基于“海洋石油301”船的智能化船岸一體數據管理

斯園園

(中海油能源發展股份有限公司采油服務分公司,天津 300452)

為降低企業大型裝備運營成本和設備運行風險[1],提高設備運營效率,以“海洋石油301”船為基礎,收集全船不同專業不同設備的狀態信息,對船舶及關鍵設備運行狀態進行預測,開展智能化船岸一體數據管理實踐,使“海洋石油301”船智能化船岸一體數據管理平臺集科學性、先進性、互動性于一體,提高操作性、交互性和智能性。

1 總體架構

“海洋石油301”智能化船岸一體數據管理系統采用的是‘平臺+應用’模式。智能集成平臺系統基于統一的網絡平臺、數據分發平臺、導航平臺構建而成,旨在實現船舶數據層面集成、應用層面集成以及操作界面集成。智能化船岸一體數據管理平臺傳輸的數據具有輕量化處理和壓縮功能,具備安全防御、數據機密處理及防止網絡攻擊功能?！昂Ｑ笫?01”智能化船岸一體數據管理系統主要應用于機艙數據、艏部區域、居住區域和貨艙區域,總體架構見圖1。

圖1 “海洋石油301”智能化船岸一體數據管理系統總體架構

2 平臺特點

設計采用萬兆以太網技術和先進的網絡結構,系統軟件架構見圖2,平臺特點如下。

圖2 “海洋石油301”智能化船岸一體數據管理系統軟件架構

1)高帶寬/高性能。核心設備采用高性能交換機和防火墻,通過萬兆以太網技術,實現網絡設備的高交換性能,保障數據傳送的高穩定狀態。

2)高性能第三層交換。核心交換機自身具有高性能的交換容量,第三層數據包的轉發能力,為集成平臺提供強大的理由能力。

3)高可擴展性。首先在網絡設備層面,通過核心交換機高容量的功能實現接口密度的更高需求,其次,通過堆疊技術接入交換機,不僅實現了更高的端口密度,還提供了更大的數據交換容量。

4)多媒體數據支持。網絡系統作為該管理系統重要組成部分,在具備QoS能力的同時支持對組播數據,實現可獲知網絡應用的功能。

3 實現功能

3.1 數據集成

數據集成通過傳感裝置實現,即傳感器、控制器、信息收集裝置和數據收集裝置測量數據,以獲取數據、定義數據要求,包括對其含義、數量定義、數據質量、傳輸和處理方式等方面的要求,從而實現數據的可追溯性[2]。通過采集全船不同接口、不同通信協議信號(主要有RS485、CAN、開關量、Modbus、模擬量等)進行匯總,轉換成統一的標準網絡接口和通信協議信號。

數據集成需要以構建全船統一的網絡架構為基礎?！昂Ｑ笫?01”智能化船岸一體數據管理系統硬件架構完整,建立了全船統一的通信網絡,負責智能化船岸一體數據系統的接入及設備管理,為智能應用提供硬件資源,見圖3。

實現全船信息的融合,形成基于管理、控制流程的,基于主題的、整體的、相對固定的、反映發展變遷的信息集合。通過加密和權限設置等方式,實現安全保存采集信息,在此基礎上開展有效分析,最終保證數據的準確度和有效性。

3.2 應用集成

通過功能模塊設計和設置,實現自動推送所需船舶原始數據,同時將智能應用推送的業務數據進行客觀和直觀的展示。通過應用集成,該系統可實現進行訂制模式下的綜合服務應用。目前,通過數據挖掘已開展的實踐應用主要包括故障解析、預報預警、輔助決策等方面[3]。

你不知道我在故紙堆中所做的工作是什么，它的目的何在，因為你跟我的時候，我的工作才剛開始……從青島時代起，經過了十幾年，到現在，我的“文章”才漸漸上題了。［2］380

3.3 界面集成

在良好的人機交互的信息呈現模型下,利用歷史數據的累積與數據分析,給出數據挖掘結論,并通過良好的界面與表達形式顯示故障原因、利用大數據分析趨勢進行預測預警。該系統配備了統一的導航平臺界面,根據功能模塊劃分成不同的應用界面。從橫向和縱向維度對于系統進行安全管理,采用管理員賬戶管理、使用者權限劃分和系統智能報警的方式實現。

3.4 系統冗余

為保證系統冗余的穩定性,采用了船電+UPS雙路冗余供電模式。該設計方案中,當出現船電失電狀態時將自動切換UPS供電模式,提供不少于30 min供電。同時,通過優化集成平臺軟件冗余架構設計,即使出現單臺服務器故障的情況,也可保證系統正常運行狀態。

3.5 船岸通信

在船端數據傳送至岸基數據中心過程中,采用輕量化模塊和數據加密模塊,保證數據的有效性。在輕量化模塊設計中,實現了根據不同信號傳輸需求,自動選擇不同輕量化算法對壓縮數據。該系統支持ms級壓縮延時,針對5 min傳輸頻率下結構化數據,平均壓縮率不超過2%。

3.6 安全防護

通過合理的邊界安全和終端安全防護方案部署,設置訪問權限管控,采用身份鑒別手段,確保平臺上采集到的數據安全性。同時,可以通過備份的路徑權限控制備份數據,并采用密碼保存等方法保證安全性。運維管理界面采用一鍵模式,操作簡潔明了。

3.7 岸基數據中心

對接收到的船端發回數據,通過解密、解壓和還原三個步驟后,將數據保存到數據庫。通過對數據進行分析和評估,為岸基數字化三維可視化平臺提供實時和歷史數據接口,實現船-岸視頻傳輸鏈路。

4 應用示范

2020年8月15日至2020年10月13日,海洋石油301船從洋浦港至防城港共9個航次?！昂Ｑ笫?01”智能化船岸一體數據管理系統可進行貨艙數據、機艙數據以及航次數據分析。通過測點采集相關航行數據,主要包括艙內上中下溫度,艙內壓力,液位以及罐體表面溫度等,開展貨艙絕緣分析、貨艙壓力與液位上升分析、航行過程壓力與貨損控制分析、貨物BOG低熱值與組分分析、航速分析等。

4.1 貨艙絕緣分析

通過比較同液位高度下,罐體外表面溫度與罐內貨物溫度,得到內外傳熱的溫度差。罐體表面溫度測量點有兩處,一是鋼制罐體表面,二是絕緣層內。該處的溫度受到以下兩方面的影響:罐子內部同液位高度下的溫度和罐子外部相鄰外部環境的溫度。在外界環境溫度一定的情況下,除去溫度傳感器數值不準等問題,假設鋼制罐體材料,厚度均勻,傳感器數值準確,鋼制罐體的隔熱效果相較于絕緣層忽略不計。則鋼制罐體內外溫差可定性的反應該位置外界通過絕緣層傳入熱的多少以及影響LNG氣化的程度。貨罐上部艙壁溫度與艙內溫度差見圖4。

圖4 貨罐上部艙壁溫度與艙內溫度差

對比8個罐體頂部的內外溫度差,發現1號和2號貨艙右舷頂部內外溫度差較大,這兩處的外界傳入熱較多,推測這兩處有熱源或者絕緣效果差。

4.2 貨艙壓力與液位上升分析

在貨運航次過程中,貨罐壓力上升出現在以下四種工況:已裝卸貨物行駛,裝貨?？?不裝卸貨物(少量殘存)航行,未裝貨(少量殘存)?？縖4]。其中,安全閥設定4.5 bar(絕對值),貨罐容積不超過98.5%。通過所收集的裝卸貨物飛行狀態累計資料,通過統計分析可以得出裝卸貨物飛行狀態穩定平衡的兩個主要參數:罐內氣壓上升的一般速度為2.95 mbar/h(最高可達4.54 mbar/h),而重量百分比增加的一般速度則為百分之零點零零五以下。根據已采集的數據分析,開展穩定航行貨罐內部壓力和液體體積預測。

根據采集不同工況下壓力和燃氣消耗數據,通過比對分析得出四種工況下燃氣模式各工況的壓力上升情況見表1。

表1 四種工況下燃氣模式各工況的壓力上升情況

4.3 航行過程壓力與貨損控制分析

通過采集2020年9月至11月采集到的6航次燃氣耗量導致的貨損統計,可以看到由于船舶停止時,燃氣消耗減少,壓力急劇上升。故而在到達港未準備好接貨或由于天氣原因,不具備靠岸條件時,船舶會保持在外繞行,貨損可觀。極端情況甚至會有100立方LNG的貨損。2020年9月至11月期間,6航次貨損范圍在30 m3到100 m3區間。根據采集到的貨損統計數據,可以發現裝貨前以及裝貨過程中的回氣速度與回氣量與裝貨速率與manifold的溫度壓力有關。裝貨運輸過程中為了控制貨艙壓力,增加航行路程導致的燃氣消耗。卸貨過程中,為了防止貨罐負壓,強制蒸發增加的BOG?；爻痰却陂g未裝貨過程中,由于貨罐壓力上升過快,導致的安全閥釋放。

通過分析船停未裝貨(少量殘存)航行數據,發現回程等待裝貨時間過長,常有壓力超壓釋放的情況。在空艙殘余較多的情況下,壓力上升情況可以得到明顯緩解,二者呈現一定的相關性。

4.4 貨物BOG低熱值與組分分析

BOG的主要成分是沸點較低的氮氣和甲烷,這是開展BOG低熱值與組分分析的前提條件和依據。氮氣雖然在整個LNG的組分比例較少,但由于沸點低,在BOG的占比較大,氮氣的組分會極大的影響BOG的熱值。對于本船,由于裝貨地點固定,組分大體相同,故燃氣熱值偏差不大。

4.5 航速分析

“海洋石油301”的船體性能非常好,同一轉速下失速最小的工況點與試航時的基準線。由于本船的洋浦港—防城港航線水深多為20 m,有比較明顯的潛水效應,失速可達0.5 kn。也就是說本船實際性能可以比現在再快0.5 kn。由此就航速上不去的現象,確定排除船體性能的問題,可從機械部分或其他部分開展分析排查。

5 結論

“海洋石油301”智能化船岸一體數據管理整合了智能航運和大數據領域前沿技術,對船舶能耗、物流規律、裝卸變化等關鍵數據開展針對性分析,完成了如下開發。

1)實現了船基視頻壓縮回傳功能,為實現岸基進行數字化雙胞胎構建、關鍵設備故障預警分析、BOG測算預測等高效的船岸數據連接奠定了基礎。

2)加強了與岸基數據交互的基礎,分階段開發了船舶機電設備故障診斷、貨艙狀態監測及貨損分析等核心技術。

3)構建了LNG船舶虛擬場景,訓練應急反應能力,提供高沉浸感的虛擬展示和體驗。