智能貨物管理在新建超大型油船上的實(shí)踐與展望

詹 宇 劉 學(xué)

一、引言

在船舶運(yùn)輸領(lǐng)域各船型中，油船由于其載運(yùn)貨物的特殊性和危險(xiǎn)性，一旦出現(xiàn)事故，往往會(huì)對(duì)船上人員、船舶以及海洋環(huán)境造成嚴(yán)重甚至災(zāi)難性的影響，因此其安全管理一直倍受各界關(guān)注。相關(guān)國(guó)際組織和各國(guó)主管機(jī)關(guān)對(duì)油船安全都高度重視，對(duì)油船的監(jiān)督管理日趨嚴(yán)格[1]。在整個(gè)油船安全管理鏈條內(nèi)，貨物管理是非常重要的一環(huán)。近年全球航運(yùn)市場(chǎng)持續(xù)低迷，運(yùn)價(jià)低位徘徊，節(jié)能增效、綠色低碳和安全環(huán)保已成為航運(yùn)界持續(xù)關(guān)注的焦點(diǎn)和追求的目標(biāo)。船舶智能技術(shù)因高度契合業(yè)界對(duì)于船舶更安全、更環(huán)保、更經(jīng)濟(jì)的需求，已逐步大量應(yīng)用于船舶系統(tǒng)中。近年國(guó)內(nèi)外開始探索將智能技術(shù)應(yīng)用于油船貨物管理，實(shí)踐表明，智能油船貨物管理技術(shù)提高了作業(yè)效率，增強(qiáng)了技術(shù)保障，且安全系數(shù)更高[2]。

二、智能貨物管理適用的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)

智能貨物管理在定義、涉及內(nèi)容和范圍界定等方面，業(yè)界一直眾說(shuō)紛紜。作為船舶領(lǐng)域提供技術(shù)服務(wù)的重要單位，中國(guó)船級(jí)社（CCS）深深地感受到船舶智能化的發(fā)展迫切需要加以規(guī)范和引導(dǎo)。基于長(zhǎng)期的研究和積累，CCS于2015年12月發(fā)布了世界首份《智能船舶規(guī)范》。該規(guī)范于2016年3月1日正式生效，其中第6章對(duì)智能貨物管理作了規(guī)定。根據(jù)該規(guī)范，智能貨物管理是指利用傳感器等感知設(shè)備對(duì)貨物、貨艙和貨物保護(hù)系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)采集，并基于計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制和大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行處理和分析，以實(shí)現(xiàn)貨艙、貨物和貨物保護(hù)系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)、報(bào)警、輔助決策和控制，同時(shí)還可以基于監(jiān)測(cè)和獲得的數(shù)據(jù)，進(jìn)行貨物優(yōu)化配載和自動(dòng)裝卸。智能貨物管理的基本功能包括：貨艙、貨物監(jiān)測(cè)報(bào)警和輔助決策；貨物保護(hù)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)報(bào)警和輔助決策；貨物配載系統(tǒng)。更高級(jí)的智能貨物管理還具有自動(dòng)裝卸貨這一補(bǔ)充功能[3]。

CCS編制的《船舶（油船）智能貨物管理檢驗(yàn)指南》于2018年10月正式發(fā)布實(shí)施，對(duì)《智能船舶規(guī)范》第6章智能貨物管理中油船相關(guān)的要求進(jìn)行了補(bǔ)充，并作了更詳細(xì)的規(guī)定和說(shuō)明，為船舶及相關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造和檢驗(yàn)提供了參考和支持[4]。

需要特別說(shuō)明的是，由于船舶智能技術(shù)仍在不斷發(fā)展之中，CCS發(fā)布的智能船舶規(guī)范規(guī)定了等效和免除的情形，并鼓勵(lì)新技術(shù)的應(yīng)用。當(dāng)新技術(shù)超出了現(xiàn)有規(guī)定的范圍時(shí)，在進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證后，只要能夠達(dá)到規(guī)范要求的同等安全水平，就可以免除CCS規(guī)范的要求。

三、智能貨物管理的研發(fā)和應(yīng)用

1.國(guó)內(nèi)外研究和應(yīng)用現(xiàn)狀

對(duì)于油船貨物的智能管理，國(guó)內(nèi)外很多船舶設(shè)計(jì)制造廠家、設(shè)備供應(yīng)商以及航運(yùn)管理公司都進(jìn)行過(guò)模塊化或概念性的研發(fā)和嘗試。挪威的康士伯格公司通過(guò)集成化的處理和數(shù)據(jù)分析，在船舶吃水和貨艙液位測(cè)量監(jiān)測(cè)方面使用便捷明了的人機(jī)交互界面，使船舶管理者可以方便地查看或監(jiān)控貨艙的貨物裝載狀況，以及體積、空高和溫度等數(shù)據(jù)。日本的商船三井和旭化成株式會(huì)社合作，開展了油船關(guān)鍵輔助機(jī)械監(jiān)測(cè)的研究，并可通過(guò)船舶物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)和基于船岸之間的實(shí)時(shí)通信監(jiān)控平臺(tái)驗(yàn)證分析設(shè)備的異常狀況[5]。在國(guó)內(nèi)，大連海事大學(xué)多年前就開展了現(xiàn)代油船貨物自動(dòng)裝卸的研究，設(shè)計(jì)了軟硬件兼?zhèn)涞姆抡婵刂颇M器[6]。2019年上半年，中國(guó)船舶重工集團(tuán)旗下大連船舶重工有限公司為招商輪船建造的30.8萬(wàn)噸VLCC“凱征”輪，搭載了中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七○四所和七○八所自主研發(fā)的智能貨物管理系統(tǒng)，開啟了中國(guó)在超大型油船上應(yīng)用智能貨物管理系統(tǒng)的先河。

2.智能貨物管理系統(tǒng)在“凱征”輪上的應(yīng)用實(shí)踐

“凱征”輪是我國(guó)自主設(shè)計(jì)研發(fā)的第六代超大型油船，可載運(yùn)原油、成品油，船舶最大載重量約30.8萬(wàn)噸，設(shè)計(jì)航速15.7節(jié)，續(xù)航能力可達(dá)24 000海里。其按照中國(guó)船級(jí)社智能船舶規(guī)范和相關(guān)配套指南要求進(jìn)行設(shè)計(jì)和建造，取得了包括智能貨物管理i-Ship（C）在內(nèi)的五項(xiàng)智能船舶附加標(biāo)志，是全球首艘獲得船級(jí)社認(rèn)可發(fā)證的具有智能貨物管理功能的超大型智能油船。該船滿足規(guī)范要求的智能貨物管理基本功能，但自動(dòng)裝卸貨系統(tǒng)這一補(bǔ)充功能尚未達(dá)到。

智能貨物管理功能的實(shí)現(xiàn)需要貨物相關(guān)的不同系統(tǒng)內(nèi)外部數(shù)據(jù)的綜合匯總、整體研判和交互分析。為滿足規(guī)范和相關(guān)指南提及的各項(xiàng)功能要求，“凱征”輪的智能貨物系統(tǒng)采用了不同的關(guān)聯(lián)系統(tǒng)先分別采集信息再統(tǒng)一匯總后進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析的模式。其具體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可分為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層、控制層和數(shù)據(jù)管理層。現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層由數(shù)據(jù)采集單元完成各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集；控制層由PLC控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理，并將重要的設(shè)備狀態(tài)信息和報(bào)警信息傳至全船的智能化網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)系統(tǒng)；數(shù)據(jù)管理層則通過(guò)終端工作站將采集的數(shù)據(jù)界面化顯示、提供輔助決策建議和發(fā)出警報(bào)，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。硬件由兩個(gè)主顯一體式工作站、兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)交換箱、一個(gè)數(shù)據(jù)處理柜以及兩個(gè)不間斷電源（UPS）組成。實(shí)船設(shè)有貨物控制室，用來(lái)對(duì)硬件進(jìn)行統(tǒng)一維護(hù)和管理。且每組硬件都采用冗余備份設(shè)計(jì)，任何冗余備份的硬件出現(xiàn)故障都不會(huì)影響另一組設(shè)備硬件的正常使用，從而保證智能貨物管理系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

針對(duì)油船的貨艙、貨物、貨物保護(hù)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)報(bào)警和輔助決策要求，“凱征”輪采用了如下解決方案。智能貨物管理系統(tǒng)匯總了貨油泵、液位遙測(cè)、閥門遙控、壓載水處理、惰性氣體、排油監(jiān)控、油氣回收、可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)、泵艙風(fēng)機(jī)和鍋爐等所有與貨物相關(guān)子系統(tǒng)的信息，以及全船智能信息平臺(tái)采集的報(bào)警和顯示等參考信號(hào)，通過(guò)軟件系統(tǒng)進(jìn)行綜合處理分析。系統(tǒng)依據(jù)收集數(shù)據(jù)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)作出預(yù)測(cè)或發(fā)出警報(bào)。系統(tǒng)還可對(duì)貨物管理重要設(shè)備的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行采樣（采樣周期間隔1秒），數(shù)據(jù)可自動(dòng)存儲(chǔ)。人員可通過(guò)趨勢(shì)圖查閱設(shè)備參數(shù)的過(guò)程狀態(tài)。當(dāng)設(shè)備異常向船員發(fā)出警報(bào)時(shí)，系統(tǒng)還能提供警報(bào)原因分析和措施建議供參考。另外，智能貨物管理系統(tǒng)還向全船的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)和船舶裝載儀提供需要的數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互與共享。

該輪還配置了國(guó)內(nèi)船舶配載方面經(jīng)驗(yàn)豐富的開發(fā)設(shè)計(jì)單位自主研發(fā)的智能配載軟件，結(jié)合船舶原有的裝載儀系統(tǒng)進(jìn)行功能疊加聯(lián)動(dòng)，可通過(guò)自動(dòng)感知或者人機(jī)交互輸入的方式，獲得船舶的航行狀態(tài)、液貨艙裝載和貨物保護(hù)系統(tǒng)等方面的數(shù)據(jù)，并向船舶操縱者全面展現(xiàn)船舶配載、浮態(tài)情況，以及船舶安全性評(píng)估校核結(jié)果。在裝載卸載面臨危險(xiǎn)時(shí)，系統(tǒng)能快速提供有效的輔助決策方案。舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)油船在港口或錨地進(jìn)行裝卸貨作業(yè)時(shí)，區(qū)別于常規(guī)船上大副參照裝載穩(wěn)性、貨艙強(qiáng)度校核資料以及自身固有經(jīng)驗(yàn)的模式，智能貨物配載系統(tǒng)可根據(jù)油品類型和裝卸貨量等實(shí)際情況自動(dòng)或由操作人員手動(dòng)生成艙室裝卸順序。在設(shè)定裝載流速情況下，系統(tǒng)能計(jì)算船上每個(gè)貨艙及壓載艙的裝載量變化路徑，并細(xì)化該過(guò)程。針對(duì)船員指定的裝卸計(jì)劃，系統(tǒng)可針對(duì)每個(gè)艙室計(jì)算裝載率變化、耗時(shí)以及是否達(dá)到裝卸節(jié)點(diǎn)等信息，向用戶直觀展示并及時(shí)預(yù)警。

經(jīng)梳理統(tǒng)計(jì)，“凱征”輪智能貨物管理系統(tǒng)共有監(jiān)測(cè)報(bào)警點(diǎn)580余個(gè)，數(shù)據(jù)通信使用RS485和RJ45接口協(xié)議，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了輔助決策21項(xiàng)，參與輔助決策分析的數(shù)據(jù)類通信點(diǎn)有230多個(gè)；通過(guò)監(jiān)測(cè)、計(jì)算和分析，實(shí)現(xiàn)油船貨艙和貨物保護(hù)輔助決策以及智能配載等功能，為船員管理貨物提供了有效支持和幫助，有助于降低船上人員的工作強(qiáng)度，保證貨物系統(tǒng)的安全有效運(yùn)行。

四、系統(tǒng)安裝試驗(yàn)關(guān)鍵點(diǎn)

由于監(jiān)測(cè)存儲(chǔ)、計(jì)算分析和數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰悄茇浳锕芾碚狭舜霸惊?dú)立運(yùn)行的多個(gè)系統(tǒng)。與常規(guī)油船相比，會(huì)增加數(shù)量較多的通信設(shè)備。在實(shí)船應(yīng)用中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注通信方面的情況，主要包括通信數(shù)據(jù)協(xié)議解析與匹配以及通信量程校準(zhǔn)等。另外，在線纜敷設(shè)布置、人機(jī)界面友好性和信息顯示等方面也易出現(xiàn)問(wèn)題，應(yīng)重點(diǎn)核對(duì)。

1.通信傳方面

因?yàn)椴煌脑O(shè)備生產(chǎn)廠家所使用的信息處理及傳輸?shù)膮f(xié)議標(biāo)準(zhǔn)不同，所以在智能貨物管理系統(tǒng)的安裝試驗(yàn)過(guò)程中，通信功能必須重點(diǎn)關(guān)注，以確保系統(tǒng)間信息傳導(dǎo)有序、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以下幾個(gè)方面：

一是未雨綢繆，做好規(guī)劃和設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)階段就應(yīng)考量周全做好規(guī)劃，包括電纜的走向和艙壁甲板的貫穿布置，以免施工安裝期間產(chǎn)生被動(dòng)。對(duì)于未設(shè)計(jì)集成通信功能的子系統(tǒng)，必須通過(guò)硬線連接形式實(shí)現(xiàn)與智能貨物管理系統(tǒng)的互聯(lián)。

二是嚴(yán)格把關(guān)，認(rèn)真選擇匹配產(chǎn)品。為滿足智能貨物管理需求，監(jiān)測(cè)貨泵艙風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的溫度傳感器及振動(dòng)的傳感器等新增的傳感器設(shè)備，須確保是具有數(shù)據(jù)傳輸功能的匹配型號(hào)產(chǎn)品，其通信須符合網(wǎng)關(guān)規(guī)定，以避免選型不當(dāng)導(dǎo)致系統(tǒng)不通。

三是仔細(xì)核查，確保數(shù)據(jù)采集項(xiàng)連通正常。對(duì)于已確定通信協(xié)議的，一定要關(guān)注系統(tǒng)設(shè)備各個(gè)數(shù)據(jù)采集項(xiàng)是否都連通正常，并且數(shù)據(jù)量程單位選取準(zhǔn)確。如采用了4-20mA模擬量電流信號(hào)進(jìn)行傳輸?shù)模瑧?yīng)核查其每一項(xiàng)須采集數(shù)據(jù)點(diǎn)是否都配置了信息處理單元，具備將其他信號(hào)模式轉(zhuǎn)為4-20mA信號(hào)的模塊。

四是全面驗(yàn)證，確保數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確。對(duì)于系統(tǒng)間通信完全正常的，則重點(diǎn)關(guān)注數(shù)據(jù)信息的準(zhǔn)確性。如使用特殊的軟件編碼傳輸?shù)模盘?hào)地址編輯映射必須做好，以防數(shù)據(jù)在解析還原后與原始數(shù)值不一致，導(dǎo)致數(shù)據(jù)顯示出現(xiàn)錯(cuò)誤。對(duì)于像蝶閥遙控系統(tǒng)中貨油/壓載管系蝶閥開度指示這樣要求較為精確的，應(yīng)仔細(xì)核對(duì)實(shí)際指示與智能貨物管理系統(tǒng)顯示的數(shù)值，存在偏差的須調(diào)整蝶閥顯示開度計(jì)的電路板，消除指示偏差。

2.線纜敷設(shè)方面

在安裝檢驗(yàn)時(shí)應(yīng)關(guān)注電纜接線、布置與施工工藝的符合性情況，在滿足常規(guī)敷設(shè)布置的前提下，重點(diǎn)關(guān)注信號(hào)類電纜的安裝及接線狀況，確保電纜傳輸?shù)男盘?hào)數(shù)據(jù)免受電磁干擾等影響。

對(duì)于不同類別的線纜，如同軸單芯、CAT6類網(wǎng)線等，應(yīng)采用相應(yīng)的接地抗干擾模式。尤其是使用屏蔽雙絞線的電纜，應(yīng)單端接地。因?yàn)樵谄帘螌与p端接地情況下，雖然金屬屏蔽層不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓，但金屬屏蔽層受干擾磁通影響將產(chǎn)生屏蔽環(huán)流。如果接地兩端電勢(shì)不相同，將形成很大的電勢(shì)環(huán)流，環(huán)流會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生抵消衰減效果。實(shí)船安裝作業(yè)時(shí)，因?qū)ζ帘坞p絞線接觸不多，施工人員容易忽視其接地要求。

3.人機(jī)界面方面

人機(jī)界面信息顯示的友好性、實(shí)用性是系統(tǒng)是否“智能”的一項(xiàng)重要指標(biāo)。只有不斷從用戶的角度出發(fā)，為用戶提供使用便利，才能更好地體現(xiàn)系統(tǒng)的價(jià)值。在示范船調(diào)試中，結(jié)合貨物管理和操作經(jīng)驗(yàn)豐富的船長(zhǎng)、大副及輪機(jī)長(zhǎng)的意見和建議對(duì)智能貨物管理系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)。考慮到船舶在實(shí)際航行中可能個(gè)別艙室調(diào)節(jié)壓載水的情況，在升級(jí)時(shí)修改了原壓載艙中海水密度只能所有艙室整體修改的模式，優(yōu)化成每個(gè)艙可以單獨(dú)修改海水密度參數(shù)。還借鑒了機(jī)艙監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)較為成熟的設(shè)計(jì)，優(yōu)化了智能貨物管理系統(tǒng)初始設(shè)計(jì)的報(bào)警顯示顏色設(shè)置，包括報(bào)警狀態(tài)、消除和復(fù)位的顏色指示。改變了原有的報(bào)警信息顏色標(biāo)注均相同只是字體格式不一樣的模式，使用戶在查閱時(shí)更加直觀清晰。此外，在各子系統(tǒng)與智能貨物管理主系統(tǒng)之間的通信狀態(tài)監(jiān)測(cè)顯示、智能貨物管理系統(tǒng)裝卸貨速率計(jì)算的采樣周期與船舶裝載儀設(shè)置的裝卸貨速率匹配等方面，也都需要重點(diǎn)關(guān)注，以確保用戶使用的準(zhǔn)確性。

五、總結(jié)與展望

智能示范船“凱征”輪的成功建造交付，不僅在智能船舶的發(fā)展歷程中有著重要意義，也標(biāo)志著中國(guó)翻開了全球智能船舶領(lǐng)域嶄新的一頁(yè)。在智能貨物管理方面的實(shí)踐應(yīng)用所得到的數(shù)據(jù)以及積累的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，將為油船智能貨物管理的進(jìn)一步升級(jí)和發(fā)展提供寶貴的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)支撐。

羅爾斯·羅伊斯集團(tuán)總裁曾表示：“無(wú)人駕駛船舶是船舶行業(yè)的未來(lái)。智能船舶具有如同智能手機(jī)一樣的顛覆性，將徹底改變船舶設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)的格局。”[7]作為油船智能船舶功能的重要組成部分，智能貨物管理是一個(gè)系統(tǒng)工程，也面臨著多方面的困難和挑戰(zhàn)。集成化的顯示、監(jiān)測(cè)和報(bào)警實(shí)現(xiàn)后，各個(gè)關(guān)聯(lián)系統(tǒng)及設(shè)備的原有控制顯示是否可以取消或被替代？貨物管理輔助決策建議的合理性和邏輯性能否高度符合用戶需求并進(jìn)一步優(yōu)化提升？在故障和緊急狀況下如何保證自動(dòng)裝卸貨系統(tǒng)應(yīng)用和作業(yè)的安全？這些問(wèn)題，都需要業(yè)界更深入的研究和探討。

此外，通過(guò)此次超大型油船智能貨物管理系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)踐，網(wǎng)絡(luò)工程、電子通信和軟件控制等技術(shù)被應(yīng)用于船舶設(shè)備和系統(tǒng)中，不僅實(shí)現(xiàn)了船舶智能化、精準(zhǔn)化和高效率的操縱和控制，提升了安全、綠色和能效等級(jí)，同時(shí)也為未來(lái)船舶專業(yè)人才培養(yǎng)打下一定基礎(chǔ)。船舶設(shè)計(jì)制造廠家、船級(jí)社和船舶管理公司的專業(yè)人才隊(duì)伍建設(shè)，應(yīng)在傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)制造、輪機(jī)設(shè)備和電氣工程等領(lǐng)域人才的基礎(chǔ)上，向具有軟件編程、信息網(wǎng)絡(luò)和通信工程專長(zhǎng)的復(fù)合型人才轉(zhuǎn)變，以適應(yīng)行業(yè)的需求和時(shí)代的發(fā)展。