武汉理工大学船舶新能源与能效控制技术团队：内河船舶能效优化技术

科学出版社

2025-03-01 06:00发布于北京科学出版社官方账号

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在过去的五十年里，人类文明得到了空前的发展，但这种辉煌是建立在无节制的化石能源消耗之上的，导致CO₂ 和其他温室气体的排放量不断增加，加剧全球气候变暖。国际能源署(International Energy Agency，IEA)数据显示，2018 年全球CO₂排放总量高达33513.25Mt(million tonnes)，其中由化石能源燃烧造成的CO₂排放量已占CO₂ 排放总量的34.06%。能源消耗造成的CO₂ 排放在全球变暖问题中是不可忽视的。交通运输作为国民经济和社会发展的基础产业和服务行业，是社会经济活动中物流和客流的载体，在国家经济和社会发展中具有重要的作用。水路运输具有运量大、成本低、环境友好等优势，对国民经济的发展和国际贸易起着重要的支撑作用。

船舶能效

船舶能效是用于衡量船舶对能源利用效率大小的一种评价指标，即对于投入营运或者正在设计的船舶，考虑其在投入生产过程中为航运企业提供的服务获得的回报所对应的能耗与总能耗之比。提高能效，是指用更少的能耗投入提供同等能耗的服务。

随着全球贸易的增长，航运业排放的CO₂ 对气候问题产生的负面影响引起了人们的广泛关注。此外，不断提升的燃油成本也给航运企业的营运带来了诸多挑战。减少燃油成本对航运企业来说是具有吸引力的，航运企业仍有意图采取更经济节能的措施。基于上述原因，船舶能效优化是能够同时解决环境问题和经济问题的措施之一。航运业排放的温室气体与船舶油耗密切相关，提高船舶能效水平，降低船舶油耗，既能帮助航运企业降低成本，也有利于减少温室气体排放。在复杂的国际环境下，各国及国际组织都开始制定落实控制排放的相关法规，并且排放标准越来越严格，以此来促使船舶相关企业落实节能减排政策。

航运业的发展受各种具有强制性的法规、公约和不断攀升的航运成本综合约束。为了顺应时代的发展，船舶节能减排相关课题研究与应用也得到了快速完善并取得了进步。船舶能效研究是节能减排和提升船舶企业竞争力的有效途径之一，通过对船舶营运管理方式及动力系统的统筹优化，可以在确保减少航运业碳排放量的同时增加企业的利润。近年来，内河船舶能效优化成为学术界关注的焦点，研究人员研究并提出了各种能效优化方法。

▲ 船舶能效优化方法

如图所示，提高船舶能效，一方面可以采用各种技术优化方法，另一方面可以采用营运优化方法。技术优化方法包括螺旋桨改进、船体防污措施、发动机改进、船体优化设计和采用清洁能源等。但采用这些新的技术措施需要增加额外的成本，而在营运的过程中通过各种措施提高船舶能效成本更低甚至不需要投资，因此船东更愿意通过营运优化措施来提高船舶能效。内河船舶航道较窄，航线较为固定，因此内河船舶较为常用的营运优化方法包括航速优化、纵倾优化和船队部署优化等。

▲ 航速优化策略

▲ 船舶能效管理系统结构

在此背景下，武汉理工大学船舶新能源与能效控制技术团队依托国家自然科学基金项目“船舶主机能效与通航环境动态响应关系研究”、国家科技支撑计划项目“长江船运主力船型清洁能源推进系统关键技术及示范应用”“高能效江海直达关键技术”、国家重点研发计划项目“船舶运行能效提升与排放控制技术”、工业和信息化部绿色智能内河船舶创新专项、工信部高技术船舶科技专项“内河500 客位以上客船节能环保示范船开发”“船舶混合动力系统工程化应用研究”等，从船舶的能耗系统的分析、能效采集系统的设计、数据的预处理与分析、能源消耗实时分析、能效智能评估、能效的动态建模、营运效果分析与节能减排智能决策技术以及能效管理系统的开发等方面开展系统性研究，取得一系列研究成果。

袁裕鹏, 王凯, 尹奇志著

北京 :科学出版社, 2025.2

(交通安全科学与技术学术著作丛书)

ISBN 978-7-03-081263-6

责任编辑：孙伯元郭媛

《内河船舶能效优化技术》就是在上述研究成果的基础上开展的编撰工作，总结近些年作者在船舶能效优化研究方面的成果。

本书以内河船舶能效管理与优化为核心，着重介绍船舶能效研究的现状、能效数据的分析、能效建模及优化方法。全书共10 章，主要内容包括船舶能效影响因素与优化方法、船舶能效数据采集与管理系统、船舶能效数据挖掘分析、船舶能效建模方法、船舶能效优化方法、船舶能效优化实例、船队营运能效优化管理以及电力推进船舶能效优化等。

第1 章介绍水路运输的发展现状、船舶能效与排放控制概述和船舶能效优化方法研究现状。
第2 章主要分析营运能效评价方法与评价指标，论述营运能效的主要影响因素，并在此基础上分析通过优化营运方式的提升能效常用方法。
第3 章在营运能效优化数据需求分析的基础上，设计船载能效数据采集与监控系统和岸基能效数据分析平台，并详细介绍各种传感器的原理及安装方式。
第4 章介绍船舶能效数据的清洗方法，分析对象船舶航行工况特征、通航环境特征以及不同能效数据之间的相关性。
第5 章研究三种不同理论的建模方法，基于船舶航行阻力和螺旋桨推进相关理论建立能效白箱模型，基于神经网络理论建立能效黑箱模型，结合船舶推进相关理论和神经网络建立能效灰箱模型。
第6 章研究不同优化目标下的船舶航速优化方法。考虑到通航环境对船舶航行油耗的影响，利用改进后的k 均值聚类算法对通航环境进行划分；在航段划分的基础上，建立最小化总航行成本优化模型、最小化船舶排放优化模型、考虑总航行成本和CO₂ 排放的多目标优化模型和考虑碳税费用的优化模型，并介绍了多目标优化模型的求解方法。
第7 章介绍针对单个传统推进船舶的能效优化实例。首先介绍几种能效优化过程中常用的启发式智能优化算法，利用智能优化算法对第6 章的多种能效优化模型寻优，并对结果进行对比分析。此外，此章还开展了航行时间、燃油价格、租船价格、免费碳排放额度和碳税税率的灵敏度分析。
第8 章研究多因素影响下的船队营运能效综合优化与提升。开展船队营运能效数据的挖掘与分析，建立单船与船队营运能效优化模型。在此基础上，以内河航运船队作为研究对象，分析船舶能效的主要影响因素，开展单船与船队的能效数据采集与分析，研究基于营运数据分析的单船和船队营运能效优化方法。
第9 章以一艘内河690 客位电力推进游轮为研究对象，建立内河电力推进游轮营运能效优化模型，研究通航环境对船舶能效的影响，并研究基于航速优化和基于机组运行模式的内河电力推进游轮能效提升方法。
第10 章总结本书的主要内容，并展望未来的研究方向。

本书得到中国工程院院士、水路交通控制全国重点实验室主任、武汉理工大学严新平教授的精心指导，在此表示诚挚的敬意。此外，在本书中有关船舶的数据及能效系统应用的对象船舶数据，来自招商局集团中国长江航运集团有限公司和重庆市东江实业有限公司。武汉理工大学对本书的出版给予的资助。

本书可供高等院校轮机工程、海事管理、航海技术、交通运输、船舶与海洋工程、能源动力系统及自动化等专业的硕士研究生学习、使用，也可作为从事轮机工程、船舶与海洋工程、环境保护工程、港航管理等工作的技术人员的参考用书。

本文摘编自《内河船舶能效优化技术》（袁裕鹏, 王凯, 尹奇志著. 北京 :科学出版社, 2025.2）一书“前言”“第1 章概论”，有删减修改，标题为编者所加。