海上自主水面船对主动力系统的基本要求

李国祥 王海燕

（上海海事大学 商船学院 上海201306）

引 言

2018 年5 月国际海事组织（IMO）海上安全委员会第99 届会议（MSC 99）对“海上自主航行水面船”（MASS）的术语、定义、目标和自主等级进行了讨论。同年12 月召开的海上安全委员会第100 届会议（MSC 100）成立了相关强制性文件修正案的起草工作组，包括海上自主水面船（maritime autonomous surface ships，MASS）工作组。2019 年6 月海上安全委员会第101 届会议（MSC 101）围绕“海上自主水面船”（MASS）的自主等级、与MASS 的海上安全和安保有关的强制性文件以及《MASS 试航暂行指南》进行了讨论。MSC 101 以MSC.456 （101） 决议通过了包含MASS内容的SOLAS 修正案（2019 年6 月14 日通过），预计2024 年1 月1 日生效。

MASS船舶理念对涉及船舶建造、检验、维护、运营和船员配置等相关公约和规则的内容展示了全新的视野，并要求尽快修改所涉及的内容以适应MASS 的新要求。根据IMO的MSC 100会议提出的MASS概念，将MASS分成4个等级：等级一、等级二、等级三和等级四，这4个等级不代表其级别的次序。对于以内燃机作为主推进系统的商船，其机舱的配置和自动控制方案也应按等级的不同提出相应的要求。

中国船级社（CCS）也于2018年10月发布了《自主货物运输船舶指南（2018）》，对MASS商船提出了指导性意见。该指南对轮机装置的目标为：在预期工况及应急状态下为船舶提供及时、有效和持续可靠的动力。对轮机装置的功能要求指出，自主船轮机装置及自动化系统应具有如下功能：

（1）为船舶航行提供安全、可靠、持续的推进动力；

（2）为船舶航行方向控制提供安全、可靠、持续的操纵动力；

（3）接收、执行和响应航行控制系统的指令；

（4）向航行控制系统反馈运行状态，向远程控制中心报告系统异常状况；

（5）具备执行指令所要求的自主操作，并能通过远程控制中心对重要设备进行遥控操作；

（6）实时监测推进及操纵相关设备与系统的工作状态，并根据状态监测进行自我健康管理；

（7）采取有效措施防止机舱进水风险。

由于IMO和CCS均对MASS提出了整个轮机装置的要求。为避免讨论范围过于宽泛，本文仅对MASS主动力系统的要求进行一些探讨。

1 基于等级一的MASS船舶对主动力系统要求

IMO的MSC 100文 件对 等 级 一MASS船舶的定义是：提供自动化流程和决策支持的船舶，海员在船上操作和控制船上系统和功能。有些操作可能是自动化的，有时还是无人监督的，但船上的海员可以随时准备接管（Ship with automated processes and decision support. Seafarers are on board to operate and control shipboard systems and functions.Some operations may be automated and at times be unsupervised but with seafarers on board ready to take control）。

根据以上IMO对等级一的定义，结合目前自动化船舶（含智能船舶、绿色船舶）的现状，认为要符合等级一的MASS，在主动力系统方面应至少满足以下几个方面的要求：

（1）主动力系统的故障诊断能力方面

主动力系统应提供故障库，能根据当前监控数据，通过算法、模型比对，判断故障发生概率，预判故障发生部件及故障原因；能定期积累实船数据与全生命周期设备标准数据对比，根据比对数据定期修正故障库。

（2）主动力系统的自身健康评估方面

主动力系统应提供合理的全生命周期设备标准数据，根据当前监测数据，通过算法、模型比对，确认当前处于生命周期哪种健康水平，根据当前数据模型给出设备可靠性评估意见，定期生成评估报告。靠港时，人员进行设备实际检查评估并与评估报告进行比对。

（3）主动力系统辅助决策方面

主动力系统应能根据当前数据模型给出设备管理、维护和操作要求的辅助决策建议。

（4）基于专家诊断的主动力系统维护计划方面

主动力系统应包含专家诊断功能，能根据健康评估结果给出维护计划。

（5）柴油机动力设备及其系统的要求方面

装置在运行时发生单个故障（如某一缸不发火）、或为其服务的管系发生单点故障（如单段管路的爆裂）、或遥控系统发生单个故障（如遥控系统失电）时不至于使整台柴油机动力装置瘫痪，至少仍能使柴油机动力装置可以低速运行。该类故障发生时应及时作出反应（如降速运行）并报警，直至船舶人员到现场接管相关控制系统。

（6）主动力系统的应急反应方面

当船舶发生重大应急情况时（如机舱进水、机舱火警、触礁或撞船等）相关控制系统应能作出应急情况的冗余判断、确认和报警，并对此应急情况应能与主动力系统一起作出适当反应（如减速、停车等），直至船舶人员接管相关控制系统。

2 基于等级二的MASS船舶对主动力系统要求

IMO的MSC 100文件中对等级二 MASS船舶的定义是：船上有海员的遥控船，船舶是从另一个地方控制和操作的。海员可在船上控制和操作船上的系统和功能（Remotely controlled ship with seafarers on board. The ship is controlled and operated from another location. Seafarers are available on board to take control and to operate the shipboard systems and functions）。

根据以上对等级二的定义，结合自动化船舶（含智能船舶、绿色船舶）的现状，认为要符合等级二的MASS，至少应满足以下几个方面的要求：

（1）主动力系统的故障诊断能力方面

相比MASS一的要求，MASS二除满足如提供故障库，定期积累实船数据，根据比对数据定期修正故障库外，对虚警率应有较高的要求。根据GJB 3385-1998《测试与诊断术语》标准，对虚警和虚警率的定义为：机内测试（BIT）或其他监控电路指示有故障而实际上不存在故障的情况称为虚警。虚警率（false alarm rate，FAR）是指在规定时间内发生的虚警数和同一时间内故障指示总数之比，用百分数表示。漏警是指实际存在故障，而机内测试（BIT）或其他监控电路不指示故障的情况称为漏警（或称漏报）。漏警率（missing alarm rate，MAR）是指在规定时间内发生的漏报警数和同一时间内实际故障总数之比，也用百分数表示。通常FAR和MAR都要求在1%以内，故此MASS二的虚警率应低于1%，漏警率应低于1%。

（2）主动力系统的自身健康评估方面

MASS二与MASS一的要求基本一致，即主动力系统应提供合理的全生命周期设备标准数据，确认当前处于生命周期哪种健康水平，然后根据当前数据模型给出设备可靠性评估意见，定期生成评估报告。靠港时，技术人员进行设备实际检查评估并与评估报告进行比对。

（3）主动力系统辅助决策方面

同样地MASS二也应能根据当前数据模型给出设备管理、维护、操作要求的辅助决策建议。

（4）基于专家诊断的主动力系统维护计划方面

MASS二系统也应包含专家诊断功能，能根据健康评估结果给出维护计划。

（5）柴油机动力设备及其系统的要求方面

装置在运行时发生单个故障（如某一缸不发火）、或为其服务的管系发生单点故障（如单段管路的爆裂）、或遥控系统发生单个故障（如遥控系统失电）时不致于使整台柴油机动力装置瘫痪，至少仍能使柴油机动力装置可以低速运行。该类故障发生时，应及时作出反应（如降速运行）并报警，船舶人员可以在现场或船舶另一个地方接管相关控制系统。

（6）主动力系统的应急反应方面

MASS二与MASS一的要求基本一致。当船舶发生重大应急情况时，相关控制系统应能作出应急情况的冗余判断、确认和报警，主动力系统一起作出适当反应（如减速、停车等），直至船舶人员接管相关控制系统。

3 基于等级三的MASS船舶对主动力系统要求

同样地，IMO的MSC 100文件中对等级三MASS船舶的定义是：无海员的遥控船。船舶是从另一个地方控制和操作的，船上没有海员（Remotely controlled ship without seafarers on board. The ship is controlled and operated from another location. There are no seafarers on board）。

根据以上对等级三的定义，结合自动化船舶（含智能船舶、绿色船舶）的现状，认为要符合等级三的MASS，至少应满足以下几个方面的要求：

（1）主动力系统的故障诊断能力方面

MASS三除满足如提供故障库，定期积累实船数据，根据比对数据定期修正故障库外，对虚警率应有更高得要求，比如：要求虚警率（FAR）低于1‰，漏警率（MAR）低于1‰。

（2）主动力系统的自身健康评估方面

MASS三的主动力系统也应提供合理的全生命周期设备标准数据，能确认当前处于生命周期哪种健康水平，根据当前数据模型给出设备可靠性评估意见。因MASS三船上无船员在船，此时系统应能定期向岸基发送评估报告；靠港时，再由人员进行设备实际检查评估并与评估报告进行比对。

（3）主动力系统辅助决策方面

主动力系统应能在无限航区开阔水域、根据当前数据模型给出设备管理、维护、操作要求的自主决策建议，近海航区提供设备操作辅助决策；根据故障诊断给出设备操作辅助决策。

（4）主动力系统维护保养方面

因MASS三船上无船员在船，在船舶发生故障而无备用设备可接替工作的情况下，主动力系统应能确保具有自我修复的能力。所谓故障的自我修复能力，是指主动力系统内发生某些常规故障时，系统能自动启动修复程序，在停车后（甚至不停车），进行故障部件的修复或更替，待修复完成后再次自动启动主动力系统至正常运行，同时记录相关事项的能力。比如：主机某缸排气温度过高时，可自动检测该缸排温过高的原因，如检测结果是因某一喷油器雾化不良引起的，可在自动停车后，进行自动更换备用的喷油器后，再自动恢复运行。如无这种自我修复能力，船舶应配备其他智能设备（如机器人）在远程人员的监视下进行故障设备的修复。同时，主动力系统也应能根据系统的健康评估结果给出靠岸维护计划。

（5）柴油机动力设备及其系统的要求方面

装置在运行时发生单缸故障（如某一缸不发火）、或（和）为其服务的管系发生单个故障（如单段管路的爆裂）、或（和）遥控系统发生单个故障（如遥控系统失电）时，进行冗余判断、确认，并仍能使整台柴油机动力装置维持最低安全要求的运行（如降速运行），以使船舶驶抵最近的港口。

（6）在主动力系统的应急反应方面

因MASS三船上无船员在船。当船舶发生重大应急情况时，相关控制系统应能作出应急情况的冗余判断、确认和报警处理，此时，主动力系统应一起作出适当反应（如减速、停车等）。同时，船舶应配备一定数量的智能设备（如机器人），对该应急情况进行拯救性处理，能保证船舶以最低安全要求驶抵最近的港口，以便岸上人员上船作业。

4 基于等级四的MASS船舶对主动力系统的要求

IMO的MSC 100文件中对等级四 MASS船舶的定义是：完全自主的船舶，船舶的操作系统能够自己做出决策并确定其具体行动（Fully autonomous ship. The operating system of the ship is able to make decisions and determine actions by itself）。

根据以上对等级四的定义，由于目前完全自主的船舶还处于讨论阶段，要真正实现船舶的完全自主，探索前进之路还很漫长。在此，对等级四的MASS要求只做一下预期，即至少应满足以下几个方面的要求：

（1）MASS四船舶的主动力系统应同样具有自动诊断故障的能力；同时对诊断出的故障，能根据重要性等级进行自我修复或替代。

（2）MASS四船舶的主动力系统也应提供合理的全生命周期设备标准数据，确认当前处于生命周期哪种健康水平，并根据当前数据模型给出设备可靠性评估意见。因MASS四船为完全自主船舶，船上无船员在船，此时系统也应能定期向岸基发送评估报告，供岸上人员参考。

（3）主动力系统辅助决策方面，应能根据当前数据模型给出设备管理、维护、操作要求的自主决策建议；根据故障诊断给出设备操作自主决策。

（4）主动力系统维护保养方面，因MASS四上无船员在船，在船舶发生故障而无备用设备可接替工作的情况下，主动力系统应能确保具有自我修复能力。若不具备此自我修复能力，船舶应配备其他的智能设备（如机器人）进行故障设备的修复。同时，主动力系统应根据健康评估结果给出最优维护地点、最经济维护方案，供岸上管理人员参考。

（5）柴油机动力装置及其系统的要求方面，装置在运行时发生故障（如不发火），或（和）为其服务的管系发生故障（如单段管路的爆裂），或（和）遥控系统发生故障（如遥控系统失电）时，进行冗余判断、确认并修复。如不能修复，至少仍能使整台柴油机动力装置维持最低安全要求的运行（如降速运行），以使船舶驶抵岸上人员指定的港口。

（6）主动力系统的应急反应方面，因MASS四船上无船员在船。当船舶发生重大应急情况时，相关控制系统应能作出应急情况的冗余判断、确认和报警处理，此时，主动力系统应一起作出适当反应（如减速、停车等）。此外，应配备一定数量的智能设备（如机器人），对该应急情况作出恰当判断和处理，能保证船舶的安全并驶抵岸上人员指定港口，以便岸上人员上船作业。

5 结 语

IMO的MSC 100文件特别强调，其所列的4个等级并不代表其等级的次序（The above list does not represent a hierarchic order. It should be noted that MASS could be operating at one or more degrees of autonomy for the duration of a single voyage）。也就是说，4个等级之间并没有上下级的关系，也没有绝对的级别隔离，各级之间可能有部分的重叠内容。应当指出的是，在一次航程中，MASS可以是以1个或多个自主等级下运行的。

MASS因其高度的自动化、智能化、集成化、物联化，由此产生船舶高度的可靠性、快捷性和经济性，是对传统商船的颠覆性挑战，也是航运业一场新技术革命。其对以往所有的公约、规则、规范都提出了挑战，故需要从法规制定、船舶的设计和制造、营运管理以及保险等各个领域重新进行框架和体制的设计。上述若干建议，只是对当今MASS发展要求的初步探讨，随着MASS技术的逐渐成熟，定会有更加严格的技术要求。