劉 興，段俊利，韓 懿

(1.中遠(yuǎn)海運(yùn)散貨運(yùn)輸有限公司，廣州 510220； 2.中遠(yuǎn)海運(yùn)科技股份有限公司，上海 200135)

0 引 言

近年來，隨著全球經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，航運(yùn)業(yè)的重要性越來越突出。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前80%的國(guó)際貿(mào)易是通過船舶完成的。與此同時(shí)，全球溫室氣體排放量不斷增加，這使得節(jié)能減排成為了當(dāng)前的一個(gè)重要研究課題。為推動(dòng)船舶節(jié)能減排，近年來國(guó)際海事組織 (International Maritime Organization，IMO)提出了一系列船舶能效規(guī)則，采取了更加嚴(yán)格的船舶監(jiān)管措施，以此約束船舶的碳排放。2020年9月，我國(guó)提出了“二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”的目標(biāo)和愿景。

船舶能耗不僅影響航運(yùn)業(yè)在減少溫室氣體排放方面的戰(zhàn)略舉措，而且直接影響船舶的營(yíng)運(yùn)成本。燃油燃料費(fèi)用占船舶總運(yùn)輸成本的30%～60%，合理管理船舶能耗不僅能降低船舶營(yíng)運(yùn)成本，而且能推動(dòng)航運(yùn)業(yè)碳排放戰(zhàn)略的發(fā)展。目前航運(yùn)業(yè)已進(jìn)入數(shù)字化時(shí)代，各環(huán)節(jié)積累的數(shù)據(jù)資源較為豐富，因此基于大數(shù)據(jù)對(duì)船舶能耗進(jìn)行管控成為了一種重要手段。

近年來已有很多學(xué)者對(duì)船舶能耗進(jìn)行研究。范愛龍等[1]根據(jù)內(nèi)河船舶運(yùn)行的特點(diǎn)，基于離散化思想對(duì)實(shí)船采集的通航環(huán)境和能效數(shù)據(jù)的特征進(jìn)行了分析，并建立了多種內(nèi)河船舶油耗預(yù)測(cè)模型；鄭齊清等[2]采用聚類分析方法對(duì)營(yíng)運(yùn)船舶定速航行時(shí)的能效數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，評(píng)估了主機(jī)負(fù)荷與油耗率的關(guān)系；孫超等[3]采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法對(duì)船舶的主機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行了優(yōu)化研究；高梓博等[4]分析了船舶在不同工況下的最佳工況點(diǎn)，得到了主機(jī)功率與單位海里油耗的關(guān)系曲線；CORADDU等[5]結(jié)合輪機(jī)工程原理提出了2個(gè)灰盒模型，將其作為預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)燃油消耗，在此基礎(chǔ)上提出了油船縱傾優(yōu)化設(shè)計(jì)方案；DALHEIM等[6]開發(fā)了一種時(shí)間序列數(shù)據(jù)處理工具，由此提高船舶操作和性能分析的質(zhì)量；YAN等[7]提出了一種海運(yùn)大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)，通過分析航行環(huán)境因素優(yōu)化內(nèi)河船舶發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，其在研究中應(yīng)用分布式并行k-Means 聚類算法對(duì)選定的內(nèi)河船舶進(jìn)行航路劃分，進(jìn)而找到不同航行工況下最優(yōu)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。上述研究均是針對(duì)實(shí)際營(yíng)運(yùn)轉(zhuǎn)速和油耗開展的，缺少對(duì)船舶自身指標(biāo)的評(píng)價(jià)。

合理實(shí)施能耗監(jiān)管對(duì)于航運(yùn)企業(yè)提升市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力而言至關(guān)重要。然而，目前設(shè)置的船舶能耗考核指標(biāo)較為粗放，一般以船舶試航數(shù)據(jù)為依據(jù)，固定考核標(biāo)準(zhǔn)，忽略航行環(huán)境的影響，借助輪機(jī)長(zhǎng)的經(jīng)驗(yàn)對(duì)能耗進(jìn)行考核評(píng)定和異常情況分析。這種方式可能會(huì)使試航指標(biāo)不符合船舶實(shí)際運(yùn)營(yíng)情況，無法對(duì)船舶真實(shí)的油耗情況作出正確的評(píng)定和分析。

對(duì)此，本文以中遠(yuǎn)海運(yùn)散貨運(yùn)輸有限公司的散貨船“錦泰峰”輪為研究對(duì)象，采用最小二乘法對(duì)理論轉(zhuǎn)速與油耗進(jìn)行回歸，得到回歸模型，并將實(shí)際營(yíng)運(yùn)數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)相對(duì)比，評(píng)估油耗考核指標(biāo)的合理性和實(shí)用性。

1 船公司油耗管理現(xiàn)狀

當(dāng)前實(shí)際運(yùn)營(yíng)船舶的能耗考核標(biāo)準(zhǔn)一般較為粗放。在船舶投入運(yùn)營(yíng)之前，船公司會(huì)以船舶試航數(shù)據(jù)為依據(jù)制定一套轉(zhuǎn)速與油耗指標(biāo)，將其作為考核油耗的基準(zhǔn)，油耗估算方法簡(jiǎn)單，忽略了航行環(huán)境的影響。在船舶投入運(yùn)營(yíng)之后，船公司會(huì)根據(jù)監(jiān)測(cè)、報(bào)告與核查(Monitoring Report and Verification，MRV)報(bào)文統(tǒng)計(jì)船舶航行數(shù)據(jù)，借助輪機(jī)長(zhǎng)的經(jīng)驗(yàn)對(duì)船舶油耗進(jìn)行考核評(píng)定和異常情況分析。

以“錦泰峰”輪航次26的航段燃油消耗跟蹤為例，對(duì)MRV報(bào)文數(shù)據(jù)與油耗考核表進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算油耗偏差和偏差比例(見表1)，對(duì)航次油耗情況進(jìn)行評(píng)價(jià)。

表1 “錦泰峰”輪航次26的油耗考核表

然而，上述考核結(jié)論往往很難得到船舶所有人和船員的一致認(rèn)可，船員往往會(huì)因船報(bào)轉(zhuǎn)速有誤、考核指標(biāo)偏低、遭遇惡劣氣象和船舶污底等而對(duì)考核結(jié)論提出異議，使得上述管理方式難以完全有效落實(shí)。

2 船舶油耗考核指標(biāo)評(píng)估算法設(shè)計(jì)

中遠(yuǎn)海運(yùn)散貨運(yùn)輸有限公司是一家規(guī)模較大的專門從事散裝貨物運(yùn)輸?shù)钠髽I(yè)，擁有各類散貨船400多艘，擁有大量實(shí)船運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)。本文采用的數(shù)據(jù)為船舶試航期間的轉(zhuǎn)速與油耗數(shù)據(jù)、逐年由機(jī)務(wù)主管調(diào)整的考核數(shù)據(jù)和船舶營(yíng)運(yùn)過程中由報(bào)文給出的轉(zhuǎn)速與油耗數(shù)據(jù)，分別在空載和滿載工況下對(duì)油耗考核指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估。

2.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

在船舶投入運(yùn)營(yíng)之前，根據(jù)航行測(cè)試結(jié)果制定一套轉(zhuǎn)速與油耗指標(biāo)。隨著時(shí)間的推移，船舶會(huì)擁有多套轉(zhuǎn)速與油耗考核體系，其不同點(diǎn)在于生效日期不同，需查詢轉(zhuǎn)速與油耗考核數(shù)據(jù)中最新生效的數(shù)據(jù)。油耗設(shè)定為主機(jī)油耗與輔機(jī)油耗之和。由于船舶理論數(shù)據(jù)中油耗的單位為“t·d”，為保持?jǐn)?shù)據(jù)的一致性，船舶實(shí)際運(yùn)營(yíng)期間的油耗也以“t·d”為單位。為保證日?qǐng)?bào)油耗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，查詢船舶日?qǐng)?bào)中航行時(shí)長(zhǎng)超過23 h的日?qǐng)?bào)平均轉(zhuǎn)速與油耗數(shù)據(jù)，該日的油耗修正公式為

Fc=Fd/Tv·24

(1)

式(1)中：Fd為日油耗；Tv為日航行時(shí)長(zhǎng)；Fc為修正的油耗。

船舶的載況(空載和滿載)由航次報(bào)文中的貨量決定。對(duì)日?qǐng)?bào)與航次報(bào)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，采用船舶的呼號(hào)(vessel_code)、日?qǐng)?bào)日期和航次報(bào)日期進(jìn)行關(guān)聯(lián)查詢，得到該日的貨量信息，貨量不為0(標(biāo)記為1)記船舶在該日為滿載狀態(tài)，否則(標(biāo)記為0)記船舶在該日為空載狀態(tài)。最終的數(shù)據(jù)形式見表2和表3。

表2 理論轉(zhuǎn)速與油耗考核數(shù)據(jù)

表3 實(shí)際轉(zhuǎn)速與油耗數(shù)據(jù)

2.2 模型建立

(2)

船舶主機(jī)轉(zhuǎn)速可表示船舶主機(jī)工況，一般在計(jì)算中認(rèn)為轉(zhuǎn)速與能耗呈三次方關(guān)系，本文以此關(guān)系為先驗(yàn)輸入，對(duì)理論轉(zhuǎn)速與油耗進(jìn)行回歸擬合。

置信區(qū)間是指由樣本統(tǒng)計(jì)量構(gòu)造的總體參數(shù)的估計(jì)區(qū)間。在統(tǒng)計(jì)學(xué)中，一個(gè)概率樣本的置信區(qū)間是對(duì)該樣本的某個(gè)總體參數(shù)的區(qū)間估計(jì)。置信區(qū)間展現(xiàn)的是這個(gè)總體參數(shù)的真實(shí)值有一定概率落在與該測(cè)量結(jié)果有關(guān)的某對(duì)應(yīng)區(qū)間內(nèi)。置信區(qū)間給出的是聲稱總體參數(shù)的真實(shí)值在測(cè)量值區(qū)間內(nèi)所具有的可信程度，即前面要求的“一定概率”。給定1-α的置信水平，區(qū)間估計(jì)為

(3)

(4)

由于船舶實(shí)際報(bào)文中的轉(zhuǎn)速保留2位小數(shù)，而理論轉(zhuǎn)速為整數(shù)，為方便評(píng)估，針對(duì)每艘船舶，生成最小轉(zhuǎn)速與最大轉(zhuǎn)速之間步長(zhǎng)為0.1的等差數(shù)列作為虛擬的轉(zhuǎn)速Xvirtual。在本文所述模型中，將船舶理論轉(zhuǎn)速的三次方作為自變量X，將理論油耗(主機(jī)油耗與輔機(jī)油耗之和)作為因變量Y。得到回歸模型之后，求Xvirtual對(duì)應(yīng)的油耗為

(5)

(6)

3 試驗(yàn)分析

本文以“錦泰峰”輪為研究對(duì)象，對(duì)船舶油耗考核指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估研究?！板\泰峰”輪的vessel_code為B339，查詢最新生效的理論轉(zhuǎn)速與油耗數(shù)據(jù)，結(jié)果見表4。

表4 “錦泰峰”輪最新生效的理論轉(zhuǎn)速與油耗數(shù)據(jù)

查詢“錦泰峰”輪近1 a的實(shí)際運(yùn)營(yíng)日?qǐng)?bào)中日航行時(shí)長(zhǎng)超過23 h的轉(zhuǎn)速與油耗數(shù)據(jù)，根據(jù)式(1)得到修正的日油耗。利用vessel_code、日?qǐng)?bào)時(shí)間和航次時(shí)間，將日?qǐng)?bào)與航次報(bào)相關(guān)聯(lián)，得到航次報(bào)中的貨量數(shù)據(jù)。日?qǐng)?bào)中的空滿載情況利用航次報(bào)中的cargo_volumn字段表示，cargo_volumn不為0，記為1，為滿載，否則記為0，為空載。表5為“錦泰峰”輪實(shí)際轉(zhuǎn)速與油耗數(shù)據(jù)。

表5 “錦泰峰”輪實(shí)際轉(zhuǎn)速與油耗數(shù)據(jù)

采用Plotly繪制實(shí)際轉(zhuǎn)速的箱型圖，查看“錦泰峰”輪實(shí)際運(yùn)營(yíng)期間的轉(zhuǎn)速分布情況，可看到船舶實(shí)際運(yùn)營(yíng)時(shí)的轉(zhuǎn)速主要集中在80～95 r/min，而分布在70～105 r/min，70～80 r/min和95～105 r/min范圍內(nèi)的理論轉(zhuǎn)速與船舶實(shí)際運(yùn)營(yíng)期間的轉(zhuǎn)速相比，屬于離群點(diǎn)。圖1為實(shí)際轉(zhuǎn)速箱型圖。

圖1 實(shí)際轉(zhuǎn)速箱型圖

采用Python的statsmodels模塊中的OLS(Ordinary Least Squares)方法，分別對(duì)理論轉(zhuǎn)速的三次方與理論油耗進(jìn)行回歸，結(jié)果見圖2和圖3。

圖2 滿載理論轉(zhuǎn)速與油耗回歸分析結(jié)果

圖3 空載理論轉(zhuǎn)速與油耗回歸分析結(jié)果

從圖2中可看出，R2=0.997，擬合效果較好，Pvalue小于顯著性水平，拒絕回歸系數(shù)為0的原假設(shè)?；貧w方程為

y=4.058×10-5x3+5.491 3

(7)

從圖3中可看出，R2=0.997，擬合效果較好，Pvalue小于顯著性水平，拒絕回歸系數(shù)為0的原假設(shè)?；貧w方程為

y=3.936×10-5x3+5.403 1

(8)

將生成的虛擬Xvirtual代入式(7)、式(8)和置信區(qū)間公式中，求得95%置信區(qū)間見圖4和圖5。

圖4 滿載油耗置信區(qū)間與實(shí)際油耗

圖5 空載油耗置信區(qū)間與實(shí)際油耗

將實(shí)際運(yùn)營(yíng)中的轉(zhuǎn)速四舍五入，保留1位小數(shù)，比較相同轉(zhuǎn)速下船舶實(shí)際運(yùn)營(yíng)中的油耗對(duì)理論油耗的符合程度。計(jì)算得到滿載油耗符合率為0.367，空載油耗符合率為0.684。滿載理論油耗在常用轉(zhuǎn)速下相比船舶實(shí)際運(yùn)營(yíng)中的油耗偏高，應(yīng)當(dāng)作降低的調(diào)整；空載理論油耗在常用的較低轉(zhuǎn)速下設(shè)計(jì)合理，但在88 r/min轉(zhuǎn)速以上設(shè)計(jì)的偏高，應(yīng)調(diào)低油耗。由上述分析可知，該船的空載和滿載油耗考核指標(biāo)均存在設(shè)計(jì)偏高的問題，因此可采用上述方法滾動(dòng)迭代，幫助船公司根據(jù)實(shí)際油耗表現(xiàn)合理設(shè)置動(dòng)態(tài)考核指標(biāo)。

4 結(jié) 語

本文以中遠(yuǎn)海運(yùn)散貨運(yùn)輸有限公司的“錦泰峰”輪為研究對(duì)象，采用最小二乘法對(duì)其理論轉(zhuǎn)速與油耗進(jìn)行回歸，將理論轉(zhuǎn)速作為自變量，將理論油耗作為因變量建立回歸模型，對(duì)船舶油耗考核指標(biāo)的實(shí)用性和適用性進(jìn)行評(píng)估。同時(shí)，生成虛擬轉(zhuǎn)速油耗點(diǎn)的95%置信區(qū)間，比較相同轉(zhuǎn)速下實(shí)際油耗與理論油耗95%置信區(qū)間的符合程度，將其作為船舶油耗考核指標(biāo)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，“錦泰峰”輪空載油耗考核指標(biāo)符合率為0.648，滿載油耗考核指標(biāo)符合率為0.367，滿載理論指標(biāo)與實(shí)際指標(biāo)相比設(shè)計(jì)值偏高，需結(jié)合船舶實(shí)際情況和管理經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整。本文只對(duì)考核指標(biāo)進(jìn)行了評(píng)估，在后續(xù)研究中，可綜合評(píng)價(jià)各因素對(duì)主機(jī)能耗的影響，通過將實(shí)船數(shù)據(jù)與理論考核指標(biāo)相對(duì)比，對(duì)船舶設(shè)備性能和船體故障等進(jìn)行評(píng)估研究。