三峽局公務船舶機務管理輔助決策技術研究

王海江，陳學文，任鋒

（長江三峽通航管理局，湖北宜昌 443002）

1 引言

公務船舶是航務管理和航道維護部門實現管理職能和航道管理養護職能最重要的設備。船舶的設備技術狀態直接影響著通航業務工作的效率和質量，近年來三峽局船舶設備技術狀態總體良好，船舶設備運行情況穩定，但隨著船舶數量逐年增加，船型覆蓋面不斷擴大，設備保障要求隨之提高。主要面臨如下問題：船舶類型多，技術標準不一，管理難度大；船舶老舊，使用頻率高，安全壓力大；基礎數據多，管理人員少，工作強度大；船舶維護維修計劃的科學性和規范性亟待提高。傳統的船舶機務管理工作，主要是以人工管理方式進行，特別是處理船舶生產作業過程中的故障，“一事一議”的工作方式不僅效率偏低，而且不能實現對問題成因的系統集成，各專業也無法形成聯動聯控體系，達不到船舶安全生產各環節風險預判預控的目標。近年來船舶數字機務技術的發展，為大數據技術在船舶機務管理方面的應用成為可能。通過運用大數據分析技術，可以對機務生產數據進行廣泛收集、分析、共享，提高船舶機務系統各專業數據的溝通協調，提升船舶數字機務管理工作整體水平。

2 船舶機務管理輔助決策技術研究

2.1 船舶運行能耗分析研究

通過北斗定位數據并根據船舶航行、靠港等狀態，統計船舶在營運過程中各環節所消耗的時間，計算并統計航次中的航行在港時間、在港率和在航率。根據年、月、航次分別對能效營運數據進行規律性分析。

基于船舶動力系統運行工況特征，通過建立航行工況辨識模型與能效狀態評估模型，實現基于多源信息的船舶航行狀態智能識別以及能效狀態的分析與評估，基于實測數據的船舶能效評估能根據實時采集的數據，判斷船舶當前航行狀態，基于所建立的船舶能效狀態評估模型，并利用歷史數據建立評估準則，對設備進行能效實時異常分析、預警和能效狀態評估。

不同類型的船舶在主機型號、尺度結構、船舶總噸上存在著顯著的差異。主機油耗和船舶總噸是影響船舶能效的重要因素，基于以上考慮，將三峽局船舶根據其各自船型結構劃分為多個類型，相同類型的船舶無論在船舶尺度、船型結構、主機選型、螺旋槳類型上基本相同，因此，將模型計算的船舶營運能效指數值與同類型船舶進行比較，根據計算結果便可對同類型、不同船舶的能效水平進行評估。

船舶主機及各推進系統設備在長時間運行后，各設備的能效水平會隨著時間的增長而逐漸下降。可以將能效模型計算結果作為衡量能效退化的參考數值，通過實測數據所得的船舶能效營運指數與模型計算結果進行比較，即可判斷船舶能效水平隨時間變化的趨勢及變化程度，當二者差值較大時，就需要考慮對船舶主機進行維修保養或螺旋槳及船底清污，以保證船舶的能效水平處于較好的狀態。

2.2 船舶健康度評價研究

船舶是非常典型的復雜設備組合體，對于船舶健康度的評價是一個綜合評價過程，過程中涉及多方面要素以及多層次的指標，為此需要研究構建涵蓋評價目標、評價內容、評價主體、評價方式、評價模型和結果運用的船舶智能評價體系。

確定評價目標。評價目標指船舶智能評價體系構建后評價工作所要達到的效果狀態。本期研究的內容包括：提出既有針對性和可操作性，又具備一定前瞻性的評價目標，確保船舶智能評價體系的構建可以為建立船舶故障智能診斷、星級船舶數據模型，確定技術狀況及預算績效評價指標，合理制定船舶運行維護費支出標準與結構，優化船舶資源配置、提升船舶工作效率，支撐船舶裝備建設發展起到應有的導向和改進作用。

明確評價內容。研究內容包括：確定評價對象，除原有管理辦法中規定的船體、主要機電設備和專用設備外，還需要增加船舶檢驗證書等資料完備性和有效性評價，船舶安全、環保、消防等設備的可用性評價，船舶服役時間、油耗、故障、事故等過程類信息，船舶能耗水平及相關排放程度等；細化評價內容，逐級細化評價范圍內的各種評價對象和評價內容，例如船體包括船外板、甲板、內底板、骨架、隔艙壁和上層建筑等，主要機電設備包括推進主機、發電機組、絞纜機、錨機、舵機、起重機、軸系、推進器、舵等，專用設備包括特殊船舶專用設備（如絞錨設備、鋪排機構）等，新增的各類評價對象屬性也需要逐級細化分解為可衡量的內容。

落實評價主體。研究內容包括：是否將機務工作人員和管理人員為主的評價專家小組優化為機務管理、安全管理、航道生產等部門組成的綜合評價小組；詳細調研航道生產部門對于船舶工作任務安排、船舶工作效率等方面的需求，分析整理后融入相關指標體系；詳細調研安全管理部門對于船舶安全管理、應急處置等方面的需求，分析整理后融入相關指標體系等。

創新評價方式。研究的內容包括：將當前周期性現場自查為主、上級部門抽查為輔的評價方式拓展到周期性現場核查、專家小組遠程核查、信息系統自動核查相結合的模式；目前每季度一次的核查周期是否可以優化；如何通過視頻監控、知識庫等技術手段提升遠程核查效率，降低系統核查成本；信息系統自動采集數據的機制，數據存儲的方式，如何保證系統數據的準確性、完整性和可靠性等。

優選評價模型。研究內容包括：評價內容的確定是船舶智能評價指標體系創建的基礎，將這些內容歸類選擇作為一級指標，并相應地細化成二級乃至三級指標；選取部分與船舶安全運行密切相關的指標作為剛性指標，剛性指標具備“一票否決”功能；基于船舶智能評價定性指標和定量指標相結合，指標層次化、多樣化的特點，綜合分析加權評分法、層次分析法、模糊綜合評價法等評價算法的適用性，形成符合三峽海事實際管理需求的評價模型等。

強化結果運用。研究內容包括：因船制宜，探索船舶智能評價結果運用思路。如何根據船舶智能評價的要求，在船舶建造階段即完成相關數據采集設備的部署；評價結果需要自動形成評價報告，評價報告的主要內容，以及重點建議方向；評價結果輸出的對象，如何充分利用評價結果確定船舶星級和技術狀況等級、維修方案、整改內容，改進維護方式、增加維護頻次，調整維修經費、加強培訓，提升相關部門工作效率等。

目前三峽局船舶老舊，使用頻率高，安全壓力大。十四五期間，達報廢年限行船數量將增至8 艘，占比40%。老舊船舶的高負荷運轉勢必為船舶管理工作帶來一定安全風險。需要通過健康評估預警系統為超期服役船舶的核心設備運行情況進行跟蹤和評估，及時發現問題、預測預警，協助完成維修和報廢決策。

2.3 船舶操控行為分析技術研究

船舶操控對于船舶安全航行非常重要，在實際航行中存在一些不規范行為，存在安全隱患。船舶操控行為指船員在駕駛過程中對船舶的各種操控行為，內容包括啟航、停航、正倒車切換等。實際航行中，往往存在一些不規范行為，不規范的操控行為會對船舶設備產生一定的不良后果，或者可能產生一定的安全隱患。例如啟航過程中，水溫沒有達到一定的數值就開始正車，潤滑條件不足，將可能導致發動機零件磨損加劇，影響船舶航行安全。

目前對船舶的操控行為規范性的監管手段單一，自動化程度不夠。傳統監管方式是查看航行日志和輪機日志，在有條件的船舶上則通過視頻監控設備進行遠程監管，通過人工巡視，查看判斷操控行為是否規范。由于航行時間長，人工查看工作量大，而且視頻無法關聯航行過程中各種機艙運行參數，難以完成深層次的規范性判斷。需要利用信息化手段輔助管理人員自動監管，發現不規范行為并進行提示。

總體設計。基于物聯網和大數據技術，采集船舶啟航、航行、停航全過程船舶方位數據和機艙監測數據，利用機器學習算法，融合船舶操控規則知識庫，形成船舶操控行為規范模型庫，可自動持續輸出船舶操控行為規范性評定結果，為船舶操控行為的監測預警提供信息化支撐。

數據采集。需要采集的數據包括船舶航行數據和機艙監測數據，采集方式包括傳感器采集、相關監測系統抽取和知識庫生成。船舶航行數據包括船舶航行起止時間、航行速度、航行軌跡等，機艙監測數據包括船舶主機轉速、功率、水溫、油壓、油艙液位等。本期研究基于大數據展開，支持采集各類傳感器數據，也支持從船舶管理、機艙監測等系統中抽取數據。對于船舶操控相關規范中明確要求的部分內容，本期研究創新性地采用了基于知識庫生成樣本數據的模式，例如可以錄入部分啟航過程初始數據，該部分數據可以較好地描述船舶從熱車到正車的標準操控行為，在主機轉速、主機水溫的曲線配合方面完全符合規范要求。對于部分缺乏足夠數據樣本，但具備確定知識庫要求的行為，例如夜航，可以采用該種方法完善采集數據。

特征工程。針對不同類型船舶操控行為需要對已采集的數據進行不同的特征工程。首先是針對部分空值和異常值進行處理，由于數據量較大，部分空值可以直接刪除，異常值可以采用四分位間距檢測后剔除。船舶航行過程數據和機艙監測數據主要為時序數據，可以采用滑動窗口法提取時間段數據的平均數、中位數、標準差、最大值、最小值、斜率、偏度、峰度等作為特征，最終形成合適的特征數據集。對于不同的操控行為，提取不同的特征值。

模型生成。基于航行數據和機艙監測數據生成模型，例如開航行為分析、正倒車切換等模型，各模型的主要標簽和主要因子包括：

模型一、開航行為分析。標簽為：開航操控行為是否規范。主要因子為：水溫曲線斜率、水溫最大值、主機轉速曲線斜率、水溫-航速曲線相位差等。

模型二、正倒車切換。標簽為：正倒車切換行為是否規范。主要因子為：主機轉速曲線斜率、轉速-航速曲線相位差等。

模型三、航程航速分析。標簽為：航速航程是否異常。主要因子為：航程統計、航速統計、油耗統計等。

模型四、駕駛過程。標簽為：駕駛過程操控行為是否規范。主要因子為：主機轉速統計、船舶航速統計、船舶軌跡曲線等。

模型應用。模型生成后，需要通過測試數據進行測試和參數調優。模型可以導入到船舶管理系統和機務管理系統中，實現操控行為規范性分析，也可以作為多因子綜合評價模型的輸入，最終輸出具體的操控行為綜合評分。

3 總結

綜上所述，船舶管理信息系統建設的加快推進，為大數據技術在船舶機務管理中的應用提供了廣闊空間。我們要進一步擴大大數據技術應用，深度挖掘其更深的優勢和價值，找到現代化科學技術與傳統船舶機務管理工作相結合、相融合、相促進的銜接點，不斷提高三峽局公務船舶機務管理輔助決策技術能力。