佟佳洋?楊鑫?劉慧一

摘要： LNG運(yùn)輸船貨物圍護(hù)系統(tǒng)和貨物處理與駁運(yùn)系統(tǒng)復(fù)雜，易發(fā)生人為因素導(dǎo)致的誤操作，船舶所有人亟須在LNG運(yùn)輸船實(shí)現(xiàn)智能貨物管理技術(shù)，降低貨物管理風(fēng)險(xiǎn)。基于船級(jí)社智能船舶規(guī)范，以我國(guó)建造的最新一代大型LNG運(yùn)輸船貨物管理技術(shù)為例，分析梳理其在參數(shù)監(jiān)測(cè)、貨物裝卸方案優(yōu)化、輔助決策和自動(dòng)裝卸貨等方面已實(shí)現(xiàn)的智能化貨物管理技術(shù)。針對(duì)智能貨物管理技術(shù)存在的技術(shù)瓶頸，提出技術(shù)改進(jìn)建議，為實(shí)現(xiàn)LNG運(yùn)輸船智能貨物管理技術(shù)提供參考方案。

關(guān)鍵詞：智能貨物管理；參數(shù)監(jiān)測(cè)；輔助決策；自動(dòng)裝卸貨

0 引 言

隨著液化天然氣（以下簡(jiǎn)稱“LNG”）在能源領(lǐng)域所占比重逐年遞增，LNG運(yùn)輸船作為L(zhǎng)NG海上運(yùn)輸貿(mào)易的載體，數(shù)量大幅增加，其貨物圍護(hù)系統(tǒng)和貨物處理與駁運(yùn)系統(tǒng)復(fù)雜，專業(yè)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(jìn)行貨物裝卸的過程易發(fā)生人為因素導(dǎo)致的誤操作，給船舶和碼頭帶來巨大風(fēng)險(xiǎn)。船舶所有人亟須在LNG運(yùn)輸船實(shí)現(xiàn)智能貨物管理技術(shù)，減少人為干預(yù)，實(shí)現(xiàn)自主監(jiān)控、智能配載、自動(dòng)裝卸貨，降低貨物管理風(fēng)險(xiǎn)。我國(guó)自主建造的LNG運(yùn)輸船性能已處于世界先進(jìn)水平，配置了大量的自動(dòng)監(jiān)控設(shè)備及儀表，正在向智能船舶方向發(fā)展，通過對(duì)現(xiàn)有LNG運(yùn)輸船智能貨物管理技術(shù)進(jìn)行分析，梳理其滿足規(guī)范要求和使用需要的已具備的智能化貨物管理技術(shù)特點(diǎn)，同時(shí)針對(duì)目前LNG運(yùn)輸船實(shí)現(xiàn)智能貨物管理技術(shù)所存在的技術(shù)瓶頸，提出合理可行的技術(shù)改進(jìn)方法，解決LNG運(yùn)輸船實(shí)現(xiàn)最小人工干預(yù)的貨物自動(dòng)裝卸貨技術(shù)問題，實(shí)現(xiàn)LNG運(yùn)輸船智能貨物管理。

1 智能貨物管理技術(shù)特點(diǎn)

智能貨物管理技術(shù)[1]是指利用傳感器等感知設(shè)備對(duì)貨物、貨艙和貨物相關(guān)系統(tǒng)的參數(shù)以及環(huán)境參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)采集，并基于計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和大數(shù)據(jù)處理和分析，以實(shí)現(xiàn)貨艙、貨物及貨物相關(guān)系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、預(yù)警或報(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)行貨物裝卸方案優(yōu)化、自動(dòng)裝卸和風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)，以實(shí)現(xiàn)船舶貨物的智能管理和風(fēng)險(xiǎn)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(guān)系統(tǒng)的參數(shù)監(jiān)測(cè)；

（2）優(yōu)化裝卸貨方案；

（3）預(yù)警或報(bào)警和輔助決策；

（4）自動(dòng)裝卸貨；

（5）裝卸貨過程風(fēng)險(xiǎn)管控。

2 現(xiàn)有LNG運(yùn)輸船智能貨物管理技術(shù)現(xiàn)狀

智能船舶是未來船舶發(fā)展的方向，世界各主流船級(jí)社如中國(guó)船級(jí)社（簡(jiǎn)稱“CCS”）、美國(guó)船級(jí)社（簡(jiǎn)稱“ABS”）、挪威船級(jí)社（簡(jiǎn)稱“DNV-GL”）、英國(guó)勞氏船級(jí)社（簡(jiǎn)稱“LR”）、法國(guó)船級(jí)社（簡(jiǎn)稱“BV”）和日本船級(jí)社（簡(jiǎn)稱“NK”）等都在船舶船體、機(jī)艙、能效管理、航行、貨物管理、集成平臺(tái)、遠(yuǎn)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(guī)范[2-6]，為業(yè)界提供船舶設(shè)計(jì)、建造和檢驗(yàn)的技術(shù)支持，各船級(jí)社智能船舶規(guī)范技術(shù)要求對(duì)比情況詳見表1。

從表1中可以看出，各船級(jí)社對(duì)船舶智能化或數(shù)字化方面各有側(cè)重，大部分船級(jí)社側(cè)重于在智能船體、智能機(jī)艙、智能能效管理和智能航行等方面提出自身的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于智能貨物管理方面，只有CCS和BV 2家船級(jí)社有相關(guān)技術(shù)要求，具體技術(shù)要求對(duì)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(jī)艙、智能能效管理、智能航行和智能集成平臺(tái)等船級(jí)附加標(biāo)志，LNG運(yùn)輸船至今未被授予任何智能船級(jí)附加標(biāo)志。

從表2可以看出CCS在智能貨物管理技術(shù)方面考慮全面，在參數(shù)監(jiān)測(cè)、貨物裝卸方案優(yōu)化、輔助決策和自動(dòng)裝卸貨等方面給出了具體技術(shù)要求，具備良好的可操作性。以中國(guó)船級(jí)社（CCS）《智能船舶規(guī)范》中的智能貨物管理技術(shù)要求和國(guó)內(nèi)某船廠建造的最新一代LNG運(yùn)輸船為例[7]，詳細(xì)分析和梳理LNG運(yùn)輸船在滿足智能貨物管理要求方面的技術(shù)現(xiàn)狀。

2.1 參數(shù)監(jiān)測(cè)

船舶智能貨物管理系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)所裝載貨物的具體情況，監(jiān)測(cè)或獲取海洋環(huán)境、船舶航行和貨物系統(tǒng)的重要數(shù)據(jù)[8]，為后續(xù)智能貨物管理提供信息支持，具體參數(shù)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目詳見表3。

從表3可以看出，現(xiàn)有LNG運(yùn)輸船已基本實(shí)現(xiàn)用于船舶智能貨物管理的參數(shù)自動(dòng)化采集與監(jiān)測(cè)，液貨艙內(nèi)濕度，液貨艙內(nèi)可燃?xì)怏w、有害氣體和含氧量一般在新造船交付后首次裝貨以及運(yùn)營(yíng)期間的進(jìn)塢除氣和出塢后裝貨期間測(cè)量，需要進(jìn)行測(cè)量的次數(shù)不多，現(xiàn)有LNG運(yùn)輸船通過手持式露點(diǎn)儀和氣體檢測(cè)儀即可完成測(cè)量。

2.2 貨物裝卸方案優(yōu)化

通過考慮船舶、碼頭等各種制約因素，對(duì)LNG運(yùn)輸船裝卸貨物過程中相關(guān)參數(shù)實(shí)施監(jiān)測(cè)和技術(shù)分析，給出優(yōu)化的裝卸貨物方案。通常應(yīng)從安全、環(huán)保、效率考慮以下因素對(duì)船舶裝卸貨方案優(yōu)化的影響，現(xiàn)有LNG運(yùn)輸船對(duì)這些因素的滿足情況詳見表4。

從表4中可以看出，現(xiàn)有LNG運(yùn)輸船考慮到建造成本以及船舶強(qiáng)度的裕量，未對(duì)船舶強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控?？紤]到裝卸貨對(duì)碼頭及船舶的安全影響以及無針對(duì)性的自動(dòng)控制軟件，現(xiàn)有船對(duì)裝卸貨順序、速度及裝卸時(shí)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(jìn)成自動(dòng)操作對(duì)于優(yōu)化貨物裝卸方案會(huì)帶來船舶和碼頭運(yùn)營(yíng)成本的增加。貨物遠(yuǎn)程識(shí)別與跟蹤受限于目前已安裝上船的全球通信系統(tǒng)，無法做到自動(dòng)識(shí)別并發(fā)送貨物信息。靜電產(chǎn)生除既定裝卸貨過程中可識(shí)別的設(shè)備靜電產(chǎn)生，還有人為因素產(chǎn)生的靜電，需要嚴(yán)格執(zhí)行防靜電措施。

2.3輔助決策

輔助決策是基于船舶具體設(shè)計(jì)、所裝載的特定貨物、并綜合考慮當(dāng)前狀態(tài)的變化趨勢(shì)，對(duì)所監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、對(duì)短時(shí)間內(nèi)可能出現(xiàn)的異常情況發(fā)出提醒或警示，或?qū)μ綔y(cè)到的異常情況發(fā)出報(bào)警，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析和處理，給出相應(yīng)并合理的建議和操作方案。船級(jí)社規(guī)范要求LNG運(yùn)輸船應(yīng)考慮其貨艙液位、壓力、溫度、可燃?xì)怏w含量及泄漏等影響貨物安全的因素發(fā)生變化時(shí)，現(xiàn)有LNG運(yùn)輸船應(yīng)能夠自動(dòng)識(shí)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(hù)系統(tǒng)次屏壁溫度變化和貨物區(qū)域氣體探測(cè)報(bào)警都已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)，現(xiàn)有LNG運(yùn)輸船的貨艙可燃?xì)怏w、有害氣體、含氧量變化可通過手持式氣體檢測(cè)儀對(duì)進(jìn)行測(cè)量，實(shí)時(shí)性不夠。

2.4自動(dòng)裝卸貨

自動(dòng)裝卸貨是在優(yōu)化裝卸貨方案基礎(chǔ)上，能夠自動(dòng)控制相關(guān)系統(tǒng)，能夠?qū)υO(shè)備的突發(fā)故障、外部環(huán)境變化等因素進(jìn)行自動(dòng)技術(shù)處理和控制，實(shí)現(xiàn)船舶自動(dòng)裝卸貨操作。LNG運(yùn)輸船的自動(dòng)裝卸貨操作一般包括貨艙干燥、貨艙惰化、貨物圍護(hù)系統(tǒng)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(diào)整等，除了壓載水可以自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整外，其余裝卸貨操作過程目前都需要人工進(jìn)行，不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

3 技術(shù)改進(jìn)

3.1 參數(shù)監(jiān)測(cè)

為實(shí)現(xiàn)船舶智能貨物管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)于艙內(nèi)濕度和艙內(nèi)氣體含量等參數(shù)自動(dòng)采集，通過在氣穹上加裝防爆型自動(dòng)采集和分析設(shè)備可實(shí)時(shí)監(jiān)控艙內(nèi)濕度和各種氣體含量。

3.2 貨物裝卸方案優(yōu)化

在貨物裝卸貨方案優(yōu)化方面，需要改進(jìn)的方面如下：

（1）船舶強(qiáng)度需要在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)位置加裝應(yīng)變片等傳感器采集結(jié)構(gòu)變形應(yīng)力，通過船舶強(qiáng)度計(jì)算軟件來給出強(qiáng)度變化是否滿足設(shè)計(jì)要求，實(shí)時(shí)掌握船舶強(qiáng)度情況。

（2）裝卸貨順序、速度以及裝卸時(shí)間，目前是人工控制，可自動(dòng)采集貨物種類、船舶穩(wěn)性、碼頭泵流量、回氣壓縮機(jī)流量、貨艙內(nèi)露點(diǎn)、溫度、壓力、天氣和水文等數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)一套裝卸貨控制軟件，控制管路上各閥門開關(guān)順序及開度大小、液貨泵的啟停和流量、回氣壓縮機(jī)的啟停和流量等，從而實(shí)現(xiàn)裝卸貨方案的優(yōu)化。

（3）貨物遠(yuǎn)程識(shí)別與跟蹤基于全球通信和貨物種類和數(shù)量自動(dòng)識(shí)別發(fā)送，可采用北斗定位導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)短報(bào)文功能，將貨物信息自動(dòng)輸入到導(dǎo)航系統(tǒng)，通過短報(bào)文功能發(fā)送到陸上監(jiān)控接收站，實(shí)現(xiàn)貨物遠(yuǎn)程識(shí)別與跟蹤。

（4）預(yù)防靜電產(chǎn)生應(yīng)盡可能降低人為因素產(chǎn)生的靜電，嚴(yán)格執(zhí)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?xì)怏w、有害氣體、含氧量變化等參數(shù)，通過在液貨艙氣穹上加裝防爆型自動(dòng)氣體采集和分析設(shè)備可實(shí)時(shí)監(jiān)控艙內(nèi)氣體種類和含量。通過識(shí)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(yùn)營(yíng)帶來的風(fēng)險(xiǎn)，建立風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)識(shí)別和應(yīng)對(duì)措施響應(yīng)流程，以此設(shè)計(jì)一套輔助決策控制程序，在某些輸入?yún)?shù)發(fā)生變化時(shí)，可為船員提供警示信息或下一步操作選項(xiàng)。

3.4自動(dòng)裝卸貨

從2.4節(jié)的分析可以看出，現(xiàn)有LNG運(yùn)輸船液貨艙裝卸貨管路及設(shè)備如圖2所示，整個(gè)裝卸貨過程都需要人工操作，不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)裝卸貨操作，需要對(duì)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(dòng)監(jiān)控測(cè)量設(shè)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(shí)別出了貨艙自動(dòng)裝貨流程的薄弱點(diǎn)，在液貨艙氣穹上安裝固定式自動(dòng)氣體檢測(cè)分析儀，至少能識(shí)別和分析氧氣、二氧化碳、氮?dú)夂图淄榈人姆N氣體及其含量，還要安裝自動(dòng)露點(diǎn)分析儀，為后續(xù)操作提供露點(diǎn)數(shù)據(jù)。液貨艙屏蔽層空間要安裝自動(dòng)氧氣檢測(cè)儀，為其惰化過程提供數(shù)據(jù)依據(jù)。實(shí)現(xiàn)了上述數(shù)據(jù)自動(dòng)采集后，設(shè)計(jì)控制裝卸貨不同過程的相關(guān)設(shè)備啟停及閥門開關(guān)邏輯和開度大小程序，通過采集露點(diǎn)值和氧氣含量設(shè)定控制程序來操作惰性氣體發(fā)生器和管路閥門開關(guān)，自動(dòng)完成貨艙干燥和惰化過程；通過自動(dòng)檢測(cè)的氧氣含量來自動(dòng)控制氮?dú)獍l(fā)生器運(yùn)行和管路閥門開關(guān)，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(shè)定注入閥和排出閥的開啟保持在自動(dòng)模式；通過在取樣點(diǎn)自動(dòng)測(cè)量甲烷和二氧化碳的含量來自動(dòng)控制貨艙置換過程中的天然氣供應(yīng)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(diǎn)溫度傳感器的數(shù)值匹配來自動(dòng)控制天然氣供應(yīng)量，完成貨艙冷卻。貨艙冷卻結(jié)束后，根據(jù)預(yù)設(shè)程序自動(dòng)按順序開啟相關(guān)貨艙的管路上的閥門和回氣壓縮機(jī)，通過船岸通訊連接開啟岸站供貨泵，接收岸站供應(yīng)的液態(tài)天然氣，同時(shí)根據(jù)裝載儀中的信息自動(dòng)進(jìn)行壓載水相關(guān)操作，同時(shí)貨艙液位和壓力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控貨艙裝貨狀態(tài)，達(dá)到裝載量后自動(dòng)按順序關(guān)閉注入管路上的閥門，通過船岸通訊連接關(guān)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(dòng)檢測(cè)儀器的基礎(chǔ)上，通過設(shè)定程序采集相應(yīng)參數(shù)，控制相關(guān)設(shè)備自動(dòng)運(yùn)行和閥門開關(guān)及開度，實(shí)現(xiàn)貨艙卸載、掃艙、暖艙和除氣過程的自動(dòng)化操作。

4 結(jié) 論

通過對(duì)比智能船舶規(guī)范中對(duì)智能貨物管理的技術(shù)要求，分析并識(shí)別現(xiàn)有LNG運(yùn)輸船在參數(shù)監(jiān)測(cè)、裝卸貨方案優(yōu)化、輔助決策和自動(dòng)裝卸貨等方面的技術(shù)不足，提出了針對(duì)性的技術(shù)改進(jìn)方法，如加裝自動(dòng)檢測(cè)和分析設(shè)備，改進(jìn)或重新設(shè)計(jì)控制程序，建立風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)識(shí)別及應(yīng)對(duì)措施響應(yīng)流程等，為實(shí)現(xiàn)LNG運(yùn)輸船貨物管理技術(shù)智能化提供了技術(shù)參考方案。

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作者簡(jiǎn)介：

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

楊鑫，管理學(xué)碩士，洋山港海事局臨港海巡執(zhí)法大隊(duì)副隊(duì)長(zhǎng)，（E-mail）yangxin@shmsa.gov.cn，13817587233

劉慧一，工學(xué)學(xué)士，洋山港海事局一級(jí)行政執(zhí)法員，（E-mail）20869878@qq.com，18516534517