船舶智能能效管理系统设计探讨

船舶智能能效管理系统设计探讨

朱辰 柳威强

江南造船（集团）有限责任公司 上海市崇明区 201913

摘要：随着全电力船舶的发展，对船舶能效的产生、管理、分配也愈发困难，而对于船东而言，能效管理的工作贯穿经营、机务、海务、技术保障和环保等多个业务口径，较难整理出完整的功能需求。因此，为提高智能船舶营运过程中的能效水平，实现系统化的船舶能效管理，降低船舶能耗，提高能源利用效率。本文对船舶智能能效管理系统设计进行简要探讨。

关键词：船舶；智能能效；系统设计

1 国内智能船舶发展现状

自2015年末，中船集团发布了我国最早的智能船型设计，型号为38800ti DOLPHIN，其建造时间从次年9月开始到2017年交付，历时较长，在这期间，包含中国船舶工业系统工程研究院及中船、上海船舶研究院等相关单位都参与到其建设中来。目前，该型号智能船的相关规格书、技术书等均已完成，并进行了部分板块的试装与试运行，这为智能船舶技术的发展奠定了坚实的基础，具有重大意义，自此，国内无人驾驶船舶技术进入了快速发展期，智能船舶发展线路图也由此变得更加清晰。其中，中国船级社、IMO 的“E-航海”项目等发展线路图最具代表性。不同机构在制定智能船舶发展图时因考虑的因素不同，最后呈现的结果也存在差异，但它们还是具有很多共同点。可以明确的是，全自主化无人驾驶船舶是所有智能船舶发展的最终目标，所有智能船舶的发展都是围绕这一目标。另外，智能船舶的发展需要遵照循序渐进的原则，对其设计及建造要按照规范和计划，一步一个脚印地进行，这种分阶段发展的方式也取得了不同船舶发展线路图的一致认可。从世界角度来看，全世界的智能船舶目前已经完成了第一阶段的发展，正在向第二阶段过度，而结合我国实际，我国的智能船舶处于第一阶段与第二阶段合并发展的时期，具体来说，我国智能船舶的发展分 3 个时间点：2020 年、2025 年及 2035 年，并在这 3 个时间点分别实现数据综合应用的第一代智能船、部分自主与远程控制结合的第二代智能船、全自主化的第三代智能船。

2 能效管理系统功能框架

从降低船舶营运能效指数的角度考虑，船舶智能能效管理系统应包括数据采集、设备能耗监测、推进系统监测、船舶综合航行监测、能耗分析与优化及岸基管理等功能，如图1 所示。

图1 船舶智能能效管理系统功能框架

2.1数据采集

该功能是能效管理系统的基础，通过燃油计量装置、轴功率仪、GPS、风速仪、测深仪、倾斜仪等各种传感器将船舶营运过程中的能效数据进行采集并汇总，经通讯系统传输到船舶工作站以及岸端数据服务器。

2.2设备能耗监测

根据管理计划分析，对降低EEOI 直观重要的全船主要耗能设备的运行状态进行监测，对其进行能耗分类，并对关键能耗设备如主机、发电机、锅炉的关键参数如功率、转速等进行监控。基于状态评估算法开展数据分析优化，进行系统的节能潜力评估与实际节能效率计算。

2.3推进系统监测

对与航行效率相关的主机、轴系、桨等推进系统设备的物理指标与运行情况进行监测报警，保证船上推进系统的正常运行。

2.4综合航行监测

对 GPS、计程仪和风速风向仪系统等航行状态和航行环境参数进行监测记录，保障船舶的安全稳定运行，并为航行时的紧急状况提供处理依据。

2.5能耗分析与优化

将全船设备能耗参数进行汇总计算，提供对比图表、历史数据查询等功能。通过对存储数据的分析，确定船舶营运过程最佳能效管理方案，提高船舶整体效能，并结合航行特点、燃料消耗、经济效益等评估结果，提供基于不同目标的优化方案。

2.6岸基管理

进行船岸数据实时传输，船队层级数据的存储、分析与实时监测，建立岸端数据库，实现岸端对所有在航船舶进行统一远程监控，并对船端进行能耗优化提供辅助决策与远程技术支持。

3 能效管理系统设计及开发能效管理系统的设计

3.1 硬件设计

在硬件架构设计上，由于船上拥有大量现代化电力设备与先进的控制技术，船舶电站对于网络数据传输的稳定性、时效性与安全性提出了更多的要求，为了保证不同工况下网络的整体性能，系统采用船舶总线控制网与工业以太网混合异构型网络为基础的开放式船舶物联网体系架构。其中船舶总线控制网用于对安全性与时效性要求较高但对信息量要求不大的现场设备层网络，并提供防尘、防爆等安全特性，工业以太网用于对安全性与实时性要求较高但是对信息量需求不大的上层信息管理网络，此种架构可以方便地进行通信网络中的模块增减改动，如图2所示。

图2 船舶智能能效管理系统架构

3.2 软件设计

在软件方案设计上，选用 B/S 架构对船舶智能能效管理系统进行设计。Browser 端需要提供友好的用户访问交流界面，且接口响应时间不超过 5s，页面刷新时间不超过 3 min，Server 端需要提供所有大型计算处理服务，各功能模块（优化模块除外）响应时间不超过 30 s。系统采用 3 层松散耦合的结构设计，数据层通过外部环境接口运用数据采集处理组件与实时通讯组件从现场设备采集数据并存储到数据库，或向现场设备发送指令，与应用层和服务层交互。服务层可以从数据库读取现场设备实时工况数据，调用不同的管理组件进行分析计算以供应用层调用。应用层根据各功能模块的需求，调用服务层组件，显示不同的程序界面，实现船舶智能能效管理系统软件的功能。

3.3 数据采集与处理

数据采集与处理是船舶智能能效管理系统运行基础，针对不同数据来源，提供 2 种通讯方式进行数据实时获取。对于提供数据库接口的数据采集终端系统，通过开放数据库互联（ODBC）进行数据通信；对于不提供数据库接口的数据采集终端系统，通过TCP 或 UDP 协议与数据采集终端系统进行数据通信。实时数据每隔 1s 采集 1 次，并导入至船端数据库中，并通过计算转化为 10 分钟表、1 小时表、1 天表分别存储在船端数据库中，每小时定时将 1 小时的能效数据打包并发送到岸端数据库中，并针对不同类型的数据进行标识与区分（静态、人工、计算、在线监测），供专业人士进行后续能效优化与辅助决策制定。

3.4 能耗分布与评估方法

参考《船舶能量消耗分布与节能指南》，考虑实船实际参数监测能力，由船舶主机、辅机、锅炉燃油计量装置计算船舶当前工况各能耗设备燃油消耗量，计算得到能量输入基值，根据系统流程与各设备进出口工质热力学参数，计算各主要设备能耗情况，并与能量输入基值对比，得到设备能量效率与能耗分布百分比。

3.5 节能优化建议

船舶智能能效管理系统需提供节能优化建议功能，使船舶以更经济、节能、环保的方式运行管理。主要提供系列节能减排优化措施，如纵倾优化、航速优化等。纵倾优化提供基于纵倾数据库的纵倾优化计算，给出指定载况指定航速下的最优纵倾和推荐吃水，航速优化由系统每日生成航速、燃油、功率相关报表进行计算，将推荐航速邮件发送至船长房间提供参考。

4 结束语

综上所述，本文综合船舶能效管理的需求等多方面分析并设计了船舶智能能效管理系统，实现全船能效的在线监测与控制，保证了数据的实时性、有效性与可靠性，降低船舶营运成本，提高船舶运行效率。同时系统可操作性强，可根据不同船型增减功能模块，定制需求，该船舶智能能效管理系统已经在集团部分散货、集装箱和油轮船上使用，系统还须进一步在实践中优化与完善。

参考文献：

[1]刘江,任席伟.浅析智能航海现状与趋势[J].科技与创新,2019,(024):174-175.

[2]严新平.智能船舶的研究现状与发展趋势[J].交通与港航,2019,(01):423-426.

[3]王娜娜,甄希金.船舶智能制造技术现状及发展趋势[J].船舶工程, 2019,41(09):116-119.