智能液货集成控制系统的研究与设计

陈俊杰 夏 骏

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海 200011）

0 引 言

得益于计算机技术的发展，智能船舶的概念逐渐成为了航运界热门话题，世界各主要造船国纷纷开始研发智能应用平台、自主航行系统、远程控制系统以及具备相关功能的智能船舶。CCS 在2016年颁布的《智能船舶规范》中，包含了智能航行、智能船体、智能机舱、智能能效管理、智能货物管理和智能集成平台，基本涵盖了智能船舶所应具有的所有功能。完全的“智能船舶”并非一蹴而就，而是建立于各个智能子系统和智能装备上。“智能”也并非一味追求“无人”和“自动”，而是能够给船东带来实在的便利性、安全性和经济性，才能长足发展下去。

货物系统是液货船上非常重要的系统，它包括航行过程中货舱的准备工作、在码头时装货工况、载货航行时监测货物、到达目的地后的液货工况，以及换装货品时需要货舱清洗工况等。其中每一项都重要且复杂，一旦操作不当，将可能损坏货物而造成经济损失，或因货品泄露导致环境污染。装载危险品的船只如果发生严重的失误，甚至可能造成人员伤亡和船舶伤害。智能液货集成控制系统不仅可以给货物运输带来操作上的便利，还可以在整个船舶运营的过程中避免许多误操作，从而为船东、码头和人员等带来好处。

1 智能液货集成控制系统概述

1.1 定义和功能

智能液货集成控制系统集成货泵系统、压载泵系统、洗舱泵系统、阀门遥控系统、液位遥测系统以及装载计算机等相关液货作业设备，基于计算机技术和自动控制技术，实现货物/货舱监测报警及辅助决策、智能货物配载、自动装卸货和智能洗舱四大智能作业功能，满足化学品船航行、装油、卸油、扫舱和洗舱等各种工况下的液货系统智能集成控制要求，具备各作业场景下集成控制功能，保留各作业设备的独立控制功能。

1.2 设计原则

系统设计基础依据《智能船舶规范》第6 章“智能货物管理”的要求，软件开发应满足CCS《船用软件安全及可靠性评估指南》的要求。

系统设计以CCS 相关规范为依托，以船东实际需求为目标来搭建整个智能液货集成控制系统。

2 方案设计

2.1 智能液货集成控制系统架构

本船的智能液货集成控制系统组成包括控制系统、作业设备/系统和智能作业系统三部分，系统硬件网络架构总图如图1 所示。

图1 智能液货集成控制系统硬件网络架构

2.2 控制系统

控制系统作为设备控制的执行与逻辑运算的核心，其硬件主要由液货集成控制台、信号采集单元等组成。为提高通信的可靠性，各个设备采用环网的方式进行组网，如图1 所示。

2.2.1 硬件组成

控制系统硬件包括液货集成控制台和信号采集单元，详见表1。

表1 智能液货集成控制系统部套组成

（1）液货集成控制台

中远海8 000 t 化学品船液货集成控制台设备布置如图2 所示。

图2 液货集成控制台布置图

货泵控制操作站、阀门控制操作站、ODME、装载计算机、VHF、电话和货舱照明控制板等硬件安装在液货集成控制台A 柜上，保留液货集成控制台的通用功能。

智能液货操作站A、智能液货操作站B 以及PLC、UPS 电源、交换机等硬件安装在液货集成控制台B 柜上，液货操作站A 和液货操作站B 均设有独立的CPU 和显示器，用于实现液货设备人机交互集成控制。

（2）1 号信号采集单元

部署于货控室或者变频间，用于实现与货物、货舱监测报警，以及辅助决策、自动装卸货作业相关的作业设备集成。

（3）2 号信号采集单元

部署于货控室或者变频间，用于实现与智能货物配载及智能洗舱作业相关的作业设备集成。

2.2.2 系统功能

控制系统除了执行智能工作站中的智能作业命令外，还具备集成控制功能。集成控制功能按照作业场景需求对设备操控界面进行集成，具体如下：

（1）装货集成控制；

（2）卸货集成控制；

（3）液货调舱集成控制；

（4）洗舱集成控制；

（5）压载和排载集成控制；

（6）压载水驳舱集成控制；

（7）系统级安保控制：具体包括操作权限安保控制、通信安全保护控制和作业设备/系统报警显示等。

2.3 作业设备/系统

2.3.1 硬件组成

作业设备/系统包括：液位遥测系统、货泵系统、压载泵系统、阀门遥控系统、洗舱泵系统、洗舱机、装载计算机以及船岸连接系统（ESDS）货舱透气阀监测装置等。

通常将以上系统称为船上外部系统，因此需要对上述系统进行集成；同时，考虑到供货界面与船级规范的符合性，被集成的各设备/系统应保留其独立的控制人机功能，可在应急工况下，实现对各自系统的独立控制。

2.3.2 系统功能及集成方案

将货油泵、阀门遥控、液位遥测等9类主要液货作业设备/系统进行集成，功能及集成方案如表2所示。

表2 主要液货作业设备/系统功能及集成方案

续表2

2.4 智能作业系统

2.4.1 硬件组成

系统网络架构如图3 所示。系统硬件布置于液货集成控制台，包括智能工作站和智能网关，智能工作站与控制系统使用Modbus TCP 通信协议进行信息交互。

图3 智能作业系统网络架构

2.4.2 系统功能

2.4.2.1 货物、货舱监测报警和辅助决策

实现对货物与货舱状态的可视化监测、状态及趋势分析、异常报警和辅助决策等功能，具体功能见表3。

表3 智能作业系统功能

续表3

2.4.2.2 智能货物配载

智能货物配载作为货品知识库，能实现船舱货物的智能匹配，且自动生成配载次序。系统通过给定约束条件自动生成装货计划、卸货计划以及相应的压载计划，并将装载计算机监控数据反馈给自动装卸系统。

（1）装货计划

①具有手动和自动功能；

②自动模式下，生成货舱装货顺序及货量；

③自动模式下，自动约定各个阶段的装货速度；

④自动模式下，自动校核剪力、弯矩、稳性，

并根据作业需要自动生成卸载计划、卸载量等。

（2）卸货计划

①具有手动和自动功能；

②自动模式下，生成货舱卸货顺序及货量；

③自动模式下，自动约定各个阶段的卸货速度；

④自动模式下，自动校核剪力、弯矩、稳性，并根据作业需要自动生成压载计划、压载量等。

（3）安全校核

①装货过程安全校核；

②卸货过程安全校核。

（4）货物特性知识库

建立化学品船主要货品的特性知识库，根据业务需要并可以对货品知识库进行拓展。

2.4.2.3 自动装卸货

具有自动装卸控制功能、自动装卸货监视功能和安保功能。

（1）自动装卸控制功能

①货泵自动控制；

②货泵流量阀自动控制；

③货舱管阀路径自动生成；

④约束条件下货舱管阀自动控制；

⑤压载舱管阀路径自动规划；

⑥约束条件下压载舱管阀自动控制；

⑦泵阀智能协调控制。

（2）自动装卸货监视功能

①货泵流量计算；

②货泵系统集中状态监测；

③液位遥测系统集中状态监测，如货舱液位、温度、惰气压力等；

④压载泵状态监测；

⑤ESDS设备状态监测。

（3）安保功能

①ESDS应急关断，货泵停机；

②装卸货过程异常报警；

③约束条件下阀门指令异常；

④阀门动作异常。

2.4.2.4 智能洗舱

包括建立洗舱作业计划知识库，洗舱效果评估和洗舱作业安全评估。

（1）洗舱作业计划生成

约束条件下自动生成洗舱作业推荐计划。

（2）洗舱作业知识库

洗舱作业专家知识库。

（3）洗舱效果评估

①洗舱进度实时监测监测；

②洗舱作业计划微调。

（4）洗舱作业安全评估

①货舱危险气体浓度场监视；

②洗舱过程安全度实时评估；

③洗舱作业风险等级；

④洗舱安全措施建议。

（5）智能协调控制

①单舱洗舱机与洗舱泵智能协调控制；

②多舱洗舱机与洗舱泵智能协调控制。

（6）洗舱监视功能

①货舱压力、温度监测；

②洗舱泵监测。

（7）安保功能

①洗舱作业危险报警；

②洗舱泵负载过大；

③洗舱泵自带的独立报警。

3 智能液货集成控制系统较常规液货系统的优缺点

常规液货系统的装卸货配载计划、洗舱、装卸货、货物保存等流程均需要船长和大副等凭经验人工操作，对船员要求较高；并且当面对复杂状况时，存在配载方案不是最优，装卸货过程有操作风险，装卸货和洗舱时间不宜控制等诸多问题。智能液货集成控制系统通过计算机技术可以为船员提供最佳的配载方案，并且可对各装卸货流程中的重要步骤进行提醒，较准确地提供装卸货和洗舱剩余时间，当发生风险时能及时提示甚至提前介入干预。不过，智能液货集成控制系统有船舶建造时投入成本较高等缺点。

4 结 语

智能船舶是船舶设计未来的大趋势，各类船舶都应针对自身特点研发合适的智能化系统。对于油化船而言，货物装载是运输中至关重要的一道流程。智能液货集成控制系统贴合装卸货实际使用情况，从方案到实施都可以不同程度地帮助到船员，使之更切合船东实际需求，在提高便利性的同时又能增加安全性和经济性。希望本文能够在智能液货集成控制系统的设计上给读者带来更多启示与思考，同时为液货船的智能化提供思路。