超大型礦砂船智能化總體設(shè)計(jì)方案

陳 立，朱 兵，黃潔瑜

（1.上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海201203；2.中國(guó)船舶工業(yè)貿(mào)易公司，北京100044）

0 前 言

隨著信息技術(shù)不斷發(fā)展，各個(gè)國(guó)家對(duì)智能船舶研究分別提出了不同的技術(shù)路線。 韓國(guó)計(jì)劃通過(guò)智能自航船舶平臺(tái)技術(shù)等課題的研究實(shí)現(xiàn)船舶遠(yuǎn)程控制、自航等功能。 日本通過(guò)智能船舶應(yīng)用平臺(tái)研究，建立數(shù)據(jù)中心并制定ISO 標(biāo)準(zhǔn)。 歐洲康士伯、瓦錫蘭等公司已著手無(wú)人船舶的研發(fā)與建造。 盡管不同技術(shù)路線的操作方式有所不同，但整體方向都是通過(guò)信息與通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息的高度集成，使船舶達(dá)到一定的智能化、自主化水平。

依托智能船舶1.0研發(fā)專項(xiàng)的示范船400 000 DWT超大型智能礦砂船（400 000 DWT VLOC），以既能提升船舶數(shù)字化、信息化水平，又能幫助船東提高營(yíng)運(yùn)管理效率為目標(biāo)，提出一套與智能船舶發(fā)展相適應(yīng)的船舶智能化總體設(shè)計(jì)方案。該方案從船舶需求分析入手，規(guī)劃并確定智能功能，根據(jù)實(shí)船配置確定系統(tǒng)架構(gòu)，分析智能系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性及可靠性對(duì)架構(gòu)設(shè)計(jì)的要求，結(jié)合實(shí)船示范應(yīng)用細(xì)化設(shè)計(jì)方案。

1 設(shè)計(jì)需求

通過(guò)全面分析400 000 DWT VLOC 在營(yíng)運(yùn)過(guò)程中對(duì)航線規(guī)劃、節(jié)能環(huán)保、運(yùn)營(yíng)維護(hù)、貨物裝載特性等方面的需求，有針對(duì)性地確定智能功能，解決船舶營(yíng)運(yùn)管理中的實(shí)際問(wèn)題。 400 000 DWT VLOC 智能化體現(xiàn)在以下幾方面：

1） 400 000 DWT VLOC 是中巴航線鐵礦石運(yùn)輸?shù)闹髁Υ?，航線跨越了三大洋——大西洋、印度洋和太平洋，經(jīng)過(guò)數(shù)十個(gè)海況復(fù)雜多變的海區(qū)。 超大型船舶技術(shù)復(fù)雜，航行時(shí)間長(zhǎng)，故障維修及周期性維護(hù)成本高。 航運(yùn)企業(yè)首先要考慮的問(wèn)題是如何降低船舶控制和管理難度，減少人為操作失誤，提高船舶營(yíng)運(yùn)安全性，實(shí)現(xiàn)視情維護(hù)，制定預(yù)防性維護(hù)計(jì)劃方案，降低設(shè)備故障率，提升船舶可用時(shí)間，降低船舶全壽命周期運(yùn)維成本。

2）400 000 DWT VLOC 裝載的是巴西出產(chǎn)的鐵礦砂，屬于可液化的貨物。 當(dāng)此類貨物含水量超出安全運(yùn)輸?shù)暮繕O限（TML）時(shí)，其所含水分會(huì)隨著船舶搖擺和振動(dòng)滲出，導(dǎo)致貨物呈流態(tài)化并產(chǎn)生自由液面。 當(dāng)船舶橫搖時(shí)，高密度的黏稠流態(tài)化礦砂會(huì)流向船舶一舷，造成穩(wěn)性損失和局部結(jié)構(gòu)的損壞，會(huì)給船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全帶來(lái)很大的影響。 因此，在航運(yùn)過(guò)程中實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)控礦物液化狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦物液化程度的安全預(yù)報(bào)及輔助決策，能大幅度提高船舶礦物運(yùn)輸?shù)陌踩浴?/p>

3）400 000 DWT VLOC 燃油消耗受航速、裝載、氣象等多種因素影響，節(jié)能減排、降低成本的關(guān)鍵是主、輔機(jī)等核心設(shè)備保持良好運(yùn)行狀況。 考慮風(fēng)、浪與裝載對(duì)船舶性能的影響，科學(xué)地進(jìn)行船舶能效管理，在提高經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)減少溫室氣體排放，實(shí)現(xiàn)綠色航運(yùn)。

4） 400 000 DWT VLOC 本身的網(wǎng)絡(luò)通信手段主要采用衛(wèi)星通信。 隨著船隊(duì)管理水平不斷提高，岸基管理公司與航行船隊(duì)之間的通信數(shù)據(jù)量越來(lái)越大，可靠性要求越來(lái)越高，船東迫切地需要從傳輸穩(wěn)定、數(shù)據(jù)安全、資費(fèi)經(jīng)濟(jì)等角度優(yōu)化現(xiàn)有的通信方式。

針對(duì)上述需求，確定船舶輔助自動(dòng)駕駛、礦物液化監(jiān)控、綜合能效智能管理、設(shè)備運(yùn)行與維護(hù)、船岸一體通信等智能化功能在400 000 DWT VLOC 上示范應(yīng)用，見(jiàn)表1。

表1 智能應(yīng)用及功能描述

2 架構(gòu)設(shè)計(jì)

架構(gòu)設(shè)計(jì)是船舶智能化總體設(shè)計(jì)中最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，它決定了船舶在數(shù)字化、信息化、智能化方面的程度，對(duì)船舶及智能系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、安全性起到關(guān)鍵作用，是實(shí)現(xiàn)智能功能的基礎(chǔ)。

傳統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)通常采用網(wǎng)狀架構(gòu) （如圖1），為了實(shí)現(xiàn)信息與交互，不同的系統(tǒng)或傳感器之間兩兩相連，電氣連線復(fù)雜，信息采集冗余；單個(gè)系統(tǒng)擁有獨(dú)立的工作站，船上同一處所經(jīng)常存在多個(gè)系統(tǒng)的設(shè)備。 該架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是可靠性高，單條通信鏈路的故障不會(huì)影響其他系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

圖1 網(wǎng)狀架構(gòu)

相比于傳統(tǒng)架構(gòu)，400 000 DWT VLOC 選擇了“平臺(tái)+應(yīng)用”的架構(gòu)（如圖2），各智能應(yīng)用基于平臺(tái)獲取所需信息并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能，通過(guò)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)及傳感器的聯(lián)通。 該架構(gòu)擁有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、資源占用小、效率高等優(yōu)點(diǎn)，但平臺(tái)的建設(shè)與維護(hù)需要更多的費(fèi)用，可靠性略低于網(wǎng)狀架構(gòu)。

圖2 “平臺(tái)+應(yīng)用”架構(gòu)

對(duì)比上述兩個(gè)架構(gòu)，在系統(tǒng)數(shù)量較少的情況下，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的可靠性高且成本低，可優(yōu)先選擇該架構(gòu)。在系統(tǒng)數(shù)量較多（大于3 個(gè)）的情況下，平臺(tái)+應(yīng)用的架構(gòu)更簡(jiǎn)化， 占用資源更少且能實(shí)現(xiàn)信息共享。智能船舶1.0 采用該“平臺(tái)+應(yīng)用”的架構(gòu)形式，通過(guò)搭載5 個(gè)智能應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了船舶數(shù)字化、信息化及輔助決策功能，滿足了多方面需求。

400 000 DWT VLOC 的智能系統(tǒng)架構(gòu)分為感知層、平臺(tái)層和應(yīng)用層，如圖3 所示。 通過(guò)感知層實(shí)現(xiàn)全船信息感知，經(jīng)過(guò)平臺(tái)層的數(shù)據(jù)傳輸、處理、存儲(chǔ)和分發(fā)，智能應(yīng)用模塊獲得所需要的信息數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)各自功能。

圖3 400 000 DWT VLOC 智能系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 感知層

400 000 DWT VLOC 有著感知信息點(diǎn)數(shù)量多、種類多、分布散等特點(diǎn)，而且不同智能應(yīng)用對(duì)感知信息的需求有重疊。 確定感知點(diǎn)的信號(hào)來(lái)源，統(tǒng)籌考慮所有智能應(yīng)用對(duì)感知點(diǎn)的需求，以及根據(jù)感知點(diǎn)的分布情況來(lái)最終確定采集單元布置設(shè)計(jì)方案。 感知點(diǎn)選取及傳感器布置的合理與否將影響設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性、采集精度、信息可信度等，進(jìn)而決定智能功能及輔助決策的完整性及準(zhǔn)確性。

在400 000 DWT VLOC 工程設(shè)計(jì)實(shí)踐中， 首先根據(jù)5 個(gè)智能應(yīng)用對(duì)感知信息的需求梳理成表，并對(duì)表中每一個(gè)信號(hào)點(diǎn)補(bǔ)充信號(hào)編號(hào)、信號(hào)名稱、采集單元名稱、信號(hào)類型、需求方（智能應(yīng)用）、信號(hào)來(lái)源及信號(hào)來(lái)源的位置等信息，然后根據(jù)船體、系統(tǒng)、設(shè)備等配置情況，并結(jié)合特殊傳感器的安裝工藝要求，完成感知點(diǎn)布置設(shè)計(jì)。 400 000 DWT VLOC 在艏部錨機(jī)控制室、機(jī)艙上平臺(tái)、機(jī)艙下平臺(tái)、兩個(gè)數(shù)據(jù)中心布置了5 個(gè)采集單元，用于將感知信息采集并傳輸至平臺(tái)層。 除了常規(guī)配置的傳感器外，還根據(jù)智能應(yīng)用需求配置了特殊要求的專用感知模塊，見(jiàn)表2。 針對(duì)這些感知模塊，結(jié)合實(shí)船情況優(yōu)化了布置設(shè)計(jì)。例如，由于該船型較長(zhǎng)，配置了2 套運(yùn)動(dòng)傳感器，分別安裝于首部?jī)?chǔ)藏室和尾部上建區(qū)域的中心線上，可以更好地測(cè)量到船舶的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。 根據(jù)礦物液化監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)需求，需要選擇在晃蕩較大、礦物液化可能性較高的貨艙加裝傳感器，以便獲得較為有效的監(jiān)測(cè)結(jié)果。 但是，考慮到第一貨艙的不規(guī)則性，且容積較小，因此最終選擇第二貨艙的礦砂作為監(jiān)控對(duì)象。 為保證3 種特殊感知模塊正確安裝，除了在安裝前對(duì)施工工藝進(jìn)行了研究外，還在安裝完成后進(jìn)行了氣密性試驗(yàn)。 感知信息的采集質(zhì)量由于受到感知模塊精度、采集模塊穩(wěn)定性等方面的影響，部分感知信息還需進(jìn)行校準(zhǔn)。 例如，隨著船舶主機(jī)運(yùn)行時(shí)間不斷增加，采集到的軸功率數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生一定的偏移，從而影響智能輔助決策的準(zhǔn)確性。

2.2 平臺(tái)層

2.2.1 平臺(tái)層可靠性設(shè)計(jì)

平臺(tái)層作為智能系統(tǒng)中的關(guān)鍵系統(tǒng)，需足夠的安全性和可靠性。 集成平臺(tái)通過(guò)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一采集、傳輸、處理、存儲(chǔ)與分發(fā)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)集成、界面集成和應(yīng)用集成。 從系統(tǒng)架構(gòu)冗余、信息服務(wù)冗余以及網(wǎng)絡(luò)安全3 個(gè)方面開展可靠性設(shè)計(jì)。

在400 000 DWT VLOC 上， 集成平臺(tái)內(nèi)的部件均為雙套設(shè)置，通過(guò)交叉的電氣連接實(shí)現(xiàn)通信冗余，簡(jiǎn)易架構(gòu)如圖4 所示。 智能系統(tǒng)采用雙路船用電源供電方式，同時(shí)配置專用不間斷電源（UPS）以保證智能系統(tǒng)在船舶失電30 min 的情況下仍能正常工作，實(shí)現(xiàn)了電源冗余。 通過(guò)通信與電源的冗余設(shè)計(jì)，該船智能系統(tǒng)通過(guò)了失效模式和影響分析（FMEA）測(cè)試，可保證智能系統(tǒng)中任一設(shè)備、線路及電源故障均不影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。 盡管從架構(gòu)上實(shí)現(xiàn)冗余配置，已滿足規(guī)范規(guī)則和使用要求，但從信息服務(wù)層面上來(lái)看，仍可以通過(guò)雙機(jī)熱備的方式提升系統(tǒng)可靠性。 作為互為冗余備份的雙套設(shè)備，當(dāng)其中一套設(shè)備發(fā)生故障后，另一套應(yīng)能立即接管原設(shè)備中運(yùn)行的應(yīng)用， 并能在故障解除后完成數(shù)據(jù)的自同步。從網(wǎng)絡(luò)安全層面，配置交換機(jī)、服務(wù)器通過(guò)了網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴測(cè)試以及網(wǎng)絡(luò)滲透測(cè)試。 同時(shí)，開展風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、風(fēng)險(xiǎn)分析與風(fēng)險(xiǎn)控制等工作，通過(guò)了網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，保障了平臺(tái)的可靠性。

表2 專用感知模塊清單

圖4 集成平臺(tái)簡(jiǎn)易架構(gòu)

2.2.2 平臺(tái)層功能設(shè)計(jì)

集成平臺(tái)通過(guò)硬件及軟件的配置可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集成、界面集成和應(yīng)用集成。 由于平臺(tái)的存在，全船的感知信息匯集成數(shù)據(jù)池，不同的智能應(yīng)用都可以從數(shù)據(jù)池中獲取需要的信息。 同時(shí)，無(wú)論是界面還是功能，在同一處所只需一套計(jì)算和顯示終端即可實(shí)現(xiàn)多個(gè)智能應(yīng)用的運(yùn)行和切換。為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集成，400 000 DWT VLOC 在數(shù)據(jù)采樣規(guī)則、 傳輸規(guī)則以及清洗規(guī)則方面做了一定研究。

不同智能應(yīng)用系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)各自功能，對(duì)感知信息的采集精度、采集頻率有著不同的需求，在實(shí)際操作中，應(yīng)根據(jù)感知模塊自身的輸出能力以及智能系統(tǒng)的帶寬限制綜合確定。

在確定數(shù)據(jù)通信協(xié)議的過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)采集精度確定通信模塊的寄存器地址，對(duì)于特殊傳感器尤其需要關(guān)注。 例如，本船為滿足綜合能效管理對(duì)燃油流量信號(hào)的精度需求，在傳輸相關(guān)信號(hào)時(shí)采用兩位寄存器分別存儲(chǔ)流量值的整數(shù)部分及小數(shù)部分，與每位寄存器存儲(chǔ)單個(gè)信號(hào)的方式有所不同。另外，受到通信數(shù)據(jù)體量和不同設(shè)備配置的限制，通信線纜的規(guī)格和數(shù)量差異較大，同時(shí)為了配合船廠預(yù)制線纜工作節(jié)點(diǎn)，應(yīng)盡早根據(jù)通信協(xié)議類型確定通信線的類型與數(shù)量。

在數(shù)據(jù)清洗過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)營(yíng)運(yùn)狀況對(duì)每個(gè)感知點(diǎn)設(shè)置量程范圍，并對(duì)數(shù)據(jù)空值、數(shù)據(jù)超限、信號(hào)丟失等各種異常情況確定判斷方法及清洗規(guī)則。 在400 000 DWT VLOC 設(shè)計(jì)中曾遇到過(guò)寄存器中某一特定的編碼同時(shí)表征數(shù)據(jù)超限及數(shù)據(jù)丟失兩種異常狀態(tài)的情況，導(dǎo)致智能應(yīng)用無(wú)法準(zhǔn)確判斷狀態(tài)。 也遇到過(guò)量程設(shè)置不合理導(dǎo)致某個(gè)船舶吃水信號(hào)長(zhǎng)期處于超限狀態(tài)。 這些問(wèn)題都是在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要關(guān)注并盡量避免的。2.2.3 船岸通信

通過(guò)船岸通信實(shí)現(xiàn)船舶營(yíng)運(yùn)數(shù)據(jù)回傳、岸基遠(yuǎn)程管理、智能應(yīng)用遠(yuǎn)程支持與維護(hù)等功能。 船岸通信的設(shè)計(jì)應(yīng)保證數(shù)據(jù)安全、流量管理、傳輸穩(wěn)定。 唯有保證通信安全， 通信數(shù)據(jù)才可信。 400 000 DWT VLOC 通過(guò)權(quán)限管理模塊和數(shù)據(jù)加密模塊， 確保傳輸過(guò)程的安全可控。 經(jīng)實(shí)船驗(yàn)證，本船在營(yíng)運(yùn)期間未發(fā)生網(wǎng)絡(luò)安全相關(guān)的異常事件。

船岸通信的數(shù)據(jù)格式種類較多，包含結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)如設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)， 以及非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)如視頻數(shù)據(jù)、氣象文件。為降低船岸通信的流量，應(yīng)根據(jù)不同數(shù)據(jù)類型采取不同傳輸策略。對(duì)于船舶視頻監(jiān)控信息，采用視頻壓縮處理方式回傳；對(duì)于結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)則采用輕量化處理與壓縮的形式回傳。 根據(jù)該船營(yíng)運(yùn)數(shù)據(jù)，集成平臺(tái)平均每個(gè)月產(chǎn)生結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)約40 Gbit，經(jīng)過(guò)輕量化處理后，實(shí)際通信約1 Gbit 的數(shù)據(jù)流量，有效節(jié)省了船岸通信的費(fèi)用。

無(wú)論是岸基管理所需的數(shù)據(jù)分析，還是岸基智能應(yīng)用的運(yùn)行，都是建立在船岸數(shù)據(jù)連續(xù)傳輸?shù)幕A(chǔ)之上的。 船舶在營(yíng)運(yùn)過(guò)程中，由于衛(wèi)星信號(hào)不穩(wěn)定，氣象文件等數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中會(huì)通信失敗。 通過(guò)開發(fā)斷點(diǎn)續(xù)傳模塊，通信鏈路在恢復(fù)正常后能夠繼續(xù)回傳之前未完成傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，有效提升了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

2.3 應(yīng)用層

由于各智能應(yīng)用的業(yè)務(wù)信息并未主動(dòng)匯總到平臺(tái)層，因此智能應(yīng)用除了獨(dú)立開發(fā)與測(cè)試外，更重要的是與其他應(yīng)用之間的數(shù)據(jù)交互測(cè)試。 在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，船舶航線和航速的優(yōu)化分別由船舶輔助自動(dòng)駕駛系統(tǒng)和船舶綜合能效系統(tǒng)完成。 例如，本著優(yōu)先確保航行安全、避開臺(tái)風(fēng)等惡劣天氣的原則，船舶輔助自動(dòng)駕駛系統(tǒng)將優(yōu)化后的航線數(shù)據(jù)傳遞給船舶綜合能效系統(tǒng)才能完成航速優(yōu)化，此兩系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)交互是船舶能效優(yōu)化的關(guān)鍵。

由于集成平臺(tái)匯總了全船不同類型的數(shù)據(jù)，各智能應(yīng)用在調(diào)用相關(guān)數(shù)據(jù)時(shí)的方式也是不同的。 例如，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)可以實(shí)現(xiàn)模擬量調(diào)用，而調(diào)用文件類型的數(shù)據(jù)，如海圖文件、氣象文件等，則需通過(guò)連接FTP（文件傳輸協(xié)議）的方式并配置不同的接口參數(shù)。

以上都是在設(shè)計(jì)架構(gòu)的應(yīng)用層時(shí)需要考慮的。現(xiàn)階段對(duì)于智能應(yīng)用要求更多的是提供輔助決策，船東通過(guò)該輔助決策可以在船舶駕駛及營(yíng)運(yùn)管理中獲得新的思路與建議，提升船舶營(yíng)運(yùn)的安全性、經(jīng)濟(jì)性、高效性、環(huán)保性，而輔助決策的精確性將是未來(lái)各智能應(yīng)用需要重點(diǎn)提升的方向。

3 結(jié) 語(yǔ)

400 000 DWT VLOC 智能化總體設(shè)計(jì)方案按照“平臺(tái)+應(yīng)用”的設(shè)計(jì)理念，從感知點(diǎn)選取及布置、平臺(tái)層可靠性及功能設(shè)置、 船岸通信與信息安全和信息交互等方面，開展感知層、平臺(tái)層和應(yīng)用層設(shè)計(jì)工作，滿足船級(jí)社規(guī)范要求，并獲得CCS 的i-Ship（I，N，M，E）和DNV GL 的SmartShip Descriptive Notation（OE，PE，CME）智能船舶附加標(biāo)志。 該船在營(yíng)運(yùn)期間各智能系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，在船舶航行安全、設(shè)備運(yùn)維和營(yíng)運(yùn)效率、貨物監(jiān)控等方面實(shí)際示范應(yīng)用效果良好。

在當(dāng)前階段，盡管部分基于集成平臺(tái)的智能應(yīng)用已實(shí)現(xiàn)信息交互，但整體來(lái)看，這部分交互的信息目前還不涉及決策與控制應(yīng)用，對(duì)于將來(lái)涉及自主控制的智能船舶，信息交互將變得更加復(fù)雜。 要滿足船舶在不同場(chǎng)景下的自主控制要求，需要實(shí)現(xiàn)智能應(yīng)用之間深度信息集成，這是未來(lái)需要重點(diǎn)研究的關(guān)鍵技術(shù)。 另外，智能船舶作為信息連接的載體， 網(wǎng)絡(luò)與信息安全也是體系性的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容?？傊?，智能船舶實(shí)現(xiàn)多任務(wù)自主決策與控制是未來(lái)發(fā)展方向，船舶智能化總體設(shè)計(jì)的重要性將更加突出。