LNG運(yùn)輸船智能化升級方案總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

羅文忠

（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

本文主要研究的對象為某型LNG 運(yùn)輸船，參考中國船級社《智能船舶規(guī)范》的相關(guān)要求，結(jié)合目前船舶行業(yè)對智能船舶的定義及期望與當(dāng)前的技術(shù)狀態(tài)，完成針對該型LNG 運(yùn)輸船的智能化升級方案總體架構(gòu)設(shè)計(jì)，用以指導(dǎo)以后的LNG 運(yùn)輸船智能化升級改造工程的具體實(shí)施。

近年來，智能船舶已由一個新生事物逐漸成為了全球海事界的關(guān)注熱點(diǎn)。在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)日益深入日常生活的當(dāng)下，又結(jié)合目前迅猛進(jìn)步的人工智能科技，船舶的智能化升級改造已經(jīng)越來越符合全球航運(yùn)的發(fā)展需要，所以全球范圍內(nèi)都在熱切開展智能船舶的研究與探索[1]。但就目前情況來看，全球智能船舶的應(yīng)用仍處于探索和發(fā)展的初級階段，船舶智能化的工程應(yīng)用路徑仍然任重道遠(yuǎn)。

現(xiàn)代航運(yùn)發(fā)展的主旋律必然是安全與高效，智能船舶的出現(xiàn)正是符合這一發(fā)展趨勢的必然結(jié)果。從文獻(xiàn)情況來看，2017 年，主要研究人員從智能船舶的研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)、發(fā)展現(xiàn)狀逐步轉(zhuǎn)向針對智能船舶的具體系統(tǒng)提出解決方案[2-4]；2018 年，伊杰等[5]初步針對港口作業(yè)的拖輪進(jìn)行了智能化方案設(shè)計(jì)；2019 年，陳立等[6]進(jìn)一步在超大型礦砂船上進(jìn)行了智能化方案的總體設(shè)計(jì)；周毅等[7]對LNG 運(yùn)輸船的智能化的可行性做了初步探索。本文在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了更為細(xì)致的智能化方案設(shè)計(jì)，并形成了初步的設(shè)計(jì)資料進(jìn)行了中國船級社的送審，為將來的LNG 運(yùn)輸船智能化升級工程實(shí)施奠定了理論基礎(chǔ)與方案依據(jù)，可以指導(dǎo)同類船型的智能化升級。

1 LNG運(yùn)輸船的智能化升級方案

1.1 智能船舶的定義及特征

智能船舶，是指依托全船信息融合所形成的集成平臺，采用先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理與分析技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)船舶的自主感知、信息分析及評估、趨勢預(yù)測和決策優(yōu)化等管理和控制功能，并通過船岸一體信息交互具備遠(yuǎn)程支持能力，面向全壽命周期創(chuàng)值服務(wù)的船舶[8]。

這個結(jié)論覆蓋了智能船舶的4 個特征。（1）全船信息融合：具備可實(shí)現(xiàn)全船信息融合的統(tǒng)一信息感知集成平臺。（2）自主評估與決策：利用先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析科學(xué)技術(shù)和人工智能等技術(shù)，完成船舶的自主學(xué)習(xí)、迭代、評估、預(yù)測及決策優(yōu)化等功能。（3）船岸一體化：采用網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，搭建信息交互通道，傳輸船岸信息，使得船岸之間的管理與控制成為可能。（4）面向全壽命周期：通過船岸信息的交互，實(shí)現(xiàn)岸基對船舶乃至船隊(duì)的監(jiān)控與管理功能，面向船舶的全壽命周期可提供賦能服務(wù)。

1.2 LNG運(yùn)輸船智能化升級項(xiàng)目介紹

我國重要能源央企——中國海洋石油集團(tuán)有限公司的控股的上市公司之一的中海油能源發(fā)展股份有限公司（簡稱海油發(fā)展）義不容辭地承擔(dān)著作為央企的社會責(zé)任。為了響應(yīng)國家船舶智能化的發(fā)展戰(zhàn)略，提高LNG 運(yùn)輸船的安全和高效性，降低海員的勞動強(qiáng)度，結(jié)合海油發(fā)展對LNG 運(yùn)輸船的營運(yùn)經(jīng)驗(yàn)和目前火熱的大數(shù)據(jù)分析等人工智能技術(shù)，海油發(fā)展決定初步研究LNG 運(yùn)輸船的智能化升級方案總體架構(gòu)。

該LNG 運(yùn)輸船的智能化升級方案主要研究對象是海油發(fā)展正在營運(yùn)的一艘LNG 運(yùn)輸船，依據(jù)中國船級社《智能船舶規(guī)范2020》有關(guān)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。目前正營運(yùn)的該LNG 運(yùn)輸船航行于無限航區(qū)，配備4 個C 型雙葉獨(dú)立液貨艙，機(jī)艙入級中國船級社的AUTO-0，采用全回轉(zhuǎn)電力推進(jìn)方式推進(jìn)。

1.3 智能化升級方案設(shè)計(jì)思路

由于復(fù)雜多變的海洋氣象環(huán)境、日益嚴(yán)峻的海事環(huán)保法規(guī)、良莠不齊的船員素質(zhì)等綜合因素的限制，首先擺在從事LNG運(yùn)輸作業(yè)的航運(yùn)企業(yè)待解決的問題有3個：安全、節(jié)能環(huán)保和經(jīng)濟(jì)問題。

通過調(diào)研各種海上事故的分析報(bào)告，結(jié)合海事相關(guān)部門的統(tǒng)計(jì)，可得出結(jié)論：人為誤操作在船舶事故中發(fā)生的概率最大，超過一半以上[9]。針對這種安全隱患，增強(qiáng)對船舶人員的管控，提高船員的素質(zhì)是一種有效但需長期貫徹的舉措。同時(shí)，逐漸降低船舶安全對人為因素的依賴程度，逐步提升船舶本身的智能化水平也是一種提高船舶安全性的重要舉措。船舶采用智能化技術(shù)的手段可以有效利用人工智能自動監(jiān)測設(shè)備乃至船舶狀態(tài)，發(fā)出故障預(yù)警，提出輔助決策建議，從而保障設(shè)備、船舶、貨物乃至人員的安全。

LNG 運(yùn)輸船由于其本身的“三高”——高技術(shù)、高難度、高附加值的特點(diǎn)[10]，智能化升級方案的設(shè)計(jì)原則首先要考慮的是保障船舶的營運(yùn)安全，然后再考慮提高設(shè)備與船舶的可靠性，最后才評估方案的經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性。

如圖1 所示，應(yīng)用用智能航行技術(shù)提高船舶航行的安全性，應(yīng)用設(shè)備智能監(jiān)測與故障診斷技術(shù)提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性，應(yīng)用航行優(yōu)化以及設(shè)備視情維修技術(shù)提高設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)用船舶能效評估與設(shè)備工況優(yōu)化技術(shù)使船舶營運(yùn)更加節(jié)能環(huán)保。

圖1 LNG運(yùn)輸船智能化升級方案設(shè)計(jì)思路

1.4 智能化升級方案內(nèi)容

LNG 運(yùn)輸船的智能化升級方案的服務(wù)體系如圖2 所示，主要可分為3 個服務(wù)層次，分別為感知層、船端服務(wù)層和支持服務(wù)層。感知層通過傳感器的布置實(shí)現(xiàn)對船舶內(nèi)外環(huán)境的充分感知；船端服務(wù)層是智能化方案的重點(diǎn)內(nèi)容，主要采用“平臺+應(yīng)用”的架構(gòu)實(shí)施，可分為集成平臺和智能應(yīng)用兩個部分；支持服務(wù)層的內(nèi)容則是岸基的支持服務(wù)，主要是為了方便岸基對船舶的支持和管理，可以不受限的利用岸基充足的資源（網(wǎng)絡(luò)資源、計(jì)算資源、算法資源等）對船舶數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與挖掘，充分的發(fā)揮數(shù)據(jù)資產(chǎn)的價(jià)值。

圖2 LNG運(yùn)輸船智能化升級方案服務(wù)體系

1.4.1 充分感知

充分感知是智能化升級形成的智能系統(tǒng)的感知層，是智能系統(tǒng)的基礎(chǔ)，它支撐著整個智能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)框架。

船舶營運(yùn)過程中會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)正是智能系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)。這些數(shù)據(jù)來源于傳感器對船舶所在的海洋/大氣/環(huán)境狀況、船舶周邊的固定/移動物體狀況、船體狀況、機(jī)艙系統(tǒng)和設(shè)備狀況、貨艙系統(tǒng)和設(shè)備狀況、人員狀況的感知，這些感知信息統(tǒng)一的組成了智能船舶的感知層。由于該LNG 運(yùn)輸船已配備了較為完善的傳感器網(wǎng)絡(luò)，所以該LNG 運(yùn)輸船的充分感知主要側(cè)重于未完善部分的感知，例如機(jī)艙設(shè)備、液貨艙貨物管理設(shè)備的振動監(jiān)測等一些未布置傳感器的地方需加裝可行的振動傳感器，液貨管路中根據(jù)需要可能還需要適配一些質(zhì)量流量計(jì)和氣體分析儀等設(shè)備。

1.4.2 集成平臺

集成平臺是智能系統(tǒng)的數(shù)據(jù)層，主要負(fù)責(zé)的是全船的信息融合與轉(zhuǎn)發(fā)。

傳統(tǒng)船舶各系統(tǒng)、設(shè)備之間在功能上相對獨(dú)立，在信息交互上相對封閉，主要以信息孤島的形式存在。LNG 運(yùn)輸船的智能化升級，要對全船網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行全新設(shè)計(jì)，以物聯(lián)網(wǎng)思想為指導(dǎo)，打破原有信息孤島模式，通過多種接入方式，按照約定的協(xié)議，將全船主要設(shè)備連接到智能船舶集成平臺上，打通傳統(tǒng)船舶各系統(tǒng)、設(shè)備之間的信息壁壘，實(shí)現(xiàn)全船的信息融合。

在集成平臺基礎(chǔ)上，設(shè)置數(shù)據(jù)服務(wù)器，并配置操作系統(tǒng)層面的服務(wù)，對采集的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾、清洗、標(biāo)準(zhǔn)化，并通過數(shù)值分析、機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等大數(shù)據(jù)處理技術(shù)對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分類與進(jìn)一步挖掘。

集成平臺應(yīng)具有高度的兼容性和可擴(kuò)展性，理論上應(yīng)同時(shí)支持不少于3個智能應(yīng)用。

1.4.3 智能應(yīng)用

智能應(yīng)用主要體現(xiàn)在可提供的各種智能功能服務(wù)上。采集到了豐富的數(shù)據(jù)后，各海事軟件集成商可以開發(fā)各類智能應(yīng)用軟件。以下是LNG 運(yùn)輸船智能化升級方案可按照CCS智能船舶符號對應(yīng)開發(fā)的智能應(yīng)用。

（1）智能航行（CCS智能船符號N、A、R）

智能航行的主要功能包括3 個方面：航路設(shè)計(jì)、航路優(yōu)化和自動避碰。智能航行的航路優(yōu)化功能，除了基于氣象和任務(wù)條件的優(yōu)化以外，還可以基于能效的優(yōu)化，與后述的智能符號E 有關(guān)聯(lián)。目前階段的智能船，以及未來階段的無人自主船，最主要的特征就是這個符號對應(yīng)的智能航行功能。

（2）智能船體（CCS智能船符號H）

智能船體是依托已建立的船體模型，通過自動采集與監(jiān)測船體相關(guān)數(shù)據(jù)，建立并管理船體數(shù)據(jù)庫，采用多種綜合智能算法，為船體全壽命周期內(nèi)的安全和維護(hù)保養(yǎng)提供故障預(yù)警與輔助決策，同時(shí)還可以提供船舶操縱的輔助決策。智能船體主要體現(xiàn)的是船體的結(jié)構(gòu)安全管理。

（3）智能機(jī)艙（CCS智能船符號M）

智能機(jī)艙是在實(shí)現(xiàn)了高度自動化的無人機(jī)艙基礎(chǔ)上，通過大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)、輸入學(xué)習(xí)等手段，對機(jī)艙設(shè)備數(shù)據(jù)的高級應(yīng)用功能，實(shí)現(xiàn)了機(jī)艙主要設(shè)備的視情維護(hù)（而非周期維護(hù)）功能。

（4）智能貨物管理（CCS智能船符號C）

智能貨物管理是通過實(shí)時(shí)采集并監(jiān)測貨物的狀態(tài)信息（壓力、溫度、容積等）、貨艙和貨物保護(hù)系統(tǒng)的工作參數(shù)，利用先進(jìn)的人工智能技術(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，從而得出報(bào)警及輔助決策提示，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對船舶貨物的智能配載與智能裝卸。

由于LNG 運(yùn)輸船的特異性，智能貨物管理可根據(jù)船舶運(yùn)營的需要，針對性的開發(fā)個性化功能輔助船舶的營運(yùn)，例如對蒸發(fā)氣（BOG）的變化趨勢預(yù)測功能。

（5）智能能效管理（CCS智能船符號E）

智能能效管理的主要功能包括以下3 個方面[11]：實(shí)時(shí)自動采集和在線監(jiān)測船舶航行狀態(tài)、能效及耗能數(shù)據(jù)和狀況，并可獲得氣象環(huán)境數(shù)據(jù)；能評估和報(bào)警船舶能效及能耗狀況，并可對船舶能效及能耗狀況作出標(biāo)準(zhǔn)的報(bào)告；經(jīng)過科學(xué)的數(shù)據(jù)處理及預(yù)測，為船舶能效管理提供可行的輔助決策建議，例如最佳配載方案推薦、推薦經(jīng)濟(jì)航速和主機(jī)轉(zhuǎn)速等輔助建議。智能能效主要體現(xiàn)的是節(jié)能。除了以上對應(yīng)CCS 智能船符號的智能化應(yīng)用，還可以根據(jù)船舶營運(yùn)的需要，開發(fā)或采用其它個性化的智能應(yīng)用安裝于集成平臺上，增強(qiáng)船舶的智能化水平。

1.4.4 岸基支持

LNG 運(yùn)輸船的智能化升級離不開岸基的支持。船舶是局部的大數(shù)據(jù)，為岸基中心提供節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)；而岸基中心匯聚了所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)后形成全局大數(shù)據(jù)，反過來為各個節(jié)點(diǎn)（單船）提供基于全局大數(shù)據(jù)分析結(jié)果服務(wù)。

目前的船隊(duì)管理主要是船位監(jiān)控、主機(jī)監(jiān)控、視頻會議、電子郵件等需求，智能船收集的海量信息讓岸基提供更深更廣的支持成為可能。

硬件上，船舶設(shè)置衛(wèi)星通信、移動通信等多種通信手段，實(shí)現(xiàn)與岸基中心的數(shù)據(jù)互通；而岸基設(shè)置數(shù)據(jù)管理中心，對船舶實(shí)現(xiàn)更加安全、高效、透明的管理。

2 智能化升級方案架構(gòu)

智能化升級方案的核心是系統(tǒng)的總體架構(gòu)設(shè)計(jì)，是實(shí)現(xiàn)船舶數(shù)字化、信息化、智能化的基礎(chǔ)支撐，總體架構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣決定著船舶智能化最終的水平高低，是保障船舶及智能系統(tǒng)穩(wěn)定性、安全性、可靠性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[12]。LNG 運(yùn)輸船的智能化升級方案總體架構(gòu)如圖3 所示，計(jì)劃實(shí)現(xiàn)CCS 有關(guān)智能船舶的INMEC 五個符號相對應(yīng)的功能，同時(shí)岸基通過船岸一體通訊系統(tǒng)對船舶進(jìn)行必要的管理，且在岸基完成船舶運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析與輔助決策。

圖3 LNG運(yùn)輸船智能化方案系統(tǒng)總體架構(gòu)

主要實(shí)現(xiàn)的智能功能服務(wù)如表1 所示。因?yàn)長NG 運(yùn)輸船的智能化方案主要針對的是船舶的智能化升級，所以主要闡述LNG運(yùn)輸船船端智能系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)。

表1 智能應(yīng)用及目標(biāo)描述

2.1 船端智能系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

船舶的現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)一般采用環(huán)網(wǎng)形式搭建，一般稱之為網(wǎng)狀架構(gòu)，如圖4 所示。環(huán)網(wǎng)架構(gòu)往往將相關(guān)系統(tǒng)或傳感器兩兩互聯(lián)以實(shí)現(xiàn)信息的交互，電纜敷設(shè)繁復(fù)，且復(fù)用性不高；實(shí)現(xiàn)某一具體功能的獨(dú)立系統(tǒng)一般配置單獨(dú)的工作站及獨(dú)有的信號采集設(shè)備，導(dǎo)致船舶的工作空間受限，原因是同一處所經(jīng)常存在不同系統(tǒng)的獨(dú)立設(shè)備且無法共用。該架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是可靠性高，單條鏈路的通信故障不會影響其他系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

圖4 傳統(tǒng)船舶系統(tǒng)網(wǎng)狀架構(gòu)

為了保證原有船舶系統(tǒng)發(fā)揮正常作用，該LNG 運(yùn)輸船的船端智能系統(tǒng)采用“平臺+應(yīng)用”架構(gòu)完成船舶智能系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，如圖5 所示。集成平臺負(fù)責(zé)采集、存儲和分發(fā)全船的數(shù)據(jù)和復(fù)現(xiàn)各智能應(yīng)用的功能頁面，各智能應(yīng)用從集成平臺獲取各自所需信息，同時(shí)從集成平臺調(diào)用計(jì)算資源利用自己獨(dú)有的人工智能算法實(shí)現(xiàn)各自的智能目標(biāo)，然后再統(tǒng)一推送至集成平臺的顯示器供操作人員瀏覽、查詢或監(jiān)控。“平臺+應(yīng)用”架構(gòu)的優(yōu)勢在于邏輯結(jié)構(gòu)簡單，擴(kuò)展性兼容性極強(qiáng)，同時(shí)由于資源的復(fù)用率較高導(dǎo)致整體的運(yùn)行效率較高，但相比網(wǎng)狀架構(gòu)，可靠性會略微降低。

圖5 LNG運(yùn)輸船智能系統(tǒng)“平臺+應(yīng)用”架構(gòu)

兩相對比之下，很容易得出以下結(jié)論：在系統(tǒng)數(shù)量確定、岸基管理需求較少的情況下，網(wǎng)狀架構(gòu)在初期成本和可靠性方面的優(yōu)勢使它更適宜此種情況，但最大的缺點(diǎn)是新增一個系統(tǒng)往往需要重新部署一套線纜及設(shè)備，會極大的增加擴(kuò)展成本。隨著船舶對智能化的需求不斷增多且越來越復(fù)雜，智能程度不斷提升，“平臺+應(yīng)用”的架構(gòu)的優(yōu)勢不斷突出：一是擴(kuò)展性更強(qiáng)，可方便地利用已采到的全船數(shù)據(jù)進(jìn)行信息的共享，實(shí)現(xiàn)功能的擴(kuò)展；二是船舶的網(wǎng)絡(luò)資源可以實(shí)現(xiàn)初期一次投入，在不增加額外硬件成本（線纜及設(shè)備）的基礎(chǔ)上增加新系統(tǒng)，同時(shí)還能不影響原船舶系統(tǒng)的構(gòu)建。再加上本方案針對的是現(xiàn)有船舶的升級不宜增加過多的網(wǎng)絡(luò)線纜，所以本方案的智能系統(tǒng)架構(gòu)選擇了“平臺+應(yīng)用”架構(gòu)。

2.1.1 感知層

由于本方案針對的是現(xiàn)有船舶的升級改造，應(yīng)在不影響船舶原有功能的基礎(chǔ)上進(jìn)行適應(yīng)性增強(qiáng)。該LNG 運(yùn)輸船的智能化方案感知層設(shè)計(jì)流程如下：首先廣泛收集并確認(rèn)各智能功應(yīng)用的感知需求，值得注意的是不同的智能應(yīng)用所需的感知信息可能存在重疊，需要在總體設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行統(tǒng)一考量避免重復(fù)采集的出現(xiàn)；然后梳理成全船的智能感知信息需求表，結(jié)合船舶原有的采集信號點(diǎn)表，主要是機(jī)艙自動化系統(tǒng)、導(dǎo)航通訊系統(tǒng)、貨物系統(tǒng)等已經(jīng)具備的信號，確認(rèn)各信號的名稱、源頭、用途等對應(yīng)關(guān)系，梳理成所有感知信息的總體信號表；再根據(jù)現(xiàn)有船舶的配置情況和感知信息缺失情況，確定新增傳感器的增設(shè)與布置設(shè)計(jì)，最后由集成平臺統(tǒng)一匯集全船的感知信息，根據(jù)各智能應(yīng)用的需求分發(fā)相關(guān)信息。

該LNG 運(yùn)輸船的感知信息主要分布在船舶艏部、機(jī)艙、橋樓和貨艙區(qū)域，計(jì)劃結(jié)合原有系統(tǒng)的信息交互通道，在船舶艏部、貨物系統(tǒng)控制室、機(jī)艙集控室和駕駛室等合適位置各新增部署1 個信號采集單元，將所需信息統(tǒng)一采集并傳輸至集成平臺匯聚處理。

特別提示的是，有特殊要求的感知模塊需結(jié)合實(shí)船情況優(yōu)化布局設(shè)計(jì)，如表2 所列。例如，由于縱傾優(yōu)化功能的實(shí)現(xiàn)需要結(jié)合船舶姿態(tài)信號，本船計(jì)劃分別在艏部艙室和艉部艙室的船舶中心線上安裝兩套運(yùn)動傳感器，以便更好地采集到船舶的運(yùn)動姿態(tài)信息。

表2 特殊感知模塊清單（部分）

尤其需要關(guān)注的是，傳感器的穩(wěn)定性、有效性、設(shè)備的安裝等因素會極大地影響感知信息的采集質(zhì)量，部分感知信息還需在營運(yùn)過程中進(jìn)行周期性的校準(zhǔn)。例如，軸功率儀本身的采集精度會隨著船舶主機(jī)運(yùn)行時(shí)間的延長產(chǎn)生一定的偏移，這時(shí)就需要人為地去校準(zhǔn)軸功率儀，否則會使得智能功能輔助決策的有效性、可靠性大大降低。

2.1.2 平臺層

（1）平臺層可靠性設(shè)計(jì)

智能系統(tǒng)中的核心和底層基礎(chǔ)是集成平臺，集成平臺的可靠性和安全性的高低將決定智能系統(tǒng)的可靠性和安全性。這就要求集成平臺應(yīng)該從系統(tǒng)硬件冗余、軟件冗余以及網(wǎng)絡(luò)安全3個方面開展可靠性和安全性設(shè)計(jì)。

在該LNG 運(yùn)輸船上，集成平臺核心的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備均采用冗余設(shè)計(jì)（雙套布置），每條信息鏈路使用冗余線纜連接至下一節(jié)點(diǎn)，集成平臺的總體架構(gòu)如圖6 所示。同時(shí)智能系統(tǒng)的電源均要求采用冗余電源供電，除正常供電外，還需配置專用不間斷電源（UPS）向智能系統(tǒng)供電。配置的專用UPS 可保障智能系統(tǒng)在正常供電失效情況下繼續(xù)運(yùn)行0.5 h。通過這樣的冗余設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了該船智能系統(tǒng)的設(shè)備與電源的雙冗余實(shí)現(xiàn)，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。這樣的設(shè)計(jì)也保障了該船智能系統(tǒng)成功通過失效模式和影響分析（FEMA）測試。

圖6 LNG運(yùn)輸船智能集成平臺架構(gòu)

上述設(shè)計(jì)也僅從硬件層面保障了該船的智能系統(tǒng)的安全可靠，從軟件層面，該船還利用雙機(jī)熱備的軟件運(yùn)行方式進(jìn)一步提升系統(tǒng)可靠性。當(dāng)其中任一軟件故障或失效時(shí)，智能系統(tǒng)會自動切換至備份系統(tǒng)中運(yùn)行，保障軟件的無縫切換，同時(shí)可在人員運(yùn)維解決問題后自動完成數(shù)據(jù)同步，保障雙套系統(tǒng)數(shù)據(jù)的一致性。然后，通過網(wǎng)絡(luò)安全軟件、防火墻、交換機(jī)策略的部署，經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴以及網(wǎng)絡(luò)滲透測試驗(yàn)證網(wǎng)路安全的可靠性。最后，有第三方專業(yè)人員協(xié)調(diào)組織完成網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險(xiǎn)評估等一系列風(fēng)險(xiǎn)識別、評價(jià)、分析與控制等工作，再一次提升平臺的可靠性。

（2）平臺功能設(shè)計(jì)

集成平臺的主要實(shí)現(xiàn)功能是實(shí)現(xiàn)全船的數(shù)據(jù)集成、應(yīng)用集成和界面集成。數(shù)據(jù)集成指的是全船的感知信息會由集成平臺統(tǒng)一收集匯聚成一個船舶的數(shù)據(jù)倉庫，不同的智能應(yīng)用通過調(diào)用不同接口從數(shù)據(jù)倉庫中獲取本身需要的感知信息。應(yīng)用集成指的是智能應(yīng)用不再以單獨(dú)成套設(shè)備獨(dú)立部署而是綜合部署在智能集成平臺中，通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)置保證功能的獨(dú)立性。界面集成主要指在同一顯示終端實(shí)現(xiàn)多個智能應(yīng)用界面的運(yùn)行和切換。在這3個功能目標(biāo)中，應(yīng)用集成和界面集成可套用陸上成熟經(jīng)驗(yàn)，但由于船舶的復(fù)雜性，數(shù)據(jù)集成的功能實(shí)現(xiàn)需要在數(shù)據(jù)采樣規(guī)則、傳輸規(guī)則以及清洗規(guī)則方面進(jìn)行個性化定制設(shè)計(jì)。

值得注意的是，在智能系統(tǒng)和其他廠商的系統(tǒng)確定數(shù)據(jù)通信協(xié)議時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)溝通與技術(shù)協(xié)調(diào)，對于特殊傳感器需要特別關(guān)注。例如，由于智能能效應(yīng)用對質(zhì)量流量計(jì)的精度要求，集成平臺采集該信號時(shí)，質(zhì)量流量計(jì)會采用雙寄存器進(jìn)行浮點(diǎn)數(shù)的信號發(fā)送，這與通常的單寄存器存儲傳輸信號的方式有所不同，尤其是高低位的搭配組合各廠家還會有所不同，需適配調(diào)整。

同時(shí)，由于船舶采集的信號種類繁多，同一類型的信號在不同的場景下仍有不同的量程限制，所以這就要求集成平臺需根據(jù)實(shí)船的營運(yùn)實(shí)況對感知信號的量程在數(shù)據(jù)清洗過程中進(jìn)行限制。數(shù)據(jù)清洗規(guī)則要根據(jù)不同信號數(shù)據(jù)的空值、超限、缺省等異常情況確定判別方法。例如，通常的機(jī)艙監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)一般會以某一特征編碼在不同信號點(diǎn)表征數(shù)據(jù)超限或者數(shù)據(jù)丟失兩種異常狀態(tài)，但批量清洗又會導(dǎo)致無法準(zhǔn)確判斷當(dāng)前狀態(tài)，進(jìn)而導(dǎo)致輔助決策完全失真，解決辦法是特定清洗數(shù)據(jù)信號，這樣又會導(dǎo)致性能的損失，所以數(shù)據(jù)的清洗需在集成平臺的設(shè)計(jì)階段加以確認(rèn)優(yōu)化。

（3）船岸通信

船岸通信主要依托原船配置的船岸通信方式實(shí)現(xiàn)，目的是實(shí)現(xiàn)船岸數(shù)據(jù)的一體化交互，用以支持船舶的岸基遠(yuǎn)程管理與營運(yùn)支持。船岸通信的功能側(cè)重點(diǎn)是船岸通信的數(shù)據(jù)安全與鏈路優(yōu)選設(shè)計(jì)。

唯有保證通信安全，通信數(shù)據(jù)才可信。本方案通信安全的設(shè)計(jì)主要通過權(quán)限的管理和數(shù)據(jù)乃至鏈路的加解密保障船岸數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩煽亍?/p>

除了通信安全的考量外，還需考慮成本因素。結(jié)合帶寬及流量的限制，應(yīng)根據(jù)不同的數(shù)據(jù)類型對不同數(shù)據(jù)采用不同的輕量化手段以降低船舶的流量成本。同時(shí)，由于船舶實(shí)際營運(yùn)情況所限，衛(wèi)星信號總會發(fā)生掉線情況，數(shù)據(jù)的傳輸應(yīng)考慮斷點(diǎn)續(xù)傳功能，保障數(shù)據(jù)的連續(xù)性和穩(wěn)定性。

2.1.3 應(yīng)用層

各智能應(yīng)用在開發(fā)時(shí)一般采用獨(dú)立開發(fā)模式，本身的業(yè)務(wù)邏輯一般不會由集成平臺統(tǒng)一打包，但智能系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)時(shí)仍需考量業(yè)務(wù)功能的展示及數(shù)據(jù)交互接口。例如，智能能效和智能航行系統(tǒng)均有航速優(yōu)化功能，但實(shí)際操作過程中，一般是由智能航行系統(tǒng)先將優(yōu)化后的航線數(shù)據(jù)傳遞給智能能效系統(tǒng)進(jìn)行航速優(yōu)化。

同時(shí)由于智能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能的方式不同，雖然底層數(shù)據(jù)共享，但是考慮到各應(yīng)用的接口請求方式，智能系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)是必須要考慮接口順序、接口性能的解決方案。

2.2 挑戰(zhàn)分析

LNG 運(yùn)輸船的智能化升級方案面臨的挑戰(zhàn)主要有以下3個方面：

（1）設(shè)備商維修與管理系統(tǒng)的開放。LNG 運(yùn)輸船智能化升級方案需要進(jìn)行全船數(shù)據(jù)的集成及信息融合，這就要求船上所有的機(jī)電設(shè)備開放數(shù)據(jù)接口且允許智能系統(tǒng)調(diào)用或查詢設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)、故障診斷等數(shù)據(jù)資料。這勢必會影響到設(shè)備商的商業(yè)利益。出于保密及商業(yè)上的考量，在智能化升級的技術(shù)協(xié)議談判過程中一定會存在較多的分歧。這些不確定因素將在一定程度上降低智能系統(tǒng)的完整性和數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性，使得智能系統(tǒng)的功能性會有一定程度地削弱。

（2）信息數(shù)據(jù)的處理、挖掘與利用。從目前的技術(shù)上來看，“感知”船舶狀態(tài)的技術(shù)相對成熟，也就意味著數(shù)據(jù)的獲取相對簡單。但面對工業(yè)數(shù)據(jù)獲取過程中存在的兩大難點(diǎn)：信號協(xié)議種類繁多且不標(biāo)準(zhǔn)和信息間的冗余及沖突，如何在限制條件下完成有效數(shù)據(jù)的篩選、處理和綜合分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)基于大數(shù)據(jù)的船舶設(shè)備的智能監(jiān)控與輔助決策是一個任重道遠(yuǎn)的任務(wù)。

（3）LNG 運(yùn)輸船智能應(yīng)用的開發(fā)。LNG 運(yùn)輸船的特異性導(dǎo)致目前不存在完全匹配LNG 運(yùn)輸船需求的智能應(yīng)用軟件可以套用，需要進(jìn)一步研發(fā)。這就帶來了一個現(xiàn)實(shí)的問題：軟件的開發(fā)除了較高的研發(fā)成本外，還需要考慮到智能系統(tǒng)的可靠性、人機(jī)交互的友好性、與現(xiàn)有管理軟件的數(shù)據(jù)兼容性。同時(shí)，隨著智能技術(shù)的不斷進(jìn)步，LNG 運(yùn)輸船智能化升級所形成的的智能系統(tǒng)還應(yīng)具有開放性和可擴(kuò)展性。這些問題也會進(jìn)一步限制LNG 運(yùn)輸船智能化升級方案的應(yīng)用與實(shí)施。

3 結(jié)束語

該LNG 運(yùn)輸船的智能化升級方案總體架構(gòu)設(shè)計(jì)基本符合中國船級社的《智能船舶規(guī)范》，研究過程中形成的設(shè)計(jì)圖紙及文件資料已通過評審，可用于實(shí)船實(shí)施。該方案作為首個通過中國船級社認(rèn)可的LNG 運(yùn)輸船智能化升級方案，為后續(xù)該船型的智能化升級工程提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，掃除了前期可行性預(yù)研的障礙，可以有力支撐具體工程項(xiàng)目的實(shí)施，同時(shí)也為特殊船型的智能化升級改造項(xiàng)目提供了有效案例。但同時(shí)隨著技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，將來的智能船的智能需求必然會越來越深入，逐步邁向全面的無人自主，這必然將會逐步提升船舶的總體設(shè)計(jì)的重要性，優(yōu)異安全的智能化總體架構(gòu)也必然越來越得到船舶設(shè)計(jì)人員的青睞。