智能船舶能效管理：人工智能与船海工程

CCS智能船舶规范中定义的智能能效管理是指能够通过对船舶航行状态、耗能状况的在线监测与数据的自动采集，对船舶能效状况、航行及装载状态等进行评估，并通过大数据分析、数值分析及优化技术，为船舶提供数据评估分析结果和辅助决策建议，以及航速优化、基于纵倾优化的最佳配载等解决方案，实现船舶能效实时监控、智能评估及优化，不断提高船舶能效管理水平。

智能船舶能效管理应具有如下基本功能：

①船舶航行状态、能效及耗能状况在线监测和数据的自动采集，以及气象环境数据的获得；

②对船舶能效及能耗状况进行评估、报告和报警；

③根据分析评估结果，为船舶能效管理提供辅助决策建议。

除具有以上规定的基本功能外，智能船舶能效管理还可具有如下附加功能：

①可结合航线特点、燃料消耗、经济效益等评估结果，提供基于不同目标的航速优化方案；

②可根据初始装载及船舶最佳航态分析，提供基于纵倾优化的最佳配载方案。

水路运输在国际贸易中起着举足轻重的作用。世界海运货物总贸易量超过100亿吨，占世界货物贸易总额的80%以上。然而，能源消耗高、环境污染严重等问题也不容忽视，船舶燃料费用对航运企业的竞争力造成巨大影响。根据国际海事组织的研究，海洋运输在2012年排放了9.38×108 t的CO2，占世界CO2总排放量的2.6%；如果不采取措施，那么到2050年，海洋运输排放量将增加150%～250%［62］。

任何技术系统的能量效率原则上可以被看作是输入到系统的功率和一个有效功率的比值，这是该输入的直接结果。这一原理在船舶推进系统中的应用首先需要定义船舶生命周期的一部分，从而对能量效率进行分析。第二个步骤包括量化船舶系统输入和由此得出的有效输出。为了分析船舶推进系统的设计水平，提出了能效设计指标（energy efficiency design index，EEDI）。

根据国际海事组织的规定，以每单位运输工作的CO2排放量表示能效运行指标（energy efficiency operation index，EEOI），用于测量船舶能效，如式2-11所示（国际海事组织2010）。其中，j代表燃料类型；FCj是航行中的总燃料消耗量；Ccarbon是燃料j的碳含量；mcargo是运输货物的质量；Dis是航行距离。对于给定的航程，燃料类型、货物容量和航行距离是相对固定的。因此，减少EEOI的一种方法是在整个航行过程中降低船舶的燃料消耗量。

随着研究的深入，为了确定减少温室气体排放的措施，海洋环境保护委员会（Marine Enviroment Protection Committee，MEPC）采用了解决方案203（62）（MEPC，2011B），在MARPOL附录四增加了新的第四章，称为船舶能源效率规则［63］。该章要求GT 400以上船舶从事国际航运必须具有国际能效证书（IEE证书）。船舶必须遵守EEDI要求，并在船上有船舶能效管理计划（ship energy efficiency management plan，SEMAP）。EEDI是从事国际航运的船舶的强制性要求，因为MEPC（2009年A）得出的结论是CO2排放的主要来源就是这些船舶的排放。EEDI是一种适用于新的船舶提高船舶能效的设计指标。对于新的船舶的EEDI必须根据MEPC（2014）计算，应不高于基于参考线值和适当折减因子所计算的EEDI值。EEDI的目的是提供一个公平的比较基础，以刺激更有效的船舶的发展，并根据船舶类型和尺寸建立新的船舶的最低效率。

Ancic等人提出了一种适用于一体化船舶动力系统（integrated power systems，IPS）的方法［64］，但需要进一步阐述和验证。此外，为了实现工业的实际能效改善，仅像EEDI这样的技术解决方案和技术措施是不够的。必须指出，需要仔细考虑提高船舶能效的政策，以避免航运业不必要的负担，同时确保能效提高到令人满意的水平。

船舶常规动力系统的主要特点是主动力系统与辅助动力系统之间有明显的差别。主动力系统为船舶推进系统产生动力，而辅助动力系统产生主动力系统运行所需电力，并可用于船上的其他用途。主动力系统通常包括主柴油机、轴系和螺旋桨；辅助系统由直接耦合到发电机的辅助柴油机组成。IPS更加复杂，把所有船舶消费者和生产者集成到一个系统中，IPS的主要特点是集中发电和电力推进的应用，提高了能源效率，增加了每一个系统或组件的可用功率，还提高了可靠性。能量效率与燃料消耗成反比，因此通过降低发动机的特定燃料油消耗（specific fuel oil consumption，SFOC），可以提高能量效率。此外，对于IPS船舶，船舶机械设计者具有更高的自由度，因为在传统的系统中，不再需要在船舶后部安装柴油发动机。船舶机械在船舶的不同部位放置的可能性使得船舶中的质量优化更方便，从而可以更好地利用船舶的能力和更好的水动力／耐波性能。应该注意的是，IPS和混合动力系统（hybrid power system，HPS）之间存在一定的差异。根据Chau和Huang（2002）在汽车工业中的应用，HPS是具有多个电源的任何系统，可分为串联、并联和串并联的HPS。然而，在海洋工程中，这种定义是不适用的，因为即使是常规的电力系统，也经常有一个以上的电源，并且被定义为HPS。尽管这些配置对于海洋工业来说并不新鲜，但IPS和HPS之间的差异仍然没有被广泛接受。

从这些定义中可以清楚地看出，船舶可以具有不是HPS的IPS（例如，如果它仅使用柴油发动机作为动力源），或者可以同时是HPS的IPS（例如，如果除了柴油发动机，它也使用燃料电池或电池）。IPS的典型配置之一是柴油发电系统（DE），如图2-9所示。原动机通常是中速柴油发动机直接耦合到发电机产生电力的整个电力系统，包括电力推进系统。这种配置可以更好地优化柴油发动机工作效率和负载。因此，燃料油的消耗和对废气的排放一般都较低。此外，在这种情况下，船舶机械不需要位于船尾。电池的能量效率可以进一步提高，这使得柴油机能够在非常小的负荷下（在港口或锚泊处）关闭。

图2-9　柴油发动机动力系统结构图

这种配置的缺点是由于能量转换造成了一定的损失：从机械到电气，然后回到机械功率。正因为如此，如果只观察一个工作点，传统的动力系统通常会有更高的效率。但是，当观察整个船舶运行剖面时，IPS通常会更节能。因此，这种配置更适合于具有显著的发动机负荷变化和在港口中更频繁地航行的船舶，例如客轮或滚装船。客轮和滚装船由于其设计标准因操作要求的巨大变化而不同，因此是特殊的。这样的船只通常必须与其他运输模式竞争，或者仅仅成为更大的运输链的一部分。这意味着它们经常受到严格的时间表及乘客和（或）汽车数量的限制，船舶运输必须由运输需求定义，并且通常不是关于船舶能效的最优。此外，IPS配置允许这些船舶具有推进系统，其配置为提供最大操纵能力。此外还具有一定储备功率，以补偿可能的延迟和恶劣天气。

另一个典型的配置是启停（PTO／PTI）系统，如图2-10所示。在这种结构中，电气装置被安装在轴上或通过变速箱连接。它既可以作为发电机（发电），也可以作为电动机（辅助柴油发动机推进），允许柴油发动机在其SFC较低的负荷下运行。对于较大的船舶来说是典型具有轴发电机／电动机的配置，因为它允许主发动机具有比辅助发动机更低的SFC来生产船上的电力。另一种应用是用于具有中型或高速柴油发动机和变速箱的小型船舶。变速箱允许几个选项：只有柴油机与螺旋桨相连接；柴油机和电机都耦合到螺旋桨；电机耦合到螺旋桨；螺旋桨解耦；柴油机仅用于让发电机发电。通常，可调螺距螺旋桨用于多选项变速箱配置，在允许船舶速度变化的情况下，同时保持发动机转速和电力频率恒定。

图2-10　电力启停动力系统框架

在服役船舶上，通过速度优化能效是较为有效的方法，很多学者在该方面做了大量的研究。Fagerholt等研究了航速对CO2排放和运输成本的影响，得出航运业有很大潜力减少CO2排放的结论［65］。在动力系统方面现在已经有了很多节能方法，电力系统、混动系统等都被应用到船舶，而如何做到智能管理和规划是智能船舶未来研究的热点。

通过自动化控制系统和智能优化策略进行能效优化是近年来能效管理方面研究的重点内容，虽然降低燃料消耗和排放的压力有所增加，但船舶的运行状况却越来越多样化。近海船舶执行许多任务，如：过境和临界动态定位（dynamic positioning，DP）操作，重型起重机船可以实现复杂多样的海上作业；海军舰船在海上执行传统的巡逻操作；拖船在运输或待命时需要有足够的功率。由于这些不同的运行需求，动力和推进装置必须在许多性能标准上表现良好，例如：

①燃料消耗量；

②排放物；

③辐射噪声；

④推进力可用性；

⑤可操纵性；

⑥最小的噪声、振动和气味带来的舒适感；

⑦发动机热负荷和机械负荷引起的维修费用；

⑧采购成本。

此外，不同的运营需求使得在船舶设计阶段，传统上对于常规操作点的动力和推进装置很难优化。因此，自20世纪90年代以来，电力和推进配置已适应各种船舶类型，如巡航船舶和战列舰。然而，虽然电力推进在低速时更有效，但它引入了额外的转换，在发电机、电力变换器、变压器和电动机等电气部件转换中造成5%～15%的推进功率损失。这种效率和对不同作业的适应出现了各种各样的功率和推进架构，可以分类如下：

①机械推进、电力推进或两者的混合组合；

②用内燃机、燃料电池、蓄能器或混合动力组合发电；(www.xing528.com)

③交流或直流配电。

随着系统体系结构复杂性的增加，控制的自由度也随之增加。然而，大多数先进的推进架构仍然使用相同的传统控制策略：固定组合器曲线、固定频率发生器、基于规则的电池使用和操作员控制的配置设置。相反，在海事和汽车领域的研究表明，先进的结构与传统控制不能明显降低燃料消耗或排放，而系统的成本和复杂性却因此而增加，先进的海事应用控制策略还没有得到充分发展。优化电池配置和智能使用DC架构的有限研究表明，智能控制策略可以减少10%～35%的燃料消耗和排放［66］。因此，迫切需要全面研究和开发智能控制策略，提高各种标准的性能，以实现未来智能船舶先进架构的好处。为了指导这项研究，必须了解适用的控制策略的每一个架构，以及它们在上面列出的各项标准上的表现。

虽然对汽车混合动力电动汽车结构及其控制策略进行了广泛的研究，但对船舶动力和推进结构及其控制策略的研究尚不足够。此外，并联、串联和串并联混合动力电动汽车的分类不适用于船舶的动力和推进结构［67］，因为船舶可以有多个推进发动机、电力推进发动机、柴油发电机、燃料电池和能量存储系统。

根据新型船舶推进架构将系统划分为机械推进、电力推进和混合推进，以及燃烧电源、电化学电源、存储电源和混合电源中的电力系统结构。组合架构是未来发展的关键，如混合动力推进与混合动力电源，混合动力推进与DC混合电源。这些动力和推进结构在船舶上的应用和控制策略存在优势和挑战。由于对这些先进的船舶结构和控制策略的研究是有限的，所以Geertsma等人综合分析了现有智能管理策略和系统架构，总结了动力和推进系统结构的发展、优点、缺点和应用趋势，指出在该领域的研究机会［68］。

Geertsma在其研究中提出，混合动力和推进系统的技术进步可以满足智能船舶的挑战。然而，在许多情况下，控制策略对于改善和最大化性能是至关重要的。对这些控制策略的进一步研究，需要一个整体的方法，具体体现在以下四个方向：

1）机械和混合推进结构的机械传动系的控制

①减少由于波浪和操纵引起的负荷波动对发动机燃料消耗、热负荷和机械负荷的影响；

②通过可调螺距螺旋桨优化燃料消耗、排放、振动和静态发动机负荷的静态工作点，以及空化噪声、操纵性和动态发动机负荷的动态行为。

目前机械推进的控制策略都依赖于某种形式的速度控制。虽然采用先进的速度控制策略可以减少干扰衰减，但效果仍然有限。另一种方法是用扭矩或功率控制来调节推力。用这种方法，干扰会导致更多的轴速度波动，而发动机负荷的振荡将减少。然而，轴速度波动将保持有限，因为机械推进装置具有很强的自调节性能。因此，该策略可带来更好的热负荷和降低的燃料消耗，如Geertsma等采用的有限验证的模型所示［69］。

控制器必须保持对燃料喷射超过和低于速度的限制，并且需要测量扭矩。Vrijdag等人描述了一种在RNLN M-级护卫舰上的测试装置，它使用基于光学传感器的精确推力测量，该传感器可以测量轴挠度到纳米精度［70］，这种推力测量或等效扭矩测量装置可用于这种控制策略。对于具有混合电源的体系结构，扭矩控制也将允许使用功率设定点。然后，优化策略可以计算在不同的电源之间，例如主发动机、柴油发电机和电池之间的最佳负载份额，但这是否可能建立一个稳定的控制策略还需要进一步研究。

可调螺距螺旋桨允许静态操作点被移动到发动机操作包络中的另一点，同时保持速度设置，如图2-11所示。

图2-11　具有组合曲线控制的发动机加载功率

组合加载的方式将影响各种性能标准，如燃料消耗、排放、振动和静态发动机负荷。可以开发一种多项标准设置的控制器，如从上述的最小加权成本函数所产生的最佳静态操作点定义最佳螺距设置。为了确定在操作条件下的最优螺距，控制策略必须考虑不确定性和干扰，最重要的是考虑波浪的因素，模型预测控制（model predictive control，MPC）可以考虑这两

采用轴-发电机控制策略，电力系统中负载瞬变的动态在柴油发电机和轴发电机之间均等地共享。如果只有轴发电机或柴油发电机处理负载瞬变，这可以通过在同步模式下运行该发电机和下垂模式下的其他发电机来实现。在具有大型推进燃气轮机的配置中，柴油发电机上的负载瞬变可能受到这种策略的限制。此外，混合电源可以提供来自电池的负载瞬变，但需要进一步的研究来确定是否能够提出更稳定的控制策略。

3）混合动力和电气结构混合动力电源的控制

混合电源能够在不同类型的电源之间共享总瞬时负载，比较典型的是柴油发动机和电池之间的共享，这被称为能量管理。等效消耗最小化策略（equivalent consumption minimisation strategies，ECMS）已被证明是一种非常有前景的能源管理策略。种效应［71］。此外，MPC还可以用于确定在一定的未来时间段内的最优轨迹。

攻角控制策略可以有效地降低空化和提高加速性能，但攻角控制策略对动态发动机载荷的影响还没有被研究。然而，攻角策略可以结合扭矩控制，以实现稳定的扭矩和燃料喷射。这种组合的控制策略可用于各种目标之间的权衡，例如空化、操纵性和动态发动机负荷。然而，这种控制策略对柴油机静态工作点的影响需要研究，因为这个工作点决定燃料消耗、排放、振动和静态发动机负荷。

此外，可以在动态性能改善与攻角控制策略、静态性能改善与自适应组合控制之间进行权衡。这可以通过增加估计的攻角作为所提出的模型预测控制器的性能指标之一；另外，该控制器可以强加攻角约束以防止空化。对于智能船舶，如果空化噪声优先于其他标准，则只能施加这种约束。

2）混合推进结构中电机的控制

无论是电动机在电动助力模式下提供转矩，还是电动机作为发电机在动力输出模式下运行，混合动力推进电动机与主发动机都可以并联使用。因此，可以开发两种控制策略用于混合动力推进。

在大多数当前的应用或混合动力推进方案中，电机在机械驱动过程中被切断，电动助力可以降低推进柴油机的热负荷，其目的是降低主发动机的空气过剩率。电动机运行在速度控制和发动机提供恒定功率的扭矩控制的策略可以实现这一点。另一种方法是，模型预测控制器为电动机和柴油发动机提供扭矩设定点，其性能指标可以降低发动机上的扭矩波动。然而，这样的MPC策略的计算速度需要足够快以保持离散控制动作之间的时间间隔足够小，从而保证系统的鲁棒性。

交流发电机总是以全速运行，所以它们能比机械连接的发动机提供更多的动力，因为这种发动机以螺旋桨曲线速度运行，并且发动机余量有限。电池可以提高动态性能而不增加柴油发电机的动态负载。另外，在电动助力模式下运行电动机可以降低发动机额定值，特别是在最大功率只是很少被使用时，如拖轮上的情况。

为了实现柴油发电机的动态负载降低，可以使用优化的负载共享策略，但这种方法只能应用于直流电源。或者，在交流电源中，负载共享可以通过类似的优化速度设置来控制。这是否可能导致一个稳定的控制策略，特别是防止任何柴油发电机过载，还需要进一步研究。

在汽车工业中，ECMS已经显示了在一个未知的运行剖面上实现燃料消耗最小化的最佳结果。Grimmelius等人提出了将ECMS应用于船舶电力系统的建议［72］。此外，ECMS在渡轮和拖船上的应用显示燃料消耗量显著减少了2%～11%［73］。

当已知剩余操作轮廓的距离或时间时，在具有随时间变小的参考电荷状态的控制问题中可以考虑所需的最终电池电荷，这被称为ECMS方法与滚动时域，并可以确保在使用期间电池容量是充满的。这种策略的燃料消耗如果定义良好，可以接近离线策略计算的最佳燃料消耗，例如动态规划或欧拉-拉格朗日最优控制优化。

多种ECMS方法已被开发以尽量减少燃料消耗，其中包括涵盖许多其他标准的策略，如噪声、振动、排放或发动机维护，其类别也主要取决于由电源的功率设置确定的发动机（和电池）工作点。类似于功率设置的函数也可以导出这些标准，并且可以从多个标准的加权成本函数确定总体最优功率设置。因此，使用ECMS考虑多个标准进行优化是一个有前途的方法，可以为未来的智能船舶提高性能。

4）柔性任务综合控制方法

柔性任务综合控制方法是进一步研究的控制策略，图2-12给出了用于混合动力推进和混合供电的集成系统的潜在总体控制策略，该混合动力系统和混合电源供给直流电力系统，需要大量的研究来确定这种集成方法的可行性。

图2-12　未来综合控制策略示意图

确定所选架构的全部潜力是否能够在实践中实现的最重要的方法之一是控制策略。因此，许多智能控制策略已经被研究和应用在各个领域中，如汽车工业和陆基微电网等领域。然而，先进的控制策略最近才被研究和应用，并且仅在某些情况下量化了燃料消耗和排放量（15%～35%）。其他标准的改进，如推进可用性、辐射噪声和维护成本等，对于有效的混合动力和推进系统也是至关重要的。

所提出的各项控制策略应该结合起来，同时进行深入研究，以建立综合方法。研究只有能够提供预期的改进，才能使智能船舶的设计可以在非常复杂的海洋环境中有效、高效地执行多种功能。