目錄
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“博士後文庫”序言
序
前言
第1章 船舶營運能效優化概述1
1 1船舶營運能效優化管理的內涵與意義1
1 1 1船舶營運能效優化管理的內涵1
1 1 2船舶營運能效優化管理的意義1
1 2船舶營運能效優化技術研究與發展現狀3
1 2 1船舶能效智能監測與分析研究現狀3
1 2 2船舶能效智能優化模型與算法研究現狀10
1 2 3船舶營運管理節 能技術發展現狀16
1 3本書主要內容33參考文獻36
第2章 船舶能效管理要求與優化技術體系40
2 1船舶能效管理要求40
2 1 1船舶能效法規與管理機制40
2 1 2能效管理規範與檢驗指南44
2 2船舶營運能效優化技術體系46
2 2 1船舶能效監測技術46
2 2 2船舶能效數據處理技術47
2 2 3船舶能效分析與評估技術51
2 2 4船舶航速優化技術67
2 2 5船舶航線優化技術68
2 2 6船舶航行姿態優化技術69
2 2 7船舶能耗系統優化管理控制技術70
2 2 8混合動力系統能效優化管理技術70
2 3本章 小結71參考文獻71
第3章 船舶營運能效建模理論與方法73
3 1考慮多因素的船舶能效機理模型73
3 1 1船舶推進系統能量傳遞關係分析74
3 1 2船舶主機油耗模型構建85
3 1 3船舶主機油耗模型分析89
3 2基於機器學習的船舶能效模型89
3 2 1基於BP神經網絡的船舶能效模型89
3 2 2基於DBN的船舶能效模型91
3 2 3基於KNN算法的船舶能效模型93
3 2 4基於決策樹的船舶能效模型94
3 2 5基於SVM的船舶能效模型96
3 2 6基於機器學習的能效模型對比分析99
3 3數據與知識融合驅動的船舶能效模型109
3 3 1數據與知識融合驅動的灰箱模型109
3 3 2船舶能耗灰箱模型構建方法110
3 3 3船舶能耗灰箱模型超參數優化111
3 3 4基於灰箱模型的船舶能耗預測分析114
3 3 5船舶能耗灰箱模型特點分析115
3 4本章 小結116參考文獻116
第4章 船舶航速智能優化方法118
4 1船舶航速智能優化實現方法118
4 2船舶航行海況分析與類別劃分119
4 2 1數據獲取與預處理119
4 2 2基於聚類算法的航行海況類別劃分121
4 3航段智能劃分方法126
4 3 1船舶物理轉向點智能識別126
4 3 2航行海況智能識別128
4 3 3航段智能劃分131
4 4船舶航速智能優化與效果分析131
4 4 1航速優化實現過程131
4 4 2航速優化模型132
4 4 3智能優化算法133
4 4 4船舶航速優化效果分析134
4 5本章 小結138參考文獻138
第5章 船舶航線智能優化方法140
5 1船舶航線分析140
5 1 1不同航線特點分析140
5 1 2航線氣象影響因素141
5 1 3船舶航線優化分析141
5 2船舶航線智能優化實現方法142
5 3船舶航線智能優化模型與算法143
5 3 1航線優化模型143
5 3 2基於PSO的航線智能優化算法145
5 4船舶航線智能優化案例分析149
5 4 1船舶運行數據分析149
5 4 2目標海域氣象特徵分析152
5 4 3航行海域網格化處理156
5 4 4航線優化結果分析157
5 5本章 小結159參考文獻159
第6章 船舶縱傾智能優化決策方法160
6 1船舶縱傾智能優化決策實現方法160
6 1 1船舶縱傾基本概念160
6 1 2縱傾優化決策實現方法162
6 2不同縱傾下船舶航行阻力分析164
6 2 1船舶阻力分類及成因164
6 2 2基於CFD仿真計算的船舶靜水阻力分析164
6 3船舶縱傾優化決策模型與算法170
6 3 1縱傾優化決策模型170
6 3 2昀佳縱傾智能決策算法171
6 3 3昀佳縱傾節 能效果分析175
6 4本章 小結178參考文獻179
第7章 船舶能效聯合智能優化方法180
7 1船舶航線航速聯合智能優化方法180
7 1 1航行海域網格化180
7 1 2聯合優化模型182
7 1 3聯合智能優化算法184
7 1 4聯合優化案例分析186
7 2時變要素影響下船舶能效動態聯合優化方法192
7 2 1船舶能效時空分佈特徵分析192
7 2 2基於時空分佈特徵分析的船舶能耗預測195
7 2 3航線航速動態聯合智能優化方法198
7 2 4動態聯合優化結果分析201
7 3本章 小結204參考文獻205
第8章 新能源混合動力船舶能效智能優化方法206
8 1船舶清潔能源應用技術分析206
8 1 1風能應用技術分析207
8 1 2太陽能應用技術分析209
8 1 3替代燃料應用技術分析210
8 1 4遠洋船舶清潔能源適用性分析211
8 2風帆助航船舶能效分析與評價212
8 3風翼助航船舶能效聯合智能優化方法214
8 3 1風翼助航船舶混合動力系統架構分析214
8 3 2風翼攻角與船舶航速聯合優化實現方法215
8 3 3風翼助航船舶能效聯合優化模型與智能優化算法216
8 3 4風翼助航船舶能效優化效果分析220
8 4風翼助航船舶能效多源協同智能優化方法230
8 4 1多源協同智能優化實現方法230
8 4 2多源協同優化模型與算法232
8 4 3多源協同智能優化效果分析235
8 5本章 小結244
參考文獻244
第9章 船舶能效優化管理技術應用與發展趨勢分析245
9 1能效優化管理技術碳減排效果與應用前景分析245
9 1 1能效優化管理技術碳減排效果分析245
9 1 2能效優化管理技術應用前景分析248
9 2面向法規要求的船舶能效優化管理技術發展分析249
9 3能效優化管理技術發展趨勢與發展路徑分析250
9 3 1能效優化管理技術發展趨勢250
9 3 2能效優化管理技術發展路徑252
9 4本章 小結254參考文獻254
編後記256
精彩書摘
第1章 船舶營運能效優化概述
本章 闡明了船舶營運能效優化管理的內涵與意義，分析了船舶營運能效優化技術的研究與發展現狀，並論述了本書的主要內容。
1 1船舶營運能效優化管理的內涵與意義
1 1 1船舶營運能效優化管理的內涵
船舶營運能效優化管理是指對船舶能源消耗、能源利用效率和CO2排放進行控制和管理的相關活動，包括制定能效方針、目標，以及能效策劃、能效控制和能效改進。船舶營運能效優化管理通過制定船舶能效評價指標、採用船舶能效提升方法與技術、建立船舶能效綜合管理體系，來提高船舶能源利用效率並減少碳排放，進而實現船舶節 能減排的目標。
智能能效是船舶智能化發展的重要內容之一，以實現船舶能效實時監控、智能評估及優化，以及提高船舶能效管理水平為目的，通過大數據分析、能效建模及智能優化等關鍵技術，為船舶提供能效評估分析結果和輔助決策建議[1]。智能能效通過能耗在線智能監控和船舶航行優化決策與控制，可以實現船舶能耗的智能分析、評估與自主決策。船舶能效智能在線監控、航速優化、基於縱傾優化的船舶*佳配載等技術的應用，可有效提高船舶營運能效水平，降低船舶能耗和溫室氣體排放，對促進船舶的綠色化與智能化發展具有重要意義[2]。
1 1 2船舶營運能效優化管理的意義
隨著世界航運貿易量的增長，船舶燃油消耗產生的CO2排放隨之攀升。為降低航運業的碳排放，IMO等相關組織提出了一系列溫室氣體排放控制法規和減排措施[3]。我國政府也非常重視氣候變化與污染氣體排放問題，先後提出了一系列航運業溫室氣體減排政策和指導文件。在低碳航運發展戰略背景下，船舶作為碳排放的大戶，面臨巨大的減排壓力，如何在保證船舶航行安全的前提下，實現船舶節 能減排的目標，對滿足日益嚴格的排放法規、落實國家重大發展戰略，以及降低船舶營運成本和提高航運企業市場核心競爭力等方面都具有重要意義。
2大型遠洋船舶營運能效智能優化技術
1 滿足日益嚴格的船舶碳排放控制法規的必然要求
隨著國際社會對溫室氣體排放問題的持續關注，海洋環境保護委員會（Marine Environment Protection Committee，MEPC）也非常重視船舶污染氣體排放問題，並開展MARPOL附則Ⅵ”防止船舶造成空氣污染規則”的修訂工作。第59屆MEPC會議上通過了《新船能效設計指數（EEDI）計算方法臨時導則》《新船能效設計指數自願驗證臨時導則》《船舶能效管理計劃（SEEMP）制訂導則》《船舶能效營運指數（EEOI）自願使用導則》等技術通函。第62屆MEPC會議審議通過了國際航行船舶溫室氣體減排措施，即在MARPOL附則Ⅵ中增加了新的船舶能效附則，標誌著世界*部具有強制性的CO2減排法規的實施和生效。隨著溫室氣體減排策略及溫室氣體排放法規的相繼出臺並生效，節 能減排已成為航運業重要的戰略措施。航運業作為碳排放的主要來源之一，面臨巨大的減排壓力，如何在確保船舶安全航行的條件下，有效降低船舶能耗和溫室氣體排放，成為航運業亟待解決的重大課題[4]。
船舶溫室氣體排放主要來源於船舶燃料的消耗，如何採取有效措施降低船舶燃料消耗是降低船舶溫室氣體排放的有效途徑，也是滿足船舶排放控制法規的內在需求。船舶營運能效優化管理的研究與應用可有效降低船舶燃油消耗，因此，其是滿足船舶排放控制法規的必然要求。
2 落實國家低碳航運發展戰略的具體體現
我國政府非常重視航運業的能源消耗與污染氣體排放問題，《”十三五”控制溫室氣體排放工作方案》明確提出了船舶節 能減排的措施和實施方案，並確立了降低營運船舶CO2排放的目標。此外，交通運輸部於2015年底發佈了《關於珠三角、長三角、環渤海（京津冀）水域船舶排放控制區實施方案》，通過建立船舶大氣污染排放控制區，加快推進船舶節 能減排和綠色航運的發展。在規範制定方面，中國船級社發佈了以綠色和可持續發展為核心內容的《綠色船舶規範2015》，倡導發展和應用綠色技術。
此外，信息感知、大數據分析、人工智能等相關技術的快速發展，有力地推動了船舶能效管理技術的智能化發展，不斷提升船舶能效管理的數字化與智能化水平，並在一定程度上促進了船舶智能能效管理系統的研發和應用[5]。《智能船舶規範（2024）》《智能船舶發展行動計劃（2019—2021年）》等相關文件，都把船舶智能能效管理作為智能船舶發展的主要內容之一，由此可見，船舶智能能效管理是智能船舶發展的重要一環。船舶智能能效管理通過能耗在線智能監控和船舶航行的優化決策與控制，可以實現船舶能耗的自動監測、分析與自主決策，從而降低船舶能耗和溫室氣體排放，因此，其是落實國家低碳航運發展戰略的具體體現，對促進船舶的綠色化與低碳化發展具有重要意義。
3 提升航運業市場核心競爭力的迫切需要
船舶燃油的成本約占船舶運營成本的60%以上，可以說燃油的費用支出是船舶運營的主要成本，其對船舶運營的經濟性及航運企業的市場核心競爭力具有較大影響。然而，目前我國船舶動力系統的運行效率及能效水平還有待進一步提高，能源利用效率尚有較大的提升空間。通過船舶營運能效優化管理，可有效降低船舶能耗和運營成本，進而可以提高航運企業的經濟效益[6]。因此，船舶營運管理節 能技術與方法的研究與應用，不僅可以提高船舶的能效水平，也可以提升航運企業市場核心競爭力。
船舶能效智能優化技術與控制系統的研發和應用可以促進船舶的綠色化發展，降低船舶能耗，並有效提高船舶營運經濟性，是航運公司發展的內在需求。此外，船舶能效智能優化與控制系統的研發和應用可以提高船舶的信息化與智能化水平，減少人力成本，實現船舶營運的精細化管理[7]。然而，目前我國在船舶能效智能優化關鍵技術及能效優化控制系統核心產品方面的研發和應用不足，亟須開展船舶營運節 能優化管理關鍵技術的研究與應用，打破國外