詹 宇 劉 學

一、引言

在船舶運輸領域各船型中，油船由于其載運貨物的特殊性和危險性，一旦出現事故，往往會對船上人員、船舶以及海洋環(huán)境造成嚴重甚至災難性的影響，因此其安全管理一直倍受各界關注。相關國際組織和各國主管機關對油船安全都高度重視，對油船的監(jiān)督管理日趨嚴格[1]。在整個油船安全管理鏈條內，貨物管理是非常重要的一環(huán)。近年全球航運市場持續(xù)低迷，運價低位徘徊，節(jié)能增效、綠色低碳和安全環(huán)保已成為航運界持續(xù)關注的焦點和追求的目標。船舶智能技術因高度契合業(yè)界對于船舶更安全、更環(huán)保、更經濟的需求，已逐步大量應用于船舶系統(tǒng)中。近年國內外開始探索將智能技術應用于油船貨物管理，實踐表明，智能油船貨物管理技術提高了作業(yè)效率，增強了技術保障，且安全系數更高[2]。

二、智能貨物管理適用的規(guī)范和標準

智能貨物管理在定義、涉及內容和范圍界定等方面，業(yè)界一直眾說紛紜。作為船舶領域提供技術服務的重要單位，中國船級社（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?；陂L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章對智能貨物管理作了規(guī)定。根據該規(guī)范，智能貨物管理是指利用傳感器等感知設備對貨物、貨艙和貨物保護系統(tǒng)的參數進行自動采集，并基于計算機、自動控制和大數據技術進行處理和分析，以實現貨艙、貨物和貨物保護系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)測、報警、輔助決策和控制，同時還可以基于監(jiān)測和獲得的數據，進行貨物優(yōu)化配載和自動裝卸。智能貨物管理的基本功能包括：貨艙、貨物監(jiān)測報警和輔助決策；貨物保護系統(tǒng)的監(jiān)測報警和輔助決策；貨物配載系統(tǒng)。更高級的智能貨物管理還具有自動裝卸貨這一補充功能[3]。

CCS編制的《船舶（油船）智能貨物管理檢驗指南》于2018年10月正式發(fā)布實施，對《智能船舶規(guī)范》第6章智能貨物管理中油船相關的要求進行了補充，并作了更詳細的規(guī)定和說明，為船舶及相關系統(tǒng)的設計、建造和檢驗提供了參考和支持[4]。

需要特別說明的是，由于船舶智能技術仍在不斷發(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，并鼓勵新技術的應用。當新技術超出了現有規(guī)定的范圍時，在進行風險評估和相關試驗驗證后，只要能夠達到規(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)和應用

1.國內外研究和應用現狀

對于油船貨物的智能管理，國內外很多船舶設計制造廠家、設備供應商以及航運管理公司都進行過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集成化的處理和數據分析，在船舶吃水和貨艙液位測量監(jiān)測方面使用便捷明了的人機交互界面，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、空高和溫度等數據。日本的商船三井和旭化成株式會社合作，開展了油船關鍵輔助機械監(jiān)測的研究，并可通過船舶物聯網系統(tǒng)和基于船岸之間的實時通信監(jiān)控平臺驗證分析設備的異常狀況[5]。在國內，大連海事大學多年前就開展了現代油船貨物自動裝卸的研究，設計了軟硬件兼?zhèn)涞姆抡婵刂颇M器[6]。2019年上半年，中國船舶重工集團旗下大連船舶重工有限公司為招商輪船建造的30.8萬噸VLCC“凱征”輪，搭載了中國船舶重工集團公司第七○四所和七○八所自主研發(fā)的智能貨物管理系統(tǒng)，開啟了中國在超大型油船上應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”輪上的應用實踐

“凱征”輪是我國自主設計研發(fā)的第六代超大型油船，可載運原油、成品油，船舶最大載重量約30.8萬噸，設計航速15.7節(jié)，續(xù)航能力可達24 000海里。其按照中國船級社智能船舶規(guī)范和相關配套指南要求進行設計和建造，取得了包括智能貨物管理i-Ship（C）在內的五項智能船舶附加標志，是全球首艘獲得船級社認可發(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，但自動裝卸貨系統(tǒng)這一補充功能尚未達到。

智能貨物管理功能的實現需要貨物相關的不同系統(tǒng)內外部數據的綜合匯總、整體研判和交互分析。為滿足規(guī)范和相關指南提及的各項功能要求，“凱征”輪的智能貨物系統(tǒng)采用了不同的關聯系統(tǒng)先分別采集信息再統(tǒng)一匯總后進行大數據分析的模式。其具體網絡結構可分為現場設備層、控制層和數據管理層?，F場設備層由數據采集單元完成各子系統(tǒng)的數據采集；控制層由PLC控制器實現對采集數據的實時處理，并將重要的設備狀態(tài)信息和報警信息傳至全船的智能化網絡平臺系統(tǒng)；數據管理層則通過終端工作站將采集的數據界面化顯示、提供輔助決策建議和發(fā)出警報，存儲數據。硬件由兩個主顯一體式工作站、兩個網絡交換箱、一個數據處理柜以及兩個不間斷電源（UPS）組成。實船設有貨物控制室，用來對硬件進行統(tǒng)一維護和管理。且每組硬件都采用冗余備份設計，任何冗余備份的硬件出現故障都不會影響另一組設備硬件的正常使用，從而保證智能貨物管理系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

針對油船的貨艙、貨物、貨物保護系統(tǒng)的監(jiān)測報警和輔助決策要求，“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、閥門遙控、壓載水處理、惰性氣體、排油監(jiān)控、油氣回收、可燃氣體監(jiān)測、泵艙風機和鍋爐等所有與貨物相關子系統(tǒng)的信息，以及全船智能信息平臺采集的報警和顯示等參考信號，通過軟件系統(tǒng)進行綜合處理分析。系統(tǒng)依據收集數據的狀態(tài)和數據的變化趨勢作出預測或發(fā)出警報。系統(tǒng)還可對貨物管理重要設備的數據信號進行采樣（采樣周期間隔1秒），數據可自動存儲。人員可通過趨勢圖查閱設備參數的過程狀態(tài)。當設備異常向船員發(fā)出警報時，系統(tǒng)還能提供警報原因分析和措施建議供參考。另外，智能貨物管理系統(tǒng)還向全船的網絡平臺和船舶裝載儀提供需要的數據信息，實現數據的交互與共享。

該輪還配置了國內船舶配載方面經驗豐富的開發(fā)設計單位自主研發(fā)的智能配載軟件，結合船舶原有的裝載儀系統(tǒng)進行功能疊加聯動，可通過自動感知或者人機交互輸入的方式，獲得船舶的航行狀態(tài)、液貨艙裝載和貨物保護系統(tǒng)等方面的數據，并向船舶操縱者全面展現船舶配載、浮態(tài)情況，以及船舶安全性評估校核結果。在裝載卸載面臨危險時，系統(tǒng)能快速提供有效的輔助決策方案。舉例來說，當油船在港口或錨地進行裝卸貨作業(yè)時，區(qū)別于常規(guī)船上大副參照裝載穩(wěn)性、貨艙強度校核資料以及自身固有經驗的模式，智能貨物配載系統(tǒng)可根據油品類型和裝卸貨量等實際情況自動或由操作人員手動生成艙室裝卸順序。在設定裝載流速情況下，系統(tǒng)能計算船上每個貨艙及壓載艙的裝載量變化路徑，并細化該過程。針對船員指定的裝卸計劃，系統(tǒng)可針對每個艙室計算裝載率變化、耗時以及是否達到裝卸節(jié)點等信息，向用戶直觀展示并及時預警。

經梳理統(tǒng)計，“凱征”輪智能貨物管理系統(tǒng)共有監(jiān)測報警點580余個，數據通信使用RS485和RJ45接口協議，系統(tǒng)設計了輔助決策21項，參與輔助決策分析的數據類通信點有230多個；通過監(jiān)測、計算和分析，實現油船貨艙和貨物保護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度，保證貨物系統(tǒng)的安全有效運行。

四、系統(tǒng)安裝試驗關鍵點

由于監(jiān)測存儲、計算分析和數據傳輸的需要，智能貨物管理整合了船舶原本獨立運行的多個系統(tǒng)。與常規(guī)油船相比，會增加數量較多的通信設備。在實船應用中，應重點關注通信方面的情況，主要包括通信數據協議解析與匹配以及通信量程校準等。另外，在線纜敷設布置、人機界面友好性和信息顯示等方面也易出現問題，應重點核對。

1.通信傳方面

因為不同的設備生產廠家所使用的信息處理及傳輸的協議標準不同，所以在智能貨物管理系統(tǒng)的安裝試驗過程中，通信功能必須重點關注，以確保系統(tǒng)間信息傳導有序、數據準確。應重點關注以下幾個方面：

一是未雨綢繆，做好規(guī)劃和設計。在設計階段就應考量周全做好規(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生被動。對于未設計集成通信功能的子系統(tǒng)，必須通過硬線連接形式實現與智能貨物管理系統(tǒng)的互聯。

二是嚴格把關，認真選擇匹配產品。為滿足智能貨物管理需求，監(jiān)測貨泵艙風機運轉狀態(tài)的溫度傳感器及振動的傳感器等新增的傳感器設備，須確保是具有數據傳輸功能的匹配型號產品，其通信須符合網關規(guī)定，以避免選型不當導致系統(tǒng)不通。

三是仔細核查，確保數據采集項連通正常。對于已確定通信協議的，一定要關注系統(tǒng)設備各個數據采集項是否都連通正常，并且數據量程單位選取準確。如采用了4-20mA模擬量電流信號進行傳輸的，應核查其每一項須采集數據點是否都配置了信息處理單元，具備將其他信號模式轉為4-20mA信號的模塊。

四是全面驗證，確保數據傳輸準確。對于系統(tǒng)間通信完全正常的，則重點關注數據信息的準確性。如使用特殊的軟件編碼傳輸的，信號地址編輯映射必須做好，以防數據在解析還原后與原始數值不一致，導致數據顯示出現錯誤。對于像蝶閥遙控系統(tǒng)中貨油/壓載管系蝶閥開度指示這樣要求較為精確的，應仔細核對實際指示與智能貨物管理系統(tǒng)顯示的數值，存在偏差的須調整蝶閥顯示開度計的電路板，消除指示偏差。

2.線纜敷設方面

在安裝檢驗時應關注電纜接線、布置與施工工藝的符合性情況，在滿足常規(guī)敷設布置的前提下，重點關注信號類電纜的安裝及接線狀況，確保電纜傳輸的信號數據免受電磁干擾等影響。

對于不同類別的線纜，如同軸單芯、CAT6類網線等，應采用相應的接地抗干擾模式。尤其是使用屏蔽雙絞線的電纜，應單端接地。因為在屏蔽層雙端接地情況下，雖然金屬屏蔽層不會產生感應電壓，但金屬屏蔽層受干擾磁通影響將產生屏蔽環(huán)流。如果接地兩端電勢不相同，將形成很大的電勢環(huán)流，環(huán)流會對信號產生抵消衰減效果。實船安裝作業(yè)時，因對屏蔽雙絞線接觸不多，施工人員容易忽視其接地要求。

3.人機界面方面

人機界面信息顯示的友好性、實用性是系統(tǒng)是否“智能”的一項重要指標。只有不斷從用戶的角度出發(fā)，為用戶提供使用便利，才能更好地體現系統(tǒng)的價值。在示范船調試中，結合貨物管理和操作經驗豐富的船長、大副及輪機長的意見和建議對智能貨物管理系統(tǒng)進行優(yōu)化升級。考慮到船舶在實際航行中可能個別艙室調節(jié)壓載水的情況，在升級時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)化成每個艙可以單獨修改海水密度參數。還借鑒了機艙監(jiān)測報警系統(tǒng)較為成熟的設計，優(yōu)化了智能貨物管理系統(tǒng)初始設計的報警顯示顏色設置，包括報警狀態(tài)、消除和復位的顏色指示。改變了原有的報警信息顏色標注均相同只是字體格式不一樣的模式，使用戶在查閱時更加直觀清晰。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)測顯示、智能貨物管理系統(tǒng)裝卸貨速率計算的采樣周期與船舶裝載儀設置的裝卸貨速率匹配等方面，也都需要重點關注，以確保用戶使用的準確性。

五、總結與展望

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，也標志著中國翻開了全球智能船舶領域嶄新的一頁。在智能貨物管理方面的實踐應用所得到的數據以及積累的相關經驗，將為油船智能貨物管理的進一步升級和發(fā)展提供寶貴的經驗和技術支撐。

羅爾斯·羅伊斯集團總裁曾表示：“無人駕駛船舶是船舶行業(yè)的未來。智能船舶具有如同智能手機一樣的顛覆性，將徹底改變船舶設計和運營的格局?！盵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)測和報警實現后，各個關聯系統(tǒng)及設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一步優(yōu)化提升？在故障和緊急狀況下如何保證自動裝卸貨系統(tǒng)應用和作業(yè)的安全？這些問題，都需要業(yè)界更深入的研究和探討。

此外，通過此次超大型油船智能貨物管理系統(tǒng)應用實踐，網絡工程、電子通信和軟件控制等技術被應用于船舶設備和系統(tǒng)中，不僅實現了船舶智能化、精準化和高效率的操縱和控制，提升了安全、綠色和能效等級，同時也為未來船舶專業(yè)人才培養(yǎng)打下一定基礎。船舶設計制造廠家、船級社和船舶管理公司的專業(yè)人才隊伍建設，應在傳統(tǒng)的結構制造、輪機設備和電氣工程等領域人才的基礎上，向具有軟件編程、信息網絡和通信工程專長的復合型人才轉變，以適應行業(yè)的需求和時代的發(fā)展。