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船舶智能與綠色解構

2019-11-05 19:03:00
來源:中國船檢 編輯: 國際船舶網 我有話要說

隨著科學技術的進步和設計能力的提升,相信未來船舶技術的發展必然是智能與綠色的融合。

近年來,行業新規和環保要求讓智能和綠色成為業界關鍵詞。新環境下,如何找準船舶智能建造方向?智慧型船舶系統該怎樣一步步地走?哪些又是最具效率的綠色船舶動力?9月18日,業界專家學者在中國造船工程學會主辦、舟山市經濟和信息化局和中國船舶重工集團公司第七〇四研究所承辦的首屆“中國船舶設計師論壇”上,給出了思考的方向。

技術智能化是必然之路

“‘信息通信+先進制造技術融合’的制造技術智能化,是中國船舶工業轉型的必然之路。”中國造船工程學會首席專家陳映秋表示,中國制造業份額在全球占比已經超過20%,遺憾的是,卻仍然處于全球價值鏈中的中低端,“中國制造業需要在全球制造業勢力重新劃分的關鍵時期進行產業結構的升級攻關,發展高端制造業,由‘高速增長’向‘高質量’發展方向轉變。”

在陳映秋看來,這是這條“必然之路”的一個背景。據《2019年中國船舶行業分析報告——產業供需現狀與未來趨勢預測》顯示,2019年上半年,我國造船完工量雖然保持增長,但承接新船訂單量和手持船舶訂單量同比下降。統計期內,我國承接新船訂單量1206萬載重噸,較2018年同期下降46.9%;手持船舶訂單量8172萬載重噸,較2018年同期下降10.3%。相比之下,韓國造船廠在技術上的投資和積累則為韓國造船業帶來了較高回報,例如,超大型液化天然氣(LNG)船、超大型油船(VLCC)和超大型集裝箱船等高附加值船型訂單多被韓國船廠接獲。而這條“必然之路”可行的強有力支持因素,則在于科學技術的突飛猛進,即互聯網、大數據、人工智能技術的工程化發展。陳映秋說:“面向行業智能制造發展需求,我國造船企業應努力完善船舶精益制造體系和智能制造標準體系,加強船廠互聯網基礎設施建設。同時,圍繞關鍵環節,補齊關鍵技術和柔性化、自動化、智能化造船裝備短板,結合船舶制造特點,充分發揮人與機器智能協同優勢。”

哈爾濱工程大學船舶工程學院副教授郭君也提出了數據技術與智能方法應用于船舶及海洋平臺結構設計中的應用場景設想。郭君說:“第一,數據技術與智能方法能夠利用以往設計數據獲得新設計船舶某項結構性能的快速預報,支撐船舶設計單位在競標中占據優勢。第二,它能夠代替某些結構設計中重復性的繁瑣的人工工作,提高設計效率。第三,還能夠對某項結構性能指標的演化趨勢進行預判,給科學合理的船舶結構總體指標論證提供支撐。”

然而目前,數據技術與智能方法應用于船舶及海洋平臺結構設計中的進展還比較緩慢,比如某一類型的船舶樣本量太少且離散,所形成的數據庫難以支撐智能方法的訓練。成本高昂的數據庫建立也是掣肘之一,因為船舶結構設計涉及重量、強度、振動噪聲、抗爆抗沖擊等多種性能,而每變化一次設計方案帶來的計算工作量都是十分巨大的,因此,要推動數據技術與智能方法在結構設計中的應用,或許高效率的結構方案與結構性能數據庫建立方法是一個重要的問題。面對這些挑戰,郭君建議,應進一步完善參數化快速建模軟件,使其運行更流暢,模型更精準,船型覆蓋面更廣,同時嘗試研發設計參數化快速建模軟件與其他工程制圖軟件接口程序,實現參數輸入、模型建立、網格劃分、模態分析、數據提取的一體化程序。更重要的是,加強結構數據庫分析中對各類智能方法適用性的研究,尋找各類結構性能分析的合適智能方法,進而探索更多的數據技術和智能方法在船舶與海洋平臺結構設計中的應用場景。

理性暢想智能航行

智能航行是航運智能化發展的另一個表象。人工智能(機器學習、自然語言處理、語音識別、計算機視覺),網絡及信息技術(網絡連接和系統軟件化、船舶網絡、船舶系統、網絡信息安全),感知技術(環境、船舶狀態、人員、船上貨品),通訊技術(船岸鏈接和船船鏈接的技術瓶頸、衛星通信、微波通信、移動通信技術),智能化的四個關鍵技術有了極大進步,而這四個技術的大跨越發展,也為船舶智能化提供了堅實的基礎。與此同時,船舶關鍵技術(包括動力電力、船舶裝置、熱能環保、減震降噪)已經非常成熟,技術的引領加之需求,則催生了船舶智能化浪潮。“不久的將來,船舶智慧系統可使船舶或海工平臺達到智能化L3等級。”中國船舶重工集團公司第七〇四研究所副所長李建明說。所謂L3等級,即在給定場景中,系統自主決策并完成操作,屬于有條件自主,L3級別的智慧船舶可以通過船聯網接入云平臺,屆時,數以億計的海量數據將進入分析中心,實現更大程度的互聯互通。“這種智慧型的船舶系統會讓船舶運營更安全、更經濟、更高效,為船東創造更多價值。”李建明說。

隨著人工智能、控制系統和傳感器的日益成熟,自主化技術能夠在航運和船舶領域發揮極大優勢,比如,由于人為因素造成船舶事故占比極高,智能航行也在一定程度上可以減少人為因素造成的航行事故。但是,陳映秋也提醒到,在暢想自主駕駛技術發展方面,要更加理性。“首先,國際海事組織(IMO)的海上自主駕駛船舶(MASS)框架預計將在2020年完成,但主要還在于法律層面,技術層面較少,公約生效需要假以時日。其次,全球船聯網技術標準缺乏,且相關標準需要與國際公約呼應。再次,人工駕駛與智能船舶利用相差20年或更長時間,這是由船舶經濟性(船齡)決定的。因此,自主駕駛之路比較漫長,只有一步一步地走。其關鍵問題,第一在于海運界的接受程度,第二在于與接受程度呼應的技術標準水平。”陳映秋說,“宣傳有利于引起人們對無人駕駛或自主技術等話題的關注,但實現真正意義上的無人駕駛航運,目前并不現實,也許可能永遠不會出現。我們可以有不同程度的自主化,但駕駛員控制應是優先級的,因為智能只能為人類賦能,在控制方面不能取代人類。”在陳映秋看來,船舶的智能功能是為船員和支持人員提供相關的關鍵信息,以幫助決策的智能分析手段,而不應被過度神化。

對于陳映秋的觀點,中遠海運重工有限公司經營中心副總經理趙志堅表示認同,他認為,“綠色航運”并不僅是無人駕駛,它體現在航運上下游的各個環節之中,只有高效的“綠色”,才是有意義的“綠色”。

趙志堅舉例稱:“常規船的機艙通風在各種工況下均是人為確定機艙風機的運行臺數,手動控制,所有風機都是普通定速風機。綠色智能船舶的機艙通風采用變頻風機,風機轉速根據機艙溫度、壓力自動調節。在貨艙通風控制方面,常規船在裝有集裝箱時,人為確定貨艙風機的運行臺數,且所有風機都是普通定速風機,綠色智能船的貨艙采用變頻風機,風機根據其所在貨艙的溫度和二氧化碳的濃度自動調節轉速。常規船舶也沒有軟卸載功能,只有優先脫扣功能,當發電機負荷高于某設定值時,將一些非重要負載進行自動脫扣(供電開關跳閘),當發電機負荷降下來后,人為對脫扣掉的負荷進行復位及上電。而綠色智能船除了優先脫扣功能外,額外提供軟卸載功能,即通過中控軟件程序自動停止或恢復負載(貨艙風機和冷箱)的供電。當發電機負荷高于某設定值時,貨艙風機及冷箱負荷通過軟卸載自動停止工作,貨艙風機收到中控停止命令后停機,對于冷箱來說,其供電開關收到中控命令后斷開,當發電機負荷降低到某設定值時,中控自動恢復供電(貨艙風機收到起動命令,冷箱電操供電開關合閘)。因此,軟卸載優點明顯,它不需要船員全船去復位配電板脫扣開關,減少了船員的工作,迅速穩定。”

趙志堅總結到,綠色航運的最有效應用是應將現代科學技術運用到航運業及其日常管理,使其節能高效而不犧牲后代人的長遠福祉,從環境和可持續發展的角度建立一個環境共生型的航運管理系統。“因此,集裝箱班輪公司技術管理部門對綠色船舶的要求應主要體現在三個方面;第一是能耗的綠色環保,節能減排和增加燃料的利用率是重點;第二則是船舶航行的安全,因為降低航行及設備的安全事故,節省維護成本和事故發生風險也是一種‘綠色’的體現;第三則是運營管理的高效運轉,以提升船-岸之間的高效協同。”

新能源下的綠色航運

觀點的碰撞總是引人深思,對一件事情的不同看法或將更有可能帶動行業盡快走向那條正確的路。北京ABB電氣傳動系統有限公司經理張成禮看來,把使用傳統化石燃料的交通工具改變為電力驅動,把發動機齒輪箱換成電池電機和驅動器,并沒有實現所謂的綠色航運。“2018年,中國火力發電量占全國總發電量的73.32%,可以說在目前情況下,電動其實是把燒油改為燒煤了,雖然集中發電的效率有所提高,排放有所降低,但這離真正的‘綠色’還是有距離的。真正的‘綠色’,首先要提高可再生能源發電的占比,并且同時發展電動交通,從發電和用電兩方面共同引入新技術,新產品才能實現真正的‘綠色’。”

據張成禮介紹,商船上更具有市場潛力的是軸帶發電機系統。雖然軸帶發電機系統包含多個變流器,并存在多種運行模式的切換,其控制的復雜程度遠遠大于電力推進變頻器,甚至比直流電網更復雜,但這套系統把常規船舶上的軸系推進系統和輔助發電系統聯系到一起,既可以讓主柴油機發電,也可以讓輔助柴油機推進,從而大大提高了船舶主機的效率,同時增加了船舶航行的安全性。

與此同時,隨著儲能設備成本的逐步降低,儲能已進入到商業應用階段。在造船領域,儲能技術進一步提高了船舶柴電推進系統的效率,降低運行成本,減少排放,可以完全代替柴油發電機。張成禮解釋稱:“儲能設備現在有三種使用方式,第一是直聯直流電網,第二是通過DC變流器連接直流電網,第三是通過AC變流器連接交流電網。和儲能應用一起出現的是船舶直流電網,兩者結合就出現了新能源船舶這個概念,給近海和內河航行的船舶設計制造帶來了革命性的改變。”值得一提的是,相對于集中充電方式而言的分散充電方式目前也逐步得到認可和應用。“目前,ABB把集中、長時間、小功率的慢充改為多次、短時大功率的快充,這種分散充電方式可以減少電動船船載電池數量,降低純電池船的建造成本,從而推動電池船的普及與應用。”

目前,業界對氮氧化物、溫室氣體、硫、顆粒物等排放物的限制嚴格,船舶工業處于動力變革期,廣州船舶及海洋工程設計研究院首席專家徐文珊認為,采用具備高能量密度、高安全性、高效節能環保特性及可再生等特點的能源作為動力源已成為未來新能源船舶的重要發展方向之一。

提到船舶新能源典型方案時,徐文珊表示,氫燃料電池或是未來船舶動力首選。“雖然LNG續航時間長、技術成熟,鋰電池能達到零排放,尾氣凈化系統成本較低,但是,容易獲得的氫是可再生資源,化學能直接轉化成電能的效率比較高(40%-60%),反應產物主要是水,氫燃料電池作為船舶動力的零排放效果因此較好,效率高,續航時間較于鋰電池也長,此外,氫燃料電池的振動噪音低、模塊化設計、安裝和維護方便。目前,中國船級社(CCS)和某些國外船級社均頒布了相關規范,國際海事組織(IMO)的議程上有關海上燃料電池應用的國際準則目前也在制定中。”

對于氫燃料電池應用于船舶的展望,徐文珊表示,近期需攻克“高壓氣態儲氫+質子交換膜燃料電池”技術,實現氫動力船示范運營;中期應研發高效儲氫技術、研發氫內燃料機,使其應用于多種短途中小型船舶;遠期則進一步研發船用固體氧化物燃料電池,逐步研發長續航中大型船舶。“通過氫能產業鏈的技術發展,未來10-15年內,氫燃料動力或將更經濟、更安全,其作為動力也將有更大的續航能力和更高的使用效率。

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