LNG運輸船智能化升級方案總體架構設計

羅文忠

（中海油能源發展股份有限公司采油服務分公司，天津 300452）

0 引言

本文主要研究的對象為某型LNG 運輸船，參考中國船級社《智能船舶規范》的相關要求，結合目前船舶行業對智能船舶的定義及期望與當前的技術狀態，完成針對該型LNG 運輸船的智能化升級方案總體架構設計，用以指導以后的LNG 運輸船智能化升級改造工程的具體實施。

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注熱點。在互聯網技術日益深入日常生活的當下，又結合目前迅猛進步的人工智能科技，船舶的智能化升級改造已經越來越符合全球航運的發展需要，所以全球范圍內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，全球智能船舶的應用仍處于探索和發展的初級階段，船舶智能化的工程應用路徑仍然任重道遠。

現代航運發展的主旋律必然是安全與高效，智能船舶的出現正是符合這一發展趨勢的必然結果。從文獻情況來看，2017 年，主要研究人員從智能船舶的研發風險、發展現狀逐步轉向針對智能船舶的具體系統提出解決方案[2-4]；2018 年，伊杰等[5]初步針對港口作業的拖輪進行了智能化方案設計；2019 年，陳立等[6]進一步在超大型礦砂船上進行了智能化方案的總體設計；周毅等[7]對LNG 運輸船的智能化的可行性做了初步探索。本文在此基礎上進行了更為細致的智能化方案設計，并形成了初步的設計資料進行了中國船級社的送審，為將來的LNG 運輸船智能化升級工程實施奠定了理論基礎與方案依據，可以指導同類船型的智能化升級。

1 LNG運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，采用先進的數據處理與分析技術，可以實現船舶的自主感知、信息分析及評估、趨勢預測和決策優化等管理和控制功能，并通過船岸一體信息交互具備遠程支持能力，面向全壽命周期創值服務的船舶[8]。

這個結論覆蓋了智能船舶的4 個特征。（1）全船信息融合：具備可實現全船信息融合的統一信息感知集成平臺。（2）自主評估與決策：利用先進的數據分析科學技術和人工智能等技術，完成船舶的自主學習、迭代、評估、預測及決策優化等功能。（3）船岸一體化：采用網絡通訊技術，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，實現岸基對船舶乃至船隊的監控與管理功能，面向船舶的全壽命周期可提供賦能服務。

1.2 LNG運輸船智能化升級項目介紹

我國重要能源央企——中國海洋石油集團有限公司的控股的上市公司之一的中海油能源發展股份有限公司（簡稱海油發展）義不容辭地承擔著作為央企的社會責任。為了響應國家船舶智能化的發展戰略，提高LNG 運輸船的安全和高效性，降低海員的勞動強度，結合海油發展對LNG 運輸船的營運經驗和目前火熱的大數據分析等人工智能技術，海油發展決定初步研究LNG 運輸船的智能化升級方案總體架構。

該LNG 運輸船的智能化升級方案主要研究對象是海油發展正在營運的一艘LNG 運輸船，依據中國船級社《智能船舶規范2020》有關要求進行設計。目前正營運的該LNG 運輸船航行于無限航區，配備4 個C 型雙葉獨立液貨艙，機艙入級中國船級社的AUTO-0，采用全回轉電力推進方式推進。

1.3 智能化升級方案設計思路

由于復雜多變的海洋氣象環境、日益嚴峻的海事環保法規、良莠不齊的船員素質等綜合因素的限制，首先擺在從事LNG運輸作業的航運企業待解決的問題有3個：安全、節能環保和經濟問題。

通過調研各種海上事故的分析報告，結合海事相關部門的統計，可得出結論：人為誤操作在船舶事故中發生的概率最大，超過一半以上[9]。針對這種安全隱患，增強對船舶人員的管控，提高船員的素質是一種有效但需長期貫徹的舉措。同時，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的手段可以有效利用人工智能自動監測設備乃至船舶狀態，發出故障預警，提出輔助決策建議，從而保障設備、船舶、貨物乃至人員的安全。

LNG 運輸船由于其本身的“三高”——高技術、高難度、高附加值的特點[10]，智能化升級方案的設計原則首先要考慮的是保障船舶的營運安全，然后再考慮提高設備與船舶的可靠性，最后才評估方案的經濟性與環保性。

如圖1 所示，應用用智能航行技術提高船舶航行的安全性，應用設備智能監測與故障診斷技術提高設備運行的可靠性，應用航行優化以及設備視情維修技術提高設備的經濟性，應用船舶能效評估與設備工況優化技術使船舶營運更加節能環保。

圖1 LNG運輸船智能化升級方案設計思路

1.4 智能化升級方案內容

LNG 運輸船的智能化升級方案的服務體系如圖2 所示，主要可分為3 個服務層次，分別為感知層、船端服務層和支持服務層。感知層通過傳感器的布置實現對船舶內外環境的充分感知；船端服務層是智能化方案的重點內容，主要采用“平臺+應用”的架構實施，可分為集成平臺和智能應用兩個部分；支持服務層的內容則是岸基的支持服務，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（網絡資源、計算資源、算法資源等）對船舶數據進行數據分析與挖掘，充分的發揮數據資產的價值。

圖2 LNG運輸船智能化升級方案服務體系

1.4.1 充分感知

充分感知是智能化升級形成的智能系統的感知層，是智能系統的基礎，它支撐著整個智能系統實現的基礎框架。

船舶營運過程中會產生大量的數據，而這些數據正是智能系統數據分析的基礎。這些數據來源于傳感器對船舶所在的海洋/大氣/環境狀況、船舶周邊的固定/移動物體狀況、船體狀況、機艙系統和設備狀況、貨艙系統和設備狀況、人員狀況的感知，這些感知信息統一的組成了智能船舶的感知層。由于該LNG 運輸船已配備了較為完善的傳感器網絡，所以該LNG 運輸船的充分感知主要側重于未完善部分的感知，例如機艙設備、液貨艙貨物管理設備的振動監測等一些未布置傳感器的地方需加裝可行的振動傳感器，液貨管路中根據需要可能還需要適配一些質量流量計和氣體分析儀等設備。

1.4.2 集成平臺

集成平臺是智能系統的數據層，主要負責的是全船的信息融合與轉發。

傳統船舶各系統、設備之間在功能上相對獨立，在信息交互上相對封閉，主要以信息孤島的形式存在。LNG 運輸船的智能化升級，要對全船網絡進行全新設計，以物聯網思想為指導，打破原有信息孤島模式，通過多種接入方式，按照約定的協議，將全船主要設備連接到智能船舶集成平臺上，打通傳統船舶各系統、設備之間的信息壁壘，實現全船的信息融合。

在集成平臺基礎上，設置數據服務器，并配置操作系統層面的服務，對采集的所有數據進行過濾、清洗、標準化，并通過數值分析、機器學習、深度學習等大數據處理技術對這些數據進行分類與進一步挖掘。

集成平臺應具有高度的兼容性和可擴展性，理論上應同時支持不少于3個智能應用。

1.4.3 智能應用

智能應用主要體現在可提供的各種智能功能服務上。采集到了豐富的數據后，各海事軟件集成商可以開發各類智能應用軟件。以下是LNG 運輸船智能化升級方案可按照CCS智能船舶符號對應開發的智能應用。

（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：航路設計、航路優化和自動避碰。智能航行的航路優化功能，除了基于氣象和任務條件的優化以外，還可以基于能效的優化，與后述的智能符號E 有關聯。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，通過自動采集與監測船體相關數據，建立并管理船體數據庫，采用多種綜合智能算法，為船體全壽命周期內的安全和維護保養提供故障預警與輔助決策，同時還可以提供船舶操縱的輔助決策。智能船體主要體現的是船體的結構安全管理。

（3）智能機艙（CCS智能船符號M）

智能機艙是在實現了高度自動化的無人機艙基礎上，通過大數據、機器學習、輸入學習等手段，對機艙設備數據的高級應用功能，實現了機艙主要設備的視情維護（而非周期維護）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時采集并監測貨物的狀態信息（壓力、溫度、容積等）、貨艙和貨物保護系統的工作參數，利用先進的人工智能技術對數據進行處理和分析，從而得出報警及輔助決策提示，進而實現對船舶貨物的智能配載與智能裝卸。

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

（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]：實時自動采集和在線監測船舶航行狀態、能效及耗能數據和狀況，并可獲得氣象環境數據；能評估和報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準的報告；經過科學的數據處理及預測，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、推薦經濟航速和主機轉速等輔助建議。智能能效主要體現的是節能。除了以上對應CCS 智能船符號的智能化應用，還可以根據船舶營運的需要，開發或采用其它個性化的智能應用安裝于集成平臺上，增強船舶的智能化水平。

1.4.4 岸基支持

LNG 運輸船的智能化升級離不開岸基的支持。船舶是局部的大數據，為岸基中心提供節點數據；而岸基中心匯聚了所有節點的數據后形成全局大數據，反過來為各個節點（單船）提供基于全局大數據分析結果服務。

目前的船隊管理主要是船位監控、主機監控、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，船舶設置衛星通信、移動通信等多種通信手段，實現與岸基中心的數據互通；而岸基設置數據管理中心，對船舶實現更加安全、高效、透明的管理。

2 智能化升級方案架構

智能化升級方案的核心是系統的總體架構設計，是實現船舶數字化、信息化、智能化的基礎支撐，總體架構設計的優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穩定性、安全性、可靠性的關鍵環節[12]。LNG 運輸船的智能化升級方案總體架構如圖3 所示，計劃實現CCS 有關智能船舶的INMEC 五個符號相對應的功能，同時岸基通過船岸一體通訊系統對船舶進行必要的管理，且在岸基完成船舶運行數據的分析與輔助決策。

圖3 LNG運輸船智能化方案系統總體架構

主要實現的智能功能服務如表1 所示。因為LNG 運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運輸船船端智能系統架構設計。

表1 智能應用及目標描述

2.1 船端智能系統架構設計

船舶的現有網絡系統一般采用環網形式搭建，一般稱之為網狀架構，如圖4 所示。環網架構往往將相關系統或傳感器兩兩互聯以實現信息的交互，電纜敷設繁復，且復用性不高；實現某一具體功能的獨立系統一般配置單獨的工作站及獨有的信號采集設備，導致船舶的工作空間受限，原因是同一處所經常存在不同系統的獨立設備且無法共用。該架構的優點是可靠性高，單條鏈路的通信故障不會影響其他系統的正常運行。

圖4 傳統船舶系統網狀架構

為了保證原有船舶系統發揮正常作用，該LNG 運輸船的船端智能系統采用“平臺+應用”架構完成船舶智能系統的總體設計，如圖5 所示。集成平臺負責采集、存儲和分發全船的數據和復現各智能應用的功能頁面，各智能應用從集成平臺獲取各自所需信息，同時從集成平臺調用計算資源利用自己獨有的人工智能算法實現各自的智能目標，然后再統一推送至集成平臺的顯示器供操作人員瀏覽、查詢或監控。“平臺+應用”架構的優勢在于邏輯結構簡單，擴展性兼容性極強，同時由于資源的復用率較高導致整體的運行效率較高，但相比網狀架構，可靠性會略微降低。

圖5 LNG運輸船智能系統“平臺+應用”架構

兩相對比之下，很容易得出以下結論：在系統數量確定、岸基管理需求較少的情況下，網狀架構在初期成本和可靠性方面的優勢使它更適宜此種情況，但最大的缺點是新增一個系統往往需要重新部署一套線纜及設備，會極大的增加擴展成本。隨著船舶對智能化的需求不斷增多且越來越復雜，智能程度不斷提升，“平臺+應用”的架構的優勢不斷突出：一是擴展性更強，可方便地利用已采到的全船數據進行信息的共享，實現功能的擴展；二是船舶的網絡資源可以實現初期一次投入，在不增加額外硬件成本（線纜及設備）的基礎上增加新系統，同時還能不影響原船舶系統的構建。再加上本方案針對的是現有船舶的升級不宜增加過多的網絡線纜，所以本方案的智能系統架構選擇了“平臺+應用”架構。

2.1.1 感知層

由于本方案針對的是現有船舶的升級改造，應在不影響船舶原有功能的基礎上進行適應性增強。該LNG 運輸船的智能化方案感知層設計流程如下：首先廣泛收集并確認各智能功應用的感知需求，值得注意的是不同的智能應用所需的感知信息可能存在重疊，需要在總體設計時進行統一考量避免重復采集的出現；然后梳理成全船的智能感知信息需求表，結合船舶原有的采集信號點表，主要是機艙自動化系統、導航通訊系統、貨物系統等已經具備的信號，確認各信號的名稱、源頭、用途等對應關系，梳理成所有感知信息的總體信號表；再根據現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與布置設計，最后由集成平臺統一匯集全船的感知信息，根據各智能應用的需求分發相關信息。

該LNG 運輸船的感知信息主要分布在船舶艏部、機艙、橋樓和貨艙區域，計劃結合原有系統的信息交互通道，在船舶艏部、貨物系統控制室、機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合實船情況優化布局設計，如表2 所列。例如，由于縱傾優化功能的實現需要結合船舶姿態信號，本船計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動傳感器，以便更好地采集到船舶的運動姿態信息。

表2 特殊感知模塊清單（部分）

尤其需要關注的是，傳感器的穩定性、有效性、設備的安裝等因素會極大地影響感知信息的采集質量，部分感知信息還需在營運過程中進行周期性的校準。例如，軸功率儀本身的采集精度會隨著船舶主機運行時間的延長產生一定的偏移，這時就需要人為地去校準軸功率儀，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）平臺層可靠性設計

智能系統中的核心和底層基礎是集成平臺，集成平臺的可靠性和安全性的高低將決定智能系統的可靠性和安全性。這就要求集成平臺應該從系統硬件冗余、軟件冗余以及網絡安全3個方面開展可靠性和安全性設計。

在該LNG 運輸船上，集成平臺核心的網絡設備均采用冗余設計（雙套布置），每條信息鏈路使用冗余線纜連接至下一節點，集成平臺的總體架構如圖6 所示。同時智能系統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）向智能系統供電。配置的專用UPS 可保障智能系統在正常供電失效情況下繼續運行0.5 h。通過這樣的冗余設計，實現了該船智能系統的設備與電源的雙冗余實現，保證智能系統中任一設備、線路及電源故障均不影響系統的正常運行。這樣的設計也保障了該船智能系統成功通過失效模式和影響分析（FEMA）測試。

圖6 LNG運輸船智能集成平臺架構

上述設計也僅從硬件層面保障了該船的智能系統的安全可靠，從軟件層面，該船還利用雙機熱備的軟件運行方式進一步提升系統可靠性。當其中任一軟件故障或失效時，智能系統會自動切換至備份系統中運行，保障軟件的無縫切換，同時可在人員運維解決問題后自動完成數據同步，保障雙套系統數據的一致性。然后，通過網絡安全軟件、防火墻、交換機策略的部署，經過網絡風暴以及網絡滲透測試驗證網路安全的可靠性。最后，有第三方專業人員協調組織完成網絡安全風險評估等一系列風險識別、評價、分析與控制等工作，再一次提升平臺的可靠性。

（2）平臺功能設計

集成平臺的主要實現功能是實現全船的數據集成、應用集成和界面集成。數據集成指的是全船的感知信息會由集成平臺統一收集匯聚成一個船舶的數據倉庫，不同的智能應用通過調用不同接口從數據倉庫中獲取本身需要的感知信息。應用集成指的是智能應用不再以單獨成套設備獨立部署而是綜合部署在智能集成平臺中，通過網絡設置保證功能的獨立性。界面集成主要指在同一顯示終端實現多個智能應用界面的運行和切換。在這3個功能目標中，應用集成和界面集成可套用陸上成熟經驗，但由于船舶的復雜性，數據集成的功能實現需要在數據采樣規則、傳輸規則以及清洗規則方面進行個性化定制設計。

值得注意的是，在智能系統和其他廠商的系統確定數據通信協議時，應加強溝通與技術協調，對于特殊傳感器需要特別關注。例如，由于智能能效應用對質量流量計的精度要求，集成平臺采集該信號時，質量流量計會采用雙寄存器進行浮點數的信號發送，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，需適配調整。

同時，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實船的營運實況對感知信號的量程在數據清洗過程中進行限制。數據清洗規則要根據不同信號數據的空值、超限、缺省等異常情況確定判別方法。例如，通常的機艙監測報警系統一般會以某一特征編碼在不同信號點表征數據超限或者數據丟失兩種異常狀態，但批量清洗又會導致無法準確判斷當前狀態，進而導致輔助決策完全失真，解決辦法是特定清洗數據信號，這樣又會導致性能的損失，所以數據的清洗需在集成平臺的設計階段加以確認優化。

（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現，目的是實現船岸數據的一體化交互，用以支持船舶的岸基遠程管理與營運支持。船岸通信的功能側重點是船岸通信的數據安全與鏈路優選設計。

唯有保證通信安全，通信數據才可信。本方案通信安全的設計主要通過權限的管理和數據乃至鏈路的加解密保障船岸數據傳輸的安全可控。

除了通信安全的考量外，還需考慮成本因素。結合帶寬及流量的限制，應根據不同的數據類型對不同數據采用不同的輕量化手段以降低船舶的流量成本。同時，由于船舶實際營運情況所限，衛星信號總會發生掉線情況，數據的傳輸應考慮斷點續傳功能，保障數據的連續性和穩定性。

2.1.3 應用層

各智能應用在開發時一般采用獨立開發模式，本身的業務邏輯一般不會由集成平臺統一打包，但智能系統總體設計時仍需考量業務功能的展示及數據交互接口。例如，智能能效和智能航行系統均有航速優化功能，但實際操作過程中，一般是由智能航行系統先將優化后的航線數據傳遞給智能能效系統進行航速優化。

同時由于智能系統實現功能的方式不同，雖然底層數據共享，但是考慮到各應用的接口請求方式，智能系統架構設計是必須要考慮接口順序、接口性能的解決方案。

2.2 挑戰分析

LNG 運輸船的智能化升級方案面臨的挑戰主要有以下3個方面：

（1）設備商維修與管理系統的開放。LNG 運輸船智能化升級方案需要進行全船數據的集成及信息融合，這就要求船上所有的機電設備開放數據接口且允許智能系統調用或查詢設備的運行參數、故障診斷等數據資料。這勢必會影響到設備商的商業利益。出于保密及商業上的考量，在智能化升級的技術協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的完整性和數據分析的準確性，使得智能系統的功能性會有一定程度地削弱。

（2）信息數據的處理、挖掘與利用。從目前的技術上來看，“感知”船舶狀態的技術相對成熟，也就意味著數據的獲取相對簡單。但面對工業數據獲取過程中存在的兩大難點：信號協議種類繁多且不標準和信息間的冗余及沖突，如何在限制條件下完成有效數據的篩選、處理和綜合分析，進而實現基于大數據的船舶設備的智能監控與輔助決策是一個任重道遠的任務。

（3）LNG 運輸船智能應用的開發。LNG 運輸船的特異性導致目前不存在完全匹配LNG 運輸船需求的智能應用軟件可以套用，需要進一步研發。這就帶來了一個現實的問題：軟件的開發除了較高的研發成本外，還需要考慮到智能系統的可靠性、人機交互的友好性、與現有管理軟件的數據兼容性。同時，隨著智能技術的不斷進步，LNG 運輸船智能化升級所形成的的智能系統還應具有開放性和可擴展性。這些問題也會進一步限制LNG 運輸船智能化升級方案的應用與實施。

3 結束語

該LNG 運輸船的智能化升級方案總體架構設計基本符合中國船級社的《智能船舶規范》，研究過程中形成的設計圖紙及文件資料已通過評審，可用于實船實施。該方案作為首個通過中國船級社認可的LNG 運輸船智能化升級方案，為后續該船型的智能化升級工程提供了堅實的理論基礎，掃除了前期可行性預研的障礙，可以有力支撐具體工程項目的實施，同時也為特殊船型的智能化升級改造項目提供了有效案例。但同時隨著技術的進步與發展，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計的重要性，優異安全的智能化總體架構也必然越來越得到船舶設計人員的青睞。