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用于监测和提高船舶能源效率的多源信息系统
摘要
Fan,A;Yan, X.，和Yin, Q.， 2016。用于监测和提高船舶能源效率的多源信息系统。海岸研究杂志，32(5)，1235-1245。椰子溪(佛罗里达)，ISSN 0749-0208。
全球气候变化越来越受到公众的关注。航运业在提高效率和减少排放方面受到密切关注。本文对船舶监控技术及提高效率的方法进行了探讨。首先，对影响船舶能效的内外部因素进行了确定和检验。其次，选择内河船舶作为研究对象，通过选择并安装相应的传感器，构建内河船舶多源信息系统。当船在操作时也进行了一系列的系统测试。现场试验证明，所建立的系统满足航行要求，所有传感器均能正常监测参数。此外，还获得了长江上游、中下游的大量资料。利用这些数据进行灰色关联分析和区域差异分析。分析结果表明，主机转速对船舶燃油消耗的影响最大，长江航行环境对船舶燃油消耗的影响最大。最后，以船舶航次环境影响为例，提出了一种新的船舶航次优化方法。本研究不仅帮助航运公司和船舶管理人员对船舶的运行进行监控，而且为船舶的运行提供了一种高能量效率的策略。
附加指标词:CO2排放，EEOI, MRV，船用发动机，长江，速度优化，航行环境，动态规划。
介绍
二氧化碳(CO2)排放是气候变化的一个主要因素，由于其对全球健康、社区、经济和国家安全的负面影响，气候变化是一个重大的环境威胁。中国、美国、欧盟和印度是最大的二氧化碳排放国，它们总共占全球排放量的58%。2013年，这四个国家燃烧化石燃料产生的二氧化碳排放量分别为9.98亿吨、5.23亿吨、3.48亿吨和24.1亿吨(Queacute;reacute; et al， 2014)。根据2014年国际海事组织(IMO)温室气体(GHG)研究小组的研究结果，2012年全球船舶二氧化碳排放总量约为9.38亿吨，占全球2.6% (Smith et al.，2014)。随着全球变暖和空气污染的加剧，公众的压力越来越大环境保护意识逐步增强。在2015年12月的巴黎气候大会(COP21)上，196个国家制定了第一个具有普遍和法律约束力的全球气候协议。《巴黎协定》确立了通过减少温室气体排放将全球变暖限制在28摄氏度以内的目标(UNFCCC, 2015)。
为在技术和操作层面控制海上温室气体排放，国际海事组织于2011年通过了一套措施，包括船舶能效框架;该公约于2013年1月1日根据《国际防止船舶污染公约》(《防污公约》)附件六生效。《防污公约》附则六的第四章规定，新建船舶的建造必须符合强制性的设计指标——能源效率设计指标(e -e)，该指标为不同船型和大小的船舶设定了最低的能源效率水平。新法规还要求强制执行船舶能效管理计划，其中采用了能效运行指标(EEOI)作为一种方法，随着时间的推移来监控船舶和船队的能效表现(Coraddu, Figari, and Savio, 2014;国际海事组织,2012年)。
除了海事组织就包括二氧化碳排放在内的全球数据收集系统的谈判作出努力外，欧盟还迅速通过了一项于2015年7月1日生效的法规；它建立了一个欧盟范围内的系统，用于监控，报告和验证使用欧盟港口的大型船舶的排放（Athoussaki，2015年）。欧盟认为，引入强大的联盟MRV系统有望减少排放，并为船舶用户提供汇总和透明的数据，这些数据可识别出最省油的船舶，并通过采用新技术和操作措施来提高该部门的竞争力。提高效率并降低运营成本。从2018年1月开始，公司将必须监控并报告其大型船舶在往返于欧盟港口之间的航行中排放的经验证的CO2量。公司还必须提供其他汇总的年度信息，例如确定船舶能源效率的数据。鲁棒，透明，一致和准确的温室气体排放监测与报告对于欧盟排放交易系统的有效运行至关重要，而欧盟排放交易系统是欧盟经济有效地减少温室气体排放的主要机制（Skjaelig;rseth和Wettestad，2009年）。
对于服务中的大量船舶，改善运营可以降低能耗并提高能源效率（Ji等人，2015； Sun等人，2013）； 监控是提出运营优化策略的基础（Chen，Yan和Yin，2014； Mariaetal。，2014）。船速优化是一种有效的方法，在该研究领域和航运业中受到了广泛关注（Aldous和Smith） （2012年；金，金和李，2014年）。 马士基（Maersk）是最大的集装箱船运营商，已使能源效率成为客观目标，并且谨慎地逐步改进了船舶在能源效率方面的航程。
在本研究中，选择了长江船舶作为研究对象，并为此设计并开发了能源效率监控系统。 这种多源信息系统可以收集与船舶能耗和航行环境相关的数据。提出了一种新的船速优化方法作为案例研究。与其他研究相反，首先，通过灰色关联分析探索了环境对船舶燃油消耗的影响,区域差异分析；其次，在船速优化中考虑了环境影响；第三，选择主机转速而不是转速作为决策变量，因为对于内河船，前者比后者更可控制。开发的系统是自我评估船舶能源性能的合适平台。该研究使船员能够确定航行的经济速度和节能航行方法。
方法
选择一艘长江游轮作为目标船，如图1所示。它的航线在重庆和上海之间延伸约2200公里。根据内河航运的能源效率特征，确定需要监测的参数(He et al.， 2015)。通过选择和安装相应的传感器，开发了多源信息系统。
监控系统需求
EEOI是为帮助船东确定营运船舶的排放而开发的，它是基于目标船舶进行分析的。对多源信息系统进行了需求分析。
船舶EEOI
EEOI以每单位运输工作的二氧化碳排放量表示实际运行效率(IMO, 2012)。计算公式可表示
， （1）
其中j为燃料类型，FCj为航次总油耗，CFj为燃料j的含碳量，mcargo为运输货物的质量，D为航次距离
如果考虑到主机的燃料消耗，EEOI模型可以表示为
， （2）
其中Q为主机航行过程中消耗的总燃料(kg);t为航次时间(h);Vgroud是船对地面的速度[(kn), 1 kn=1.852 km / h],在Vground=Vs plusmn;Vw (具体关系依赖于船舶航行方向);q1和q2分别为右主发动机和左主发动机单位时间内的瞬时油耗(kg/h)。利用式(2)中的微分，可得
， （3）
需求分析
. 在等式(3)中，相对于所选的巡航舰，CF/mcargo几乎保持不变。瞬时油耗用q =PBge表示，其中，PB是主机提供的功率，ge是特定的油耗。在等式(3)中，相对于所选的巡航舰，CF/mcargo几乎保持不变。瞬时油耗用q= PBge表示，其中，PB是主机提供的功率，ge是特定的油耗。根据船体工程螺旋桨的匹配理论，在电源侧，功率是轴转速n的立方函数。在吸收侧，功率是功率，其中功率是螺旋桨产生的有效功率，g是推进系统效率，R是船舶的总阻力。瞬时燃油消耗量与船舶阻力、螺旋桨效率以及原动机效率有关(Fan、Yan、Yin，2015)。根据船舶阻力理论(Lars和Hoyte，2010)，船舶总阻力R主要由静水阻力R0(包括摩擦阻力Rf、粘性压力阻力Re和波浪阻力Rw)和附加阻力△R(仅考虑风阻力△RA和浅水阻力增量)组成。R可以用方程(4)计算:螺旋桨，在电源侧，PB是轴转速N的立方函数。在吸收侧，PB =PE/eta; = RVS/eta;，其中PE是螺旋桨产生的有效功率，eta;是推进系统效率，R是船舶的总阻力。瞬时燃油消耗量与船舶阻力、螺旋桨效率以及原动机效率有关(Fan、Yan、Yin，2015)。根据船舶阻力理论(Lars和Hoyte，2010)，船舶总阻力R主要由静水阻力R0(包括摩擦阻力Rf、粘性压力阻力Re和波浪阻力Rw)和附加阻力△R(仅考虑风阻力△RA和浅水阻力△Rs)组成。R可以使用等式（4）计算。
R=R0 △R=Rf Re Rw △RA △Rs （4）
根据雷诺弗劳德斯相似性准则，Rf=0.5Cfrho;Vs2S，Re=0.5Cerho;Vs2S和Rw=0.5Cwrho;Vs2 S，其中Cf和Ce是粘性阻力系数，是雷诺数Rn的函数； Cw是波阻系数，它是Froude数Fn的函数； q是水的密度； S是等高线以下的区域。
抗风阻力△RA=0.5Cxrho;AVA2AT，其中Cx为风力系数，rho;A为空气密度，VA为相对风速，AT为水线以上的横向投影面积（Lars和Hoyte，2010）。 浅水△Rs的阻力增量与Fnh=VS/有显着关系，也称为深度弗洛德数，其中他的水路深度。根据在第二十三届国际拖船大会上发布的信息（ITTC，2002年），不受浅水影响的最小航道深度可通过
（5）
其中B是船宽，d是船吃水。
影响船舶能源效率的三个主要因素：（1）静态信息：船体参数（请参阅表1），燃料的碳含量，运输货物的质量（一次航行中的碳含量和质量几乎保持不变）选定的游轮）；（2）动态运行信息：主机燃油消耗，轴功率，转速，船速（包括船在水上的速度和船在地上的速度）（3）动态环境信息：水速，风速和水道深度。
在这项研究中，船舶的实时监控主要集中在动态信息上，即（q，P，N，VS，Vground，Vwater，VA，H）。
监控系统的实现
在需求分析的基础上，通过适当选择和安装车载传感器来实现多源信息系统；还执行了系统测试。
传感器的选择与安装
所有传感器均根据完整性，准确性，透明性和成本效益原则确定（Marcelli等，2014）。
油监控器。 该系统的核心部分是使用油监控器来测量该船的燃油消耗。在本研究中，选择了电子椭圆齿轮式位移流量计，如图2所示。该流量计的规格列于表2。
游轮有两个主要引擎。因此，如图2（c）所示，在维修箱和主机之间安装了两个油监控器。出于安全原因，在进气管中连接了一个旁通管和一个滤油器。
当燃油流过流量计时，燃油消耗信息将转换为脉冲信号。 然后，计数部分对脉冲数进行计数，并将其乘以计数系数。以这种方式，可以测量燃料消耗数据（总值和瞬时值）。这些数据可以本地显示在LED上，并通过数据电缆作为工业个人计算机（IPC）的输出，该计算机是系统的数据采集终端。树脂组成流量计的内部齿轮电动机；这种轻质材料对流动，即使在低压环境下也很敏感。此功能使树脂成为内陆船舶燃料监控中的适用材料。
轴功率计。轴功率计是几台设备的集成，包括应变仪，无线扭矩传感器节点和无线网关，如图3所示。应变仪固定在尾轴和无线传感器的抛光表面上扭矩传感器节点，并将电池固定到轴上。发动机启动后，设备将随轴一起旋转。因此，采用无线传输技术代替有线通信技术。
常规测量过程如下。当轴旋转时，可以根据应变计的桥式电路输出的电压获得微应变值e。可以根据M=Knε获得轴转矩M（Nm），其中可以根据内外径计算转换系数Kn 轴的弹性模量和泊松比。轴转速N（r / min）可以通过转速传感器测量，转速传感器也称为嵌入在扭矩传感器节点中的霍尔效应传感器。然后，通过P=MN/
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