖輪上都有應(yīng)用。

4 關(guān)鍵技術(shù)分析

綜合對(duì)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(gè)方面，即船舶能效在線監(jiān)測(cè)、能效評(píng)估、能效優(yōu)化以及能效輔助功能。其中，能效在線監(jiān)測(cè)可采集能效數(shù)據(jù)，服務(wù)于其他3項(xiàng)功能，主要對(duì)船舶能耗、環(huán)境、航行等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)；能效評(píng)估基于在線監(jiān)測(cè)采集的數(shù)據(jù)，運(yùn)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(yùn)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(bào)表。可以看出，船舶在線能效監(jiān)測(cè)、智能能效評(píng)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)。圖3是船舶能效管理關(guān)鍵技術(shù)架構(gòu)圖。

4.1 船舶能效在線監(jiān)測(cè)

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(duì)船上主要耗能設(shè)備、船舶航行狀況等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、傳輸、儲(chǔ)存、分析，并對(duì)船舶能效和能耗等相關(guān)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估和報(bào)警[8]。因此，船舶能效在線監(jiān)測(cè)是能效在線智能監(jiān)控的重要內(nèi)容，同時(shí)也是能效智能評(píng)估和優(yōu)化的研究基礎(chǔ)。

能效在線監(jiān)測(cè)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(bào)表中獲取[9]，如船舶尺寸信息、船舶航行起點(diǎn)、終點(diǎn)、預(yù)計(jì)到達(dá)時(shí)間等；2)借由布設(shè)的傳感器采集的數(shù)字信息(動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù))，主要對(duì)象為主要耗能設(shè)備參數(shù)與船舶航行狀況參數(shù)，如圖4所示。

對(duì)于不同動(dòng)力類型船舶，其主要耗能設(shè)備不同。對(duì)于傳統(tǒng)船舶，主機(jī)、發(fā)電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速與軸功率，氣體機(jī)則需對(duì)LNG濃度進(jìn)行安全監(jiān)控，以保障船舶運(yùn)行安全。對(duì)于混動(dòng)、純電等新能源船舶，還需要對(duì)蓄電池、超級(jí)電容等儲(chǔ)能裝置進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)[10]。船舶航行狀態(tài)參數(shù)包括船舶對(duì)水航速、對(duì)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(jì)程儀、GPS、吃水測(cè)量設(shè)備、陀螺儀、測(cè)深儀、風(fēng)速風(fēng)向儀等。

圖3 船舶智能能效管理關(guān)鍵技術(shù)架構(gòu)Fig.3 Key technology architecture diagram of ship intelligent energy efficiency management

圖4 船舶能效在線監(jiān)測(cè)信息來源Fig.4 Schematic diagram of information sources for online monitoring of ship energy efficiency

4.2 船舶智能能效評(píng)估

智能能效評(píng)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(yùn)營，挖掘船舶節(jié)能潛力，同時(shí)也為管理者提供更優(yōu)的能效管理方案建議。借助能效評(píng)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(yàn)。

針對(duì)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(jī)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(jìn)行能效評(píng)估。評(píng)估的內(nèi)容包括：基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，通過計(jì)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(píng)估船舶能效水平與狀態(tài)；根據(jù)采集的油耗及功率，實(shí)時(shí)評(píng)估推進(jìn)系統(tǒng)能效，為能效管理提供輔助決策[13]；根據(jù)船舶主機(jī)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(jī)器學(xué)習(xí)算法自動(dòng)判斷船舶航行工況；根據(jù)船舶能耗實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，分析得出船舶動(dòng)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(yùn)行參數(shù)之間的關(guān)系[14-15]。

4.3 船舶能效優(yōu)化控制

航速優(yōu)化、航線優(yōu)化和縱傾優(yōu)化是常見的3種能效優(yōu)化手段[16]?！吨悄艽耙?guī)范》中航速優(yōu)化和縱傾優(yōu)化分別設(shè)立了智能能效管理補(bǔ)充功能標(biāo)志，航線優(yōu)化對(duì)于海運(yùn)船舶有較好的節(jié)能效果[17]。

1)航速優(yōu)化技術(shù)。船舶的航速與油耗之間呈三次方關(guān)系[18]。降速航行是單船提升能效水平，降低船舶排放的有效措施。但是航速降低的范圍是有限的，速度過低可能會(huì)導(dǎo)致超時(shí)抵港，航行時(shí)間變長(zhǎng)也會(huì)增加設(shè)備磨損以及船員生活成本[19]。此外，港口狀況、油價(jià)與物價(jià)、船速要求和限制、租船合同等其他因素也需要考慮。因此，存在一最優(yōu)航速，能使船舶在規(guī)定時(shí)間到達(dá)目的地，同時(shí)也能保證航行過程中的功耗最低，即技術(shù)經(jīng)濟(jì)航速[20]。目前航速優(yōu)化的2個(gè)主要目標(biāo)為最佳經(jīng)濟(jì)效益和最佳環(huán)境效益。在考慮通航環(huán)境的影響下，實(shí)現(xiàn)EEOI、CO2等能效排放指數(shù)的優(yōu)化，或者通過應(yīng)用智能算法到達(dá)多目標(biāo)優(yōu)化的目的[21-23]。

2)航線優(yōu)化技術(shù)。航線優(yōu)化是指按照某一性能指標(biāo)，如燃油消耗最低、航行路線最短、安全性能最高、航行時(shí)間最優(yōu)等，充分利用電子海圖所傳達(dá)的航行綜合環(huán)境信息以及交通管理控制信息，在智能技術(shù)的支持下，形成一條從起始港到目的港的最優(yōu)航線，主要用于海洋航行的船舶。航線優(yōu)化可視為在多約束下的最佳路徑問題，蟻群算法、多目標(biāo)遺傳算法、模擬退火算法等多種智能算法被用來解決相關(guān)問題[24-26]。

3)縱傾優(yōu)化技術(shù)。船舶吃水、橫傾角、縱傾角是描述船舶浮態(tài)的重要特征參數(shù)。特征參數(shù)的變化會(huì)導(dǎo)致船舶水下體積幾何形狀改變，從而影響船體阻力和船舶操縱性。對(duì)于不同吃水、不同航速都存在一個(gè)最佳的縱傾角度[27]。通過船模水池試驗(yàn)或CFD仿真，得到不同吃水、不同縱傾以及不同航速下的螺旋槳功率曲線，使用多元插值等方法得到縱傾優(yōu)化結(jié)果。在滿足船舶穩(wěn)性、強(qiáng)度、浮態(tài)和實(shí)際航次要求的條件下，通過調(diào)整配載水實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的縱傾結(jié)果。相關(guān)研究通過調(diào)節(jié)船模前后壓載水量以達(dá)到設(shè)定縱傾角，并開展了模型功能試驗(yàn)，驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性[28]。此外，考慮船舶航行過程中的船舶及環(huán)境信息，實(shí)現(xiàn)船舶縱傾動(dòng)態(tài)優(yōu)化是進(jìn)一步的研究方向[29]?？v傾優(yōu)化軟件經(jīng)濟(jì)效益較好，無需船舶改造與設(shè)備更新，能夠達(dá)到1%～8%的節(jié)油量，單船使用的成本回收期為1～12個(gè)月[30]。

5 結(jié)論

當(dāng)前國內(nèi)外船舶能效管理方面的研究大多建立在對(duì)能耗、功率等監(jiān)測(cè)或午報(bào)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，然后逐步發(fā)展了能效評(píng)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(jī)構(gòu)在能效監(jiān)測(cè)傳感器以及智能分析軟件方面技術(shù)水平相對(duì)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(chǎng)。在應(yīng)用場(chǎng)景方面，國內(nèi)外機(jī)構(gòu)在該領(lǐng)域的研究多面向大型海船，針對(duì)雙機(jī)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(dòng)態(tài)、在線、自主化為特征的智能評(píng)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(dòng)，船舶能效管理將進(jìn)一步朝向功能智能化、管理集約化方向發(fā)展：

1)能效管理功能逐漸加強(qiáng)。能效管理從服務(wù)于船舶運(yùn)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(jiǎn)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(cè)、能效評(píng)估、輔助優(yōu)化建議等多種功能集成，智能功能逐步增強(qiáng)[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(duì)，甚至其他公司船舶的能效數(shù)據(jù)，管理者可通過移動(dòng)客戶端APP實(shí)時(shí)查看。專業(yè)化平臺(tái)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(jì)算以及模擬在“即服務(wù)”公司云端高性能計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，對(duì)海量船舶能效數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘與分析，開展單船或船隊(duì)能效評(píng)估與優(yōu)化服務(wù)。