佟佳洋?杨鑫?刘慧一
摘要：
LNG运输船货物围护系统和货物处理与驳运系统复杂，易发生人为因素导致的误操作，船舶所有人亟须在LNG运输船实现智能货物管理技术，降低货物管理风险。基于船级社智能船舶规范，以我国建造的最新一代大型LNG运输船货物管理技术为例，分析梳理其在参数监测、货物装卸方案优化、辅助决策和自动装卸货等方面已实现的智能化货物管理技术。针对智能货物管理技术存在的技术瓶颈，提出技术改进建议，为实现LNG运输船智能货物管理技术提供参考方案。
关键词：智能货物管理；
参数监测；
辅助决策；
自动装卸货
0 引 言
随着液化天然气（以下简称“LNG”）在能源领域所占比重逐年递增，LNG运输船作为LNG海上运输贸易的载体，数量大幅增加，其货物围护系统和货物处理与驳运系统复杂，专业化船员稀缺，世界各地LNG装卸码头的船岸连接匹配多样化，在进行货物装卸的过程易发生人为因素导致的误操作，给船舶和码头带来巨大风险。船舶所有人亟须在LNG运输船实现智能货物管理技术，减少人为干预，实现自主监控、智能配载、自动装卸货，降低货物管理风险。我国自主建造的LNG运输船性能已处于世界先进水平，配置了大量的自动监控设备及仪表，正在向智能船舶方向发展，通过对现有LNG运输船智能货物管理技术进行分析，梳理其满足规范要求和使用需要的已具备的智能化货物管理技术特点，同时针对目前LNG运输船实现智能货物管理技术所存在的技术瓶颈，提出合理可行的技术改进方法，解决LNG运输船实现最小人工干预的货物自动装卸货技术问题，实现LNG运输船智能货物管理。
1 智能货物管理技术特点
智能货物管理技术[1]是指利用传感器等感知设备对货物、货舱和货物相关系统的参数以及环境参数进行自动采集，并基于计算机技术、自动控制技术和大数据处理和分析，以实现货舱、货物及货物相关系统的状态监测、预警或报警、辅助决策和控制，同时还可以基于监测和获得的数据，进行货物装卸方案优化、自动装卸和风险应对，以实现船舶货物的智能管理和风险管控。其流程如图1所示。一般具备下列功能：
（1）货物、货舱及货物相关系统的参数监测；
（2）优化装卸货方案；
（3）预警或报警和辅助决策；
（4）自动装卸货；
（5）装卸货过程风险管控。
2 现有LNG运输船智能货物管理技术现状
智能船舶是未来船舶发展的方向，世界各主流船级社如中国船级社（简称“CCS”）、美国船级社（简称“ABS”）、挪威船级社（简称“DNV-GL”）、英国劳氏船级社（简称“LR”）、法国船级社（简称“BV”）和日本船级社（简称“NK”）等都在船舶船体、机舱、能效管理、航行、货物管理、集成平台、远程控制和自主操作方面开展了深入研究，制定了智能船舶规范[2-6]，为业界提供船舶设计、建造和检验的技术支持，各船级社智能船舶规范技术要求对比情况详见表1。
从表1中可以看出，各船级社对船舶智能化或数字化方面各有侧重，大部分船级社侧重于在智能船体、智能机舱、智能能效管理和智能航行等方面提出自身的规范标准。对于智能货物管理方面，只有CCS和BV 2家船级社有相关技术要求，具体技术要求对比详见表2。目前，干散货船、集装箱船和油船被授予过智能机舱、智能能效管理、智能航行和智能集成平台等船级附加标志，LNG运输船至今未被授予任何智能船级附加标志。
从表2可以看出CCS在智能货物管理技术方面考虑全面，在参数监测、货物装卸方案优化、辅助决策和自动装卸货等方面给出了具体技术要求，具备良好的可操作性。以中國船级社（CCS）《智能船舶规范》中的智能货物管理技术要求和国内某船厂建造的最新一代LNG运输船为例[7]，详细分析和梳理LNG运输船在满足智能货物管理要求方面的技术现状。
2.1 参数监测
船舶智能货物管理系统应根据所装载货物的具体情况，监测或获取海洋环境、船舶航行和货物系统的重要数据[8]，为后续智能货物管理提供信息支持，具体参数监测项目详见表3。
从表3可以看出，现有LNG运输船已基本实现用于船舶智能货物管理的参数自动化采集与监测，液货舱内湿度，液货舱内可燃气体、有害气体和含氧量一般在新造船交付后首次装货以及运营期间的进坞除气和出坞后装货期间测量，需要进行测量的次数不多，现有LNG运输船通过手持式露点仪和气体检测仪即可完成测量。
2.2 货物装卸方案优化
通过考虑船舶、码头等各种制约因素，对LNG运输船装卸货物过程中相关参数实施监测和技术分析，给出优化的装卸货物方案。通常应从安全、环保、效率考虑以下因素对船舶装卸货方案优化的影响，现有LNG运输船对这些因素的满足情况详见表4。
从表4中可以看出，现有LNG运输船考虑到建造成本以及船舶强度的裕量，未对船舶强度进行实时监控。考虑到装卸货对码头及船舶的安全影响以及无针对性的自动控制软件，现有船对装卸货顺序、速度及装卸时间采用人工控制。船舶操作、港口和码头系指船舶系缆和解缆、船岸通讯连接和切断，装载臂连接和断开等需要人工操作，改进成自动操作对于优化货物装卸方案会带来船舶和码头运营成本的增加。货物远程识别与跟踪受限于目前已安装上船的全球通信系统，无法做到自动识别并发送货物信息。静电产生除既定装卸货过程中可识别的设备静电产生，还有人为因素产生的静电，需要严格执行防静电措施。
2.3辅助决策
辅助决策是基于船舶具体设计、所装载的特定货物、并综合考虑当前状态的变化趋势，对所监测到的数据进行分析、对短时间内可能出现的异常情况发出提醒或警示，或对探测到的异常情况发出报警，并对数据进行详细分析和处理，给出相应并合理的建议和操作方案。船级社规范要求LNG运输船应考虑其货舱液位、压力、温度、可燃气体含量及泄漏等影响货物安全的因素发生变化时，现有LNG运输船应能够自动识别到这些变化，详见表5。
从表5中可以看出，货舱液位变化、压力变化、货物围护系统次屏壁温度变化和货物区域气体探测报警都已实现自动监测，现有LNG运输船的货舱可燃气体、有害气体、含氧量变化可通过手持式气体检测仪对进行测量，实时性不够。
2.4自动装卸货
自动装卸货是在优化装卸货方案基础上，能够自动控制相关系统，能够对设备的突发故障、外部环境变化等因素进行自动技术处理和控制，实现船舶自动装卸货操作。LNG运输船的自动装卸货操作一般包括货舱干燥、货舱惰化、货物围护系统屏蔽层空间惰化、货舱置换、货舱冷却、货物装载、货物卸载、货舱扫舱、货舱暖舱和货舱除气，以及压载水调整等，除了压载水可以自动进行调整外，其余装卸货操作过程目前都需要人工进行，不能实现自动化。
3 技术改进
3.1 参数监测
为实现船舶智能货物管理，实现对于舱内湿度和舱内气体含量等参数自动采集，通过在气穹上加装防爆型自动采集和分析设备可实时监控舱内湿度和各种气体含量。
3.2 货物装卸方案优化
在货物装卸货方案优化方面，需要改进的方面如下：
（1）船舶强度需要在关键节点位置加装应变片等传感器采集结构变形应力，通过船舶强度计算软件来给出强度变化是否满足设计要求，实时掌握船舶强度情况。
（2）装卸货顺序、速度以及装卸时间，目前是人工控制，可自动采集货物种类、船舶稳性、码头泵流量、回气压缩机流量、货舱内露点、温度、压力、天气和水文等数据，设计一套装卸货控制软件，控制管路上各阀门开关顺序及开度大小、液货泵的启停和流量、回气压缩机的启停和流量等，从而实现装卸货方案的优化。
（3）货物远程识别与跟踪基于全球通信和货物种类和数量自动识别发送，可采用北斗定位导航卫星系统短报文功能，将货物信息自动输入到导航系统，通过短报文功能发送到陆上监控接收站，实现货物远程识别与跟踪。
（4）预防静电产生应尽可能降低人为因素产生的静电，严格执行消除静电的措施。
3.3辅助决策
在辅助决策方面，货舱可燃气体、有害气体、含氧量变化等参数，通过在液货舱气穹上加装防爆型自动气体采集和分析设备可实时监控舱内气体种类和含量。通过识别货舱压力、货舱液位、次屏壁层温度、各种气体含量变化等给装卸货和运营带来的风险，建立风险等级识别和应对措施响应流程，以此设计一套辅助决策控制程序，在某些输入参数发生变化时，可为船员提供警示信息或下一步操作选项。
3.4自动装卸货
从2.4节的分析可以看出，现有LNG运输船液货舱装卸货管路及设备如图2所示，整个装卸货过程都需要人工操作，不能实现自动装卸货操作，需要对货舱干燥、货舱惰化、货舱置换、货舱冷却和货物装载等装货各过程增加自动监控测量设备，如图3所示，货物卸载、货舱扫舱、货舱暖舱和货舱除气等卸货各过程是上述装货过程的逆过程。
从图3可以看出，識别出了货舱自动装货流程的薄弱点，在液货舱气穹上安装固定式自动气体检测分析仪，至少能识别和分析氧气、二氧化碳、氮气和甲烷等四种气体及其含量，还要安装自动露点分析仪，为后续操作提供露点数据。液货舱屏蔽层空间要安装自动氧气检测仪，为其惰化过程提供数据依据。实现了上述数据自动采集后，设计控制装卸货不同过程的相关设备启停及阀门开关逻辑和开度大小程序，通过采集露点值和氧气含量设定控制程序来操作惰性气体发生器和管路阀门开关，自动完成货舱干燥和惰化过程；
通过自动检测的氧气含量来自动控制氮气发生器运行和管路阀门开关，从而完成屏蔽层空间的惰化，主次屏蔽层空间的压力控制通过设定注入阀和排出阀的开启保持在自动模式；
通过在取样点自动测量甲烷和二氧化碳的含量来自动控制货舱置换过程中的天然气供应量和惰性气体的排出，完成货舱惰化。通过货舱冷却曲线和泵塔最低点温度传感器的数值匹配来自动控制天然气供应量，完成货舱冷却。货舱冷却结束后，根据预设程序自动按顺序开启相关货舱的管路上的阀门和回气压缩机，通过船岸通讯连接开启岸站供货泵，接收岸站供应的液态天然气，同时根据装载仪中的信息自动进行压载水相关操作，同时货舱液位和压力传感器实时监控货舱装货状态，达到装载量后自动按顺序关闭注入管路上的阀门，通过船岸通讯连接关闭岸站供货泵。
液货舱卸货和扫舱与液货舱装货互为逆过程、液货舱暖舱与液货舱冷却互为逆过程，液货舱除气与液货舱置换、惰化和干燥互为逆过程，在已装有各种自动检测仪器的基础上，通过设定程序采集相应参数，控制相关设备自动运行和阀门开关及开度，实现货舱卸载、扫舱、暖舱和除气过程的自动化操作。
4 结 论
通过对比智能船舶规范中对智能货物管理的技术要求，分析并识别现有LNG运输船在参数监测、装卸货方案优化、辅助决策和自动装卸货等方面的技术不足，提出了针对性的技术改进方法，如加装自动检测和分析设备，改进或重新设计控制程序，建立风险等级识别及应对措施响应流程等，为实现LNG运输船货物管理技术智能化提供了技术参考方案。
参考文献
[1]中国船级社.智能船舶规范[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.
[3] LR. Procedure for Assignment of Digital Descriptive Notes for Autonomous and Remote Access Ships[S].London：
Lloyds Register of Shipping，2019.
[4] DNV-GL. Smart Vessel[S].Oslo：
Det Norske Veritas，2020.
[5] NK. Guidelines for Digital Smart Ships[S].Tokyo：
Nippon Kaiji Kyokai ，2020.
[6] ABS. SMART FUNCTIONS FOR MARINE VESSELS AND OFFSHORE UNITS[S].Houston：
American Bureau of Shipping，2020.
[7]中国船级社.船舶（油船）智能货物管理检验指南[M].北京：人民交通出版社股份有限公司，2018.
[8]周毅，郑坤，孙冰，周斌.LNG运输船升级智能货物管理系统可行性分析[J].天津科技.2020（10）：52-54.
作者简介：
佟佳洋，工程硕士，洋山港海事局三级主办，（E-mail）haida106@163.com，13918355365
杨鑫，管理学硕士，洋山港海事局临港海巡执法大队副队长，（E-mail）yangxin@shmsa.gov.cn，13817587233
刘慧一，工学学士，洋山港海事局一级行政执法员，（E-mail）20869878@qq.com，18516534517