基于船舶能效提升的航速优化研究现状及展望

杨天宇， 杨志勇,b， 张 彦,b,c， 袁成清,b,c

(武汉理工大学 a. 能源与动力工程学院；b.船舶动力工程技术交通行业重点试验室；c.国家水运安全工程技术研究中心，武汉 430063)

船舶运输作为交通运输领域的重要一环，是全球80%以上货物在物流途中的必经环节。根据《2017中国航运发展报告》，我国水路运输货物的总量以及周转量在各种运输方式中所占的比例分别为13.9%和49.7%。相比于陆运和航空运输，水路运输在经济性、安全性和环境保护等方面拥有突出的优势。[1]

当今世界造船能力供大于求，船厂建造的船舶价格直逼成本线，甚至亏本造船，许多船舶所有人趁机大量造船，导致运力过剩，大批船舶运输任务不足；同时在资源逐渐枯竭与贸易战的压力下，一段时间油价大幅上涨，燃料成本居高不下，直接导致水路运输经济性下降。自2009年12月联合国气候大会召开后，关于如何减少排放CO2进入大气以及如何提升CO2利用效率的问题，引起各行各业的重视。因此，提升船舶能效和降低油耗量，成为各国相关学者研究的热点。现阶段提升船舶能效的方法主要集中在：船舶航速优化[2]、船舶防污减阻技术[3]、非碳能源在船舶上的利用[4]及船舶航线优化设计[5]等。

根据相关研究[6-7]，优化船舶航速是降低船舶油耗及碳排放的有效措施之一。一般认为大多数船型的燃油消耗量与船舶航速是3次方的关系[8-9]，因此，通过降低航速能够极大程度减少航行过程中的燃油消耗量，从而提高船舶的能效，同时缓解水路运输经济性下降带来的压力。但是，随着船舶航速的降低，船舶航行的时间及船舶的租金等都会大幅度提高，导致船舶费用上升，经济性变差，甚至有可能因为航速过低，引起船舶主机燃烧性能变差，导致船舶油耗增加。因此，可认为航速优化并不等同于降低航速。如何选取船舶的最优航速，既满足节油降耗的要求，又不引起安全性降低、机械损伤等问题，成为该领域的一个研究重点。本文结合目前船舶航速优化的研究现状，从提高船舶能效的角度对现阶段航速优化的研究成果进行归纳，以期为相关技术的发展提供依据。

1 航速优化对能效提升的作用

1.1 船舶航速的3种选择

一般而言，对于船舶行驶来说，常用航速可分为设计航速、经济航速和最优航速等3种。[10-11]

1.1.1设计航速

设计航速指船舶根据设计任务书所设计的航速，代表着船舶满载时理论上能够达到的最大航速。在设计航速下，螺旋桨与主机的配合合理，但是由于航速过高，采用该航速行驶时，往往油耗率较大。

1.1.2经济航速

经济航速指船舶每航行1 n mile油耗量最低的航速，在该航速下船舶航行的燃油成本最低。

1.1.3最优航速

最优航速指航行时满足综合评价指标的航行速度。在一般情况下，设计航速与经济航速往往不是满足综合评价指标的最优航速。最优航速的选择，通常需要考虑各个方面的评价指标。较常见的是时间条件和船舶能效指标。在节能减排的强烈要求下，提升船舶能效成为航速优化的主要目的。目前很多研究通常重点考虑航速优化后船舶能效的提升情况，而简化其他方面的限制条件。通常采用的评价指标包括船舶能效运营指数(Energy Efficiency Operational Indicator, EEOI)、船舶油耗和废气的排放量(一般指CO2和NOx)。[12]通过确定这些指标与航速的关系，可找到满足给定指标的最优航速。

1.2 船舶能效与航速的关系

EEOI是由国际海事组织(International Maritime Organization, IMO)推出的衡量船舶能效的标准，用于评价船舶能效管理的实施情况。[13]据2009年7月IMO第59次会议通过的《船舶EEOI自愿使用指南》[14]，可得到某段时期内EEOI的计算公式为

(1)

式(1)中：Fj为船舶在航行过程中消耗的燃油j的质量；CFj为燃油j的CO2排放因子；mcargo为货船的载货质量；D为船舶的航行里程。

根据公式，EEOI与船舶的载重情况、航行里程成反比，与燃油消耗量、燃油碳含量成正比。由于油耗量与船舶航速是三次方的关系[15]，相关研究表明[16]当船舶航速降低时，EEOI会随之下降，船舶能效得以提升，且EEOI对于航速的变化极为敏感，航速产生较小的变化即会导致EEOI发生较大的变化。

2 最优航速的主要影响因素

2.1 船舶能效影响因素

由于提升船舶能效成为航速优化的主要目的，因此可认为在节能减排的强烈要求下，以EEOI为表征的能效成为最优航速的主要评价指标，而对应的影响因素统称为能效影响因素。

研究显示：驱使船舶正常航行能量仅占必需的船用燃料提供能量的21.5%。[18]船舶在航行过程中消耗的燃料产生的输出功率，一部分用来克服船舶的航行阻力，另一部分则用来弥补船舶内摩擦所造成的能量损失。无论是船舶的航行阻力还是船舶内摩擦造成的能量损失都与船舶航速息息相关。

对于航行阻力，大多数的研究都只关注特定的影响因素，主要包括水流速度与方向、波浪、船舶污底以及风速与风向等。[19-21]

水流速度与方向主要影响相对航速；波浪主要影响兴波阻力和造成船舶失速；污底则主要影响船舶表面粗糙度甚至改变船舶形貌。船舶所受水下阻力特性曲线见图1[22]：随着航速的增加，船体所受到的阻力会迅速增加；当航速超过一定的值时，兴波阻力相对摩擦阻力而言，对于航速的变化更加敏感；此时，波浪对于船体阻力造成的影响往往不能被忽略。当改变这些影响因素时，船舶受到的各种阻力曲线的斜率就会发生变化，从而影响到船舶能效及最优航速的选取。

图1 船舶所受水下阻力特性曲线

风速与风向主要通过作用于船体水面以上的建筑影响船体所受的风阻，船舶在风影响下的平面运动模型见图2。船舶受风力影响后的航速可由船舶的漂角β、风舷角θT、风致漂移航速vT以及船舶航速vspeed等表示出来。风速和风向直接造成船舶速度的变化。同时，风还对船体上层建筑造成一个风压力[24]，阻碍船舶的航行。

图2 风影响下的船舶平面运动

船舶内摩擦导致各部分的能量传递损失，主要体现在动力系统的关键摩擦部件上。摩擦造成的能量损失会影响船-机-桨匹配特性，从而直接作用到航速上。目前，该部分对于航速的影响计算，常采用经验值直接代入[25]，而袁成清等提出在考虑关键摩擦部件减摩的基础上，动态考虑内摩擦、航速与能效的关系。

2.2 边界条件影响因素

以能效为主要评价指标所得到的最优航速能够起到很好的节能减排效果，但由于在船舶运输过程中，航行安全、托运人需求和整体经济性都是实际影响航速决策的关键因素，因此现有研究表明航速优化过程中还需要引入经济性影响因素(例如托运人对运输及时性的要求、运力-运量供需平衡以及燃料价格变化等)和安全性影响因素(例如海上航行安全性、船舶机械运行合理性等作为边界条件)。

支撑船舶运输发生的关键是托运人的需求，而经济性是其重点考虑的指标。减低航速势必导致船舶航行时间大幅度提高，延长船舶运行周期，从而有可能造成：与托运人对运输及时性的要求产生矛盾；船舶租金增加导致船舶费用上升，经济性变差；过多的运力投入，浪费船员与资源；船舶调度波动，影响运力-运量供需平衡。有时又需要低速航行来应对航运市场低迷带来的运力过剩，节省运营成本。与此同时，对于托运人来说，降低航速的主观动力是降低油耗量来降低燃油成本和受制于环保法规，因此，燃油价格的变化也会造成不一样的航速决策。在实际计算过程中，通常将各经济性影响因素换算成运输成本值来限定航速的变化区间，从而影响航速优化。

在船舶运输过程中，安全性永远是先于节能降耗的，而船舶航速的持续降低，在复杂海况下会影响船舶在海上抵抗风险的能力，降低安全性。同时，长期低速航行的船舶还会导致船舶的机械损伤，引起船舶主机燃烧性能变差，造成积油、积炭，活塞环、环槽和缸套过度磨损，影响主机运行安全。在实际计算过程中，通常以安全航速以及船舶实际运行状态来限定优化航速的波动区间。

3 基于船舶能效提升的航速优化方法

基于船舶能效提升的航速优化并不是简单的线性关系求解，实际是确定多目标条件下的区间值[26-27]，关键在于目标函数的确定。目标函数即为各种评价指标的表达函数，通常优化问题的目标函数并不是一个，这些优化函数组合在一起，形成非线性的规划问题，在综合的边界约束条件下，求解出最优的航速。

目前，出于不同研究目的，设计的航速优化模型有很多种，主体包括两类：一类是基于逻辑数理关系建立函数集，通过优化算法求解；另一类是基于大量数据拟合出对应曲线从而获得函数求解。例如，WONG等[28]建立基于对数和线性效用函数的规避风险和风险中型的决策模型，得到权衡碳排放、油耗和到货时间的最优航速。WANG等[29]利用历史经营数据研究船舶燃油消耗量-航行速度的关系，并且建立非线性模型，进行航速优化。综合各类航速优化模型的研究方法，并基于最优航速主要影响因素分析，提出最优航速求解的一般方法见图3。

图3 最优航速求解的一般方法

根据研究的需要，首先确定研究的评价指标以及需要涉及的影响因素。根据不同影响因素的特点，建立相应的数学模型，使各影响因素通过航速与评价指标建立联系，并进行仿真。根据评价指标和边界约束条件的特点，可从仿真结果中选取恰当的取值作为最优航速的取值。这个最优航速的取值是一个理论值，只能在一定程度上反映最优航速真实值的取值范围。为确定模型的可靠性，通常需要进行试验对比分析，从而获得试验值与理论值的误差分析，确定模型的可靠性。

仿真一般采用MATLAB/SIMULINK配合其他软件进行。以选择EEOI为评价指标，研究航速变化与船舶能效提升的关系为例：通常使用FLUENT研究各个影响因素对航行阻力的影响，并根据计算结果获得各影响因素的数学模型。将获得的数学模型代入MATLAB/SIMULINK中的能效模型中仿真，得到的数据绘制成曲线，在经济性影响因素与安全性影响因素作为边界约束条件所允许的可行域内，确定最小的EEOI所对应的航速，即为最优航速。在这个航速下航行，船舶的能效最高。

4 船用新能源使用下的航速优化

在节能减排的巨大压力下，绿色船舶已成为未来船舶的发展方向，而在诸多绿色船舶技术中，以风能、太阳能、液化天然气等新能源的使用最具前景。[30]船用新能源的使用最直接的影响在于油耗量的降低，从而提升船舶能效。但对于风帆、太阳能光伏系统等，其运行效能在很大程度上受制于航行过程中海洋环境的具体情况，例如风速、辐照强度等，而其与航速之间有所关联。

船用新能源的使用，例如风帆，会直接影响船舶航行时的阻力、船-机-桨匹配等特性，从而改变诸多因素与最优航速之间的影响关系，使得最优航速求解问题需要采取新的途径。由于船用新能源的使用研究仍处于发展阶段，关于船用新能源使用下的航速优化问题还未有过多研究成果，主要集中于风帆助航对螺旋桨特性的影响、对船舶阻力的增益等，通过增加变量的方式引入到多目标函数中求解最优航速；也有部分学者[31]提出，由于风能、太阳能等新能源的使用效率与航线息息相关，可通过建立船舶能效、航线优化、航行时间与航速之间的关系来进行最优航速求解。正是由于船用新能源使用的发展，其与航速优化的协同控制将是未来提高船舶能效的主要途径之一。

5 结束语

现阶段的研究主要集中在航速优化的思路和算法上，针对不同类型的船舶和需要进行优化的评价指标，探求船舶在不同通航环境中的最优航速。研究船舶内摩擦导致的能量损失及船舶通航对船舶阻力的影响，搭建更精细的数学模型，缩小最优航速的选择范围，为研究提升船舶能效的策略提供可靠的依据。

对于船舶航速优化的研究，在基于各影响因素数学关系解决相对固定的静态航速优化问题方面已经有了许多成果。但对于通航环境等各方面影响因素发生变化后的动态船舶最优航速调整问题涉及较少。未来应重点完善航速优化研究，使得船舶在应对多变的通航环境时具有更好的适应性。