专业洞察：利用测风激光雷达最大限度地提高风力辅助船舶性能验证

对Jakob von Eisenhart Rothe，DNV激光雷达与功率性能项目工程师，以及Jan Wienke，DNV认证工程师的采访

您能简单介绍一下您的背景以及在 DNV 工作期间在测风激光雷达和功率性能方面的经验吗？
 

Jakob: 自2021年起，我一直在DNV担任机舱激光雷达及功率性能测试项目工程师。在此之前，我曾是一名水手和船舶工程师——因此，使用机舱激光雷达测试WAPS为我提供了将过去和现在职业技能相结合的机会。

Jan: 我自2002年起加入DNV（此前曾任职于GL），在此期间共完成了超过100次速度试验试航。对于风力测量，我通常使用安装在船头灯杆顶部的电池供电超声传感器，通过无线连接到舰桥。这种设置优于通常用于速度试验的固定杯式风速计。我还作为专家小组成员参与了 ISO 15016:2015 以及 2025 年新修订版的制定工作。

您能简要说明为何准确的风速测量对风力辅助推进系统（WAPS）的海试和性能测试至关重要吗？

Jakob: 如果您真正想了解您的WAPS能提供多少推进力，准确的风速况测量是必不可少的。
 

Jan:

•  海试：传统海试通常在平静的海况下进行，测试结果需调整至无风、无浪的场景。对于WAPS，海试必须在风浪条件下进行——这使得风速测量精度远比按照ISO 15016:2015/2025标准进行的常规速度测试更为关键。
   

• 性能测量：在传统的性能监测中，风速力测量数据主要用于滤波或风速力校正。但当安装了WAPS时，风力直接贡献于推力，因此准确的风速测量对于可靠地评估性能至关重要。
   

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使用传统方法（如风速计）在船上测量风时，主要面临哪些挑战？
 

Jakob: 风能标准对风速计与风力涡轮机之间的放置位置有严格的要求，因为附近的结构或物体（尤其是大型物体）会扭曲风流。船本身就是一个大型结构，因此几乎不可能将风速计放置在足够远的地方以避免风流阻碍。这就是为什么遥感技术至关重要，以及为什么激光雷达是海上获得准确风速测量的唯一方法。

Jan: 船体结构和甲板室周围的气流会影响轮机舱顶部测得的風风速况，这种影响会随風向和船舶载重状态而变化。安装WAPS后，这种干扰会更加显著。

使用激光雷达进行远程风况测量的主要优点是什么？
 

Jakob: 激光雷达的主要优点在于其灵活性。您可以选择风力测量的方向和距离，甚至可以同时测量多个高度和范围，从而更全面地了解风场情况。

与风速计相比，激光雷达技术如何确保更可靠地验证风力推进效率？

Jakob: 如上所述，使用风速计无法在船上获得相同的测风精度。如果您想要获得理想精度，应使用激光雷达。
Jan: 效率分析需要从两个角度评估性能：一是根据测量风速计算推力，这需要准确的风速测量；二是通过比较不同帆配置（例如旋翼帆是否旋转或停止）来评估推进功率节省。检测不同条件下的性能差异比绝对确定单一条件需要更高的精度，因此，与标准 ISO 15016:2015/2025 速度测试相比，准确的风速测量数据更为关键。激光雷达为实现这种精度提供了一个实用的解决方案。

您能解释一下激光雷达测量未受干扰的风数据的能力如何提高 WAPS 性能分析吗？
 

Jan: 帆的推力是通过测量风速数据和帆制造商提供的帆系统力矩矩阵计算得出，该力矩矩阵基于风洞试验或计算流体动力学（CFD）计算，考虑了帆与船体上层结构之间的相互作用。只有在风速数据准确的情况下，才能通过船上海试对该力矩矩阵进行验证或校准。提高力矩矩阵的准确性有助于实现更准确的性能预测，这是评估风帆推进系统（WAPS）经济效益的重要组成部分。

如今，测风激光雷达主要用于提高海上试验中风力影响测量的精度。您能估计风力测量（速度和方向）的不准确性会对风力推进系统的效率产生多大影响吗？
 

Jan: 这在很大程度上取决于风帆系统的类型。对于主动式风帆系统（包括转子帆和通风吸力帆），优化转子或风扇的转速可以显著增加推力，但这需要精确的风况数据。对于被动式风帆，其效果则相对较小，主要是通过调整或优化帆角来提升性能。但即便如此，更精确的风力测量不仅在海试中，在实际运营中也能提升风力辅助推进系统（WAPS）的性能。

在风帆系统优化的基础上，下一步是航线优化。虽然航线优化依赖于天气预报数据，但船上精确的风力测量对于校准实时工况与预测数据、从而帮助做出正确决策是至关重要的。

修订后的 ISO 15016:2025 对风速和风力测试的测量标准有何影响？测风激光雷达在此方面发挥什么作用？

Jan: 新修订的 ISO 15016 标准为最大可接受风速设定了更严格的限制，并建议使用如超声波风速计或激光雷达（LiDAR）系统等传感器。这些设备使得在海试期间可接受的最高风速值更高，从而为船厂提供了更大的灵活性。

然而，仅凭这一点不太可能推动变革。除非船东方面施压，否则船厂很可能会继续沿用他们所熟悉的杯式风速计，特别是因为对于标准的航速试验而言，（使用先进传感器的）好处有限。在风平浪静的条件下进行试验，比使用最精确的风力测量更能提高准确性，因为风力数据在这里仅用于对结果进行修正。

但涉及风力辅助推进系统（WAPS）的海试则是另一回事。在这种情况下，精确的风力数据直接影响着性能评估。因此，激光雷达（LiDAR）有望成为WAPS相关海试的标准配置。

您如何看待测风激光雷达在提高能源效率和支持航运脱碳方面未来的作用？此外，您认为测风激光雷达在未来还有哪些其他潜在的海上应用机会？

Jakob: 测风激光雷达（Wind LiDAR）可以为风力辅助推进系统（WAPS）的测试和优化提供支持。通过测量船前方的来风，它能够预测该系统在几秒后将遇到的情况，因此有潜力被用于控制WAPS。

Jan: 激光雷达对于配备了WAPS（风力辅助推进系统）的船舶而言价值巨大，它能支持性能验证、优化运营，并通过在阵风冲击风帆前进行识别来提供额外的安全选项。随着其应用的普及，来自激光雷达的精确局部风况数据还能用于改进天气模型，并为海上提供更准确的局部风力测量。

国际海事组织（IMO）旨在减少温室气体（GHG）的环保法规，正在对航运业产生深远影响。从鼓励在新造船上安装WAPS的EEDI（船舶能效设计指数），到要求报告实际燃料消耗和航行距离的CII（碳强度指标）。如今，我们看到关于“温室气体燃料强度”（GHG Fuel Intensity）的讨论，该指标采用“从油井到航迹”（well-to-wake）的全周期视角来评估能源使用，其中也包括了风能。这可能会催生出精确测量风帆实际推力的需求，从而很可能使激光雷达这类系统成为未来WAPS装置的标准配置。

在DNV官网了解更多关于风助推进系统 (WAPS), 包括对最新技术的深入解析、运营优势，以及DNV在制定标准、提供认证以及支持这些创新技术在航运业中安全、有效应用方面的作用。

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