基于航行数据的船舶航行油耗模型建立方法

准确评估船舶的能效表现是研究船舶性能、优化船舶能效的基础。为准确评估船舶航行状态对船舶航行油耗的影响和船舶的能效表现,以某超大型散货船为研究对象,基于船舶智能能效综合管理系统获取大量船舶航行数据,通过数据处理和特征工程找出影响船舶航行油耗的因素,采用人工神经网络建立船舶航行油耗模型。采用该模型预估船舶在一段航程中的总油耗量,验证该模型在评估船舶航行状态对船舶航行油耗的影响方面的有效性。此外,采用该模型对航程和转速进行优化,验证该模型对能效优化的可行性。     

船舶主要动力设备能效模型与仿真分析

根据船、机、桨关系,以船舶动力装置的能量传递为基础,基于Matlab/Simulink仿真平台建立主机能效模型。以某内河旅游船舶为研究对象,根据船体与主机参数,利用回归多项式法得到螺旋桨敞水特性曲线。在船舶上安装油耗仪等传感器,采集了主机瞬时油耗、船舶对地航速、对水航速等数据,并计算了主机的实际能效。针对实船采集的数据,分析了航道水流速度的分布特征。基于仿真模型,计算了船舶在不同航道水流速度与对水航速下的主机能效,比较分析了实测数据与仿真结果,并对模型进行了验证。本文研究对于提升船舶的营运能效指数具有实际指导意义。     

基于BP神经网络的船舶主机能效状态评估

[目的]在船舶航行期间,需要通过分析船舶和主机的运行参数来客观判断主机当前的工作情况,从而准确评估主机的能效状态。[方法]以状态良好的船舶运行记录为样本,结合主成分分析法和BP神经网络算法,构建船舶的航行状态识别模型和主机油耗模型,并在船舶航行期间对船舶实时运行参数进行分析,得出船舶主机在当前工况下的油耗量正常值。以某30万吨级远洋散货船为例开展模型计算验证,将正常油耗值与实际油耗值进行对比,以二者的残差值为依据,进而评估当前的主机能效状态。[结果]计算结果显示,航行状态识别模型的正确率为98.05%,油耗模型的平均误差为3.47%,2种模型的可靠性均较高。[结论]研究成果可为智能船舶的能效管理提供一定的参考。     

基于人工蜂群算法的船舶航速优化

航速优化是船舶智能能效管理的主要组成部分,对降低船舶营运成本、减少温室气体排放具有重要意义。为减少船舶航行时的主机燃油消耗,根据实船数据首先构建了主机油耗模型,模型的平均误差仅为0.813%,然后对整个航程进行分段,基于人工蜂群算法对整个航程的航速进行优化。经过验证可得结论：优化后的航速对应的整个航程航行时间减少了14.44%,油耗量降低了3.012%。研究结果表明,使用人工蜂群算法对航速进行优化,能够对航速提出建议,达到提高船舶能效水平,提高经济性、环保性的目标。     

基于数据驱动的船舶油耗预测模型研究

以某客滚船为研究对象,将大量航行实际数据进行预处理,通过斯皮尔曼等级相关分析选择出船舶左右桨螺距、左右舷舵角、纵倾、船首风速、船舶对水和对地航速为油耗主要影响参数。建立基于LSTM神经网络的黑箱模型对数据进行学习并预测油耗,额外选取测试样本验证模型精度,优化模型内部结构以进一步提高预测精度。将最终得到的预测数据与实测数据对比,证明模型具有良好的准确性。该研究方法能为船舶运营人员优化运营方案提供参考,能够提高水路交通运输的经济性。     

基于吃水差优化的船舶能效仿真研究

随着海上运输的快速发展,其带来的环境污染和能源的消耗也日益加剧,所以要节能减排、提高船舶营运能效水平。通过调整船舶吃水差,改变船舶的浮态,从而降低船舶航行的阻力,改善船舶的航行性能,提高船舶的能效营运水平。本文以上海海事大学的教学实习船——-育明轮为研究对象,通过仿真与试验结合,并结合项目组研发的船舶能效监控系统实测出育明轮在不同吃水差下的主机每海里油耗,得出当育明轮在满载即吃水为11米、航速12knots时航行,吃水差为-1.4米、-0.37米、-0.2米、0米、0.5米和1米六种浮态中,吃水差为-0.2米时的两相流(空气、水)中的阻力和船舶主机每海里油耗量最小,能效营运水平最高。     

某2400 TEU集装箱姊妹船能效分析

为了更好地对船舶营运性能进行管理和评估,研究了2艘2400 TEU集装箱船,并对其船速、主机功率和主机转速等参数以及船舶油耗进行分析对比,运用数据可视化和机器学习等大数据分析方法,实现对船舶能效数据的可视化,通过对比分析得出影响船舶转速与功率的主要因素.     

近海石油平台支援船主机油耗优化模型的建立

针对近海石油平台支援船进行研究,建立了近海石油平台支援船关于风、浪、潮汐的船舶数学运动模型并计算了目标船裸船体阻力和附体阻力;根据主机功率的传递过程以及船舶有效功率的估算方法,建立船舶主机油耗优化模型;之后运用基于遗传算法的多目标优化方法对主机油耗优化模型进行计算与验证,结果表明优化后的主机油耗模型具有良好的节能效果。     

基于航行数据的船舶油耗优化

以一条丹麦籍客滚轮的实测数据为基础,通过人工神经网络建立案例船的油耗黑箱模型。基于该油耗模型,进一步采用动态规划算法获得规定航线上的最佳航行策略,有效提高案例船的EEOI能效指数,达到减排节能的目标。该项研究所建立的油耗优化系统框架完全以实测航行数据为基础,可以直接应用于不同船只,具有较普遍的适用性,对于SEEMP能效管理计划的实施具有重要意义。     

“双碳”背景下的船舶主机能效数据分析

在“双碳”背景下,为探究船舶航行中各因素对船舶主机能效的影响,文章利用SPSS软件对主机能效、航行环境、航行姿态等初始数据进行清理分析。采用主成分分析法,根据总变量主成分解释和碎石图提取3个主成分反映原变量信息。再通过系统聚类利用离差平方和（Ward）法对目标船能效数据进行聚类,得到各参数的聚类数,用K均值（K-means）聚类法进行聚类得到船舶航行中各参数的聚类中心,对轴功率、转速及油耗进行Epanechnikov拟合,得到相互关系曲线。该方法对船舶主机能效数据挖掘具有普遍适用性,可为智能能效管理和评估提供辅助决策。     

Voyage-based statistical fuel consumption models of ocean-going container ships in Korea

ABSTRACT

Accurately estimating fuel consumption of ships is crucial for shipping companies, port authorities, and environmental protection agencies. The bottom-up approach is becoming increasingly popular because it can estimate ship fuel consumption by accounting for ship activity conditions, such as changes in voyage speed, time, and distance; however, its use is still limited when estimating ship fuel consumption. Ship-specific information, such as the daily fuel consumption rate for main and auxiliary engines for every vessel, is expensive to gather, and generally not collected from private shipping companies. To address this research gap, we develop simplified and composite ship fuel consumption models for ocean-going container ships by size using a regression model. To estimate the fuel consumption models for container ships, we rely on ship activity data, including average speed and sailing time, distance, and actual fuel consumption for main and auxiliary engines. This information is obtained from a major container shipping company in Korea. We estimate and validate the parameters associated with fuel consumption for five different container ship sizes, all of which are smaller than the Post-Panamax container ship (15,000 TEU and above).     

基于纵倾调整的集装箱船实海域航行阻力减少的研究

为应对"能效运营指标(EEOI)自愿应用导则",提出了在航行中采用调节纵倾的方法,降低营运能耗。选取了3100TEU集装箱船作为研究对象,应用Rankine源自由面势流理论计算不同纵倾下船舶兴波阻力系数以及总阻力系数,应用三维面元法计算了规则波中的波浪增阻,并针对实海域进行了増阻预报。研究表明,一定的艉倾能减小兴波阻力和总阻力。通过实海域増阻预报,服务航速下采用艉倾0.4°的纵倾航行会使波浪増阻增加4.21%,但总阻力仍能减少3.38%,较有效地降低了EEOI值。     

船舶气象导航最省燃料航线研究

船舶气象导航是保证船舶航行安全和节能的重要手段。本文应用最佳控制理论研究和建立船舶最省燃料航线数学模型。在分析比较船舶最短时间航线和最省燃料航线数学模型的基础上，讨论了最省燃料航线算法实现。并针对冬季北太平洋进行了最省燃料航线模拟试验。     

客滚船EEDI研究

能效设计指数(EEDI)对客滚船的要求于2014年4月的第66次环保会上给出。与常规船不同,客滚船属于定制型船舶,影响EEDI结果的参数众多,而且参数之间相互影响、制约。文章首先对计算公式做了详细分析,之后针对几型具有代表性的客滚船的载重量、航速、吃水、主机功率,分析其变化对EEDI的影响敏感度,得出国内航行及中韩航线客滚船当前的EEDI水平,并对如何有效地提高EEDI给出了合理的建议。此外,还对EEDI于客滚船的意义及当前规范存在的某些不合理之处给予了适当评价。     

The effects of slow steaming on the environmental performance in liner shipping

The environment issue is one of the significant challenges that the liner shipping industry has to face. The International Maritime Organization (IMO) has set a goal to reduce greenhouse gas (GHG) emissions from existing vessels by 20–50% by 2050 and develop the Energy Efficiency Operational Indicator (EEOI) as a measure for energy efficiency. To achieve this goal, IMO has suggested three basic approaches: the enlargement of vessel size, the reduction of voyage speed, and the application of new technologies. In recent times, liners have adopted slow steaming and decelerated the voyage speed to 15–18 knots on major routes. This is because slow steaming is helpful in reducing operating costs and GHG emissions. However, it also creates negative effects that influence the operating costs and the amount of GHG emissions at the same time.

This study started with the basic question: Is it true that as voyage speed reduces, the operating costs and CO₂ emissions can be reduced at the same time? If this is true, liners will definitely decelerate their voyage speed themselves as much as possible so that they can increase their profits and improve the level of environmental performance. However, if this is not true, then liners will concentrate just on increasing their profits by not considering environmental factors. This led the authors to set out three objectives: (1) to analyze the relationship between voyage speed and the amount of CO₂ emissions and to estimate the changes by slow steaming in liner shipping; (2) to analyze the relationship between voyage speed and the operating costs on a loop; and (3) to find the optimal voyage speed as a solution to maximize the reduction of CO₂ emissions at the lowest operating cost, thus satisfying the reduction target of IMO.     

Development of a novel forward dynamic programming method for weather routing

This paper presents a novel forward dynamic programming method for weather routing to minimise ship fuel consumption during a voyage. Compared with traditional weather routing methods which only optimise the ship’s heading, while the engine power or propeller rotation speed is set as a constant throughout the voyage, this new method considers both the ship power settings and heading controls. A float state technique is used to reduce the iterations required during optimisation and thus save computation time. This new method could lead to quasi-global optimal routing in comparison with the traditional weather routing methods.     

EEDI给中国造船业带来的挑战

基于国际海事组织（IMO）限制温室气体排放（GHG）条约,阐述了船舶能效设计指数（EEDI）的概念,其计算公式中各项参数的含义及降低EEDI值的途径,重点指出EEDI的出现对我国造船业带来的影响及挑战。船舶采用经济航速是最为有效的节能减排的方式,但对营运商不是最佳选择,故而研发低碳燃油等优化技术成为当下最为重要的任务。船舶能效设计指数的强制实施在短期内对我国造船业造成了一定的冲击,但是长远看会进一步推进我国造船业进行深入的技术改造,从而提高中国船舶企业的综合竞争实力。     

基于能效管理的船舶航速系统优化设计

在目前航运业市场低迷、运力过剩的境况下,航运企业愈发重视对燃油成本的控制,对航速节油也有了更多的要求.为此,提出基于能效管理的船舶航速系统优化设计,计算船舶营运的经济航速.并结合航次的航线、航向、航速及每段航线的天气、水文等信息,对船舶营运航速的模型进行不断优化调整,指导船舶航行,为船舶及船岸操作提供决策支持,以达到优化节能的目的.