LNG運輸船智能貨物管理技術現狀分析

佟佳洋?楊鑫?劉慧一

摘要： LNG運輸船貨物圍護系統和貨物處理與駁運系統復雜，易發生人為因素導致的誤操作，船舶所有人亟須在LNG運輸船實現智能貨物管理技術，降低貨物管理風險。基于船級社智能船舶規范，以我國建造的最新一代大型LNG運輸船貨物管理技術為例，分析梳理其在參數監測、貨物裝卸方案優化、輔助決策和自動裝卸貨等方面已實現的智能化貨物管理技術。針對智能貨物管理技術存在的技術瓶頸，提出技術改進建議，為實現LNG運輸船智能貨物管理技術提供參考方案。

關鍵詞：智能貨物管理；參數監測；輔助決策；自動裝卸貨

0 引 言

隨著液化天然氣（以下簡稱“LNG”）在能源領域所占比重逐年遞增，LNG運輸船作為LNG海上運輸貿易的載體，數量大幅增加，其貨物圍護系統和貨物處理與駁運系統復雜，專業化船員稀缺，世界各地LNG裝卸碼頭的船岸連接匹配多樣化，在進行貨物裝卸的過程易發生人為因素導致的誤操作，給船舶和碼頭帶來巨大風險。船舶所有人亟須在LNG運輸船實現智能貨物管理技術，減少人為干預，實現自主監控、智能配載、自動裝卸貨，降低貨物管理風險。我國自主建造的LNG運輸船性能已處于世界先進水平，配置了大量的自動監控設備及儀表，正在向智能船舶方向發展，通過對現有LNG運輸船智能貨物管理技術進行分析，梳理其滿足規范要求和使用需要的已具備的智能化貨物管理技術特點，同時針對目前LNG運輸船實現智能貨物管理技術所存在的技術瓶頸，提出合理可行的技術改進方法，解決LNG運輸船實現最小人工干預的貨物自動裝卸貨技術問題，實現LNG運輸船智能貨物管理。

1 智能貨物管理技術特點

智能貨物管理技術[1]是指利用傳感器等感知設備對貨物、貨艙和貨物相關系統的參數以及環境參數進行自動采集，并基于計算機技術、自動控制技術和大數據處理和分析，以實現貨艙、貨物及貨物相關系統的狀態監測、預警或報警、輔助決策和控制，同時還可以基于監測和獲得的數據，進行貨物裝卸方案優化、自動裝卸和風險應對，以實現船舶貨物的智能管理和風險管控。其流程如圖1所示。一般具備下列功能：

（1）貨物、貨艙及貨物相關系統的參數監測；

（2）優化裝卸貨方案；

（3）預警或報警和輔助決策；

（4）自動裝卸貨；

（5）裝卸貨過程風險管控。

2 現有LNG運輸船智能貨物管理技術現狀

智能船舶是未來船舶發展的方向，世界各主流船級社如中國船級社（簡稱“CCS”）、美國船級社（簡稱“ABS”）、挪威船級社（簡稱“DNV-GL”）、英國勞氏船級社（簡稱“LR”）、法國船級社（簡稱“BV”）和日本船級社（簡稱“NK”）等都在船舶船體、機艙、能效管理、航行、貨物管理、集成平臺、遠程控制和自主操作方面開展了深入研究，制定了智能船舶規范[2-6]，為業界提供船舶設計、建造和檢驗的技術支持，各船級社智能船舶規范技術要求對比情況詳見表1。

從表1中可以看出，各船級社對船舶智能化或數字化方面各有側重，大部分船級社側重于在智能船體、智能機艙、智能能效管理和智能航行等方面提出自身的規范標準。對于智能貨物管理方面，只有CCS和BV 2家船級社有相關技術要求，具體技術要求對比詳見表2。目前，干散貨船、集裝箱船和油船被授予過智能機艙、智能能效管理、智能航行和智能集成平臺等船級附加標志，LNG運輸船至今未被授予任何智能船級附加標志。

從表2可以看出CCS在智能貨物管理技術方面考慮全面，在參數監測、貨物裝卸方案優化、輔助決策和自動裝卸貨等方面給出了具體技術要求，具備良好的可操作性。以中國船級社（CCS）《智能船舶規范》中的智能貨物管理技術要求和國內某船廠建造的最新一代LNG運輸船為例[7]，詳細分析和梳理LNG運輸船在滿足智能貨物管理要求方面的技術現狀。

2.1 參數監測

船舶智能貨物管理系統應根據所裝載貨物的具體情況，監測或獲取海洋環境、船舶航行和貨物系統的重要數據[8]，為后續智能貨物管理提供信息支持，具體參數監測項目詳見表3。

從表3可以看出，現有LNG運輸船已基本實現用于船舶智能貨物管理的參數自動化采集與監測，液貨艙內濕度，液貨艙內可燃氣體、有害氣體和含氧量一般在新造船交付后首次裝貨以及運營期間的進塢除氣和出塢后裝貨期間測量，需要進行測量的次數不多，現有LNG運輸船通過手持式露點儀和氣體檢測儀即可完成測量。

2.2 貨物裝卸方案優化

通過考慮船舶、碼頭等各種制約因素，對LNG運輸船裝卸貨物過程中相關參數實施監測和技術分析，給出優化的裝卸貨物方案。通常應從安全、環保、效率考慮以下因素對船舶裝卸貨方案優化的影響，現有LNG運輸船對這些因素的滿足情況詳見表4。

從表4中可以看出，現有LNG運輸船考慮到建造成本以及船舶強度的裕量，未對船舶強度進行實時監控。考慮到裝卸貨對碼頭及船舶的安全影響以及無針對性的自動控制軟件，現有船對裝卸貨順序、速度及裝卸時間采用人工控制。船舶操作、港口和碼頭系指船舶系纜和解纜、船岸通訊連接和切斷，裝載臂連接和斷開等需要人工操作，改進成自動操作對于優化貨物裝卸方案會帶來船舶和碼頭運營成本的增加。貨物遠程識別與跟蹤受限于目前已安裝上船的全球通信系統，無法做到自動識別并發送貨物信息。靜電產生除既定裝卸貨過程中可識別的設備靜電產生，還有人為因素產生的靜電，需要嚴格執行防靜電措施。

2.3輔助決策

輔助決策是基于船舶具體設計、所裝載的特定貨物、并綜合考慮當前狀態的變化趨勢，對所監測到的數據進行分析、對短時間內可能出現的異常情況發出提醒或警示，或對探測到的異常情況發出報警，并對數據進行詳細分析和處理，給出相應并合理的建議和操作方案。船級社規范要求LNG運輸船應考慮其貨艙液位、壓力、溫度、可燃氣體含量及泄漏等影響貨物安全的因素發生變化時，現有LNG運輸船應能夠自動識別到這些變化，詳見表5。

從表5中可以看出，貨艙液位變化、壓力變化、貨物圍護系統次屏壁溫度變化和貨物區域氣體探測報警都已實現自動監測，現有LNG運輸船的貨艙可燃氣體、有害氣體、含氧量變化可通過手持式氣體檢測儀對進行測量，實時性不夠。

2.4自動裝卸貨

自動裝卸貨是在優化裝卸貨方案基礎上，能夠自動控制相關系統，能夠對設備的突發故障、外部環境變化等因素進行自動技術處理和控制，實現船舶自動裝卸貨操作。LNG運輸船的自動裝卸貨操作一般包括貨艙干燥、貨艙惰化、貨物圍護系統屏蔽層空間惰化、貨艙置換、貨艙冷卻、貨物裝載、貨物卸載、貨艙掃艙、貨艙暖艙和貨艙除氣，以及壓載水調整等，除了壓載水可以自動進行調整外，其余裝卸貨操作過程目前都需要人工進行，不能實現自動化。

3 技術改進

3.1 參數監測

為實現船舶智能貨物管理，實現對于艙內濕度和艙內氣體含量等參數自動采集，通過在氣穹上加裝防爆型自動采集和分析設備可實時監控艙內濕度和各種氣體含量。

3.2 貨物裝卸方案優化

在貨物裝卸貨方案優化方面，需要改進的方面如下：

（1）船舶強度需要在關鍵節點位置加裝應變片等傳感器采集結構變形應力，通過船舶強度計算軟件來給出強度變化是否滿足設計要求，實時掌握船舶強度情況。

（2）裝卸貨順序、速度以及裝卸時間，目前是人工控制，可自動采集貨物種類、船舶穩性、碼頭泵流量、回氣壓縮機流量、貨艙內露點、溫度、壓力、天氣和水文等數據，設計一套裝卸貨控制軟件，控制管路上各閥門開關順序及開度大小、液貨泵的啟停和流量、回氣壓縮機的啟停和流量等，從而實現裝卸貨方案的優化。

（3）貨物遠程識別與跟蹤基于全球通信和貨物種類和數量自動識別發送，可采用北斗定位導航衛星系統短報文功能，將貨物信息自動輸入到導航系統，通過短報文功能發送到陸上監控接收站，實現貨物遠程識別與跟蹤。

（4）預防靜電產生應盡可能降低人為因素產生的靜電，嚴格執行消除靜電的措施。

3.3輔助決策

在輔助決策方面，貨艙可燃氣體、有害氣體、含氧量變化等參數，通過在液貨艙氣穹上加裝防爆型自動氣體采集和分析設備可實時監控艙內氣體種類和含量。通過識別貨艙壓力、貨艙液位、次屏壁層溫度、各種氣體含量變化等給裝卸貨和運營帶來的風險，建立風險等級識別和應對措施響應流程，以此設計一套輔助決策控制程序，在某些輸入參數發生變化時，可為船員提供警示信息或下一步操作選項。

3.4自動裝卸貨

從2.4節的分析可以看出，現有LNG運輸船液貨艙裝卸貨管路及設備如圖2所示，整個裝卸貨過程都需要人工操作，不能實現自動裝卸貨操作，需要對貨艙干燥、貨艙惰化、貨艙置換、貨艙冷卻和貨物裝載等裝貨各過程增加自動監控測量設備，如圖3所示，貨物卸載、貨艙掃艙、貨艙暖艙和貨艙除氣等卸貨各過程是上述裝貨過程的逆過程。

從圖3可以看出，識別出了貨艙自動裝貨流程的薄弱點，在液貨艙氣穹上安裝固定式自動氣體檢測分析儀，至少能識別和分析氧氣、二氧化碳、氮氣和甲烷等四種氣體及其含量，還要安裝自動露點分析儀，為后續操作提供露點數據。液貨艙屏蔽層空間要安裝自動氧氣檢測儀，為其惰化過程提供數據依據。實現了上述數據自動采集后，設計控制裝卸貨不同過程的相關設備啟停及閥門開關邏輯和開度大小程序，通過采集露點值和氧氣含量設定控制程序來操作惰性氣體發生器和管路閥門開關，自動完成貨艙干燥和惰化過程；通過自動檢測的氧氣含量來自動控制氮氣發生器運行和管路閥門開關，從而完成屏蔽層空間的惰化，主次屏蔽層空間的壓力控制通過設定注入閥和排出閥的開啟保持在自動模式；通過在取樣點自動測量甲烷和二氧化碳的含量來自動控制貨艙置換過程中的天然氣供應量和惰性氣體的排出，完成貨艙惰化。通過貨艙冷卻曲線和泵塔最低點溫度傳感器的數值匹配來自動控制天然氣供應量，完成貨艙冷卻。貨艙冷卻結束后，根據預設程序自動按順序開啟相關貨艙的管路上的閥門和回氣壓縮機，通過船岸通訊連接開啟岸站供貨泵，接收岸站供應的液態天然氣，同時根據裝載儀中的信息自動進行壓載水相關操作，同時貨艙液位和壓力傳感器實時監控貨艙裝貨狀態，達到裝載量后自動按順序關閉注入管路上的閥門，通過船岸通訊連接關閉岸站供貨泵。

液貨艙卸貨和掃艙與液貨艙裝貨互為逆過程、液貨艙暖艙與液貨艙冷卻互為逆過程，液貨艙除氣與液貨艙置換、惰化和干燥互為逆過程，在已裝有各種自動檢測儀器的基礎上，通過設定程序采集相應參數，控制相關設備自動運行和閥門開關及開度，實現貨艙卸載、掃艙、暖艙和除氣過程的自動化操作。

4 結 論

通過對比智能船舶規范中對智能貨物管理的技術要求，分析并識別現有LNG運輸船在參數監測、裝卸貨方案優化、輔助決策和自動裝卸貨等方面的技術不足，提出了針對性的技術改進方法，如加裝自動檢測和分析設備，改進或重新設計控制程序，建立風險等級識別及應對措施響應流程等，為實現LNG運輸船貨物管理技術智能化提供了技術參考方案。

參考文獻

[1]中國船級社.智能船舶規范[M].北京：人民交通出版社股份有限公司，2020.

[2] BV. Guidelines for Autonomous Shipping [S].Pairs： Bureau Veritas， 2017.

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[6] ABS. SMART FUNCTIONS FOR MARINE VESSELS AND OFFSHORE UNITS[S].Houston： American Bureau of Shipping，2020.

[7]中國船級社.船舶（油船）智能貨物管理檢驗指南[M].北京：人民交通出版社股份有限公司，2018.

[8]周毅，鄭坤，孫冰，周斌.LNG運輸船升級智能貨物管理系統可行性分析[J].天津科技.2020（10）：52-54.

作者簡介：

佟佳洋，工程碩士，洋山港海事局三級主辦，（E-mail）haida106@163.com，13918355365

楊鑫，管理學碩士，洋山港海事局臨港海巡執法大隊副隊長，（E-mail）yangxin@shmsa.gov.cn，13817587233

劉慧一，工學學士，洋山港海事局一級行政執法員，（E-mail）20869878@qq.com，18516534517