LNG运输船智能化升级方案总体架构设计

罗文忠

（中海油能源发展股份有限公司采油服务分公司，天津 300452）

0 引言

本文主要研究的对象为某型LNG 运输船，参考中国船级社《智能船舶规范》的相关要求，结合目前船舶行业对智能船舶的定义及期望与当前的技术状态，完成针对该型LNG 运输船的智能化升级方案总体架构设计，用以指导以后的LNG 运输船智能化升级改造工程的具体实施。

近年来，智能船舶已由一个新生事物逐渐成为了全球海事界的关注热点。在互联网技术日益深入日常生活的当下，又结合目前迅猛进步的人工智能科技，船舶的智能化升级改造已经越来越符合全球航运的发展需要，所以全球范围内都在热切开展智能船舶的研究与探索[1]。但就目前情况来看，全球智能船舶的应用仍处于探索和发展的初级阶段，船舶智能化的工程应用路径仍然任重道远。

现代航运发展的主旋律必然是安全与高效，智能船舶的出现正是符合这一发展趋势的必然结果。从文献情况来看，2017 年，主要研究人员从智能船舶的研发风险、发展现状逐步转向针对智能船舶的具体系统提出解决方案[2-4]；2018 年，伊杰等[5]初步针对港口作业的拖轮进行了智能化方案设计；2019 年，陈立等[6]进一步在超大型矿砂船上进行了智能化方案的总体设计；周毅等[7]对LNG 运输船的智能化的可行性做了初步探索。本文在此基础上进行了更为细致的智能化方案设计，并形成了初步的设计资料进行了中国船级社的送审，为将来的LNG 运输船智能化升级工程实施奠定了理论基础与方案依据，可以指导同类船型的智能化升级。

1 LNG运输船的智能化升级方案

1.1 智能船舶的定义及特征

智能船舶，是指依托全船信息融合所形成的集成平台，采用先进的数据处理与分析技术，可以实现船舶的自主感知、信息分析及评估、趋势预测和决策优化等管理和控制功能，并通过船岸一体信息交互具备远程支持能力，面向全寿命周期创值服务的船舶[8]。

这个结论覆盖了智能船舶的4 个特征。（1）全船信息融合：具备可实现全船信息融合的统一信息感知集成平台。（2）自主评估与决策：利用先进的数据分析科学技术和人工智能等技术，完成船舶的自主学习、迭代、评估、预测及决策优化等功能。（3）船岸一体化：采用网络通讯技术，搭建信息交互通道，传输船岸信息，使得船岸之间的管理与控制成为可能。（4）面向全寿命周期：通过船岸信息的交互，实现岸基对船舶乃至船队的监控与管理功能，面向船舶的全寿命周期可提供赋能服务。

1.2 LNG运输船智能化升级项目介绍

我国重要能源央企——中国海洋石油集团有限公司的控股的上市公司之一的中海油能源发展股份有限公司（简称海油发展）义不容辞地承担着作为央企的社会责任。为了响应国家船舶智能化的发展战略，提高LNG 运输船的安全和高效性，降低海员的劳动强度，结合海油发展对LNG 运输船的营运经验和目前火热的大数据分析等人工智能技术，海油发展决定初步研究LNG 运输船的智能化升级方案总体架构。

该LNG 运输船的智能化升级方案主要研究对象是海油发展正在营运的一艘LNG 运输船，依据中国船级社《智能船舶规范2020》有关要求进行设计。目前正营运的该LNG 运输船航行于无限航区，配备4 个C 型双叶独立液货舱，机舱入级中国船级社的AUTO-0，采用全回转电力推进方式推进。

1.3 智能化升级方案设计思路

由于复杂多变的海洋气象环境、日益严峻的海事环保法规、良莠不齐的船员素质等综合因素的限制，首先摆在从事LNG运输作业的航运企业待解决的问题有3个：安全、节能环保和经济问题。

通过调研各种海上事故的分析报告，结合海事相关部门的统计，可得出结论：人为误操作在船舶事故中发生的概率最大，超过一半以上[9]。针对这种安全隐患，增强对船舶人员的管控，提高船员的素质是一种有效但需长期贯彻的举措。同时，逐渐降低船舶安全对人为因素的依赖程度，逐步提升船舶本身的智能化水平也是一种提高船舶安全性的重要举措。船舶采用智能化技术的手段可以有效利用人工智能自动监测设备乃至船舶状态，发出故障预警，提出辅助决策建议，从而保障设备、船舶、货物乃至人员的安全。

LNG 运输船由于其本身的“三高”——高技术、高难度、高附加值的特点[10]，智能化升级方案的设计原则首先要考虑的是保障船舶的营运安全，然后再考虑提高设备与船舶的可靠性，最后才评估方案的经济性与环保性。

如图1 所示，应用用智能航行技术提高船舶航行的安全性，应用设备智能监测与故障诊断技术提高设备运行的可靠性，应用航行优化以及设备视情维修技术提高设备的经济性，应用船舶能效评估与设备工况优化技术使船舶营运更加节能环保。

图1 LNG运输船智能化升级方案设计思路

1.4 智能化升级方案内容

LNG 运输船的智能化升级方案的服务体系如图2 所示，主要可分为3 个服务层次，分别为感知层、船端服务层和支持服务层。感知层通过传感器的布置实现对船舶内外环境的充分感知；船端服务层是智能化方案的重点内容，主要采用“平台+应用”的架构实施，可分为集成平台和智能应用两个部分；支持服务层的内容则是岸基的支持服务，主要是为了方便岸基对船舶的支持和管理，可以不受限的利用岸基充足的资源（网络资源、计算资源、算法资源等）对船舶数据进行数据分析与挖掘，充分的发挥数据资产的价值。

图2 LNG运输船智能化升级方案服务体系

1.4.1 充分感知

充分感知是智能化升级形成的智能系统的感知层，是智能系统的基础，它支撑着整个智能系统实现的基础框架。

船舶营运过程中会产生大量的数据，而这些数据正是智能系统数据分析的基础。这些数据来源于传感器对船舶所在的海洋/大气/环境状况、船舶周边的固定/移动物体状况、船体状况、机舱系统和设备状况、货舱系统和设备状况、人员状况的感知，这些感知信息统一的组成了智能船舶的感知层。由于该LNG 运输船已配备了较为完善的传感器网络，所以该LNG 运输船的充分感知主要侧重于未完善部分的感知，例如机舱设备、液货舱货物管理设备的振动监测等一些未布置传感器的地方需加装可行的振动传感器，液货管路中根据需要可能还需要适配一些质量流量计和气体分析仪等设备。

1.4.2 集成平台

集成平台是智能系统的数据层，主要负责的是全船的信息融合与转发。

传统船舶各系统、设备之间在功能上相对独立，在信息交互上相对封闭，主要以信息孤岛的形式存在。LNG 运输船的智能化升级，要对全船网络进行全新设计，以物联网思想为指导，打破原有信息孤岛模式，通过多种接入方式，按照约定的协议，将全船主要设备连接到智能船舶集成平台上，打通传统船舶各系统、设备之间的信息壁垒，实现全船的信息融合。

在集成平台基础上，设置数据服务器，并配置操作系统层面的服务，对采集的所有数据进行过滤、清洗、标准化，并通过数值分析、机器学习、深度学习等大数据处理技术对这些数据进行分类与进一步挖掘。

集成平台应具有高度的兼容性和可扩展性，理论上应同时支持不少于3个智能应用。

1.4.3 智能应用

智能应用主要体现在可提供的各种智能功能服务上。采集到了丰富的数据后，各海事软件集成商可以开发各类智能应用软件。以下是LNG 运输船智能化升级方案可按照CCS智能船舶符号对应开发的智能应用。

（1）智能航行（CCS智能船符号N、A、R）

智能航行的主要功能包括3 个方面：航路设计、航路优化和自动避碰。智能航行的航路优化功能，除了基于气象和任务条件的优化以外，还可以基于能效的优化，与后述的智能符号E 有关联。目前阶段的智能船，以及未来阶段的无人自主船，最主要的特征就是这个符号对应的智能航行功能。

（2）智能船体（CCS智能船符号H）

智能船体是依托已建立的船体模型，通过自动采集与监测船体相关数据，建立并管理船体数据库，采用多种综合智能算法，为船体全寿命周期内的安全和维护保养提供故障预警与辅助决策，同时还可以提供船舶操纵的辅助决策。智能船体主要体现的是船体的结构安全管理。

（3）智能机舱（CCS智能船符号M）

智能机舱是在实现了高度自动化的无人机舱基础上，通过大数据、机器学习、输入学习等手段，对机舱设备数据的高级应用功能，实现了机舱主要设备的视情维护（而非周期维护）功能。

（4）智能货物管理（CCS智能船符号C）

智能货物管理是通过实时采集并监测货物的状态信息（压力、温度、容积等）、货舱和货物保护系统的工作参数，利用先进的人工智能技术对数据进行处理和分析，从而得出报警及辅助决策提示，进而实现对船舶货物的智能配载与智能装卸。

由于LNG 运输船的特异性，智能货物管理可根据船舶运营的需要，针对性的开发个性化功能辅助船舶的营运，例如对蒸发气（BOG）的变化趋势预测功能。

（5）智能能效管理（CCS智能船符号E）

智能能效管理的主要功能包括以下3 个方面[11]：实时自动采集和在线监测船舶航行状态、能效及耗能数据和状况，并可获得气象环境数据；能评估和报警船舶能效及能耗状况，并可对船舶能效及能耗状况作出标准的报告；经过科学的数据处理及预测，为船舶能效管理提供可行的辅助决策建议，例如最佳配载方案推荐、推荐经济航速和主机转速等辅助建议。智能能效主要体现的是节能。除了以上对应CCS 智能船符号的智能化应用，还可以根据船舶营运的需要，开发或采用其它个性化的智能应用安装于集成平台上，增强船舶的智能化水平。

1.4.4 岸基支持

LNG 运输船的智能化升级离不开岸基的支持。船舶是局部的大数据，为岸基中心提供节点数据；而岸基中心汇聚了所有节点的数据后形成全局大数据，反过来为各个节点（单船）提供基于全局大数据分析结果服务。

目前的船队管理主要是船位监控、主机监控、视频会议、电子邮件等需求，智能船收集的海量信息让岸基提供更深更广的支持成为可能。

硬件上，船舶设置卫星通信、移动通信等多种通信手段，实现与岸基中心的数据互通；而岸基设置数据管理中心，对船舶实现更加安全、高效、透明的管理。

2 智能化升级方案架构

智能化升级方案的核心是系统的总体架构设计，是实现船舶数字化、信息化、智能化的基础支撑，总体架构设计的优劣决定着船舶智能化最终的水平高低，是保障船舶及智能系统稳定性、安全性、可靠性的关键环节[12]。LNG 运输船的智能化升级方案总体架构如图3 所示，计划实现CCS 有关智能船舶的INMEC 五个符号相对应的功能，同时岸基通过船岸一体通讯系统对船舶进行必要的管理，且在岸基完成船舶运行数据的分析与辅助决策。

图3 LNG运输船智能化方案系统总体架构

主要实现的智能功能服务如表1 所示。因为LNG 运输船的智能化方案主要针对的是船舶的智能化升级，所以主要阐述LNG运输船船端智能系统架构设计。

表1 智能应用及目标描述

2.1 船端智能系统架构设计

船舶的现有网络系统一般采用环网形式搭建，一般称之为网状架构，如图4 所示。环网架构往往将相关系统或传感器两两互联以实现信息的交互，电缆敷设繁复，且复用性不高；实现某一具体功能的独立系统一般配置单独的工作站及独有的信号采集设备，导致船舶的工作空间受限，原因是同一处所经常存在不同系统的独立设备且无法共用。该架构的优点是可靠性高，单条链路的通信故障不会影响其他系统的正常运行。

图4 传统船舶系统网状架构

为了保证原有船舶系统发挥正常作用，该LNG 运输船的船端智能系统采用“平台+应用”架构完成船舶智能系统的总体设计，如图5 所示。集成平台负责采集、存储和分发全船的数据和复现各智能应用的功能页面，各智能应用从集成平台获取各自所需信息，同时从集成平台调用计算资源利用自己独有的人工智能算法实现各自的智能目标，然后再统一推送至集成平台的显示器供操作人员浏览、查询或监控。“平台+应用”架构的优势在于逻辑结构简单，扩展性兼容性极强，同时由于资源的复用率较高导致整体的运行效率较高，但相比网状架构，可靠性会略微降低。

图5 LNG运输船智能系统“平台+应用”架构

两相对比之下，很容易得出以下结论：在系统数量确定、岸基管理需求较少的情况下，网状架构在初期成本和可靠性方面的优势使它更适宜此种情况，但最大的缺点是新增一个系统往往需要重新部署一套线缆及设备，会极大的增加扩展成本。随着船舶对智能化的需求不断增多且越来越复杂，智能程度不断提升，“平台+应用”的架构的优势不断突出：一是扩展性更强，可方便地利用已采到的全船数据进行信息的共享，实现功能的扩展；二是船舶的网络资源可以实现初期一次投入，在不增加额外硬件成本（线缆及设备）的基础上增加新系统，同时还能不影响原船舶系统的构建。再加上本方案针对的是现有船舶的升级不宜增加过多的网络线缆，所以本方案的智能系统架构选择了“平台+应用”架构。

2.1.1 感知层

由于本方案针对的是现有船舶的升级改造，应在不影响船舶原有功能的基础上进行适应性增强。该LNG 运输船的智能化方案感知层设计流程如下：首先广泛收集并确认各智能功应用的感知需求，值得注意的是不同的智能应用所需的感知信息可能存在重叠，需要在总体设计时进行统一考量避免重复采集的出现；然后梳理成全船的智能感知信息需求表，结合船舶原有的采集信号点表，主要是机舱自动化系统、导航通讯系统、货物系统等已经具备的信号，确认各信号的名称、源头、用途等对应关系，梳理成所有感知信息的总体信号表；再根据现有船舶的配置情况和感知信息缺失情况，确定新增传感器的增设与布置设计，最后由集成平台统一汇集全船的感知信息，根据各智能应用的需求分发相关信息。

该LNG 运输船的感知信息主要分布在船舶艏部、机舱、桥楼和货舱区域，计划结合原有系统的信息交互通道，在船舶艏部、货物系统控制室、机舱集控室和驾驶室等合适位置各新增部署1 个信号采集单元，将所需信息统一采集并传输至集成平台汇聚处理。

特别提示的是，有特殊要求的感知模块需结合实船情况优化布局设计，如表2 所列。例如，由于纵倾优化功能的实现需要结合船舶姿态信号，本船计划分别在艏部舱室和艉部舱室的船舶中心线上安装两套运动传感器，以便更好地采集到船舶的运动姿态信息。

表2 特殊感知模块清单（部分）

尤其需要关注的是，传感器的稳定性、有效性、设备的安装等因素会极大地影响感知信息的采集质量，部分感知信息还需在营运过程中进行周期性的校准。例如，轴功率仪本身的采集精度会随着船舶主机运行时间的延长产生一定的偏移，这时就需要人为地去校准轴功率仪，否则会使得智能功能辅助决策的有效性、可靠性大大降低。

2.1.2 平台层

（1）平台层可靠性设计

智能系统中的核心和底层基础是集成平台，集成平台的可靠性和安全性的高低将决定智能系统的可靠性和安全性。这就要求集成平台应该从系统硬件冗余、软件冗余以及网络安全3个方面开展可靠性和安全性设计。

在该LNG 运输船上，集成平台核心的网络设备均采用冗余设计（双套布置），每条信息链路使用冗余线缆连接至下一节点，集成平台的总体架构如图6 所示。同时智能系统的电源均要求采用冗余电源供电，除正常供电外，还需配置专用不间断电源（UPS）向智能系统供电。配置的专用UPS 可保障智能系统在正常供电失效情况下继续运行0.5 h。通过这样的冗余设计，实现了该船智能系统的设备与电源的双冗余实现，保证智能系统中任一设备、线路及电源故障均不影响系统的正常运行。这样的设计也保障了该船智能系统成功通过失效模式和影响分析（FEMA）测试。

图6 LNG运输船智能集成平台架构

上述设计也仅从硬件层面保障了该船的智能系统的安全可靠，从软件层面，该船还利用双机热备的软件运行方式进一步提升系统可靠性。当其中任一软件故障或失效时，智能系统会自动切换至备份系统中运行，保障软件的无缝切换，同时可在人员运维解决问题后自动完成数据同步，保障双套系统数据的一致性。然后，通过网络安全软件、防火墙、交换机策略的部署，经过网络风暴以及网络渗透测试验证网路安全的可靠性。最后，有第三方专业人员协调组织完成网络安全风险评估等一系列风险识别、评价、分析与控制等工作，再一次提升平台的可靠性。

（2）平台功能设计

集成平台的主要实现功能是实现全船的数据集成、应用集成和界面集成。数据集成指的是全船的感知信息会由集成平台统一收集汇聚成一个船舶的数据仓库，不同的智能应用通过调用不同接口从数据仓库中获取本身需要的感知信息。应用集成指的是智能应用不再以单独成套设备独立部署而是综合部署在智能集成平台中，通过网络设置保证功能的独立性。界面集成主要指在同一显示终端实现多个智能应用界面的运行和切换。在这3个功能目标中，应用集成和界面集成可套用陆上成熟经验，但由于船舶的复杂性，数据集成的功能实现需要在数据采样规则、传输规则以及清洗规则方面进行个性化定制设计。

值得注意的是，在智能系统和其他厂商的系统确定数据通信协议时，应加强沟通与技术协调，对于特殊传感器需要特别关注。例如，由于智能能效应用对质量流量计的精度要求，集成平台采集该信号时，质量流量计会采用双寄存器进行浮点数的信号发送，这与通常的单寄存器存储传输信号的方式有所不同，尤其是高低位的搭配组合各厂家还会有所不同，需适配调整。

同时，由于船舶采集的信号种类繁多，同一类型的信号在不同的场景下仍有不同的量程限制，所以这就要求集成平台需根据实船的营运实况对感知信号的量程在数据清洗过程中进行限制。数据清洗规则要根据不同信号数据的空值、超限、缺省等异常情况确定判别方法。例如，通常的机舱监测报警系统一般会以某一特征编码在不同信号点表征数据超限或者数据丢失两种异常状态，但批量清洗又会导致无法准确判断当前状态，进而导致辅助决策完全失真，解决办法是特定清洗数据信号，这样又会导致性能的损失，所以数据的清洗需在集成平台的设计阶段加以确认优化。

（3）船岸通信

船岸通信主要依托原船配置的船岸通信方式实现，目的是实现船岸数据的一体化交互，用以支持船舶的岸基远程管理与营运支持。船岸通信的功能侧重点是船岸通信的数据安全与链路优选设计。

唯有保证通信安全，通信数据才可信。本方案通信安全的设计主要通过权限的管理和数据乃至链路的加解密保障船岸数据传输的安全可控。

除了通信安全的考量外，还需考虑成本因素。结合带宽及流量的限制，应根据不同的数据类型对不同数据采用不同的轻量化手段以降低船舶的流量成本。同时，由于船舶实际营运情况所限，卫星信号总会发生掉线情况，数据的传输应考虑断点续传功能，保障数据的连续性和稳定性。

2.1.3 应用层

各智能应用在开发时一般采用独立开发模式，本身的业务逻辑一般不会由集成平台统一打包，但智能系统总体设计时仍需考量业务功能的展示及数据交互接口。例如，智能能效和智能航行系统均有航速优化功能，但实际操作过程中，一般是由智能航行系统先将优化后的航线数据传递给智能能效系统进行航速优化。

同时由于智能系统实现功能的方式不同，虽然底层数据共享，但是考虑到各应用的接口请求方式，智能系统架构设计是必须要考虑接口顺序、接口性能的解决方案。

2.2 挑战分析

LNG 运输船的智能化升级方案面临的挑战主要有以下3个方面：

（1）设备商维修与管理系统的开放。LNG 运输船智能化升级方案需要进行全船数据的集成及信息融合，这就要求船上所有的机电设备开放数据接口且允许智能系统调用或查询设备的运行参数、故障诊断等数据资料。这势必会影响到设备商的商业利益。出于保密及商业上的考量，在智能化升级的技术协议谈判过程中一定会存在较多的分歧。这些不确定因素将在一定程度上降低智能系统的完整性和数据分析的准确性，使得智能系统的功能性会有一定程度地削弱。

（2）信息数据的处理、挖掘与利用。从目前的技术上来看，“感知”船舶状态的技术相对成熟，也就意味着数据的获取相对简单。但面对工业数据获取过程中存在的两大难点：信号协议种类繁多且不标准和信息间的冗余及冲突，如何在限制条件下完成有效数据的筛选、处理和综合分析，进而实现基于大数据的船舶设备的智能监控与辅助决策是一个任重道远的任务。

（3）LNG 运输船智能应用的开发。LNG 运输船的特异性导致目前不存在完全匹配LNG 运输船需求的智能应用软件可以套用，需要进一步研发。这就带来了一个现实的问题：软件的开发除了较高的研发成本外，还需要考虑到智能系统的可靠性、人机交互的友好性、与现有管理软件的数据兼容性。同时，随着智能技术的不断进步，LNG 运输船智能化升级所形成的的智能系统还应具有开放性和可扩展性。这些问题也会进一步限制LNG 运输船智能化升级方案的应用与实施。

3 结束语

该LNG 运输船的智能化升级方案总体架构设计基本符合中国船级社的《智能船舶规范》，研究过程中形成的设计图纸及文件资料已通过评审，可用于实船实施。该方案作为首个通过中国船级社认可的LNG 运输船智能化升级方案，为后续该船型的智能化升级工程提供了坚实的理论基础，扫除了前期可行性预研的障碍，可以有力支撑具体工程项目的实施，同时也为特殊船型的智能化升级改造项目提供了有效案例。但同时随着技术的进步与发展，将来的智能船的智能需求必然会越来越深入，逐步迈向全面的无人自主，这必然将会逐步提升船舶的总体设计的重要性，优异安全的智能化总体架构也必然越来越得到船舶设计人员的青睐。