基于“海洋石油301”船的智能化船岸一體數(shù)據(jù)管理

斯園園

(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)

為降低企業(yè)大型裝備運(yùn)營(yíng)成本和設(shè)備運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)[1],提高設(shè)備運(yùn)營(yíng)效率,以“海洋石油301”船為基礎(chǔ),收集全船不同專(zhuān)業(yè)不同設(shè)備的狀態(tài)信息,對(duì)船舶及關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè),開(kāi)展智能化船岸一體數(shù)據(jù)管理實(shí)踐,使“海洋石油301”船智能化船岸一體數(shù)據(jù)管理平臺(tái)集科學(xué)性、先進(jìn)性、互動(dòng)性于一體,提高操作性、交互性和智能性。

1 總體架構(gòu)

“海洋石油301”智能化船岸一體數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)采用的是‘平臺(tái)+應(yīng)用’模式。智能集成平臺(tái)系統(tǒng)基于統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)、數(shù)據(jù)分發(fā)平臺(tái)、導(dǎo)航平臺(tái)構(gòu)建而成,旨在實(shí)現(xiàn)船舶數(shù)據(jù)層面集成、應(yīng)用層面集成以及操作界面集成。智能化船岸一體數(shù)據(jù)管理平臺(tái)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)具有輕量化處理和壓縮功能,具備安全防御、數(shù)據(jù)機(jī)密處理及防止網(wǎng)絡(luò)攻擊功能?！昂Ｑ笫?01”智能化船岸一體數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)主要應(yīng)用于機(jī)艙數(shù)據(jù)、艏部區(qū)域、居住區(qū)域和貨艙區(qū)域,總體架構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 “海洋石油301”智能化船岸一體數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)總體架構(gòu)

2 平臺(tái)特點(diǎn)

設(shè)計(jì)采用萬(wàn)兆以太網(wǎng)技術(shù)和先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),系統(tǒng)軟件架構(gòu)見(jiàn)圖2,平臺(tái)特點(diǎn)如下。

圖2 “海洋石油301”智能化船岸一體數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)軟件架構(gòu)

1)高帶寬/高性能。核心設(shè)備采用高性能交換機(jī)和防火墻,通過(guò)萬(wàn)兆以太網(wǎng)技術(shù),實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的高交換性能,保障數(shù)據(jù)傳送的高穩(wěn)定狀態(tài)。

2)高性能第三層交換。核心交換機(jī)自身具有高性能的交換容量,第三層數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)能力,為集成平臺(tái)提供強(qiáng)大的理由能力。

3)高可擴(kuò)展性。首先在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備層面,通過(guò)核心交換機(jī)高容量的功能實(shí)現(xiàn)接口密度的更高需求,其次,通過(guò)堆疊技術(shù)接入交換機(jī),不僅實(shí)現(xiàn)了更高的端口密度,還提供了更大的數(shù)據(jù)交換容量。

4)多媒體數(shù)據(jù)支持。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)作為該管理系統(tǒng)重要組成部分,在具備QoS能力的同時(shí)支持對(duì)組播數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)可獲知網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的功能。

3 實(shí)現(xiàn)功能

3.1 數(shù)據(jù)集成

數(shù)據(jù)集成通過(guò)傳感裝置實(shí)現(xiàn),即傳感器、控制器、信息收集裝置和數(shù)據(jù)收集裝置測(cè)量數(shù)據(jù),以獲取數(shù)據(jù)、定義數(shù)據(jù)要求,包括對(duì)其含義、數(shù)量定義、數(shù)據(jù)質(zhì)量、傳輸和處理方式等方面的要求,從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可追溯性[2]。通過(guò)采集全船不同接口、不同通信協(xié)議信號(hào)(主要有RS485、CAN、開(kāi)關(guān)量、Modbus、模擬量等)進(jìn)行匯總,轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)接口和通信協(xié)議信號(hào)。

數(shù)據(jù)集成需要以構(gòu)建全船統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)為基礎(chǔ)?！昂Ｑ笫?01”智能化船岸一體數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)硬件架構(gòu)完整,建立了全船統(tǒng)一的通信網(wǎng)絡(luò),負(fù)責(zé)智能化船岸一體數(shù)據(jù)系統(tǒng)的接入及設(shè)備管理,為智能應(yīng)用提供硬件資源,見(jiàn)圖3。

實(shí)現(xiàn)全船信息的融合,形成基于管理、控制流程的,基于主題的、整體的、相對(duì)固定的、反映發(fā)展變遷的信息集合。通過(guò)加密和權(quán)限設(shè)置等方式,實(shí)現(xiàn)安全保存采集信息,在此基礎(chǔ)上開(kāi)展有效分析,最終保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度和有效性。

3.2 應(yīng)用集成

通過(guò)功能模塊設(shè)計(jì)和設(shè)置,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)推送所需船舶原始數(shù)據(jù),同時(shí)將智能應(yīng)用推送的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行客觀(guān)和直觀(guān)的展示。通過(guò)應(yīng)用集成,該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)進(jìn)行訂制模式下的綜合服務(wù)應(yīng)用。目前,通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘已開(kāi)展的實(shí)踐應(yīng)用主要包括故障解析、預(yù)報(bào)預(yù)警、輔助決策等方面[3]。

你不知道我在故紙堆中所做的工作是什么，它的目的何在，因?yàn)槟愀业臅r(shí)候，我的工作才剛開(kāi)始……從青島時(shí)代起，經(jīng)過(guò)了十幾年，到現(xiàn)在，我的“文章”才漸漸上題了。［2］380

3.3 界面集成

在良好的人機(jī)交互的信息呈現(xiàn)模型下,利用歷史數(shù)據(jù)的累積與數(shù)據(jù)分析,給出數(shù)據(jù)挖掘結(jié)論,并通過(guò)良好的界面與表達(dá)形式顯示故障原因、利用大數(shù)據(jù)分析趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)警。該系統(tǒng)配備了統(tǒng)一的導(dǎo)航平臺(tái)界面,根據(jù)功能模塊劃分成不同的應(yīng)用界面。從橫向和縱向維度對(duì)于系統(tǒng)進(jìn)行安全管理,采用管理員賬戶(hù)管理、使用者權(quán)限劃分和系統(tǒng)智能報(bào)警的方式實(shí)現(xiàn)。

3.4 系統(tǒng)冗余

為保證系統(tǒng)冗余的穩(wěn)定性,采用了船電+UPS雙路冗余供電模式。該設(shè)計(jì)方案中,當(dāng)出現(xiàn)船電失電狀態(tài)時(shí)將自動(dòng)切換UPS供電模式,提供不少于30 min供電。同時(shí),通過(guò)優(yōu)化集成平臺(tái)軟件冗余架構(gòu)設(shè)計(jì),即使出現(xiàn)單臺(tái)服務(wù)器故障的情況,也可保證系統(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài)。

3.5 船岸通信

在船端數(shù)據(jù)傳送至岸基數(shù)據(jù)中心過(guò)程中,采用輕量化模塊和數(shù)據(jù)加密模塊,保證數(shù)據(jù)的有效性。在輕量化模塊設(shè)計(jì)中,實(shí)現(xiàn)了根據(jù)不同信號(hào)傳輸需求,自動(dòng)選擇不同輕量化算法對(duì)壓縮數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)支持ms級(jí)壓縮延時(shí),針對(duì)5 min傳輸頻率下結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù),平均壓縮率不超過(guò)2%。

3.6 安全防護(hù)

通過(guò)合理的邊界安全和終端安全防護(hù)方案部署,設(shè)置訪(fǎng)問(wèn)權(quán)限管控,采用身份鑒別手段,確保平臺(tái)上采集到的數(shù)據(jù)安全性。同時(shí),可以通過(guò)備份的路徑權(quán)限控制備份數(shù)據(jù),并采用密碼保存等方法保證安全性。運(yùn)維管理界面采用一鍵模式,操作簡(jiǎn)潔明了。

3.7 岸基數(shù)據(jù)中心

對(duì)接收到的船端發(fā)回?cái)?shù)據(jù),通過(guò)解密、解壓和還原三個(gè)步驟后,將數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和評(píng)估,為岸基數(shù)字化三維可視化平臺(tái)提供實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)接口,實(shí)現(xiàn)船-岸視頻傳輸鏈路。

4 應(yīng)用示范

2020年8月15日至2020年10月13日,海洋石油301船從洋浦港至防城港共9個(gè)航次?！昂Ｑ笫?01”智能化船岸一體數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)可進(jìn)行貨艙數(shù)據(jù)、機(jī)艙數(shù)據(jù)以及航次數(shù)據(jù)分析。通過(guò)測(cè)點(diǎn)采集相關(guān)航行數(shù)據(jù),主要包括艙內(nèi)上中下溫度,艙內(nèi)壓力,液位以及罐體表面溫度等,開(kāi)展貨艙絕緣分析、貨艙壓力與液位上升分析、航行過(guò)程壓力與貨損控制分析、貨物BOG低熱值與組分分析、航速分析等。

4.1 貨艙絕緣分析

通過(guò)比較同液位高度下,罐體外表面溫度與罐內(nèi)貨物溫度,得到內(nèi)外傳熱的溫度差。罐體表面溫度測(cè)量點(diǎn)有兩處,一是鋼制罐體表面,二是絕緣層內(nèi)。該處的溫度受到以下兩方面的影響:罐子內(nèi)部同液位高度下的溫度和罐子外部相鄰?fù)獠凯h(huán)境的溫度。在外界環(huán)境溫度一定的情況下,除去溫度傳感器數(shù)值不準(zhǔn)等問(wèn)題,假設(shè)鋼制罐體材料,厚度均勻,傳感器數(shù)值準(zhǔn)確,鋼制罐體的隔熱效果相較于絕緣層忽略不計(jì)。則鋼制罐體內(nèi)外溫差可定性的反應(yīng)該位置外界通過(guò)絕緣層傳入熱的多少以及影響LNG氣化的程度。貨罐上部艙壁溫度與艙內(nèi)溫度差見(jiàn)圖4。

圖4 貨罐上部艙壁溫度與艙內(nèi)溫度差

對(duì)比8個(gè)罐體頂部的內(nèi)外溫度差,發(fā)現(xiàn)1號(hào)和2號(hào)貨艙右舷頂部?jī)?nèi)外溫度差較大,這兩處的外界傳入熱較多,推測(cè)這兩處有熱源或者絕緣效果差。

4.2 貨艙壓力與液位上升分析

在貨運(yùn)航次過(guò)程中,貨罐壓力上升出現(xiàn)在以下四種工況:已裝卸貨物行駛,裝貨停靠,不裝卸貨物(少量殘存)航行,未裝貨(少量殘存)?？縖4]。其中,安全閥設(shè)定4.5 bar(絕對(duì)值),貨罐容積不超過(guò)98.5%。通過(guò)所收集的裝卸貨物飛行狀態(tài)累計(jì)資料,通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析可以得出裝卸貨物飛行狀態(tài)穩(wěn)定平衡的兩個(gè)主要參數(shù):罐內(nèi)氣壓上升的一般速度為2.95 mbar/h(最高可達(dá)4.54 mbar/h),而重量百分比增加的一般速度則為百分之零點(diǎn)零零五以下。根據(jù)已采集的數(shù)據(jù)分析,開(kāi)展穩(wěn)定航行貨罐內(nèi)部壓力和液體體積預(yù)測(cè)。

根據(jù)采集不同工況下壓力和燃?xì)庀臄?shù)據(jù),通過(guò)比對(duì)分析得出四種工況下燃?xì)饽Ｊ礁鞴r的壓力上升情況見(jiàn)表1。

表1 四種工況下燃?xì)饽Ｊ礁鞴r的壓力上升情況

4.3 航行過(guò)程壓力與貨損控制分析

通過(guò)采集2020年9月至11月采集到的6航次燃?xì)夂牧繉?dǎo)致的貨損統(tǒng)計(jì),可以看到由于船舶停止時(shí),燃?xì)庀臏p少,壓力急劇上升。故而在到達(dá)港未準(zhǔn)備好接貨或由于天氣原因,不具備靠岸條件時(shí),船舶會(huì)保持在外繞行,貨損可觀(guān)。極端情況甚至?xí)?00立方LNG的貨損。2020年9月至11月期間,6航次貨損范圍在30 m3到100 m3區(qū)間。根據(jù)采集到的貨損統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),可以發(fā)現(xiàn)裝貨前以及裝貨過(guò)程中的回氣速度與回氣量與裝貨速率與manifold的溫度壓力有關(guān)。裝貨運(yùn)輸過(guò)程中為了控制貨艙壓力,增加航行路程導(dǎo)致的燃?xì)庀?。卸貨過(guò)程中,為了防止貨罐負(fù)壓,強(qiáng)制蒸發(fā)增加的BOG。回程等待期間未裝貨過(guò)程中,由于貨罐壓力上升過(guò)快,導(dǎo)致的安全閥釋放。

通過(guò)分析船停未裝貨(少量殘存)航行數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)回程等待裝貨時(shí)間過(guò)長(zhǎng),常有壓力超壓釋放的情況。在空艙殘余較多的情況下,壓力上升情況可以得到明顯緩解,二者呈現(xiàn)一定的相關(guān)性。

4.4 貨物BOG低熱值與組分分析

BOG的主要成分是沸點(diǎn)較低的氮?dú)夂图淄?這是開(kāi)展BOG低熱值與組分分析的前提條件和依據(jù)。氮?dú)怆m然在整個(gè)LNG的組分比例較少,但由于沸點(diǎn)低,在BOG的占比較大,氮?dú)獾慕M分會(huì)極大的影響B(tài)OG的熱值。對(duì)于本船,由于裝貨地點(diǎn)固定,組分大體相同,故燃?xì)鉄嶂灯畈淮蟆?/p>

4.5 航速分析

“海洋石油301”的船體性能非常好,同一轉(zhuǎn)速下失速最小的工況點(diǎn)與試航時(shí)的基準(zhǔn)線(xiàn)。由于本船的洋浦港—防城港航線(xiàn)水深多為20 m,有比較明顯的潛水效應(yīng),失速可達(dá)0.5 kn。也就是說(shuō)本船實(shí)際性能可以比現(xiàn)在再快0.5 kn。由此就航速上不去的現(xiàn)象,確定排除船體性能的問(wèn)題,可從機(jī)械部分或其他部分開(kāi)展分析排查。

5 結(jié)論

“海洋石油301”智能化船岸一體數(shù)據(jù)管理整合了智能航運(yùn)和大數(shù)據(jù)領(lǐng)域前沿技術(shù),對(duì)船舶能耗、物流規(guī)律、裝卸變化等關(guān)鍵數(shù)據(jù)開(kāi)展針對(duì)性分析,完成了如下開(kāi)發(fā)。

1)實(shí)現(xiàn)了船基視頻壓縮回傳功能,為實(shí)現(xiàn)岸基進(jìn)行數(shù)字化雙胞胎構(gòu)建、關(guān)鍵設(shè)備故障預(yù)警分析、BOG測(cè)算預(yù)測(cè)等高效的船岸數(shù)據(jù)連接奠定了基礎(chǔ)。

2)加強(qiáng)了與岸基數(shù)據(jù)交互的基礎(chǔ),分階段開(kāi)發(fā)了船舶機(jī)電設(shè)備故障診斷、貨艙狀態(tài)監(jiān)測(cè)及貨損分析等核心技術(shù)。

3)構(gòu)建了LNG船舶虛擬場(chǎng)景,訓(xùn)練應(yīng)急反應(yīng)能力,提供高沉浸感的虛擬展示和體驗(yàn)。