天津港智能拖輪方案設計

伊 杰 馮志東 劉玉平

一、船舶智能化的發展現狀

中國船級社于2015年12月1日正式發布的《智能船舶規范2015》對智能船舶進行了定義，即智能船舶就是利用傳感器、通信、物聯網、互聯網等技術手段，自動感知和獲得船舶自身、海洋環境、物流、港口等方面的信息和數據，并基于計算機技術、自動控制技術和大數據處理和分析技術，在船舶航行、管理、維護保養、貨物運輸等方面實現智能化運行的船舶[1]。

近年來由于智能船舶概念的興起以及智能船舶技術的日益發展，船舶智能化已經成為全球航運的大勢所趨。出于通過船舶智能化降低船舶控制和管理難度，減少人為誤操作，提高設備及船舶營運的安全，優化船舶航行，控制燃油消耗、降低成本，提高收益等目的，目前智能船舶的研究與探索已在全球范圍內開展。

美國斯佩里海事公司（Sperry Marine）的VisionMaster綜合駕駛臺系統可根據航行時的天氣狀況等自動規劃航線以及優化油耗，并能提供遠程診斷、軟件更新和其他技術支持。該系統已在美國皇家加勒比游船公司最新的“海洋解放”號和其姊妹船“海洋自由”號上安裝使用[2]。英國的羅爾斯·羅伊斯（Rolls Royce）公司則專注于船舶設備的遠程監控。2017年10月，羅爾斯·羅伊斯與馬士基集團旗下的Svitzer拖輪公司聯合開發的無人拖輪在哥本哈根港進行遠程操縱的視頻發布，盡管該拖輪尚無法完成實際助泊作業，但它代表著未來智能船舶的一種發展趨勢。此外，芬蘭、挪威、日本、韓國等國家也都在船舶智能化的不同領域進行了有益探索。

作為世界最大的船舶建造國，我國也加大了對智能船舶的研發力度。2015年5月8日，國務院正式印發《中國制造2025》發展戰略，其中智能船舶是《中國制造2025》中明確重點發展的領域。國家工信部為加強對船舶行業智能制造的頂層設計和系統指導，將編制發布《推進船舶智能制造指導意見》。繼中國船級社發布《智能船舶規范2015》后，《船舶智能機艙檢驗指南》也于2017年11月6日正式生效。作為一種開放式規范和指導性文件，其與國際上智能船舶技術的發展和應用同步，為智能船舶的建造明確了方向和標準。2017年12月5日，由我國自主研制的全球第一艘智能船舶“大智”號3.88萬噸散貨船在上海交付使用，該船安裝了全球首個能夠自主學習的船舶智能運行與維護系統（SOMS），是全球首艘通過船級社認證的智能船舶，標志著我國智能船舶的建造技術達到了世界先進水平。

智能船舶的出現，將徹底顛覆現有的航運技術和管理體系，是現代航運的劃時代革命。船舶的智能化時代已經漸行漸近……

二、天津港智能拖輪的方案設計

1.天津港智能拖輪項目介紹

天津港智能拖輪項目包括2艘2 354千瓦全回轉拖輪和2艘2 942千瓦全回轉拖輪。其中2 354千瓦拖輪主要用于惡劣天氣的人員接送、海上破冰、沿海拖帶和港口助泊，自動化程度為AUT-0，冰區等級為CCS ICE CLASS B3。2 942千瓦拖輪主要用于港口助泊、海上消防和沿海拖帶，冰區等級為CCS ICE CLASS B，消防等級為FiFi 1/2，采用自動化電站設計。

為了響應國家船舶智能化的發展戰略，滿足天津港打造“智慧港口”的需要，提高拖輪設備的安全性，減少船舶工作人員的勞動強度，最大限度地降低人為因素對船舶安全的影響，總結天津港拖輪管理方面的經驗，并結合當今網絡應用技術及數據分析技術的發展，天津港智能拖輪項目均按照中國船級社《智能船舶規范2015》和《智能機艙檢驗指南2017》進行設計建造。智能拖輪方案包括智能航行、智能船體、智能機艙、智能能效管理、智能集成平臺五個部分，在現有的技術條件下滿足中國船級社《智能船舶規范2015》相關章節的要求，以實現拖輪的自動化、信息化和智能化。

2.天津港智能拖輪的設計原則

以港口助泊、海上拖帶、引航、護航等作業為主的輪駁企業，面對復雜的港口航行環境、良莠不齊的船員操作和管理水平以及越來越嚴苛的環保法案，每天思考和憂慮的不外乎三個問題：安全、經濟、節能與環保。

根據英國船東保賠協會對1987年至1990年四年期間發生的近1 000起船舶嚴重事故的調查結果表明，在發生事故的直接原因中，屬人為因素的占58%；而美國對1970至1979年10年間的13 191起船舶碰撞事故進行了一項專門研究，最后結論是：在所有事故中，有55%的事故發生的主要原因是人為失誤。由此可以看出，人為失誤是影響船舶安全的最大隱患。除了提高船員素質之外，提高拖輪的自動化水平，降低船舶安全對船員的依賴程度將是一種提高設備可靠性的有效途徑。智能拖輪的宗旨就是通過技術手段最大限度地減少人為誤操作，提高設備的可靠性和船舶營運的安全性。

香港環保署2012年的調查數據顯示：船舶二氧化硫、氮氧化物排放分擔率分別達到50%和32%；中國環保部機動車排污監控中心統計顯示，2013年在我國港口靠泊的船舶二氧化硫和氮氧化物排放量約占全國總排放量的8.4%和11.3%[3]。而2014年由自然資源保護協會公布的《中國船舶和港口空氣污染防治白皮書》又使所有的船舶企業對船舶環保問題加深了認識也承受著巨大的壓力。當今的輪駁企業其拖輪動力絕大多數還是由柴油機提供，盡管普遍使用低硫的輕柴油，但柴油機的熱工狀態不良不僅多消耗燃油而且還會產生大量的固體懸浮微粒、一氧化碳、二氧化碳、碳氫化合物、氮氧化合物、鉛及硫氧化合物的排放。船員的誤操作造成的海洋環境污染也是偶有發生。智能船舶的發展應順應“綠色船舶”的發展潮流，出于輪駁企業的社會責任感，通過拖輪的智能化來保護我們的碧海藍天也是勢在必行的。

如圖1所示，天津港智能拖輪的設計原則是提高設備與船舶的本質安全。通過航行風險提示與輔助決策的支持使船舶運行更加安全，通過對設備的智能化管理與故障預警使設備運行更加可靠，通過航行優化以及設備修理由計劃修理轉變為視情維修使船舶管理更加經濟，通過環保設計以及對柴油機熱工況的優化控制使船舶使用更加環保。

圖1 天津港智能拖輪的設計原則

3.天津港智能拖輪方案的安全性

智能拖輪方案是在現有拖輪基礎上新增設的一個系統，其自身的穩定性和安全性以及該系統在特定條件下對拖輪的正常運營是否會產生安全風險是我們首要關注的問題。天津港智能拖輪方案采取了如下的安全防護措施：

（1）探測器及其通信線路均具有部件損壞、短路、失電等故障的自我診斷和報警功能；

（2）智能系統采用雙冗余主控制器和冗余網絡結構、雙UPS電力支持、離岸數據備份、身份識別與病毒防火墻等設計，以保證該系統具有較強的容災備份和安防能力；

（3）智能系統與船舶報警系統各自獨立運行，即智能系統不會影響船舶運行數據的報警；

（4）智能系統對船舶所有參數進行監測、分析、邏輯判斷并提供輔助決策，并不直接參與船舶動力系統的運行控制。

4.天津港智能拖輪方案的實現方式

智能拖輪方案的實現分為五個層次，具體包括：

（1）信息采集層

信息采集層通過標準的通用智能化采集控制器與信號接口器件，通過硬連線或通信方式，與傳感器、執行器、第三方設備及通信導航設備連接，并將各種不同的信號進行編譯轉換，轉換成統一格式的數字信號，便于統一存儲及應用。

（2）數據存儲層

通過實時數據庫及歷史數據庫，對采集層的信息進行存儲。同時，相關的過程處理信息（程序、數據、參量等），也作為數據進行存儲。系統設置相關的數據庫管理程序及數據庫軟件進行數據存儲，并保證數據準確、完整及可用。

（3）數據整合層

在對已有的數據進行必要的抽取、清理的基礎上，進行系統加工、分類匯總、分析整合及交互，利用多維分析方法，從不同的角度進行分析比較，提取隱藏在數據中的信息，為業務應用及輔助決策提供信息支撐，發揮信息集成的作用。

（4）信息應用層

基于整合后的數據資源，提供相應的集成業務應用，如智能航行、智能船體、智能機艙、智能能效管理等。并可面向船舶管理的具體需求定制主題，進行數據挖掘，得到但不限于故障分析、預報預警、輔助決策等能力。

（5）信息展現層

通過人機交互，按照客戶定制，提供相應數據挖掘結果，并用適當的形式表達故障原因，利用數據趨勢對用戶經營決策提供預報預警等。

三、天津港智能拖輪的應用實踐

天津港智能拖輪目前處于審圖階段，其智能方案也在隨著設計的深入逐步細化。結合拖輪的實際應用，其智能方案包括以下五個方面：

1.智能航行

智能航行是利用計算機技術、控制技術等對感知和獲得的信息進行分析和處理，對船舶的航行與作業安全進行風險提示，對船舶航路和航速進行設計和優化，并能在整個航程期間與岸基中心建立通信聯系相互轉運信息，在保證安全的條件下設計和優化航速和航向使燃油消耗最低，且具有在整個航行期間不斷優化的能力。基于上述目的，智能航行包括船舶航行智能監測、預計到達時間、航路設計、經濟航速建議、航行風險提示和船舶邊界障礙探測等功能。

其中，船舶邊界障礙探測系統是結合拖輪助泊作業的特點提出的，通過設置包括船型圖和警戒線顯示等內容的獨立的可視化界面，提供船舶之間的距離以及接近速度等數據。探測系統作用范圍將覆蓋拖輪360度范圍，作用距離不小于50米，并可自由設定報警距離，當有大型物體接近船體并超越設定值時或者接近速度過快時，系統就能夠發出警報。

2.智能船體

智能船體是基于船體數據庫的建立與維護，為船體全生命周期內的安全和結構維修保養提供輔助決策，同時還可以通過船體相關數據的自動采集與監測，提供船舶操縱的輔助決策。船體監測及輔助決策系統對船舶運動狀態、船舶裝載以及海況、航向、航速等數據進行采集、存儲、分析、顯示，當這些數據的變化超過預設臨界值時，智能系統發出警告，并提供指導船舶航行操作的輔助決策。智能船體具備船體監測、獲取船舶浮態、船舶吃水、船舶姿態、環境溫度、海水溫度、艙室溫度等數據的功能。

船舶是一種受環境因素影響非常大的裝備，目前船員對于船舶狀況、航行狀態等的判斷主要還是依靠經驗和理論知識，這樣一來難免會出現不恰當的決策，造成不必要的人力、物力或財力損失。而智能船舶簡單來說，就是以“大數據”為基礎，運用先進的信息化技術，如實時數據傳輸和匯集、大計算容量、數字建模能力、遠程控制、傳感器等，實現對航行狀態以及船體狀況進行智能化的感知、判斷分析以及決策和控制，從而更好地保證船舶的航行安全和效率，大幅度減少甚至杜絕人為因素造成的事故。

其中，船體監測系統是通過船體測厚數據的變化量與變化速度對船體鋼板進行監控與預警，并規劃下一次塢修時船體檢測與鋼板修補和換新計劃，以實現船體外板全生命周期的計劃性和智能化管理。

3.智能機艙

智能機艙是對機艙內的主機、發電機組、舵槳、輔機、軸系的運行狀態進行監測，根據狀態監測系統收集的數據，對機械設備的運行狀態和健康狀況進行分析和評估，并能夠根據分析與評估結果，提出糾正建議，為船舶操作和檢修提供輔助決策。

其中，對主機、發電原動機和舵槳的監測主要是對機械傳動裝置和熱工狀態進行監測，動態顯示相關參數。同時系統根據設備的維修要求，依據實際工作的時間自動對預防性維護項目進行提示。對于發電機組的功率、頻率、運行時數、啟停次數、調速特性、AVR調整特性等進行監控和記錄，對發電機的繞組溫度和軸承溫度進行檢測。通過配電板上開關合分閘次數、異常脫扣次數和電流等的監測對泵、風機、熱水鍋爐等輔機進行智能化管理。通過在相應的油、水艙柜及艙底設置液位測量傳感器，并根據液艙艙容及艙底水位高度設置報警。液位測量通過相應的軟件自動計算相應液體的液位高度、實際容積與重量，艙容計算具有船舶橫傾、吃水差、溫度及密度修正功能。而艙底水位高度報警值可通過工作站進行調節。

此外，根據拖輪管理的實際經驗，智能拖輪方案在主機和舵槳的滑油系統中設置了水分和金屬磨粒的在線監測。當潤滑油中出現大顆粒金屬磨粒或潤滑油中金屬磨粒含量、水分含量變化率突變時，系統發出相應的警報。同時，在主機和舵槳的振動敏感位置設置三維振動傳感器，目的是通過振動監測精確、可靠地評價機器和螺旋槳的工作狀態，通過數據的積累、綜合分析來進行故障預判并提出修理方案。

4.智能能效管理

智能能效管理是對船舶主要耗能設備、船舶航行狀況等進行數據的采集、傳輸、存儲、分析并能傳輸至岸基中心，定期進行船舶能效狀況綜合評估，提供參數報警、能效優化和改進的輔助決策建議；通過集成控制系統的延展功能，通過對主機的能耗進行的實時監測與能耗分析，為最佳航行方案提供油耗數據支持；系統能夠自動生成對應于船舶航速、主機轉速的油耗及耗油率曲線。

其中，能效管理與船舶作業性質、操作人員建立對應關系，得出綜合性的分析為建立能耗標準和節能操作提供依據。

5.智能集成平臺

智能集成平臺采集智能航行、智能船體、智能機艙、智能能效管理等系統的數據，形成船上數據與應用的統一集成平臺。智能集成平臺要求具備開放性設計，能夠整合現有船上信息管理系統及后續新增系統，以實現對船舶的全面監控與智能化管理，并與岸基實現數據交互。通過智能系統采集的數據，智能集成平臺集成船上已有的智能系統的信息資源可以在集成平臺數據庫中存儲，或與其建立有效的調用關系。智能集成平臺能夠集成船舶信息管理系統的有關功能，實現公司及船舶對船舶相關信息的管理，如設備維護保養管理、船員交接及基本信息管理、安全管理、體系管理、成本管理、海事資料電子管理等。

智能集成平臺配備相應的軟件及接口，可將指定的數據通過無線網絡的手段傳輸至岸基數據中心。數據傳輸分為實時傳輸與定時傳輸兩種。實時傳輸因要保持實時性，數據量不宜過大。大部分的歷史數據及維修數據因數據量大，宜采用實時傳輸、定時校驗的數據傳輸方式。為預防計算機病毒及惡意入侵，船岸數據接口應設置防火墻。為保證系統的可靠性，智能集成控制系統要求配置雙冗余的主控控制器及冗余的網絡。系統依據FMEA要求，任何一個控制子功能的故障，不能影響到其他的分系統正常運行。

四、智能拖輪面臨的挑戰

1.行業規范的建立

《智能船舶規范》為智能船舶的建造指明了發展方向。基于科技的不斷發展，規范應與科技和船舶應用同步考慮，是包容和開放式的。拖輪在船型設計、動力配置、作業環境等方面同遠洋貨船存在巨大差別，而在拖輪行業內其主要設備配置和作業性質又具有高度的一致性，其智能化的發展需要在滿足規范的前提下融入其作業特性，以更好地實現安全、經濟、環保的目的。由此，一個統一的智能拖輪方案亟待建立，以實現行業內大數據的共享。

2.設備商維修與管理系統的開放

智能集成是將拖輪所有的機電設備運行參數、故障診斷進行集成且數據資料可以實現相互調用。這就需要設備商對其接口協議和數據庫進行一定程度的開放。基于商業保密的原因，在構建系統的技術協議談判中會遇到一定的困難，這在一定程度上會影響智能集成系統的完整性和分析判斷的準確性。

3.數據的篩選和信息的挖掘與利用

通過傳感器獲得船舶相應的信號和設備運行信息，實現船舶航行“感知”能力相對簡單，但面對感知過程中涉及的信號種類較多、數據量巨大、信息間存在冗余和沖突，如何去過濾并進行數據綜合分析，繼而實現智能故障診斷與輔助決策則是一個需要長期探究的問題。

4.人工智能應用和智能系統的自學習

智能拖輪作為一個新生事物，目前沒有與拖輪作業相適應的現成的管理軟件可以套用，需要重新研發。除了較高的研發成本以外，還需要考慮到系統的穩定性、人機交互、與現有的岸端管理軟件的兼容與數據調用。同時，隨著管理功能的逐步完善，軟件還應具有開放性和可擴展性。而如何將高速發展的人工智能技術應用到智能系統，并使智能系統具有自學習能力，將是未來拖輪智能化需要不斷去探索的重要課題。

五、拖輪智能化的前景展望

拖輪的作業范圍一般距岸較近，通過4G、5G網絡以及北斗導航等通信手段易于實現船岸一體化；而國內拖輪的主要設備配置又具有較高的一致性，其大數據的共享也將提高整個行業的管理水平，發揮行業資源互補的優勢。隨著信息技術的不斷發展、行業共識的逐步建立、拖輪建造廠和系統集成商的建造經驗逐步積累、設備商對智能方案的積極響應，智能拖輪必將成為港口的一道靚麗風景。

智能船舶的研發目前尚處于初級階段，智能船舶最終能夠智能到什么程度，還沒有明確的答案，但船舶智能化發展趨勢是毋庸置疑的，同樣毋庸置疑的是我們對智能化探索的道路亦將是漫長的。