化学品船智能货物管理技术及最新应用

如今，智能技术已广泛应用于船舶系统和管理的方方面面。在建立以支撑全船智能系统的网络和集成平台的基础上，拥有智能航行、智能机舱、智能能效管理的智能化船舶越来越受到业界的青睐，智能化程度也在向着更强的辅助决策能力和更多的应用场景方向稳步迈进。聚焦船舶货物管理的未来，智能化面对的是业界对于货物运输更加安全、高效，以及创造更大经济价值的渴望。

中国船级社发布的《智能船舶规范》对智能货物管理提出了可实现的方向，并根据干散货船、集装箱船和液货船的船型特点给出了相对应的技术要求。在此背景下，智能货物管理技术拥有了长足的进步。尤其是液货船，凭借其高度的自动化程度、货物本身的属性等优势，在智能货物管理这条赛道中脱颖而出。2019年大船集团的“凯征”号VLCC获得了智能货物管理附加标志(C)，实现了智能货物管理“零”的突破。2022年，武汉船用机械有限责任公司携手中国船舶及海洋工程设计研究院、大连海事大学等多家单位共同开发化学品船智能货物管理系统，拟申请中国船级社智能货物管理自动装卸货(Cl)附加标志，这在船舶智能货物管理系统的发展进程中具有里程碑的意义。

智能货物管理系统综述

化学品船货物系统一般包括：液货装卸系统、扫舱系统、洗舱系统、压载水系统、惰气系统、液货温度控制系统、透气系统与蒸汽回收系统、液压控制系统、液位遥测系统。同时化学品船的货物管理在船舶运营中占据绝对重要的地位，货物系统及其附属系统的操作对于货物的挥发/变质损失、船舶安全和装卸效率产生重大影响。而影响货物管理的主要因素包括货物/货舱状态、货物系统状态、船员的因素(实操经验、船员状态等)。尤其是传统化学品船的货物系统是保持各自相对独立的显示、监测及控制功能，因此繁杂的系统操作界面和流程对于人员操作的安全性、便捷性以及货物装卸的效率势必产生一定的影响。为了达到提高安全、经济效益这一根本目的，化学品船智能货物管理系统可基于计算机技术、自动控制技术、数据处理和分析技术，将采集的数据进行整合，实现数据采集、监测和 警集成，同时结合化学品船货物管理经验，使设备从人为操作到辅助决策，最终实现覆盖全航程的自动化货物管理，从而达到设备运行安全化、系统操作高效化、液货管理智能化的目标。

依据中国船级社《智能船舶规范》和《船舶智能货物管理检验指南》的定义及功能需求，化学品船智能货物管理系统可通过货物/货舱监测 警和辅助决策系统、智能货物配载系统、智能洗舱系统和自动装卸货系统，来具体实现船舶货物的智能管理。

智能货物管理系统作为货物管理的中枢，通过研究货物管理关键因素之间内在的逻辑关系，把货物装卸系统、压载系统、油气回收系统、洗舱系统等货物系统有机集成在一起；把货物、货舱、货物操作程序等有机联系在一起；软件平台涉及到的软件模块、硬件系统、机电设备有机联系在一起；货物/货舱监测 警和辅助决策系统、智能货物配载系统等智能货物管理系统各子系统和网络实现有机集成在一起，实现系统辅助决策、一键自动装卸载等智能化功能。武汉船用机械有限责任公司研制的智能货物管理系统可通过搭载货物货舱监测 警与辅助决策模块、自动装卸货模块、集成控制模块、人机交互模块、全局数据库、智能洗舱辅助决策模块、智能货物配载模块七个子软件，实现货物系统的信息集成和控制集成。

图1 化学品船智能液货集成控制系统

货物、货舱监测 警和辅助决策

传统的化学品船都具有一定水平的货物、货舱监测 警功能。中国船级社《智能船舶规范》及相关的指南中对货物、货舱监测 警和辅助决策系统不仅对于监测 警提出了更加全面具体的要求，重点提出了预警和辅助决策的功能要求。

● 监测 警

通过对货舱、压载舱液位变化监测、货舱内液货温度变化监测、货舱压力变化监测，并对监测状态参数进行分析和辨识，给出运行状态。当监测参数超出设定 警值发出异常 警。

● 监测预警

通过对船舶实际工况识别、液位变化速率计算、液位突变状况分析、航次货物温度曲线统计、航次货物压力曲线统计、货物操作时长预测、液位趋势与货泵计算流量比对等监测数据的智能化分析和处理，提前预测货物状态变化，提升货物运输安全水平及货物操作效率。若智能货物管理系统依据液位数据、设备数据等智能识别当前为装载工况，可根据泵、阀的工作状态进行货舱液位变化速率计算，给出预测的正常状态液位变化曲线，当实际曲线与预测曲线的差异超出阈值则发出预警，提示船员操作。

● 辅助决策

辅助决策系统应可通过对 警或故障数据的分析和处理，结合货物操作管理程序，给出操作处理建议，或可提供异常处理与 警等应急措施方案，辅助船舶达到安全监测、 警与控制的目的。

智能配载系统

根据国际海事组织对化学品船运输货品的分类，列入其范畴的化学品多达800余种，其中600多种具有安全危害性，绝大多数具有环境污染危害性。不同的危化品由于其特性各异，对装载的温度、压力、货舱材料以及相容性等适装要求不一，在保证满足稳性和强度要求的前提下，如何更加安全和高效的完成配载方案是化学品船管理和运输的关键所在。

化学品船智能货物管理系统可通过智能配载模块建立化学品数据库，内容涵盖化学品安全数据说明书(MSDS)信息、相容性信息、化学品码头信息等。基于该数据库，协同航次信息，进行装载条件检查，制定货舱配载方案，并可生成装卸载时序计划。智能配载模块还应具备实时船舶姿态、船舶稳性及强度检查的功能，以保证船舶安全。

图2 化学品船智能液货配载系统

● 化学品相容性智能布置

智能配载模块具备船舶配载数据的分析和处理能力，在装卸作业前，基于船体、舱室模型，智能推送满足化学品船货品相容性要求的优化配载方案。该优化方案实现了对当前航次相邻液货舱/压载舱相容性、前/后三票货品相容性等校核判断。

● 装载流程智能生成

在船舶航次初始，系统可根据输入地装卸货品的类别数量需求、航次信息，自动生成配载方案，以及输出装卸载作业计划。系统基于船舶舱室设计特点、货品特征及装卸条件，智能推送满足船舶安全性要求、保证装卸效率的优化装卸计划，绘制最优舱室调载路径及装卸作业时序图；基于船舶货品、压载管线布置特点，建立化学品船装卸设备及管线的数字化模型，通过在装卸计划中加入装卸设备的操作及货品在管线中的输转，完成时序作业的预演，实现装卸流程的智能生成及仿真。

● 装载自动执行辅助决策

在装卸计划执行过程中，实时采集船舶浮态、舱室装载状态、装卸设备运行状态等信息，基于装卸设备的装卸能力和液货物理特性，通过历史数据分析、实采液舱变化率曲线拟合，实现液货装卸各阶段(初始、最大、平舱)速率的智能计算，提升装卸计划执行过程应急状态的可预见性以及自主执行的可控程度，从而提高船舶装卸的效率。

图3 化学品船智能货物管理系统

自动装卸货系统

中国船级社《智能船舶规范》及相关的指南中定义自动装卸货应具有相应的自主决策能力和控制功能来实现自动装卸货，包括装卸货必需的准备、收尾工作。化学品船的自动装卸货应可实现从空船到港到满载离港之间的货物装载(包括可能会同时进行的压载水装载、卸载)整个系列的操作；以及从满载到港到压载离港之间的货物卸载(（包括同时进行的压载水装载、卸载)、货舱扫舱、货舱洗舱整个系列的操作。

图4 化学品船智能液货集成控制系统

● 集成控制基础

为达到以上目标，系统首先实现对液货设备系统的集成控制，将货泵、压载、阀门遥控、液位遥测等十余类执行系统的控制权限集成到一处，才能利用这个集成的“大脑”进行统筹和协同。集成控制将监测控制信息进行整合，不仅具备实时性、准确性等基本控制性能，其难点在于，需要避免控制权限分配不明确造成控制指令冲突，并且不应因权限切换而发生设备运行状态的扰动。

● 系统安全自动控制流程

系统自主解析经用户确认下发的装卸货计划，计算泵、阀等执行设备的启动、调节、关闭等动作，实施装卸作业。装载、卸载的每个步骤开始前及完成后，根据系统设定由人工在交互系统点击确认，得到确认信息后系统顺序执行下一步操作。人工确认工作按功能进行了细分，部分可能影响安全的确认行为还设置了限时确认功能，若限定时间内未收到确认，系统自动执行更为安全的操作。特别需要注意的是，由于化学品船严苛的安全考虑、规范限制或船东要求，装卸货过程中部分软管、盲法兰、手动阀门等，不得采用自动化操作的，依然需要由人工进行操作。

● 系统设备控制

系统具体拆分其功能，装卸货智能控制应具有操作指令识别、自检、动作确认的交互、控制信号通信、动作记录的存储、中断后重启等功能。泵管阀动态调节能够实现多台货泵转速同步调节，泵转速与阀门开度自动匹配调节，通过自动调节泵转速与泵出口阀开度，在多个货舱接力卸货过程中保持出口压力平稳。自动压、排载控制能够匹配货泵装卸货状态，进行压载泵自动启停控制和压载阀匹配开关与调节，系统自动利用压载水进行调载，保持船舶姿态。系统故障应对能实现控制目标偏离处理、控制权限交接、自主应急停止、人工手动应急停止。

图5 化学品船智能液货集成控制系统

智能洗舱系统

由于化学品船的货品种类繁多，特性各异，造成了化学品船洗舱作业的复杂性。目前各家化学品船公司一般依据行业推荐的洗舱指南，制定了各自的洗舱作业计划，但在实际的洗舱作业中，仍然是依赖人工经验，无法充分保证洗舱作业的安全性、经济性和时效性。大连海事大学通过试验和数值模拟，结合相关现行标准规范、规章制度、企业标准等，提出洗舱最小面积、预洗最少水量、洗舱水、舱壁表面残留物等评估方法，制定洗舱计划，开展洗舱质量评估和安全评估。洗舱计划的制定应用智能算法生成洗舱方案，实现洗舱介质匹配、洗舱最小水量计算、洗舱系统监测、温度匹配、计划手动调整以及表单输出。洗舱质量评估能根据时长计算显示洗舱质量云图，并给出进一步操作建议。洗舱安全评估可以显示可燃气体浓度场云图并给出操作建议。

图6 化学品船智能液货洗舱系统

但同时鉴于目前洗舱机的智能化程度较低，智能控制洗舱机的自动洗舱功能现阶段还不完善。另外化学品船洗舱效果的评判最终仍需人工验舱，因此智能洗舱计划的制定可以规范洗舱的操作流程，减少人为因素的误差，提高洗舱效率和安全，但无法替代人工检验。作为化学品船智能洗舱的下一步发展，可考虑提高洗舱机的智能化程度以及货舱的遥测验舱能力。

综上所述，智能货物管理作为未来船舶智能化进程中不可或缺的一部分，提高安全和效率是其发展的最大驱动力。随着智能技术不断地更新迭代，以货物管理的操作流程和要求为基础，利用更为先进的传感器，结合建模仿真与优化技术，将船舶货物管理的全过程数字化，以“智能技术”推动“货物管理系统及相关设备技术”更新换代、智能升级，实现对船舶货物更安全、更高效、更经济的管理。