郎紹程，徐夢(mèng)婷，徐 建

(1.嘉興南洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 嘉興 314031；2.浙江禾?hào)|船業(yè)科技股份有限公司，浙江 嘉興 314024；3.浙江興禾船舶檢驗(yàn)檢測(cè)有限公司，浙江 嘉興 314024)

在實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的要求下，有效、合理地使用能源，進(jìn)行有效的能耗監(jiān)測(cè)監(jiān)管，降低船舶能耗的需求極為迫切。實(shí)現(xiàn)內(nèi)河船舶的節(jié)能減排目標(biāo)，需要摸清內(nèi)河船舶能源消耗水平及內(nèi)河船舶節(jié)能減排技術(shù)狀況。針對(duì)此問(wèn)題，本文開(kāi)展內(nèi)河船舶能耗監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)研究，并完成了該系統(tǒng)的研發(fā)工作。

1 內(nèi)河船舶能耗監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)

內(nèi)河船舶監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)整體原理示意圖見(jiàn)圖1，其由4大層級(jí)和2套體系組成，形成資源共享體系、制度規(guī)范體系、安全保障體系，可為內(nèi)河船舶能耗管理提供統(tǒng)一、規(guī)范、高效、透明的業(yè)務(wù)管理和決策支持服務(wù)。

該系統(tǒng)包含的4大層級(jí)為：①基礎(chǔ)設(shè)施層，為應(yīng)用系統(tǒng)提供基礎(chǔ)軟硬件環(huán)境及相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)；②數(shù)據(jù)層，為系統(tǒng)的建設(shè)提供數(shù)據(jù)支撐基礎(chǔ)；③應(yīng)用管理層，在數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上，通過(guò)實(shí)施監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、能效管理、碳排控制、決策支持等功能模塊，配套應(yīng)用支撐平臺(tái)和數(shù)據(jù)共享與交換，為政府部門、企業(yè)提供統(tǒng)一的應(yīng)用服務(wù)；④用戶層，本系統(tǒng)通過(guò)應(yīng)用管理層各個(gè)模塊的系統(tǒng)功能，對(duì)內(nèi)河船舶能耗進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，推進(jìn)內(nèi)河航運(yùn)低碳化管理水平，為交通管理政府部門、航運(yùn)企業(yè)及技術(shù)支撐單位提供有效的管控手段。

2套體系為：①信息標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，制定完善內(nèi)容保障、資源共享、運(yùn)維管理、安全保密等制度規(guī)范；②信息安全保障體系，依據(jù)系統(tǒng)的重要性、敏感程度和安全風(fēng)險(xiǎn)等因素，優(yōu)化整合信息安全資源，合理劃分安全域，貫徹執(zhí)行安全管理規(guī)章制度，做好災(zāi)難備份和應(yīng)急響應(yīng)工作。

圖1 內(nèi)河船舶監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)整體原理示意圖

2 內(nèi)河船舶能耗監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于內(nèi)河船舶能耗監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)需求，將企業(yè)基礎(chǔ)信息、能源、溫室氣體排放及運(yùn)維管理等系統(tǒng)所需的全部信息資源納入管控。需建設(shè)包含基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫(kù)、能源數(shù)據(jù)庫(kù)、溫室氣體排放數(shù)據(jù)庫(kù)和綜合信息數(shù)據(jù)[1]的綜合性數(shù)據(jù)庫(kù)。①基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫(kù)，包括企業(yè)名錄、船舶信息、用戶角色信息、地圖信息以及能源等元數(shù)據(jù)；②能源數(shù)據(jù)庫(kù)，使用能源數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)船舶各類能源品種的消耗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一、集中管理；③溫室氣體排放數(shù)據(jù)庫(kù)，溫室氣體排放量需要基于能源消耗數(shù)據(jù)進(jìn)行換算，該數(shù)據(jù)庫(kù)主要針對(duì)排放系數(shù)信息、活動(dòng)水平數(shù)據(jù)和排放量進(jìn)行管理；④綜合信息數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行所需要的其他業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理。

2.2 技術(shù)路線

內(nèi)河船舶能耗監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)采用基于Java2平臺(tái)企業(yè)版技術(shù)體系，并基于瀏覽器/服務(wù)器模式架構(gòu)，使用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)8.0(MySQL 8.0)以上版本數(shù)據(jù)庫(kù)。采用Java服務(wù)器頁(yè)面(JSP)、服務(wù)連接器編程技術(shù)，將復(fù)雜的業(yè)務(wù)邏輯、流程控制邏輯和數(shù)據(jù)存取邏輯有效整合，實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)邏輯的快速部署和靈活調(diào)整，充分保證數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的安全可靠訪問(wèn)。系統(tǒng)采用中間件技術(shù)和工作流技術(shù)，支持基于構(gòu)件的開(kāi)發(fā)模式，體現(xiàn)了“服務(wù)器端控件”的思想[2]。

2.3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

1)實(shí)施監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)。在船舶終端安裝和擴(kuò)展控制區(qū)域網(wǎng)數(shù)據(jù)采集模塊，實(shí)施采集船舶動(dòng)態(tài)油耗和實(shí)時(shí)工況，并復(fù)合利用通用無(wú)線分組業(yè)務(wù)通信信道，將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)中心進(jìn)行存儲(chǔ)和分析[3]。

(1)監(jiān)測(cè)內(nèi)容。重點(diǎn)水路企業(yè)單船的運(yùn)輸及能耗相關(guān)數(shù)據(jù)，包括船型、建成年月、凈載重量、功率、貨運(yùn)量、貨物周轉(zhuǎn)量、能耗能。

(2)監(jiān)測(cè)指標(biāo)。船舶軌跡、行程數(shù)據(jù)、船舶狀況、安防數(shù)據(jù)、駕駛行為數(shù)據(jù)、碳排放數(shù)據(jù)等[4]。

2)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)子系統(tǒng)。船廠和船舶公司等相關(guān)企業(yè)可根據(jù)報(bào)表目錄進(jìn)行企業(yè)能耗的網(wǎng)上填報(bào)、邏輯審核、保存提交、數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出操作，實(shí)現(xiàn)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)的本地傳輸以及船岸數(shù)據(jù)的交互等功能。

(1)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。內(nèi)河船舶能耗監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，包括船舶交通運(yùn)輸行業(yè)的抽樣、船舶行業(yè)相關(guān)企業(yè)能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、車載自動(dòng)診斷系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析和能耗碳排放的測(cè)算等功能，所需要掌握的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包含能耗碳排放數(shù)據(jù)、地學(xué)信息系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)、宏觀交通數(shù)據(jù)和其他數(shù)據(jù)。

(2)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)獲取。建立長(zhǎng)久的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)監(jiān)測(cè)制度，定期從管理部門與交通流數(shù)據(jù)歸口管理部門獲取水運(yùn)交通與能耗碳排放數(shù)據(jù)，為嘉興水運(yùn)交通運(yùn)輸能耗與碳排放統(tǒng)計(jì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建提供可靠的數(shù)據(jù)保障。

3)能耗與碳排放分析。基于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和模型進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)能耗、歷史數(shù)據(jù)、能耗預(yù)測(cè)、能耗與碳排放評(píng)價(jià)等分析。①能耗分析。以不同類型的船舶、燃料、航線、時(shí)段等為條件，統(tǒng)計(jì)分析船舶的能耗數(shù)據(jù)，并以圖表等形式展示分析結(jié)果。其中，船舶類型包括游艇、內(nèi)河散貨船等種類；燃料類型包括汽油、柴油、天然氣、電力等[5]；航線根據(jù)船舶所屬的線路來(lái)劃分。②歷史數(shù)據(jù)分析。根據(jù)設(shè)定條件，查詢并顯示運(yùn)輸方式或企業(yè)歷史能耗及排放的分類數(shù)據(jù)和總體數(shù)據(jù)。③能耗預(yù)測(cè)。依據(jù)設(shè)定的算法，顯示運(yùn)輸方式或企業(yè)的能耗預(yù)測(cè)結(jié)果。④能耗與碳排放評(píng)價(jià)。依據(jù)能耗強(qiáng)度指標(biāo)，對(duì)船舶運(yùn)輸企業(yè)、運(yùn)輸方式、能耗數(shù)據(jù)、節(jié)能數(shù)據(jù)和排放數(shù)據(jù)進(jìn)行考核評(píng)價(jià)。

4)決策支持?；谙到y(tǒng)獲取的水運(yùn)交通能耗碳排放監(jiān)測(cè)結(jié)果，有效核算內(nèi)河船舶能耗與碳排放，預(yù)測(cè)企業(yè)碳排放峰值，為綠色低碳交通建設(shè)提供基礎(chǔ)信息，助力交通運(yùn)輸部門出臺(tái)節(jié)能減排規(guī)劃、政策和標(biāo)準(zhǔn)。

3 某船舶企業(yè)能耗分析案例

選取某內(nèi)河航運(yùn)企業(yè)，開(kāi)展內(nèi)河船舶能耗監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的試運(yùn)行。并通過(guò)數(shù)據(jù)采集結(jié)果，分析船舶設(shè)備及企業(yè)管理中存在的問(wèn)題，為找出行之有效的節(jié)能降耗的措施提供技術(shù)支持。

3.1 船舶樣本結(jié)構(gòu)分析

對(duì)某船舶企業(yè)的船舶結(jié)構(gòu)類型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。該船舶企業(yè)共有貨運(yùn)、客運(yùn)和執(zhí)法艇3類船舶，共22艘，其能源類型主要為柴油、液化天然氣(LNG)、純鋰電池及鋰電池+柴油混動(dòng)4類，船舶類型和燃料類型滿足系統(tǒng)的實(shí)用性的驗(yàn)證要求。某船舶企業(yè)船舶樣本及能耗結(jié)構(gòu)見(jiàn)表1。

3.2 船舶能耗結(jié)構(gòu)分析

為該企業(yè)的22艘船安裝車載自動(dòng)診斷系統(tǒng)(OBD)設(shè)備，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。通過(guò)為期2個(gè)月的設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測(cè)，該船舶企業(yè)的貨運(yùn)、客運(yùn)和執(zhí)法艇等22艘船OBD設(shè)備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集、傳輸狀態(tài)正常運(yùn)行。

表1 某船舶企業(yè)船舶樣本及能耗結(jié)構(gòu)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于系統(tǒng)研發(fā)工作，提出了系統(tǒng)架構(gòu)、功能模塊組成以及適用性能等內(nèi)容。通過(guò)大數(shù)據(jù)分析，從源頭上減少用能的損失與計(jì)量誤差，對(duì)能耗進(jìn)行合理的管控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并改正運(yùn)行中存在的能耗異常，隨時(shí)處理[6]。本文的研究成果有效提高了內(nèi)河水上運(yùn)輸領(lǐng)域節(jié)能減排的精細(xì)化管理能力和交通低碳管理水平，對(duì)于后續(xù)開(kāi)展相關(guān)類型船舶智能化能效監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。