智能貨物管理在新建超大型油船上的實踐與展望

詹 宇 劉 學(xué)

一、引言

在船舶運輸領(lǐng)域各船型中，油船由于其載運貨物的特殊性和危險性，一旦出現(xiàn)事故，往往會對船上人員、船舶以及海洋環(huán)境造成嚴重甚至災(zāi)難性的影響，因此其安全管理一直倍受各界關(guān)注。相關(guān)國際組織和各國主管機關(guān)對油船安全都高度重視，對油船的監(jiān)督管理日趨嚴格[1]。在整個油船安全管理鏈條內(nèi)，貨物管理是非常重要的一環(huán)。近年全球航運市場持續(xù)低迷，運價低位徘徊，節(jié)能增效、綠色低碳和安全環(huán)保已成為航運界持續(xù)關(guān)注的焦點和追求的目標(biāo)。船舶智能技術(shù)因高度契合業(yè)界對于船舶更安全、更環(huán)保、更經(jīng)濟的需求，已逐步大量應(yīng)用于船舶系統(tǒng)中。近年國內(nèi)外開始探索將智能技術(shù)應(yīng)用于油船貨物管理，實踐表明，智能油船貨物管理技術(shù)提高了作業(yè)效率，增強了技術(shù)保障，且安全系數(shù)更高[2]。

二、智能貨物管理適用的規(guī)范和標(biāo)準

智能貨物管理在定義、涉及內(nèi)容和范圍界定等方面，業(yè)界一直眾說紛紜。作為船舶領(lǐng)域提供技術(shù)服務(wù)的重要單位，中國船級社（CCS）深深地感受到船舶智能化的發(fā)展迫切需要加以規(guī)范和引導(dǎo)?；陂L期的研究和積累，CCS于2015年12月發(fā)布了世界首份《智能船舶規(guī)范》。該規(guī)范于2016年3月1日正式生效，其中第6章對智能貨物管理作了規(guī)定。根據(jù)該規(guī)范，智能貨物管理是指利用傳感器等感知設(shè)備對貨物、貨艙和貨物保護系統(tǒng)的參數(shù)進行自動采集，并基于計算機、自動控制和大數(shù)據(jù)技術(shù)進行處理和分析，以實現(xiàn)貨艙、貨物和貨物保護系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)測、報警、輔助決策和控制，同時還可以基于監(jiān)測和獲得的數(shù)據(jù)，進行貨物優(yōu)化配載和自動裝卸。智能貨物管理的基本功能包括：貨艙、貨物監(jiān)測報警和輔助決策；貨物保護系統(tǒng)的監(jiān)測報警和輔助決策；貨物配載系統(tǒng)。更高級的智能貨物管理還具有自動裝卸貨這一補充功能[3]。

CCS編制的《船舶（油船）智能貨物管理檢驗指南》于2018年10月正式發(fā)布實施，對《智能船舶規(guī)范》第6章智能貨物管理中油船相關(guān)的要求進行了補充，并作了更詳細的規(guī)定和說明，為船舶及相關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計、建造和檢驗提供了參考和支持[4]。

需要特別說明的是，由于船舶智能技術(shù)仍在不斷發(fā)展之中，CCS發(fā)布的智能船舶規(guī)范規(guī)定了等效和免除的情形，并鼓勵新技術(shù)的應(yīng)用。當(dāng)新技術(shù)超出了現(xiàn)有規(guī)定的范圍時，在進行風(fēng)險評估和相關(guān)試驗驗證后，只要能夠達到規(guī)范要求的同等安全水平，就可以免除CCS規(guī)范的要求。

三、智能貨物管理的研發(fā)和應(yīng)用

1.國內(nèi)外研究和應(yīng)用現(xiàn)狀

對于油船貨物的智能管理，國內(nèi)外很多船舶設(shè)計制造廠家、設(shè)備供應(yīng)商以及航運管理公司都進行過模塊化或概念性的研發(fā)和嘗試。挪威的康士伯格公司通過集成化的處理和數(shù)據(jù)分析，在船舶吃水和貨艙液位測量監(jiān)測方面使用便捷明了的人機交互界面，使船舶管理者可以方便地查看或監(jiān)控貨艙的貨物裝載狀況，以及體積、空高和溫度等數(shù)據(jù)。日本的商船三井和旭化成株式會社合作，開展了油船關(guān)鍵輔助機械監(jiān)測的研究，并可通過船舶物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)和基于船岸之間的實時通信監(jiān)控平臺驗證分析設(shè)備的異常狀況[5]。在國內(nèi)，大連海事大學(xué)多年前就開展了現(xiàn)代油船貨物自動裝卸的研究，設(shè)計了軟硬件兼?zhèn)涞姆抡婵刂颇M器[6]。2019年上半年，中國船舶重工集團旗下大連船舶重工有限公司為招商輪船建造的30.8萬噸VLCC“凱征”輪，搭載了中國船舶重工集團公司第七○四所和七○八所自主研發(fā)的智能貨物管理系統(tǒng)，開啟了中國在超大型油船上應(yīng)用智能貨物管理系統(tǒng)的先河。

2.智能貨物管理系統(tǒng)在“凱征”輪上的應(yīng)用實踐

“凱征”輪是我國自主設(shè)計研發(fā)的第六代超大型油船，可載運原油、成品油，船舶最大載重量約30.8萬噸，設(shè)計航速15.7節(jié)，續(xù)航能力可達24 000海里。其按照中國船級社智能船舶規(guī)范和相關(guān)配套指南要求進行設(shè)計和建造，取得了包括智能貨物管理i-Ship（C）在內(nèi)的五項智能船舶附加標(biāo)志，是全球首艘獲得船級社認可發(fā)證的具有智能貨物管理功能的超大型智能油船。該船滿足規(guī)范要求的智能貨物管理基本功能，但自動裝卸貨系統(tǒng)這一補充功能尚未達到。

智能貨物管理功能的實現(xiàn)需要貨物相關(guān)的不同系統(tǒng)內(nèi)外部數(shù)據(jù)的綜合匯總、整體研判和交互分析。為滿足規(guī)范和相關(guān)指南提及的各項功能要求，“凱征”輪的智能貨物系統(tǒng)采用了不同的關(guān)聯(lián)系統(tǒng)先分別采集信息再統(tǒng)一匯總后進行大數(shù)據(jù)分析的模式。其具體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可分為現(xiàn)場設(shè)備層、控制層和數(shù)據(jù)管理層?，F(xiàn)場設(shè)備層由數(shù)據(jù)采集單元完成各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集；控制層由PLC控制器實現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)的實時處理，并將重要的設(shè)備狀態(tài)信息和報警信息傳至全船的智能化網(wǎng)絡(luò)平臺系統(tǒng)；數(shù)據(jù)管理層則通過終端工作站將采集的數(shù)據(jù)界面化顯示、提供輔助決策建議和發(fā)出警報，存儲數(shù)據(jù)。硬件由兩個主顯一體式工作站、兩個網(wǎng)絡(luò)交換箱、一個數(shù)據(jù)處理柜以及兩個不間斷電源（UPS）組成。實船設(shè)有貨物控制室，用來對硬件進行統(tǒng)一維護和管理。且每組硬件都采用冗余備份設(shè)計，任何冗余備份的硬件出現(xiàn)故障都不會影響另一組設(shè)備硬件的正常使用，從而保證智能貨物管理系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

針對油船的貨艙、貨物、貨物保護系統(tǒng)的監(jiān)測報警和輔助決策要求，“凱征”輪采用了如下解決方案。智能貨物管理系統(tǒng)匯總了貨油泵、液位遙測、閥門遙控、壓載水處理、惰性氣體、排油監(jiān)控、油氣回收、可燃氣體監(jiān)測、泵艙風(fēng)機和鍋爐等所有與貨物相關(guān)子系統(tǒng)的信息，以及全船智能信息平臺采集的報警和顯示等參考信號，通過軟件系統(tǒng)進行綜合處理分析。系統(tǒng)依據(jù)收集數(shù)據(jù)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)的變化趨勢作出預(yù)測或發(fā)出警報。系統(tǒng)還可對貨物管理重要設(shè)備的數(shù)據(jù)信號進行采樣（采樣周期間隔1秒），數(shù)據(jù)可自動存儲。人員可通過趨勢圖查閱設(shè)備參數(shù)的過程狀態(tài)。當(dāng)設(shè)備異常向船員發(fā)出警報時，系統(tǒng)還能提供警報原因分析和措施建議供參考。另外，智能貨物管理系統(tǒng)還向全船的網(wǎng)絡(luò)平臺和船舶裝載儀提供需要的數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互與共享。

該輪還配置了國內(nèi)船舶配載方面經(jīng)驗豐富的開發(fā)設(shè)計單位自主研發(fā)的智能配載軟件，結(jié)合船舶原有的裝載儀系統(tǒng)進行功能疊加聯(lián)動，可通過自動感知或者人機交互輸入的方式，獲得船舶的航行狀態(tài)、液貨艙裝載和貨物保護系統(tǒng)等方面的數(shù)據(jù)，并向船舶操縱者全面展現(xiàn)船舶配載、浮態(tài)情況，以及船舶安全性評估校核結(jié)果。在裝載卸載面臨危險時，系統(tǒng)能快速提供有效的輔助決策方案。舉例來說，當(dāng)油船在港口或錨地進行裝卸貨作業(yè)時，區(qū)別于常規(guī)船上大副參照裝載穩(wěn)性、貨艙強度校核資料以及自身固有經(jīng)驗的模式，智能貨物配載系統(tǒng)可根據(jù)油品類型和裝卸貨量等實際情況自動或由操作人員手動生成艙室裝卸順序。在設(shè)定裝載流速情況下，系統(tǒng)能計算船上每個貨艙及壓載艙的裝載量變化路徑，并細化該過程。針對船員指定的裝卸計劃，系統(tǒng)可針對每個艙室計算裝載率變化、耗時以及是否達到裝卸節(jié)點等信息，向用戶直觀展示并及時預(yù)警。

經(jīng)梳理統(tǒng)計，“凱征”輪智能貨物管理系統(tǒng)共有監(jiān)測報警點580余個，數(shù)據(jù)通信使用RS485和RJ45接口協(xié)議，系統(tǒng)設(shè)計了輔助決策21項，參與輔助決策分析的數(shù)據(jù)類通信點有230多個；通過監(jiān)測、計算和分析，實現(xiàn)油船貨艙和貨物保護輔助決策以及智能配載等功能，為船員管理貨物提供了有效支持和幫助，有助于降低船上人員的工作強度，保證貨物系統(tǒng)的安全有效運行。

四、系統(tǒng)安裝試驗關(guān)鍵點

由于監(jiān)測存儲、計算分析和數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?，智能貨物管理整合了船舶原本獨立運行的多個系統(tǒng)。與常規(guī)油船相比，會增加數(shù)量較多的通信設(shè)備。在實船應(yīng)用中，應(yīng)重點關(guān)注通信方面的情況，主要包括通信數(shù)據(jù)協(xié)議解析與匹配以及通信量程校準等。另外，在線纜敷設(shè)布置、人機界面友好性和信息顯示等方面也易出現(xiàn)問題，應(yīng)重點核對。

1.通信傳方面

因為不同的設(shè)備生產(chǎn)廠家所使用的信息處理及傳輸?shù)膮f(xié)議標(biāo)準不同，所以在智能貨物管理系統(tǒng)的安裝試驗過程中，通信功能必須重點關(guān)注，以確保系統(tǒng)間信息傳導(dǎo)有序、數(shù)據(jù)準確。應(yīng)重點關(guān)注以下幾個方面：

一是未雨綢繆，做好規(guī)劃和設(shè)計。在設(shè)計階段就應(yīng)考量周全做好規(guī)劃，包括電纜的走向和艙壁甲板的貫穿布置，以免施工安裝期間產(chǎn)生被動。對于未設(shè)計集成通信功能的子系統(tǒng)，必須通過硬線連接形式實現(xiàn)與智能貨物管理系統(tǒng)的互聯(lián)。

二是嚴格把關(guān)，認真選擇匹配產(chǎn)品。為滿足智能貨物管理需求，監(jiān)測貨泵艙風(fēng)機運轉(zhuǎn)狀態(tài)的溫度傳感器及振動的傳感器等新增的傳感器設(shè)備，須確保是具有數(shù)據(jù)傳輸功能的匹配型號產(chǎn)品，其通信須符合網(wǎng)關(guān)規(guī)定，以避免選型不當(dāng)導(dǎo)致系統(tǒng)不通。

三是仔細核查，確保數(shù)據(jù)采集項連通正常。對于已確定通信協(xié)議的，一定要關(guān)注系統(tǒng)設(shè)備各個數(shù)據(jù)采集項是否都連通正常，并且數(shù)據(jù)量程單位選取準確。如采用了4-20mA模擬量電流信號進行傳輸?shù)?，?yīng)核查其每一項須采集數(shù)據(jù)點是否都配置了信息處理單元，具備將其他信號模式轉(zhuǎn)為4-20mA信號的模塊。

四是全面驗證，確保數(shù)據(jù)傳輸準確。對于系統(tǒng)間通信完全正常的，則重點關(guān)注數(shù)據(jù)信息的準確性。如使用特殊的軟件編碼傳輸?shù)?，信號地址編輯映射必須做好，以防?shù)據(jù)在解析還原后與原始數(shù)值不一致，導(dǎo)致數(shù)據(jù)顯示出現(xiàn)錯誤。對于像蝶閥遙控系統(tǒng)中貨油/壓載管系蝶閥開度指示這樣要求較為精確的，應(yīng)仔細核對實際指示與智能貨物管理系統(tǒng)顯示的數(shù)值，存在偏差的須調(diào)整蝶閥顯示開度計的電路板，消除指示偏差。

2.線纜敷設(shè)方面

在安裝檢驗時應(yīng)關(guān)注電纜接線、布置與施工工藝的符合性情況，在滿足常規(guī)敷設(shè)布置的前提下，重點關(guān)注信號類電纜的安裝及接線狀況，確保電纜傳輸?shù)男盘枖?shù)據(jù)免受電磁干擾等影響。

對于不同類別的線纜，如同軸單芯、CAT6類網(wǎng)線等，應(yīng)采用相應(yīng)的接地抗干擾模式。尤其是使用屏蔽雙絞線的電纜，應(yīng)單端接地。因為在屏蔽層雙端接地情況下，雖然金屬屏蔽層不會產(chǎn)生感應(yīng)電壓，但金屬屏蔽層受干擾磁通影響將產(chǎn)生屏蔽環(huán)流。如果接地兩端電勢不相同，將形成很大的電勢環(huán)流，環(huán)流會對信號產(chǎn)生抵消衰減效果。實船安裝作業(yè)時，因?qū)ζ帘坞p絞線接觸不多，施工人員容易忽視其接地要求。

3.人機界面方面

人機界面信息顯示的友好性、實用性是系統(tǒng)是否“智能”的一項重要指標(biāo)。只有不斷從用戶的角度出發(fā)，為用戶提供使用便利，才能更好地體現(xiàn)系統(tǒng)的價值。在示范船調(diào)試中，結(jié)合貨物管理和操作經(jīng)驗豐富的船長、大副及輪機長的意見和建議對智能貨物管理系統(tǒng)進行優(yōu)化升級。考慮到船舶在實際航行中可能個別艙室調(diào)節(jié)壓載水的情況，在升級時修改了原壓載艙中海水密度只能所有艙室整體修改的模式，優(yōu)化成每個艙可以單獨修改海水密度參數(shù)。還借鑒了機艙監(jiān)測報警系統(tǒng)較為成熟的設(shè)計，優(yōu)化了智能貨物管理系統(tǒng)初始設(shè)計的報警顯示顏色設(shè)置，包括報警狀態(tài)、消除和復(fù)位的顏色指示。改變了原有的報警信息顏色標(biāo)注均相同只是字體格式不一樣的模式，使用戶在查閱時更加直觀清晰。此外，在各子系統(tǒng)與智能貨物管理主系統(tǒng)之間的通信狀態(tài)監(jiān)測顯示、智能貨物管理系統(tǒng)裝卸貨速率計算的采樣周期與船舶裝載儀設(shè)置的裝卸貨速率匹配等方面，也都需要重點關(guān)注，以確保用戶使用的準確性。

五、總結(jié)與展望

智能示范船“凱征”輪的成功建造交付，不僅在智能船舶的發(fā)展歷程中有著重要意義，也標(biāo)志著中國翻開了全球智能船舶領(lǐng)域嶄新的一頁。在智能貨物管理方面的實踐應(yīng)用所得到的數(shù)據(jù)以及積累的相關(guān)經(jīng)驗，將為油船智能貨物管理的進一步升級和發(fā)展提供寶貴的經(jīng)驗和技術(shù)支撐。

羅爾斯·羅伊斯集團總裁曾表示：“無人駕駛船舶是船舶行業(yè)的未來。智能船舶具有如同智能手機一樣的顛覆性，將徹底改變船舶設(shè)計和運營的格局?！盵7]作為油船智能船舶功能的重要組成部分，智能貨物管理是一個系統(tǒng)工程，也面臨著多方面的困難和挑戰(zhàn)。集成化的顯示、監(jiān)測和報警實現(xiàn)后，各個關(guān)聯(lián)系統(tǒng)及設(shè)備的原有控制顯示是否可以取消或被替代？貨物管理輔助決策建議的合理性和邏輯性能否高度符合用戶需求并進一步優(yōu)化提升？在故障和緊急狀況下如何保證自動裝卸貨系統(tǒng)應(yīng)用和作業(yè)的安全？這些問題，都需要業(yè)界更深入的研究和探討。

此外，通過此次超大型油船智能貨物管理系統(tǒng)應(yīng)用實踐，網(wǎng)絡(luò)工程、電子通信和軟件控制等技術(shù)被應(yīng)用于船舶設(shè)備和系統(tǒng)中，不僅實現(xiàn)了船舶智能化、精準化和高效率的操縱和控制，提升了安全、綠色和能效等級，同時也為未來船舶專業(yè)人才培養(yǎng)打下一定基礎(chǔ)。船舶設(shè)計制造廠家、船級社和船舶管理公司的專業(yè)人才隊伍建設(shè)，應(yīng)在傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)制造、輪機設(shè)備和電氣工程等領(lǐng)域人才的基礎(chǔ)上，向具有軟件編程、信息網(wǎng)絡(luò)和通信工程專長的復(fù)合型人才轉(zhuǎn)變，以適應(yīng)行業(yè)的需求和時代的發(fā)展。