智能LNG加注船貨物態(tài)勢感知系統(tǒng)設(shè)計探討

羅文忠，周 毅，鄭 坤，孫 冰

(中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司 天津300452)

0 引 言

20 世紀(jì)80 年代，美國空軍提出了態(tài)勢感知(Situation Awareness，SA)的概念，覆蓋感知(感覺)、理解和預(yù)測3 個層次。此概念被逐漸接受并應(yīng)用到各個行業(yè)。

近年來，智能船舶逐漸成為全球海事界關(guān)注的熱點。船舶智能化技術(shù)被期待能夠大幅降低船舶操作中的人為失誤率，保障船舶營運的安全性，優(yōu)化船舶的航行性能。面對人工智能技術(shù)的迅猛發(fā)展，船舶領(lǐng)域的控制軟件也應(yīng)具備“認(rèn)知大量的時間和空間中的環(huán)境要素，理解它們的意義，并預(yù)測它們在不久將來的狀態(tài)”的態(tài)勢感知能力。態(tài)勢感知與智能船舶行業(yè)結(jié)合并得到了應(yīng)用。

1 智能LNG加注船的概念

LNG 加注船主要用于載運液化天然氣(LNG)，在國內(nèi)港口間運輸，為國內(nèi)沿海中、大型LNG 燃料動力船提供船對船加注服務(wù)，兼顧為小型沿江LNG加注岸站、沿江LNG 加注躉船及LNG 衛(wèi)星站提供船對岸(船)補液業(yè)務(wù)的LNG 運輸加注船，航行于各類海區(qū)及內(nèi)河。

智能型LNG 加注船，基于選取的船級社入級符號的要求以及船東基于管理的商業(yè)化需求的多樣化，可以實現(xiàn)不同的智能功能，體現(xiàn)不同的智能等級。基本的功能包括實現(xiàn)態(tài)勢感知、部署統(tǒng)一集成的智能船舶網(wǎng)絡(luò)信息平臺，設(shè)置有數(shù)據(jù)中心、安全中心、控制中心，具備實現(xiàn)智能航行、智能機艙、智能能效、智能貨物管理、智能船體等滿足船級社智能符號要求的功能，同時可以擴展智能作業(yè)管理、智能人員管理等功能(圖1)。

2 智能LNG加注船貨物系統(tǒng)態(tài)勢感知設(shè)計

2.1 貨物系統(tǒng)態(tài)勢感知系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計

圖1 LNG加注船智能系統(tǒng)典型架構(gòu)Fig.1 Typical infrastructure of intelligent system for LNG bunkering vessel

貨物系統(tǒng)是LNG 加注船最核心的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，利用各類傳感器設(shè)備對貨物、貨艙和貨物保護系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行自動采集，實現(xiàn)對貨物系統(tǒng)的綜合態(tài)勢感知的“感”；同時基于數(shù)據(jù)處理和分析技術(shù)，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，實現(xiàn)對貨物系統(tǒng)態(tài)勢感知的“知”。

實現(xiàn)貨物態(tài)勢感知，首要是對系統(tǒng)進(jìn)行整體規(guī)劃設(shè)計。智能LNG 加注船貨物態(tài)勢感知系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖2 所示。

底層貨艙內(nèi)部、貨艙外部、貨物輸送系統(tǒng)、貨物價值、貨物安全、視頻及其他傳感器，實現(xiàn)“感”；中間層為網(wǎng)絡(luò)中心及數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)所有數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通并作為原始數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的共享池；上層是分析決策中心，大小不同的態(tài)勢分析模塊，對應(yīng)單個業(yè)務(wù)模塊，結(jié)合機理模型進(jìn)行低維度數(shù)據(jù)分析；核心決策模塊針對整體架構(gòu)進(jìn)行高維度數(shù)據(jù)分析決策，安全決策模塊作為系統(tǒng)中的獨立第三方，除了對數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控，還對態(tài)勢分析模塊的輸出質(zhì)量以及對核心決策模型的合理性進(jìn)行監(jiān)控，必要時進(jìn)行安全介入，確保系統(tǒng)決策層的安全裕度。

圖2 智能LNG加注船貨物態(tài)勢感知系統(tǒng)整體架構(gòu)模型Fig.2 Overall architecture model of cargo situation awareness system for LNG bunkering vessel

基于大數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)分析能力，貨物系統(tǒng)態(tài)勢感知系統(tǒng)將貨物系統(tǒng)相關(guān)信息作為核心對象，基于規(guī)則、統(tǒng)計等方面實現(xiàn)對貨物狀態(tài)乃至貨物系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)測、報警、預(yù)警及趨勢預(yù)測功能，支持貨物和貨物系統(tǒng)信息的橫向關(guān)聯(lián)和縱向關(guān)聯(lián)分析。在警報事件發(fā)生初期，幫助船員或船東收集有價值信息，迅速查明問題的根源，從而盡量減少或避免設(shè)備的損毀和商業(yè)損失。

2.2 貨物系統(tǒng)態(tài)勢感知設(shè)備選型

要實現(xiàn)LNG 加注船貨物系統(tǒng)的態(tài)勢感知，首先要通過配備多種傳感器實現(xiàn)“感”。針對LNG 貨艙和作業(yè)設(shè)備的特殊性，進(jìn)行以下部分的選型工作。

2.2.1 貨艙內(nèi)部系統(tǒng)感知設(shè)備選型

溫度是LNG 液貨的主要特征，需要對LNG 液貨進(jìn)行持續(xù)的溫度監(jiān)測。適用于LNG 液貨的超低溫度傳感器，其在0 ℃點的特征要滿足LNG 貨物的物理特性，其正常測量范圍要覆蓋-165～50 ℃的區(qū)間，其極限耐受低溫要達(dá)到-200 ℃的下限(主要考慮液氮對艙溫控制的介入)。一般溫度傳感器安裝在垂直溫井內(nèi)，在高度上設(shè)置低、中、高區(qū)間多個傳感器，對應(yīng)感測LNG 液貨艙不同高程溫度差異大的特性。

液位是LNG 液貨量的主要特征，是運輸能力和貿(mào)易交接環(huán)節(jié)最重要的指標(biāo)。對超低溫液體的液位測量，主要通過雷達(dá)(超聲波)式和浮子式2 種方式，單獨一種或混用，設(shè)置多套液位傳感器，滿足規(guī)范法規(guī)對“監(jiān)測報警”和“控制”場景的要求。由于LNG液貨具有自然蒸發(fā)特性，對自然蒸發(fā)氣(Boiled Off Gas，BOG)持續(xù)監(jiān)測是確定LNG 貨損數(shù)據(jù)，進(jìn)行貿(mào)易交接的重要參考。對BOG 的壓力監(jiān)測同時也是進(jìn)行艙溫控制的主要依據(jù)。同樣選擇多套適合超低溫(-200 ℃)的壓力傳感器作為BOG 壓力監(jiān)測的手段。

2.2.2 貨艙外部維護系統(tǒng)感知設(shè)備選型

貨艙外部貨物維護系統(tǒng)確保對LNG 液貨艙有效保護，主要包括對貨艙絕緣層的絕緣效果監(jiān)測和空間環(huán)境監(jiān)測，其中包括采用貼片式溫度傳感器對貨艙艙壁不同高程的溫度探測和對空間環(huán)境(空氣溫度、空氣濕度、氧氣含量、凝露點)的持續(xù)探測。

2.2.3 貨物輸送系統(tǒng)感知設(shè)備選型

貨物輸送系統(tǒng)包括液相(LNG)和氣相(BOG)分系統(tǒng)，分系統(tǒng)各自包括管道、閥門、泵、壓縮機、對外加注裝置等設(shè)備。需要分別對管道的溫度、流速、流量、閥門的開閉、開度，泵的開關(guān)、容量，壓縮機的開關(guān)和負(fù)荷率以及加注裝置的對接有效性進(jìn)行持續(xù)檢測。

2.2.4 貨物價值感知設(shè)備選型

LNG 貨物價值感知，包括對貨艙內(nèi)部的溫度、液位、成份、流量，BOG 成分等貿(mào)易交接涉及的貨物總量、貨物成份、貨物特性等進(jìn)行檢測，其中LNG 液貨和BOG 成份檢測是貿(mào)易交接的重要核心參數(shù)。采用在線式采樣設(shè)備可以持續(xù)監(jiān)測BOG 成分的變化，減少人為采樣的主觀性，為貿(mào)易交接提供更加可信的數(shù)據(jù)。

2.2.5 貨物安全系統(tǒng)感知設(shè)備選型

安全是LNG 加注船最主要的指標(biāo)，對火警、危險氣體泄漏、LNG 液艙的溢流、過壓、泄漏的監(jiān)測最為重要，此外在LNG 裝載、卸載、加注作業(yè)過程中的加注系統(tǒng)連接有效性、通信有效性的監(jiān)測是確保作業(yè)安全的有效手段。對貨艙的高高液位進(jìn)行獨立檢測、在貨艙外部空間進(jìn)行空氣環(huán)境的氣體(甲烷)成分檢測、加注作業(yè)區(qū)的視頻檢測，對船岸連接系統(tǒng)(Ship-Shore Link，SSL)以及火氣探測系統(tǒng)進(jìn)行各自獨立的探測。

2.3 貨物系統(tǒng)態(tài)勢感知系統(tǒng)實現(xiàn)

態(tài)勢感知，除了以上的“感”，還需實現(xiàn)“知”。通過部署在數(shù)據(jù)平臺的各類態(tài)勢分析模塊，將智能LNG 加注船傳感器獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，賦值于已知的貨物系統(tǒng)各主要要素的關(guān)系和邏輯，實現(xiàn)對貨物系統(tǒng)數(shù)據(jù)的認(rèn)知，在此基礎(chǔ)上提供一些預(yù)測功能。貨物態(tài)勢感知系統(tǒng)軟件架構(gòu)設(shè)計由協(xié)議解析端、管理平臺、分發(fā)平臺、數(shù)據(jù)推送端、應(yīng)用平臺組成。協(xié)議解析端用于解析從網(wǎng)關(guān)采集的數(shù)據(jù)、第三方系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)；管理平臺用于集成配置管理和運維管理；分發(fā)平臺是整個軟件架構(gòu)的核心，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流相關(guān)處理、存儲；數(shù)據(jù)推送端用于將解析后的原始數(shù)據(jù)按需分發(fā)至其他軟件應(yīng)用和岸基；應(yīng)用平臺用于集成第三方智能應(yīng)用和實現(xiàn)統(tǒng)一報警。

主要分析模塊功能包括：

貨物監(jiān)測報警和輔助決策模塊。系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)測狀態(tài)參數(shù)，給出狀態(tài)異常報警，并通過對狀態(tài)參數(shù)的分析，選擇合適的方法將貨艙內(nèi)的貨物溫度、壓力等控制在一個合理范圍內(nèi)，并給出優(yōu)化的處理建議。

蒸發(fā)氣(BOG)變化趨勢預(yù)測模塊。通過對一定時間范圍內(nèi)貨物狀態(tài)參數(shù)的收集分析，以及BOG 消耗設(shè)備的運行情況，給出以后一段時間BOG 變化趨勢的預(yù)測，并提出控制BOG 的合理建議。

裝卸貨過程中BOG 控制決策模塊。通過對貨物和受注船舶狀態(tài)進(jìn)行分析選擇合適的方法將貨艙內(nèi)溫度、壓力等控制在一個合理范圍之內(nèi)，最終給出最優(yōu)化的BOG 處理建議。

貨物保護系統(tǒng)的監(jiān)測報警和輔助決策模塊。對保護貨物安全相關(guān)的結(jié)構(gòu)、設(shè)備和系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)監(jiān)測的參數(shù)發(fā)生異常時，系統(tǒng)應(yīng)能發(fā)出報警，并給出故障位置、可能出現(xiàn)的原因以及應(yīng)對措施，船員能夠據(jù)此對貨物保護系統(tǒng)及時進(jìn)行檢查和維修。

貨物配載決策模塊。貨物配載系統(tǒng)是綜合考慮各種制約因素進(jìn)行自動優(yōu)化的配載儀，利用傳感器采集貨物裝卸有關(guān)的數(shù)據(jù)，經(jīng)計算分析，提供最優(yōu)配載和操作方案。

2.4 貨物系統(tǒng)態(tài)勢感知關(guān)鍵技術(shù)

貨物系統(tǒng)態(tài)勢感知技術(shù)體系的關(guān)鍵技術(shù)有基于多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的綜合狀態(tài)理解技術(shù)和基于深度學(xué)習(xí)的態(tài)勢預(yù)測技術(shù)。

2.4.1 基于多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的綜合狀態(tài)理解技術(shù)

為了更進(jìn)一步地理解貨物系統(tǒng)的實時運行狀態(tài)，首先需要篩選貨物系統(tǒng)態(tài)勢感知過程中的核心信息，再將這些多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，根據(jù)機理上的關(guān)聯(lián)性及組合性，使這些數(shù)據(jù)更加有效與精確，且能夠為后續(xù)的實時狀態(tài)評估和各類數(shù)據(jù)的互補特性辨識提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。綜合狀態(tài)理解技術(shù)包含以下3 類技術(shù)：

①多源異構(gòu)數(shù)據(jù)集成技術(shù)。主要采用統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)總線方式與標(biāo)準(zhǔn)的接口適配轉(zhuǎn)換模塊，實現(xiàn)LNG 加注船的貨物系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息的高效整合。

②多源異構(gòu)數(shù)據(jù)處理技術(shù)。采用全船統(tǒng)一的數(shù)據(jù)中心進(jìn)行貨物系統(tǒng)的數(shù)據(jù)篩選、數(shù)據(jù)預(yù)處理、無效數(shù)據(jù)剔除、數(shù)據(jù)質(zhì)量評估、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等步驟，為貨物系統(tǒng)業(yè)務(wù)功能的數(shù)據(jù)分析提供數(shù)據(jù)支撐。

③多源異構(gòu)數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)。通過貨物系統(tǒng)所有信息的存儲，進(jìn)一步將海量的貨物系統(tǒng)數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)挖掘整合為具有貨物性質(zhì)特征的評估或狀態(tài)信息，為貨物的操作或商業(yè)行為提供輔助決策與數(shù)據(jù)支撐。

2.4.2 基于深度學(xué)習(xí)的態(tài)勢預(yù)測技術(shù)

貨物系統(tǒng)態(tài)勢感知的核心是態(tài)勢預(yù)測，基于機器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，確定貨物系統(tǒng)的運行狀態(tài)特征，建立貨物系統(tǒng)的運行分析體系，實現(xiàn)潛在的、未知的安全風(fēng)險的超前預(yù)測。采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等深度學(xué)習(xí)算法，利用感知到的歷史數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，擬合生成單因素或多因素條件下的趨勢分析曲線，并向用戶直觀地反映貨物系統(tǒng)的影響變化趨勢，建立貨物系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)模型，為貨物系統(tǒng)的操作提供快速預(yù)測與最優(yōu)方案推薦。通過深度學(xué)習(xí)，不斷開發(fā)多維分析和智能分析工具，實現(xiàn)海量歷史數(shù)據(jù)的知識挖掘，以標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)方案和專業(yè)知識經(jīng)驗為基礎(chǔ)，實現(xiàn)貨物系統(tǒng)的態(tài)勢預(yù)測分析和預(yù)警輔助決策功能。

3 總 結(jié)

智能LNG 加注船，通過對高精度的專業(yè)傳感器的選型、布置、系統(tǒng)連接、軟件架構(gòu)部署、數(shù)據(jù)應(yīng)用，實現(xiàn)對貨物系統(tǒng)態(tài)勢的“感”和“知”。貨物態(tài)勢感知系統(tǒng)的實現(xiàn)將增強船舶的貨物安全等級，提升船舶的作業(yè)精度，最終提高船舶的商業(yè)效率。