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摘 要：随着世界经济一体化发展，船舶行业面临严峻的节能减排形势。为了让船东方了解船舶实时状态，文章基于大数据技术提出了一种船舶能效监测系统的软件架构。基于该架构设计了船舶能效智能监测系统，系统实现了对船舶数据的采集和在线监测，并通过海事卫星或4G网络与岸端系统保持同步更新，实现船岸信息共享，岸端系统能实现对船舶航行状态、油耗、功率等的分析。最终智能监测系统实现基于大数据的能效智能决策，从而为航运企业创造新的价值。
关键词：大数据;能效监测;能效分析;智能决策
中图分类号：TP311.13;TP393.08 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）17-0055-05
Abstract：With the increase of the proportion of the subjunctive economy，shipbuilding industry is facing severe situation of energy saving and emission reduction.In order to let the ship-owner know the real-time state of the ship，a software architecture of ship energy efficiency monitoring system based on big data technology is proposed. Based on this framework，automatic real-time acquisition and on-line monitoring of ship main equipment parameters are realized. Through maritime satellite or 4G network，the ship shore information can be shared with shore based system;the analysis of navigation status，fuel consumption and power is realized. Finally，the intelligent monitoring system realizes the energy efficiency intelligent decision based on big data，so as to create new value for shipping enterprises.
Keywords：big data;energy efficiency monitoring;energy efficiency analysis;intelligent decision
0 引 言
随着国际海事组织（IMO）海上环境保护委员会（MEPC）会议对提高船舶能效的技术性和操作性措施讨论的升级，关于船舶燃油消耗数据收集机制的讨论也日益升温。船舶燃油消耗数据收集机制要求在船舶营运过程中，监测反应船舶能效的各项参数，并对监测结果进行报告，由第三方验证机构核查报告并发放合格证明。国内外对船舶能效的研究，主要集中在公式的适用范围、参考线公式以及为减小新造船能效数值所采取的节能措施上面。面对即将强制实施的MRV机制，目前市场上并没有相应的完善且实用的监测和报告系统。自主研制船舶CO2排放监测、报告和验证（MRV）系统，可以为将来MRV机制的实施提供技术支持，对于促进航运业的技术进步、抢占MRV研究的制高点等方面具有重要意义。
本文综合集成计算机应用、传感器、数据采集、Modbus总线、远程传输、大数据处理、数值计算分析、统计回归分析等技术，提出了一种基于大数据技术的船舶能效监测系统的软件架构。基于此架构，作者主要完成岸端系统总体框架及部分模块的开发和船端系统及岸端系统部分模块的开发，实现对船舶轴功率、轴转速、主辅机油耗、风速风向、GPS、主机监测报警系统数据等主要设备参数的自动实时采集、在线监测;并通过海事卫星或4G网络与岸端系统保持同步更新，实现船岸信息共享;建立船舶航行状态数据库，实现对船舶航行状态、油耗、功率等的分析;为航运企业提供船舶排放控制区（ECA）预警、能效分析及报表管理服务，最终实现基于大数据的能效智能决策，从而为航运企业创造新的价值。
1 系统分析
EEOI根据一个航次或者多個航次的数据统计得出，需要对船舶航行及在港停泊期间船舶主机、副机、锅炉等所消耗的所有燃料油量进行统计。对此本监测系统有以下几点要求。
1.1 能效监控及计算分析
本系统需能够对船舶进行能效监控，可实时记录并显示船舶航速、轴功率、燃油消耗量、主机输出功率等数据，并计算EEOI指数，可在指定时间范围内生成报表（每海里油耗、每运输功油耗、每海里CO2排放及每运输单位CO2排放）。
1.2 船舶状态以及主辅机等状态监控
本系统可以完成对船舶状态的实时监控，可实时完成对主机、辅机、锅炉等耗能设备的功率、压力、温度、燃油消耗量的监测和记录，可在指定时间范围内生成报表（燃油小时消耗量、日消耗量等）。
1.3 船舶航行期间海洋环境参数记录
本系统可以完成对相对风速风向的实时显示和记录，并根据船舶航速航向，计算实时真实风速风向;可以完成对气温、气压、水深等自然环境的实时记录，并可以根据用户要求生成报表（指定时间范围内）。
2 系统设计
2.1 系统总体架构 系统采用船端系统+岸端系统的方式进行建设，船端系统部署在每条需要监测的船舶上。岸端系统部署在岸端系统应用服务器上。每个船端系统通过海事卫星或4G网络实现与岸端系统的通信，如图1所示。
2.1.1 船端系统
船端系统采用基于C++的C/S架构进行设计，船端系统基于总线技术实现船舶设备参数的采集，包括主机、辅机、风速仪、燃油流量计等设备。船端系统可实现实时数据的采集、展示预警等功能，并能与岸端系统进行连接，将实时数据传递到岸端系统。
2.1.2 岸端系统
岸端系统采用基于PHP的B/S架构的Web系统进行设计，实时接收来自各船端系统的数据进行监测与存储，并提供能效分析和报表管理功能。
2.2 系统组成及实现方法
2.2.1 船端系統
船端系统由数据采集模块、数据处理模块、数据传输模块三个核心模块组成，如图2所示。
2.2.1.1 数据采集模块
数据采集模块采用基于Modbus协议的数据采集方式，将数据从Modbus总线中读取出来。Modbus协议是电子控制器常用的一种语言，通过此协议，控制器可以与其他控制器或其他控制设备进行通信。在船端安装了远程数据采集模块，使用Modbus协议进行船端数据采集。数据采集主要实现对船舶轴功率、轴转速、主辅机油耗、风速风向、GPS、主机监测报警系统数据等主要设备参数的自动实时采集、在线监测，并通过海事卫星或4G网络与岸端系统保持同步更新。
2.2.1.2 数据处理模块
数据处理模块通过数据采集模块取得船端各设备数据，数据格式均为16进制报文数据，数据处理模块基于船舶总线数据协议，对16进制报文进行转义。
2.2.1.3 数据传输模块
船端通过基于TCP/IP协议的Socket通信方式与岸端系统进行数据传输。
鉴于船舶上数据传输需要通过4G网络或海事卫星，对数据流量大小比较敏感，作者考虑传统JSON数据格式占用数据过大，决定采用自定义二进制文本方式进行传输。这种方式占用网络数据小，不含有冗余数据，占用带宽小，占用资源小，网络IO少，提高了传输效率。此外，考虑到数据安全性，数据传输模块将传输数据进行加密，提高数据传输的网络安全性，最终的传输格式为加密的自定义二进制文本方式。
2.2.2 岸端系统
岸端系统基于PHP实现，岸端系统由数据接收模块、数据监控模块、数据存储模块、数据分析模块、报表管理模块五个核心模块组成，如图3所示。
2.2.2.1 数据接收模块
岸端系统的数据接收模块采用了基于PHP的Workerman框架。Workerman是一个高性能的PHP Socket服务器框架，其本身也是一个PHP多进程服务器框架，具有PHP进程管理以及Socket通信的模块，所以不需要依赖如Apache的其他容器便可独立运行。
Worker是WorkerMan中最基本的容器，Worker可以开启多个进程监听端口并使用特定协议通讯。每个Worker进程都可以独立运作，都能连接上万的客户端，并且可以处理已连接的客户端上发来的数据。
2.2.2.2 数据监控模块
数据监测模块通过仪表盘、柱状图、折线图、数据表格等展现形式，将数据接收模块接收的船舶航速、轴功率、燃油消耗量、主机输出功率等数据进行实时展示。
2.2.2.3 数据存储模块
数据存储模块采用MySQL数据库进行数据存储，分别建立航次管理、船舶动态、加油管理、油品切换记录、油耗管理、轴功率、燃油流量、风速流向、GPS、午报、欧盟报告、IMO报告等核心数据表。数据接收模块接收数据后通过数据存储模块接口进行数据存储。
2.2.2.4 能效分析模块
能效分析模块为本系统的核心模块，其基于存储的数据进行能效指数的计算。
计算公式来自《环保会MEPC.1/Circ.684通函：船舶能效营运指数（EEOI）自愿使用指南》：
能效营运指数（EE0I）：船舶单位运输作业所排放的CO2量，即消耗燃油所排放的CO2与货物的数量和运输距离的比值，用来衡量阶段时期内船舶能效的高低。
EEOI核心计算公式如下：
一个航次EEOI的基本表达式为：
平均EE0I：为船舶某段时间或多个航次运输作业所排放的CO2量。如获得某段时间或多个航程的指数平均值，指数计算为：
式中：j为燃油类型;i为航程数;FCij为在航程i中燃油j的消耗量;CFj为燃油j 的燃油量与CO2量转换系数;mcargo为客船所载货物（吨）或所做的功（TEU或乘客数量）或总吨;D为对应于所载货物或所做的功的距离（海里）。
2.2.2.5 报表管理模块
报表管理模块基于固定格式，选择时间区间产生报表。报表包括午报、月报、季报、年报、IMO报告等。
3 系统实现
3.1 船端系统
根据船端系统框架设计，实现船舶能效智能监测管理系统的船端系统，完成了数据采集、数据处理和数据传输。在船端系统可实时查看采集到的输入，如图4所示。
3.2 岸端系统
根据岸端系统框架设计，实现船舶能效智能监测管理系统的岸端系统，完成了营运信息、状态监测、能效分析、报表管理等功能建设，实现了数据接收、数据存储、数据监控、能效分析等模块功能点。 3.2.1 营运信息
船东方企业可以查看船舶的航次管理信息、船舶动态、加油管理、油品切换记录及油耗管理信息，航次信息如图5所示。
3.2.2 状态监测
状态监测功能可以实现对船舶测量参数的实时显示和数据导出，支持数据以Excel格式导出。显示内容包含轴功率、燃油流量、风速流向、GPS，可以指定船舶統计时间，结合一段时间内的船舶数据进行统计分析，燃油流量监测如图6所示。
3.2.3 基于采集及输入数据进行能效分析
分析模块能支持指定船舶、不同时间段航速、燃料消耗、CO2等维度的数据分析，可展示同一时间点内数据，能够结合特定要求，将统计信息图片导出，如图7所示。
4 结 论
在当前船舶燃油消耗数据收集机制日趋重要的形势下，通过本系统的建设，能有效地完成船舶进出港信息、燃油消耗、载货量、航行距离、航行状态等数据的监测与记录，实现了船舶能效营运指数等数据的计算与分析，建立了完善且实用的监测报告机制与系统，对促进航运业的技术进步具有重要意义。该系统已在节能技术发展有限公司实施，系统上线以来运行良好，性能稳定，能效分析结果及时，系统在后期维护中不断进行更新，扩展功能模块，更好地满足了船运行业的需求。
参考文献：
[1] writer786. 环保会MEPC.282（70）决议 （2016年10月28日通过） 2016年船舶能效管理计划（SEEMP）编制指南 [EB/OL].（2019-09-17）.https：//wenku.baidu.com/view/37ef64ce302b3169a45177232f60ddccda38e69a.html.
[2] 中国船检.IMO航运减排大幕正式拉开 [EB/OL].（2018-01-09）.http：//www.cssponline.com/plus/view.php？aid =10799.
[3] 中国船级社.船舶CO2排放监测、报告和验证实施指南 2018 [EB/OL].（2018-09-13）.https：//www.ccs.org.cn/ccswz/articleDetail？id=201900001000008822.
[4] 沈通，杨世知.全球碳减排背景下的欧盟MRV规则 [J].中国船检，2015（11）：35-38.
[5] 徐延军，王敏.基于能效管理的船舶经济航速决策系统 [J].中国航海，2013，36（4）：135-138.
作者简介：管芳景（1980—），女，汉族，河南濮阳人，副教授，硕士，研究方向：计算机应用技术、系统仿真。
关键词：大数据;能效监测;能效分析;智能决策
中图分类号：TP311.13;TP393.08 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）17-0055-05
Abstract：With the increase of the proportion of the subjunctive economy，shipbuilding industry is facing severe situation of energy saving and emission reduction.In order to let the ship-owner know the real-time state of the ship，a software architecture of ship energy efficiency monitoring system based on big data technology is proposed. Based on this framework，automatic real-time acquisition and on-line monitoring of ship main equipment parameters are realized. Through maritime satellite or 4G network，the ship shore information can be shared with shore based system;the analysis of navigation status，fuel consumption and power is realized. Finally，the intelligent monitoring system realizes the energy efficiency intelligent decision based on big data，so as to create new value for shipping enterprises.
Keywords：big data;energy efficiency monitoring;energy efficiency analysis;intelligent decision
0 引 言
随着国际海事组织（IMO）海上环境保护委员会（MEPC）会议对提高船舶能效的技术性和操作性措施讨论的升级，关于船舶燃油消耗数据收集机制的讨论也日益升温。船舶燃油消耗数据收集机制要求在船舶营运过程中，监测反应船舶能效的各项参数，并对监测结果进行报告，由第三方验证机构核查报告并发放合格证明。国内外对船舶能效的研究，主要集中在公式的适用范围、参考线公式以及为减小新造船能效数值所采取的节能措施上面。面对即将强制实施的MRV机制，目前市场上并没有相应的完善且实用的监测和报告系统。自主研制船舶CO2排放监测、报告和验证（MRV）系统，可以为将来MRV机制的实施提供技术支持，对于促进航运业的技术进步、抢占MRV研究的制高点等方面具有重要意义。
本文综合集成计算机应用、传感器、数据采集、Modbus总线、远程传输、大数据处理、数值计算分析、统计回归分析等技术，提出了一种基于大数据技术的船舶能效监测系统的软件架构。基于此架构，作者主要完成岸端系统总体框架及部分模块的开发和船端系统及岸端系统部分模块的开发，实现对船舶轴功率、轴转速、主辅机油耗、风速风向、GPS、主机监测报警系统数据等主要设备参数的自动实时采集、在线监测;并通过海事卫星或4G网络与岸端系统保持同步更新，实现船岸信息共享;建立船舶航行状态数据库，实现对船舶航行状态、油耗、功率等的分析;为航运企业提供船舶排放控制区（ECA）预警、能效分析及报表管理服务，最终实现基于大数据的能效智能决策，从而为航运企业创造新的价值。
1 系统分析
EEOI根据一个航次或者多個航次的数据统计得出，需要对船舶航行及在港停泊期间船舶主机、副机、锅炉等所消耗的所有燃料油量进行统计。对此本监测系统有以下几点要求。
1.1 能效监控及计算分析
本系统需能够对船舶进行能效监控，可实时记录并显示船舶航速、轴功率、燃油消耗量、主机输出功率等数据，并计算EEOI指数，可在指定时间范围内生成报表（每海里油耗、每运输功油耗、每海里CO2排放及每运输单位CO2排放）。
1.2 船舶状态以及主辅机等状态监控
本系统可以完成对船舶状态的实时监控，可实时完成对主机、辅机、锅炉等耗能设备的功率、压力、温度、燃油消耗量的监测和记录，可在指定时间范围内生成报表（燃油小时消耗量、日消耗量等）。
1.3 船舶航行期间海洋环境参数记录
本系统可以完成对相对风速风向的实时显示和记录，并根据船舶航速航向，计算实时真实风速风向;可以完成对气温、气压、水深等自然环境的实时记录，并可以根据用户要求生成报表（指定时间范围内）。
2 系统设计
2.1 系统总体架构 系统采用船端系统+岸端系统的方式进行建设，船端系统部署在每条需要监测的船舶上。岸端系统部署在岸端系统应用服务器上。每个船端系统通过海事卫星或4G网络实现与岸端系统的通信，如图1所示。
2.1.1 船端系统
船端系统采用基于C++的C/S架构进行设计，船端系统基于总线技术实现船舶设备参数的采集，包括主机、辅机、风速仪、燃油流量计等设备。船端系统可实现实时数据的采集、展示预警等功能，并能与岸端系统进行连接，将实时数据传递到岸端系统。
2.1.2 岸端系统
岸端系统采用基于PHP的B/S架构的Web系统进行设计，实时接收来自各船端系统的数据进行监测与存储，并提供能效分析和报表管理功能。
2.2 系统组成及实现方法
2.2.1 船端系統
船端系统由数据采集模块、数据处理模块、数据传输模块三个核心模块组成，如图2所示。
2.2.1.1 数据采集模块
数据采集模块采用基于Modbus协议的数据采集方式，将数据从Modbus总线中读取出来。Modbus协议是电子控制器常用的一种语言，通过此协议，控制器可以与其他控制器或其他控制设备进行通信。在船端安装了远程数据采集模块，使用Modbus协议进行船端数据采集。数据采集主要实现对船舶轴功率、轴转速、主辅机油耗、风速风向、GPS、主机监测报警系统数据等主要设备参数的自动实时采集、在线监测，并通过海事卫星或4G网络与岸端系统保持同步更新。
2.2.1.2 数据处理模块
数据处理模块通过数据采集模块取得船端各设备数据，数据格式均为16进制报文数据，数据处理模块基于船舶总线数据协议，对16进制报文进行转义。
2.2.1.3 数据传输模块
船端通过基于TCP/IP协议的Socket通信方式与岸端系统进行数据传输。
鉴于船舶上数据传输需要通过4G网络或海事卫星，对数据流量大小比较敏感，作者考虑传统JSON数据格式占用数据过大，决定采用自定义二进制文本方式进行传输。这种方式占用网络数据小，不含有冗余数据，占用带宽小，占用资源小，网络IO少，提高了传输效率。此外，考虑到数据安全性，数据传输模块将传输数据进行加密，提高数据传输的网络安全性，最终的传输格式为加密的自定义二进制文本方式。
2.2.2 岸端系统
岸端系统基于PHP实现，岸端系统由数据接收模块、数据监控模块、数据存储模块、数据分析模块、报表管理模块五个核心模块组成，如图3所示。
2.2.2.1 数据接收模块
岸端系统的数据接收模块采用了基于PHP的Workerman框架。Workerman是一个高性能的PHP Socket服务器框架，其本身也是一个PHP多进程服务器框架，具有PHP进程管理以及Socket通信的模块，所以不需要依赖如Apache的其他容器便可独立运行。
Worker是WorkerMan中最基本的容器，Worker可以开启多个进程监听端口并使用特定协议通讯。每个Worker进程都可以独立运作，都能连接上万的客户端，并且可以处理已连接的客户端上发来的数据。
2.2.2.2 数据监控模块
数据监测模块通过仪表盘、柱状图、折线图、数据表格等展现形式，将数据接收模块接收的船舶航速、轴功率、燃油消耗量、主机输出功率等数据进行实时展示。
2.2.2.3 数据存储模块
数据存储模块采用MySQL数据库进行数据存储，分别建立航次管理、船舶动态、加油管理、油品切换记录、油耗管理、轴功率、燃油流量、风速流向、GPS、午报、欧盟报告、IMO报告等核心数据表。数据接收模块接收数据后通过数据存储模块接口进行数据存储。
2.2.2.4 能效分析模块
能效分析模块为本系统的核心模块，其基于存储的数据进行能效指数的计算。
计算公式来自《环保会MEPC.1/Circ.684通函：船舶能效营运指数（EEOI）自愿使用指南》：
能效营运指数（EE0I）：船舶单位运输作业所排放的CO2量，即消耗燃油所排放的CO2与货物的数量和运输距离的比值，用来衡量阶段时期内船舶能效的高低。
EEOI核心计算公式如下：
一个航次EEOI的基本表达式为：
平均EE0I：为船舶某段时间或多个航次运输作业所排放的CO2量。如获得某段时间或多个航程的指数平均值，指数计算为：
式中：j为燃油类型;i为航程数;FCij为在航程i中燃油j的消耗量;CFj为燃油j 的燃油量与CO2量转换系数;mcargo为客船所载货物（吨）或所做的功（TEU或乘客数量）或总吨;D为对应于所载货物或所做的功的距离（海里）。
2.2.2.5 报表管理模块
报表管理模块基于固定格式，选择时间区间产生报表。报表包括午报、月报、季报、年报、IMO报告等。
3 系统实现
3.1 船端系统
根据船端系统框架设计，实现船舶能效智能监测管理系统的船端系统，完成了数据采集、数据处理和数据传输。在船端系统可实时查看采集到的输入，如图4所示。
3.2 岸端系统
根据岸端系统框架设计，实现船舶能效智能监测管理系统的岸端系统，完成了营运信息、状态监测、能效分析、报表管理等功能建设，实现了数据接收、数据存储、数据监控、能效分析等模块功能点。 3.2.1 营运信息
船东方企业可以查看船舶的航次管理信息、船舶动态、加油管理、油品切换记录及油耗管理信息，航次信息如图5所示。
3.2.2 状态监测
状态监测功能可以实现对船舶测量参数的实时显示和数据导出，支持数据以Excel格式导出。显示内容包含轴功率、燃油流量、风速流向、GPS，可以指定船舶統计时间，结合一段时间内的船舶数据进行统计分析，燃油流量监测如图6所示。
3.2.3 基于采集及输入数据进行能效分析
分析模块能支持指定船舶、不同时间段航速、燃料消耗、CO2等维度的数据分析，可展示同一时间点内数据，能够结合特定要求，将统计信息图片导出，如图7所示。
4 结 论
在当前船舶燃油消耗数据收集机制日趋重要的形势下，通过本系统的建设，能有效地完成船舶进出港信息、燃油消耗、载货量、航行距离、航行状态等数据的监测与记录，实现了船舶能效营运指数等数据的计算与分析，建立了完善且实用的监测报告机制与系统，对促进航运业的技术进步具有重要意义。该系统已在节能技术发展有限公司实施，系统上线以来运行良好，性能稳定，能效分析结果及时，系统在后期维护中不断进行更新，扩展功能模块，更好地满足了船运行业的需求。
参考文献：
[1] writer786. 环保会MEPC.282（70）决议 （2016年10月28日通过） 2016年船舶能效管理计划（SEEMP）编制指南 [EB/OL].（2019-09-17）.https：//wenku.baidu.com/view/37ef64ce302b3169a45177232f60ddccda38e69a.html.
[2] 中国船检.IMO航运减排大幕正式拉开 [EB/OL].（2018-01-09）.http：//www.cssponline.com/plus/view.php？aid =10799.
[3] 中国船级社.船舶CO2排放监测、报告和验证实施指南 2018 [EB/OL].（2018-09-13）.https：//www.ccs.org.cn/ccswz/articleDetail？id=201900001000008822.
[4] 沈通，杨世知.全球碳减排背景下的欧盟MRV规则 [J].中国船检，2015（11）：35-38.
[5] 徐延军，王敏.基于能效管理的船舶经济航速决策系统 [J].中国航海，2013，36（4）：135-138.
作者简介：管芳景（1980—），女，汉族，河南濮阳人，副教授，硕士，研究方向：计算机应用技术、系统仿真。