海上自主水面船對(duì)主動(dòng)力系統(tǒng)的基本要求

李國(guó)祥 王海燕

（上海海事大學(xué) 商船學(xué)院 上海201306）

引 言

2018 年5 月國(guó)際海事組織（IMO）海上安全委員會(huì)第99 屆會(huì)議（MSC 99）對(duì)“海上自主航行水面船”（MASS）的術(shù)語(yǔ)、定義、目標(biāo)和自主等級(jí)進(jìn)行了討論。同年12 月召開(kāi)的海上安全委員會(huì)第100 屆會(huì)議（MSC 100）成立了相關(guān)強(qiáng)制性文件修正案的起草工作組，包括海上自主水面船（maritime autonomous surface ships，MASS）工作組。2019 年6 月海上安全委員會(huì)第101 屆會(huì)議（MSC 101）圍繞“海上自主水面船”（MASS）的自主等級(jí)、與MASS 的海上安全和安保有關(guān)的強(qiáng)制性文件以及《MASS 試航暫行指南》進(jìn)行了討論。MSC 101 以MSC.456 （101） 決議通過(guò)了包含MASS內(nèi)容的SOLAS 修正案（2019 年6 月14 日通過(guò)），預(yù)計(jì)2024 年1 月1 日生效。

MASS船舶理念對(duì)涉及船舶建造、檢驗(yàn)、維護(hù)、運(yùn)營(yíng)和船員配置等相關(guān)公約和規(guī)則的內(nèi)容展示了全新的視野，并要求盡快修改所涉及的內(nèi)容以適應(yīng)MASS 的新要求。根據(jù)IMO的MSC 100會(huì)議提出的MASS概念，將MASS分成4個(gè)等級(jí)：等級(jí)一、等級(jí)二、等級(jí)三和等級(jí)四，這4個(gè)等級(jí)不代表其級(jí)別的次序。對(duì)于以?xún)?nèi)燃機(jī)作為主推進(jìn)系統(tǒng)的商船，其機(jī)艙的配置和自動(dòng)控制方案也應(yīng)按等級(jí)的不同提出相應(yīng)的要求。

中國(guó)船級(jí)社（CCS）也于2018年10月發(fā)布了《自主貨物運(yùn)輸船舶指南（2018）》，對(duì)MASS商船提出了指導(dǎo)性意見(jiàn)。該指南對(duì)輪機(jī)裝置的目標(biāo)為：在預(yù)期工況及應(yīng)急狀態(tài)下為船舶提供及時(shí)、有效和持續(xù)可靠的動(dòng)力。對(duì)輪機(jī)裝置的功能要求指出，自主船輪機(jī)裝置及自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)具有如下功能：

（1）為船舶航行提供安全、可靠、持續(xù)的推進(jìn)動(dòng)力；

（2）為船舶航行方向控制提供安全、可靠、持續(xù)的操縱動(dòng)力；

（3）接收、執(zhí)行和響應(yīng)航行控制系統(tǒng)的指令；

（4）向航行控制系統(tǒng)反饋運(yùn)行狀態(tài)，向遠(yuǎn)程控制中心報(bào)告系統(tǒng)異常狀況；

（5）具備執(zhí)行指令所要求的自主操作，并能通過(guò)遠(yuǎn)程控制中心對(duì)重要設(shè)備進(jìn)行遙控操作；

（6）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)推進(jìn)及操縱相關(guān)設(shè)備與系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并根據(jù)狀態(tài)監(jiān)測(cè)進(jìn)行自我健康管理；

（7）采取有效措施防止機(jī)艙進(jìn)水風(fēng)險(xiǎn)。

由于IMO和CCS均對(duì)MASS提出了整個(gè)輪機(jī)裝置的要求。為避免討論范圍過(guò)于寬泛，本文僅對(duì)MASS主動(dòng)力系統(tǒng)的要求進(jìn)行一些探討。

1 基于等級(jí)一的MASS船舶對(duì)主動(dòng)力系統(tǒng)要求

IMO的MSC 100文 件對(duì) 等 級(jí) 一MASS船舶的定義是：提供自動(dòng)化流程和決策支持的船舶，海員在船上操作和控制船上系統(tǒng)和功能。有些操作可能是自動(dòng)化的，有時(shí)還是無(wú)人監(jiān)督的，但船上的海員可以隨時(shí)準(zhǔn)備接管（Ship with automated processes and decision support. Seafarers are on board to operate and control shipboard systems and functions.Some operations may be automated and at times be unsupervised but with seafarers on board ready to take control）。

根據(jù)以上IMO對(duì)等級(jí)一的定義，結(jié)合目前自動(dòng)化船舶（含智能船舶、綠色船舶）的現(xiàn)狀，認(rèn)為要符合等級(jí)一的MASS，在主動(dòng)力系統(tǒng)方面應(yīng)至少滿足以下幾個(gè)方面的要求：

（1）主動(dòng)力系統(tǒng)的故障診斷能力方面

主動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)提供故障庫(kù)，能根據(jù)當(dāng)前監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，通過(guò)算法、模型比對(duì)，判斷故障發(fā)生概率，預(yù)判故障發(fā)生部件及故障原因；能定期積累實(shí)船數(shù)據(jù)與全生命周期設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)對(duì)比，根據(jù)比對(duì)數(shù)據(jù)定期修正故障庫(kù)。

（2）主動(dòng)力系統(tǒng)的自身健康評(píng)估方面

主動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)提供合理的全生命周期設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，根據(jù)當(dāng)前監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)算法、模型比對(duì)，確認(rèn)當(dāng)前處于生命周期哪種健康水平，根據(jù)當(dāng)前數(shù)據(jù)模型給出設(shè)備可靠性評(píng)估意見(jiàn)，定期生成評(píng)估報(bào)告?？扛蹠r(shí)，人員進(jìn)行設(shè)備實(shí)際檢查評(píng)估并與評(píng)估報(bào)告進(jìn)行比對(duì)。

（3）主動(dòng)力系統(tǒng)輔助決策方面

主動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)能根據(jù)當(dāng)前數(shù)據(jù)模型給出設(shè)備管理、維護(hù)和操作要求的輔助決策建議。

（4）基于專(zhuān)家診斷的主動(dòng)力系統(tǒng)維護(hù)計(jì)劃方面

主動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)包含專(zhuān)家診斷功能，能根據(jù)健康評(píng)估結(jié)果給出維護(hù)計(jì)劃。

（5）柴油機(jī)動(dòng)力設(shè)備及其系統(tǒng)的要求方面

裝置在運(yùn)行時(shí)發(fā)生單個(gè)故障（如某一缸不發(fā)火）、或?yàn)槠浞?wù)的管系發(fā)生單點(diǎn)故障（如單段管路的爆裂）、或遙控系統(tǒng)發(fā)生單個(gè)故障（如遙控系統(tǒng)失電）時(shí)不至于使整臺(tái)柴油機(jī)動(dòng)力裝置癱瘓，至少仍能使柴油機(jī)動(dòng)力裝置可以低速運(yùn)行。該類(lèi)故障發(fā)生時(shí)應(yīng)及時(shí)作出反應(yīng)（如降速運(yùn)行）并報(bào)警，直至船舶人員到現(xiàn)場(chǎng)接管相關(guān)控制系統(tǒng)。

（6）主動(dòng)力系統(tǒng)的應(yīng)急反應(yīng)方面

當(dāng)船舶發(fā)生重大應(yīng)急情況時(shí)（如機(jī)艙進(jìn)水、機(jī)艙火警、觸礁或撞船等）相關(guān)控制系統(tǒng)應(yīng)能作出應(yīng)急情況的冗余判斷、確認(rèn)和報(bào)警，并對(duì)此應(yīng)急情況應(yīng)能與主動(dòng)力系統(tǒng)一起作出適當(dāng)反應(yīng)（如減速、停車(chē)等），直至船舶人員接管相關(guān)控制系統(tǒng)。

2 基于等級(jí)二的MASS船舶對(duì)主動(dòng)力系統(tǒng)要求

IMO的MSC 100文件中對(duì)等級(jí)二 MASS船舶的定義是：船上有海員的遙控船，船舶是從另一個(gè)地方控制和操作的。海員可在船上控制和操作船上的系統(tǒng)和功能（Remotely controlled ship with seafarers on board. The ship is controlled and operated from another location. Seafarers are available on board to take control and to operate the shipboard systems and functions）。

根據(jù)以上對(duì)等級(jí)二的定義，結(jié)合自動(dòng)化船舶（含智能船舶、綠色船舶）的現(xiàn)狀，認(rèn)為要符合等級(jí)二的MASS，至少應(yīng)滿足以下幾個(gè)方面的要求：

（1）主動(dòng)力系統(tǒng)的故障診斷能力方面

相比MASS一的要求，MASS二除滿足如提供故障庫(kù)，定期積累實(shí)船數(shù)據(jù)，根據(jù)比對(duì)數(shù)據(jù)定期修正故障庫(kù)外，對(duì)虛警率應(yīng)有較高的要求。根據(jù)GJB 3385-1998《測(cè)試與診斷術(shù)語(yǔ)》標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)虛警和虛警率的定義為：機(jī)內(nèi)測(cè)試（BIT）或其他監(jiān)控電路指示有故障而實(shí)際上不存在故障的情況稱(chēng)為虛警。虛警率（false alarm rate，F(xiàn)AR）是指在規(guī)定時(shí)間內(nèi)發(fā)生的虛警數(shù)和同一時(shí)間內(nèi)故障指示總數(shù)之比，用百分?jǐn)?shù)表示。漏警是指實(shí)際存在故障，而機(jī)內(nèi)測(cè)試（BIT）或其他監(jiān)控電路不指示故障的情況稱(chēng)為漏警（或稱(chēng)漏報(bào)）。漏警率（missing alarm rate，MAR）是指在規(guī)定時(shí)間內(nèi)發(fā)生的漏報(bào)警數(shù)和同一時(shí)間內(nèi)實(shí)際故障總數(shù)之比，也用百分?jǐn)?shù)表示。通常FAR和MAR都要求在1%以?xún)?nèi)，故此MASS二的虛警率應(yīng)低于1%，漏警率應(yīng)低于1%。

（2）主動(dòng)力系統(tǒng)的自身健康評(píng)估方面

MASS二與MASS一的要求基本一致，即主動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)提供合理的全生命周期設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，確認(rèn)當(dāng)前處于生命周期哪種健康水平，然后根據(jù)當(dāng)前數(shù)據(jù)模型給出設(shè)備可靠性評(píng)估意見(jiàn)，定期生成評(píng)估報(bào)告。靠港時(shí)，技術(shù)人員進(jìn)行設(shè)備實(shí)際檢查評(píng)估并與評(píng)估報(bào)告進(jìn)行比對(duì)。

（3）主動(dòng)力系統(tǒng)輔助決策方面

同樣地MASS二也應(yīng)能根據(jù)當(dāng)前數(shù)據(jù)模型給出設(shè)備管理、維護(hù)、操作要求的輔助決策建議。

（4）基于專(zhuān)家診斷的主動(dòng)力系統(tǒng)維護(hù)計(jì)劃方面

MASS二系統(tǒng)也應(yīng)包含專(zhuān)家診斷功能，能根據(jù)健康評(píng)估結(jié)果給出維護(hù)計(jì)劃。

（5）柴油機(jī)動(dòng)力設(shè)備及其系統(tǒng)的要求方面

裝置在運(yùn)行時(shí)發(fā)生單個(gè)故障（如某一缸不發(fā)火）、或?yàn)槠浞?wù)的管系發(fā)生單點(diǎn)故障（如單段管路的爆裂）、或遙控系統(tǒng)發(fā)生單個(gè)故障（如遙控系統(tǒng)失電）時(shí)不致于使整臺(tái)柴油機(jī)動(dòng)力裝置癱瘓，至少仍能使柴油機(jī)動(dòng)力裝置可以低速運(yùn)行。該類(lèi)故障發(fā)生時(shí)，應(yīng)及時(shí)作出反應(yīng)（如降速運(yùn)行）并報(bào)警，船舶人員可以在現(xiàn)場(chǎng)或船舶另一個(gè)地方接管相關(guān)控制系統(tǒng)。

（6）主動(dòng)力系統(tǒng)的應(yīng)急反應(yīng)方面

MASS二與MASS一的要求基本一致。當(dāng)船舶發(fā)生重大應(yīng)急情況時(shí)，相關(guān)控制系統(tǒng)應(yīng)能作出應(yīng)急情況的冗余判斷、確認(rèn)和報(bào)警，主動(dòng)力系統(tǒng)一起作出適當(dāng)反應(yīng)（如減速、停車(chē)等），直至船舶人員接管相關(guān)控制系統(tǒng)。

3 基于等級(jí)三的MASS船舶對(duì)主動(dòng)力系統(tǒng)要求

同樣地，IMO的MSC 100文件中對(duì)等級(jí)三MASS船舶的定義是：無(wú)海員的遙控船。船舶是從另一個(gè)地方控制和操作的，船上沒(méi)有海員（Remotely controlled ship without seafarers on board. The ship is controlled and operated from another location. There are no seafarers on board）。

根據(jù)以上對(duì)等級(jí)三的定義，結(jié)合自動(dòng)化船舶（含智能船舶、綠色船舶）的現(xiàn)狀，認(rèn)為要符合等級(jí)三的MASS，至少應(yīng)滿足以下幾個(gè)方面的要求：

（1）主動(dòng)力系統(tǒng)的故障診斷能力方面

MASS三除滿足如提供故障庫(kù)，定期積累實(shí)船數(shù)據(jù)，根據(jù)比對(duì)數(shù)據(jù)定期修正故障庫(kù)外，對(duì)虛警率應(yīng)有更高得要求，比如：要求虛警率（FAR）低于1‰，漏警率（MAR）低于1‰。

（2）主動(dòng)力系統(tǒng)的自身健康評(píng)估方面

MASS三的主動(dòng)力系統(tǒng)也應(yīng)提供合理的全生命周期設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，能確認(rèn)當(dāng)前處于生命周期哪種健康水平，根據(jù)當(dāng)前數(shù)據(jù)模型給出設(shè)備可靠性評(píng)估意見(jiàn)。因MASS三船上無(wú)船員在船，此時(shí)系統(tǒng)應(yīng)能定期向岸基發(fā)送評(píng)估報(bào)告；靠港時(shí)，再由人員進(jìn)行設(shè)備實(shí)際檢查評(píng)估并與評(píng)估報(bào)告進(jìn)行比對(duì)。

（3）主動(dòng)力系統(tǒng)輔助決策方面

主動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)能在無(wú)限航區(qū)開(kāi)闊水域、根據(jù)當(dāng)前數(shù)據(jù)模型給出設(shè)備管理、維護(hù)、操作要求的自主決策建議，近海航區(qū)提供設(shè)備操作輔助決策；根據(jù)故障診斷給出設(shè)備操作輔助決策。

（4）主動(dòng)力系統(tǒng)維護(hù)保養(yǎng)方面

因MASS三船上無(wú)船員在船，在船舶發(fā)生故障而無(wú)備用設(shè)備可接替工作的情況下，主動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)能確保具有自我修復(fù)的能力。所謂故障的自我修復(fù)能力，是指主動(dòng)力系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生某些常規(guī)故障時(shí)，系統(tǒng)能自動(dòng)啟動(dòng)修復(fù)程序，在停車(chē)后（甚至不停車(chē)），進(jìn)行故障部件的修復(fù)或更替，待修復(fù)完成后再次自動(dòng)啟動(dòng)主動(dòng)力系統(tǒng)至正常運(yùn)行，同時(shí)記錄相關(guān)事項(xiàng)的能力。比如：主機(jī)某缸排氣溫度過(guò)高時(shí)，可自動(dòng)檢測(cè)該缸排溫過(guò)高的原因，如檢測(cè)結(jié)果是因某一噴油器霧化不良引起的，可在自動(dòng)停車(chē)后，進(jìn)行自動(dòng)更換備用的噴油器后，再自動(dòng)恢復(fù)運(yùn)行。如無(wú)這種自我修復(fù)能力，船舶應(yīng)配備其他智能設(shè)備（如機(jī)器人）在遠(yuǎn)程人員的監(jiān)視下進(jìn)行故障設(shè)備的修復(fù)。同時(shí)，主動(dòng)力系統(tǒng)也應(yīng)能根據(jù)系統(tǒng)的健康評(píng)估結(jié)果給出靠岸維護(hù)計(jì)劃。

（5）柴油機(jī)動(dòng)力設(shè)備及其系統(tǒng)的要求方面

裝置在運(yùn)行時(shí)發(fā)生單缸故障（如某一缸不發(fā)火）、或（和）為其服務(wù)的管系發(fā)生單個(gè)故障（如單段管路的爆裂）、或（和）遙控系統(tǒng)發(fā)生單個(gè)故障（如遙控系統(tǒng)失電）時(shí)，進(jìn)行冗余判斷、確認(rèn)，并仍能使整臺(tái)柴油機(jī)動(dòng)力裝置維持最低安全要求的運(yùn)行（如降速運(yùn)行），以使船舶駛抵最近的港口。

（6）在主動(dòng)力系統(tǒng)的應(yīng)急反應(yīng)方面

因MASS三船上無(wú)船員在船。當(dāng)船舶發(fā)生重大應(yīng)急情況時(shí)，相關(guān)控制系統(tǒng)應(yīng)能作出應(yīng)急情況的冗余判斷、確認(rèn)和報(bào)警處理，此時(shí)，主動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)一起作出適當(dāng)反應(yīng)（如減速、停車(chē)等）。同時(shí)，船舶應(yīng)配備一定數(shù)量的智能設(shè)備（如機(jī)器人），對(duì)該應(yīng)急情況進(jìn)行拯救性處理，能保證船舶以最低安全要求駛抵最近的港口，以便岸上人員上船作業(yè)。

4 基于等級(jí)四的MASS船舶對(duì)主動(dòng)力系統(tǒng)的要求

IMO的MSC 100文件中對(duì)等級(jí)四 MASS船舶的定義是：完全自主的船舶，船舶的操作系統(tǒng)能夠自己做出決策并確定其具體行動(dòng)（Fully autonomous ship. The operating system of the ship is able to make decisions and determine actions by itself）。

根據(jù)以上對(duì)等級(jí)四的定義，由于目前完全自主的船舶還處于討論階段，要真正實(shí)現(xiàn)船舶的完全自主，探索前進(jìn)之路還很漫長(zhǎng)。在此，對(duì)等級(jí)四的MASS要求只做一下預(yù)期，即至少應(yīng)滿足以下幾個(gè)方面的要求：

（1）MASS四船舶的主動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)同樣具有自動(dòng)診斷故障的能力；同時(shí)對(duì)診斷出的故障，能根據(jù)重要性等級(jí)進(jìn)行自我修復(fù)或替代。

（2）MASS四船舶的主動(dòng)力系統(tǒng)也應(yīng)提供合理的全生命周期設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，確認(rèn)當(dāng)前處于生命周期哪種健康水平，并根據(jù)當(dāng)前數(shù)據(jù)模型給出設(shè)備可靠性評(píng)估意見(jiàn)。因MASS四船為完全自主船舶，船上無(wú)船員在船，此時(shí)系統(tǒng)也應(yīng)能定期向岸基發(fā)送評(píng)估報(bào)告，供岸上人員參考。

（3）主動(dòng)力系統(tǒng)輔助決策方面，應(yīng)能根據(jù)當(dāng)前數(shù)據(jù)模型給出設(shè)備管理、維護(hù)、操作要求的自主決策建議；根據(jù)故障診斷給出設(shè)備操作自主決策。

（4）主動(dòng)力系統(tǒng)維護(hù)保養(yǎng)方面，因MASS四上無(wú)船員在船，在船舶發(fā)生故障而無(wú)備用設(shè)備可接替工作的情況下，主動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)能確保具有自我修復(fù)能力。若不具備此自我修復(fù)能力，船舶應(yīng)配備其他的智能設(shè)備（如機(jī)器人）進(jìn)行故障設(shè)備的修復(fù)。同時(shí)，主動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)健康評(píng)估結(jié)果給出最優(yōu)維護(hù)地點(diǎn)、最經(jīng)濟(jì)維護(hù)方案，供岸上管理人員參考。

（5）柴油機(jī)動(dòng)力裝置及其系統(tǒng)的要求方面，裝置在運(yùn)行時(shí)發(fā)生故障（如不發(fā)火），或（和）為其服務(wù)的管系發(fā)生故障（如單段管路的爆裂），或（和）遙控系統(tǒng)發(fā)生故障（如遙控系統(tǒng)失電）時(shí)，進(jìn)行冗余判斷、確認(rèn)并修復(fù)。如不能修復(fù)，至少仍能使整臺(tái)柴油機(jī)動(dòng)力裝置維持最低安全要求的運(yùn)行（如降速運(yùn)行），以使船舶駛抵岸上人員指定的港口。

（6）主動(dòng)力系統(tǒng)的應(yīng)急反應(yīng)方面，因MASS四船上無(wú)船員在船。當(dāng)船舶發(fā)生重大應(yīng)急情況時(shí)，相關(guān)控制系統(tǒng)應(yīng)能作出應(yīng)急情況的冗余判斷、確認(rèn)和報(bào)警處理，此時(shí)，主動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)一起作出適當(dāng)反應(yīng)（如減速、停車(chē)等）。此外，應(yīng)配備一定數(shù)量的智能設(shè)備（如機(jī)器人），對(duì)該應(yīng)急情況作出恰當(dāng)判斷和處理，能保證船舶的安全并駛抵岸上人員指定港口，以便岸上人員上船作業(yè)。

5 結(jié) 語(yǔ)

IMO的MSC 100文件特別強(qiáng)調(diào)，其所列的4個(gè)等級(jí)并不代表其等級(jí)的次序（The above list does not represent a hierarchic order. It should be noted that MASS could be operating at one or more degrees of autonomy for the duration of a single voyage）。也就是說(shuō)，4個(gè)等級(jí)之間并沒(méi)有上下級(jí)的關(guān)系，也沒(méi)有絕對(duì)的級(jí)別隔離，各級(jí)之間可能有部分的重疊內(nèi)容。應(yīng)當(dāng)指出的是，在一次航程中，MASS可以是以1個(gè)或多個(gè)自主等級(jí)下運(yùn)行的。

MASS因其高度的自動(dòng)化、智能化、集成化、物聯(lián)化，由此產(chǎn)生船舶高度的可靠性、快捷性和經(jīng)濟(jì)性，是對(duì)傳統(tǒng)商船的顛覆性挑戰(zhàn)，也是航運(yùn)業(yè)一場(chǎng)新技術(shù)革命。其對(duì)以往所有的公約、規(guī)則、規(guī)范都提出了挑戰(zhàn)，故需要從法規(guī)制定、船舶的設(shè)計(jì)和制造、營(yíng)運(yùn)管理以及保險(xiǎn)等各個(gè)領(lǐng)域重新進(jìn)行框架和體制的設(shè)計(jì)。上述若干建議，只是對(duì)當(dāng)今MASS發(fā)展要求的初步探討，隨著MASS技術(shù)的逐漸成熟，定會(huì)有更加嚴(yán)格的技術(shù)要求。