一种基于碳强度的船舶实时能效评估方法及系统与流程

1.本发明涉及船舶技术领域，具体涉及一种基于碳强度的船舶实时能效评估方法及系统。


背景技术：

2.船舶作为水路交通运输的重要工具，如何对船舶营运中的能效情况进行评价是船东十分关心的一个问题，这就涉及到如何设定合理的能效评价标准。国际海事组织推出基于营运碳强度cii的相关法规，旨在对船舶的能效情况进行评价，达不到碳强度法规要求的船舶将面临惩罚措施。但是营运碳强度cii是一个年度能效评价指标，除了与船舶的本身性能相关外，与船舶的营运模式和状况也直接相关，如直接应用在船舶实时能效评价中，会出现某些载况和航速下指标一直很好，某些情况下则一直很差，失去评估的意义，不能合理反映当前的船舶能效状况对全年碳强度指标的影响，故不能直接应用于营运中船舶能效的实时评估。
3.目前存在的船舶实时能效指标评价方案往往是对船舶的相对能效进行评价，制定的评价标准往往参考船舶的历史数据、姊妹船的数据、其他同级别船的数据，通过相对比较，人为划定范围，对船舶的实时能效状况进行评价，但是均无对船舶实时能效指标绝对值是否达到某一绝对值，使得最终年度指标能够满足法规要求的评价，无法为营运中船舶提供基于能效合规前提下的能效评价参考。


技术实现要素：

4.为解决技术对船舶的相对能效进行评价无法为营运中船舶提供基于能效合规前提下的能效评价参考等问题，本发明提供一种基于碳强度的船舶实时能效评估方法，以船舶年度碳强度合规为前提，制定船舶实时能效评估指标，通过采集船舶实时能耗相关数据，以获取的船舶平均油耗作为实时能效评估指标，对船舶的实时能效进行评估和分级，可以实时评估船舶的能效合规情况。本发明还涉及一种基于碳强度的船舶实时能效评估系统。
5.本发明的技术方案如下：
6.一种基于碳强度的船舶实时能效评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
7.数据采集处理步骤，利用船舶吃水压力传感器、全船燃油流量计和船舶定位部件进行数据采集处理，获取船舶平均吃水、船舶平均油耗和船舶平均对地航速；
8.船舶状态判定步骤，根据船舶平均对地航速和船舶平均吃水判定船舶航行状态和载况，当船舶平均对地航速大于预设的航速阈值时，船舶为航行状态，否则为停泊或机动状态；当船舶平均吃水大于满载吃水阈值时船舶载况为满载，当船舶平均吃水小于压载吃水阈值时船舶载况为压载，当船舶平均吃水介于压载吃水阈值和满载吃水阈值之间时为其它载况；
9.实时能效指标计算获取步骤，以获取的船舶平均油耗作为实时能效评估指标，基于船舶年度碳强度等级分界线、船舶平均对地航速以及船舶载况计算得到对应载况下的船
舶平均油耗评估分级各分界线；
10.实时能效评估分级步骤，将船舶平均油耗与对应载况下的船舶平均油耗评估分级各分界线进行比对，对船舶平均油耗进行分级，以评估船舶的实时能效情况。
11.优选地，所述实时能效指标计算获取步骤中，还获取实时能效评估关联参数，所述实时能效评估关联参数包括船舶载重、船舶使用燃油种类的碳系数、船舶全年压载与满载航行时间比值、船舶年度预计停泊天数、船舶不同航速下压载与满载的油耗比值；所述船舶全年压载与满载航行时间比值和船舶年度预计停泊天数均通过船舶历年统计数据或者同吨位船统计数据得到，所述船舶不同航速下压载与满载的油耗比值采用试航数据或者采用历史数据拟合分析得到；
12.基于船舶年度碳强度等级分界线、船舶平均对地航速、实时能效评估关联参数以及船舶载况计算得到对应载况下的船舶平均油耗评估分级各分界线。
13.优选地，所述数据采集处理步骤中，对采集的数据先进行预处理，剔除缺失数据，然后对数据进行平均化处理，获取小时平均化数据，船舶吃水压力传感器获得的吃水数据和船舶定位部件获得的船舶对地航速数据均直接小时统计平均，得到船舶平均吃水和船舶平均对地航速，全船燃油流量计获得的全船燃油流量计数据则通过首尾断点值相减获得船舶平均油耗。
14.优选地，所述船舶状态判定步骤中，航速阈值为5节，满载吃水阈值为船舶设计吃水设定值的90％，压载吃水阈值为船舶压载吃水设定值的110％。
15.优选地，所述实时能效指标计算获取步骤计算得到对应载况下的船舶平均油耗评估分级的各分界线，包括a级分界线、b级分界线、c级分界线和d级分界线；
16.所述实时能效评估分级步骤中，船舶平均油耗小于对应载况下的a级分界线时船舶实时能效为a级，船舶平均油耗大于等于对应载况下的a级分界线并小于b级分界线时船舶实时能效为b级，船舶平均油耗大于等于对应载况下的b级分界线并小于c级分界线时船舶实时能效为c级，船舶平均油耗大于等于对应载况下的c级分界线并小于d级分界线时船舶实时能效为d级，船舶平均油耗大于等于对应载况下的d级分界线时船舶实时能效为e级。
17.一种基于碳强度的船舶实时能效评估系统，其特征在于，包括依次连接的数据采集处理模块、船舶状态判定模块、实时能效指标计算获取模块和实时能效评估分级模块，
18.数据采集处理模块，利用船舶吃水压力传感器、全船燃油流量计和船舶定位部件进行数据采集处理，获取船舶平均吃水、船舶平均油耗和船舶平均对地航速；
19.船舶状态判定模块，根据船舶平均对地航速和船舶平均吃水判定船舶航行状态和载况，当船舶平均对地航速大于预设的航速阈值时，船舶为航行状态，否则为停泊或机动状态；当船舶平均吃水大于满载吃水阈值时，船舶载况为满载，当船舶平均吃水小于压载吃水阈值时船舶载况为压载，当船舶平均吃水介于压载吃水阈值和满载吃水阈值之间时为其它载况；
20.实时能效指标计算获取模块，以获取的船舶平均油耗作为实时能效评估指标，基于船舶年度碳强度等级分界线、船舶平均对地航速以及船舶载况计算得到对应载况下的船舶平均油耗评估分级各分界线；
21.实时能效评估分级模块，将船舶平均油耗与对应载况下的船舶平均油耗评估分级各分界线进行比对，对船舶平均油耗进行分级，以评估船舶的实时能效情况。
22.优选地，所述实时能效指标计算获取模块中，还获取实时能效评估关联参数，所述实时能效评估关联参数包括船舶载重、船舶使用燃油种类的碳系数、船舶全年压载与满载航行时间比值、船舶年度预计停泊天数、船舶不同航速下压载与满载的油耗比值；所述船舶全年压载与满载航行时间比值和船舶年度预计停泊天数均通过船舶历年统计数据或者同吨位船统计数据得到，所述船舶不同航速下压载与满载油耗比值采用试航数据或者采用历史数据拟合分析得到；基于船舶年度碳强度等级分界线、船舶平均对地航速、实时能效评估关联参数以及船舶载况计算得到对应载况下的船舶平均油耗评估分级各分界线。
23.优选地，所述数据采集处理模块对采集的数据先进行预处理，剔除缺失数据，然后对数据进行平均化处理，获取小时平均化数据，船舶吃水压力传感器获得的吃水数据和船舶定位部件获得的船舶对地航速数据均直接小时统计平均，得到船舶平均吃水和船舶平均对地航速，全船燃油流量计获得的全船燃油流量计数据则通过首尾断点值相减获得船舶平均油耗。
24.优选地，所述航速阈值为5节，所述满载吃水阈值为船舶设计吃水设定值的90％，压载吃水阈值为船舶压载吃水设定值的110％。
25.优选地，所述实时能效指标计算获取模块计算得到对应载况下的船舶平均油耗评估分级的各分界线，包括a级分界线、b级分界线、c级分界线和d级分界线；所述实时能效评估分级模块将船舶平均油耗与对应载况下的船舶平均油耗评估分级各分界线进行比对，对船舶平均油耗进行a～e分级，在达到c级时为合格目标，评估船舶的实时能效情况。
26.本发明的有益效果为：
27.本发明提供的一种基于碳强度的船舶实时能效评估方法，以船舶年度碳强度合规为前提，制定船舶实时能效评估指标，通过采集船舶实时能耗相关数据，以获取的船舶平均油耗作为实时能效评估指标，计算得到对应载况下的船舶平均油耗评估分级各分界线，从而对船舶不同载况和航速下的船舶的实时能效进行评估和分级，可以实时评估船舶的能效合规情况，解决了目前对船舶的相对能效进行评价无法为营运中船舶提供基于能效合规前提下的能效评价参考等问题，为船舶年度营运碳强度达标提供针对性的参考和指导。
28.本发明还涉及一种基于碳强度的船舶实时能效评估系统，该系统与上述的基于碳强度的船舶实时能效评估方法相对应，可理解为是一种实现上述基于碳强度的船舶实时能效评估方法的系统，包括数据采集处理模块、船舶状态判定模块、实时能效指标计算获取模块和实时能效评估分级模块，各模块相互协同工作，以船舶年度碳强度达到c级为合格目标，将船舶平均油耗作为实时能效评估指标，根据实时采集的吃水判定的载况，利用船舶平均对地航速计算指标评估分级线，可以实时评估船舶的能效合规情况，对船舶实时能效评估分级。
附图说明
29.图1是本发明基于碳强度的船舶实时能效评估方法的流程图。
30.图2是本发明船基于碳强度的船舶实时能效评估方法的原理图。
31.图3是本发明基于碳强度的船舶实时能效评估系统的结构框图。
具体实施方式
32.下面结合附图对本发明进行说明。
33.本发明涉及一种基于碳强度的船舶实时能效评估方法，该方法的流程图如图1所示，包括如下步骤：
34.一、数据采集处理步骤，利用船舶吃水压力传感器、全船燃油流量计和船舶定位部件进行数据采集处理，获取船舶平均吃水、船舶平均油耗和船舶平均对地航速。如图2所示原理图，也就是采集船舶吃水压力传感器、全船燃油流量计、船舶gps信号，采集频率建议1hz；再对原始数据进行预处理，剔除缺失数据；然后对数据进行平均化，获取小时平均化数据，其中压力传感器获得的吃水数据(该吃水数据指的是艏艉平均吃水数据)、gps获得船舶对地航速数据直接小时统计平均，得到船舶平均吃水(简称平均吃水，或小时平均吃水，是艏艉平均吃水数据再时间统计取平均)tm和船舶平均对地航速(以下简称平均对地航速)vg，全船燃油流量计信号则通过首尾断点值相减获得船舶平均油耗(即每小时油耗)fc。
35.二、船舶状态判定步骤，根据平均对地航速vg和船舶平均吃水tm判定船舶航行状态和载况，当船舶平均对地航速大于预设的航速阈值时，船舶为航行状态(或者说是正常航行状态)，否则为停泊或机动状态，当船舶平均吃水大于满载吃水阈值时，船舶载况为满载，小于压载吃水阈值时，船舶载况为压载，剩余为其它载况(即当船舶平均吃水介于压载吃水阈值和满载吃水阈值之间时为其它载况)。
36.船舶实时能效评估仅针对船舶航行，故首先判定船舶的航行/停泊状态，评价标准为：对地航速vg》5kn(kn为节，即航速阈值为5节)为正常航行状态，否则为停泊或机动状态；对航行状态数据进行载况判别，评价标准为：船舶平均吃水tm》0.9*td为满载，tm《1.1*tb为压载，1.1*tb≤tm≤0.9*td时为其它载况，其中td为初始设计阶段设定参数——船舶设计吃水设定值(对应艏艉平均吃水)，满载吃水阈值为0.9*td，tb为初始设计阶段设定参数——压载吃水设定值(对应艏艉平均吃水)，压载吃水阈值为1.1*tb。需要说明的是，上述各吃水阈值为实施例优选值，并非唯一限定，也可以设置为其他值，比如满载吃水阈值为0.8*td、0.92*td等等，又比如压载吃水阈值为1.2*tb、1.15*tb、1.18*tb等等。
37.三、实时能效指标计算获取步骤，以获取的船舶平均油耗fc作为实时能效评估指标，基于船舶年度碳强度等级分界线、船舶平均对地航速以及船舶载况计算得到对应载况下的船舶平均油耗评估分级各分界线。
38.1)根据船舶年度碳强度设定实时能效指标
39.以船舶年度碳强度cii达到特定分级为目标，以船舶不同载况、航速的每小时油耗为能效评价指标，对船舶进行实时能效分级评估。假设船舶满载状态下的平均对地航速(或称为满载航速)vg时每小时油耗为f(vg)，压载与满载每小时油耗比值为b(vg)，则船舶的年度碳强度cii(克每吨海里)为：
[0040][0041]
其中dwt为船舶载重吨；cf为船舶使用燃油种类的碳系数；t为满载航行小时；a1为全年压载与满载航行时间比值；n为船舶年度预计停泊天数；m为船舶停泊每日油耗吨数。
[0042]
船舶年度碳强度cii等级各条分界线对于某船某年度是确定值，假设将cii分级a
～d的上限分别记为ciia、ciib、ciic、cii-(克每吨海里)，则欲达到某个分级船舶实时每小时油耗吨数限制，即满载实时能效评估的分界线f(vg,i)如下：
[0043][0044]
f(vg,i)为满载实时能效评估的分界线，简称满载分界线，其中i为年度cii分级的即a、b、c、d，即f(vg,a)为船舶实时能效为a级分界线，f(vg,b)为船舶实时能效b级分界线。需要说明的是，压载实时能效评估的分界线(压载分界线)是油耗比(压载与满载油耗比值)与满载分界线的乘积，即压载分界线为g(vg)*f(vg,i)；剩余其他载况的分界线利用满载压载分界线通过吃水线性插值得到，即其他载况(平吃吃水为tm)分界线为)分界线为记为d(vg,tm)*f(vg,i)。
[0045]
2)获取实时能效评估关联参数
[0046]
船舶载重吨dwt为确定值；该实施例中，船舶使用燃油种类的碳系数cf重油取3.114，轻油取3.151，柴油/汽油取3.206。
[0047]
全年压载与满载航行时间比值a1，可以通过船舶历年统计数据或者同吨位船统计数据得到，如果缺乏资料可以设为1.0，也可利用当年采集的吃水数据，分析满载和压载占比，实时计算得到。
[0048]
n为船舶年度预计停泊天数，可以通过船舶历年统计数据或者同吨位船统计数据得到；也可利用当年的采集的航速数据，对判定为停泊状态的数据进行统计，假设为n1天，则全年预计统计天数为n1*365/当前已过天数。
[0049]
m为船舶停泊每日油耗吨数，以采用历史统计平均值或者经验值，也可采用当年采集的航速和油耗数据，对判定为停泊状态的油耗数据、停泊天数进行求和统计然后计算，即停泊总油耗/停泊总天数。
[0050]
b(vg)为船舶不同航速下压载与满载油耗比值，采用试航数据、历史数据或者当年采集数据拟合分析得到，建议采用指数函数拟合的方法，即假定然后根据实际数据采用最小二乘法确定系数k1和k2。
[0051]
如图2所示，获取实时能效评估关联参数后，代入满载实时能效评估的分界线f(vg,i)公式进行能效实时评价指标计算，即基于船舶年度碳强度等级分界线(已知量，ciia、ciib、ciic、cii-)、船舶平均对地航速vg、实时能效评估关联参数以及船舶载况计算得到对应载况下的船舶平均油耗评估分级各分界线。
[0052]
四、实时能效评估分级步骤，将船舶平均油耗与对应载况下的船舶平均油耗评估分级各分界线进行比对，对船舶平均油耗进行分级，即船舶实时能效分级(a、b、c、d、e)，以评估船舶的实时能效情况。
[0053]
以船舶年度碳强度达到c级为合格目标，将船舶每小时油耗fc为评估指标，根据实时采集的吃水判定的载况，利用对地航速vg计算指标评估分级线f(vg,i)，以满载为例，fc《f(vg,a)时船舶实时能效为a级，f(vg,a)≤fc《f(vg,b)是为b级，依次类推，a级为最优，c级为合格，e级为最差。对船舶实时能效评估分级如表1所示。
[0054]
表1
[0055][0056]
表1中的
[0057]
本发明还涉及一种基于碳强度的船舶实时能效评估系统，该系统与上述的基于碳强度的船舶实时能效评估方法相对应，可理解为是一种实现上述基于碳强度的船舶实时能效评估方法的系统，其结构如图3所示，包括依次连接的数据采集处理模块、船舶状态判定模块、实时能效指标计算获取模块和实时能效评估分级模块。
[0058]
其中，数据采集处理模块，利用船舶吃水压力传感器、全船燃油流量计和船舶定位部件进行数据采集处理，获取船舶平均吃水、船舶平均油耗和船舶平均对地航速。优选地，对采集的数据先进行预处理，剔除缺失数据，然后对数据进行平均化处理，获取小时平均化数据，船舶吃水压力传感器获得的吃水数据和船舶定位部件获得的船舶对地航速数据均直接小时统计平均，得到船舶平均吃水和船舶平均对地航速，全船燃油流量计获得的全船燃油流量计数据则通过首尾断点值相减获得船舶平均油耗。
[0059]
船舶状态判定模块，根据船舶平均对地航速和船舶平均吃水判定船舶航行状态和载况，当船舶平均对地航速大于预设的航速阈值时，船舶为正常航行状态，否则为停泊或机动状态，当船舶平均吃水大于满载吃水阈值时，船舶载况为满载，小于压载吃水阈值时，船舶载况为压载，剩余为其它载况。优选地，所述航速阈值为5节，满载吃水阈值为船舶设计吃水设定值的90％，压载吃水阈值为船舶压载吃水设定值的110％。
[0060]
实时能效指标计算获取模块，以获取的船舶平均油耗作为实时能效评估指标，基于船舶年度碳强度等级分界线、船舶平均对地航速以及船舶载况计算得到对应载况下的船舶平均油耗评估分级各分界线。进一步地，还获取实时能效评估关联参数，所述实时能效评估关联参数包括船舶载重、船舶使用燃油种类的碳系数、船舶全年压载与满载航行时间比值、船舶年度预计停泊天数、船舶不同航速下压载与满载油耗比值；所述船舶全年压载与满载航行时间比值和船舶年度预计停泊天数均通过船舶历年统计数据或者同吨位船统计数据得到，所述船舶不同航速下压载与满载油耗比值采用试航数据或者采用历史数据拟合分析得到；基于船舶年度碳强度等级分界线、船舶平均对地航速、实时能效评估关联参数以及船舶载况计算得到对应载况下的船舶平均油耗评估分级各分界线。
[0061]
实时能效评估分级模块，将船舶平均油耗与对应载况下的船舶平均油耗评估分级各分界线进行比对，对船舶平均油耗进行分级，以评估船舶的实时能效情况。优选地，该实时能效指标计算获取模块计算得到对应载况下的船舶平均油耗评估分级的各分界线，包括a级分界线、b级分界线、c级分界线和d级分界线；所述实时能效评估分级模块将船舶平均油耗与对应载况下的船舶平均油耗评估分级各分界线进行比对，对船舶平均油耗进行a～e分级，在达到c级时为合格目标，评估船舶的实时能效情况。
[0062]
本发明基于碳强度的船舶实时能效评估方法及系统，通过采集船舶吃水压力传感器、全船燃油流量计、船舶gps信号；对数据进行预处理和平均，取每小时平均数据，获得船舶的实时吃水tm、每小时总油耗fc和船舶对地航速vg，根据tm判断船舶载况，根据vg计算对应载况下的每小时油耗分级分界线，对船舶每小时油耗进行a～e分级，评价船舶的实时能效情况。
[0063]
应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创造，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。