无人航运的美妙前景似乎比人预想的更近了。随着部分关键技术的攻克，一些敢为人先的船东正准备将其投入商业应用测试。
随着无人航运技术的快速成熟，如何建立自主航行船只的设计和运营标准成为了当务之急。另外，有关如何保障无人航运船舶运营的安全性和可靠性的规则和法规也亟待出台。与此同时，自动化系统、远程连接和运营支持软件的部署正呈逐步上升之势。这一系列步骤环环相扣，每一步都将为船员、船队船东和服务商带来更多价值。
无人航运概念的核心是有关船舶环境可视化和分析，以及操纵和航程规划控制的方法论。其包括传感器技术、软件分析、人工智能或机器学习方法，以确保港口之间的安全和良好运营。因此，远程连接对于船舶监控及互动必不可少。
另外，如何确保船只的基本进坞、操纵和导航系统与日益无人化的运营相适应也同样重要。传统的机械推进动力系并不具备高容错性和冗余性，在发生故障时依赖于轮机员进行干预的能力。在无人值守船舶中，要么必须避免此类故障，要么系统能够通过自动自我修复或借助远程连接与船载数字化监控系统的交互，重置到安全模式以避免运营中断。这也是ABB认为下一代船只，包括正日益无人化的船舶必将迈向电气化、数字化和智慧互联的原因之一。
过去，由于硬件和专有技术之间的通信局限，以及卫星或无线电船/岸通信的低性能和高成本，不同船载系统的整合处处受制。
如今，数字革命、云技术以及物联网已经改写了游戏规则。平台和标准纷纷出台，从成千上万的嵌入式传感器中收集和传输更多的数据，最终增强船舶管理能力。为此，ABB专门打造了统一的跨行业数字化产品ABB Ability TM，从设备到边缘再到云端集一系列设备、系统、解决方案、服务于一个平台，帮助客户提高生产力，降低成本。自2017年发布以来，ABB Ability TM现已提供了210多种解决方案，包括面向船舶领域的ABB Ability TM联合运营中心。
船只和船队继续朝着无人航运甚至无人值守的方向前进。如今，在商用航线上展示并试点无人值守船舶的技术已经蓄势待发。2018年11月，芬兰堡II号冰级客渡轮通过远程领航穿越了赫尔辛基港附近的测试区域，证实当今技术可在任何地方对船舶进行人工监督。芬兰堡II号通过改造，配备了ABB动态定位系统和ABB Ability TM船舶态势感知控制系统，并通过赫尔辛基的控制中心进行操纵。
船舶设计从传统到未来的转变得益于电力推进的普及。自从25-30年前首次大规模应用以来，船载电站已取得长足的发展。人们对更高效率、更低排放、冗余安全以及船员和乘客舒适性的追求，正是推动这一趋势的原动力。
如今，电力推进被广泛应用于各类船型，其基本概念涵盖从交直流配电系统到电力-机械混合动力，直到最近运用储能系统的全电动动力系统。
新兴的清洁能源在航运业中的地位正在不断提升，如替代传统重质燃油和船用柴油的天然气或新型液体燃料。另外，零排放设计也在摸索使用氢燃料电池。在2018年年中，ABB与巴拉德动力系统公司(Ballard Power Systems)就开发面向可持续船舶电动出行的下一代燃料电池动力系统签署谅解备忘录。双方将利用并优化现有千瓦级燃料电池技术，联合打造适合更大型船只的开创性兆瓦级解决方案。
除了能效和不排斥任何能源的灵活性等广为人知的优势外，其电网设计简单，兼具容错性和可用性。因此对于客船及动力定位船等安全规格更高的船只而言，高冗余性的电力推进已成为了行业标准。
对于无人航运和无人值守船舶，电力和推进系统是满足船上维护人员对健固性和可用性需求的基本条件。
本文提出了一种全局性的系统设计理念，表明了自动容错、远程或手动重配置自身的优势。另外，还提供了一套平台来提高导航和进坞的安全性。这些构建模块最终将使无人航运和无人值守船舶运营成为可能。
以电力推进系统为骨干
发配电系统促进了与自动化和控制系统的紧密集成，使得船舶装机从简单连接的“模块”转变为了一个协作性的高度自动化系统。这种电气“骨干”还将可用能源的范畴扩展到传统燃料以外，囊括了环保型蓄电池和燃料电池。
凭借优化的发动机控制和负载管理，使用高可靠性的推进器（例如Azipod R推进系统）以及高机械和流体动力学效率，电动推进系统的设计灵活性有助于提高可用性和效率。
一项最新的变革性技术是Onboard DC Grid TM船载直流电网，这种直流电力系统可简单、灵活地整合调速发电机组和轴带发电机、蓄电池和燃料电池等能量源，并将相关功能融为一体，见图1。与在交流配电系统中连接的发电机需要匹配系统电压和频率不同，Onboard DC Grid TM船载直流电网仅需要发电机匹配系统电压。这意味着发电机和发动机转速可根据系统负载情况动态优化。当发动机负载降低时，发动机转速也随之降低。中速柴油机在部分负载运行时，可减少20%以上的燃油消耗，同时降低排放和维护要求。由于电力通过各能量源单独控制，因此可以优化负载，以提高效率、性能和使用寿命。
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图1：Onboard DC Grid TM船载直流电网
Onboard DC Grid TM船载直流电网简单、容错性高、易于集成储能，还能使用LNG或氢等替代性燃料能源来减少发电过程中的排放，这都使Onboard DC Grid TM船载直流电网成为理想之选。系统集成与控制发挥了系统中各种能量源的优势，并借助电力和能源管理系统(PEMS)管控系统中电力和能源的平衡，以此严格控制用电设备。
逐步向无人航运演进
上述一系列好处可能已经令人惊叹，但智能环保船舶还因另一原因而受益于电气主干：自动化系统可以完全集成，船舶运营的所有所需信息都可在一个系统和一个平台内获得。
Onboard DC Grid TM船载直流电网及电力电子设备为船载数字解决方案提供了独一无二的平台。借助传感器和通信基础设施，数据可以在系统之间即时传输。这使得信息触手可及，使桥楼能手动或自动监控和优化性能表现。
这个统一的平台让自动化和电力系统与船舶数字化连接之间的完全集成成为可能，最终提供了一个途径，让日益增强的云计算能力能够为船东所用，使机器学习和互联数据分析技术能够在能效、资产和设备维护管理以及船舶安全方面实现前所未有的突破。Onboard DC Grid TM船载直流电网的高水平集成也意味着，船上或远程运营人员和维护工程师可以随时获取高质量的状态和性能信息。
以此为起点，只要拾级而上，每一步都展现对船舶运营的独有价值，那么通往全自主甚至最终无人驾驶船舶之路就会畅通无阻。
在此过程中，重要的是总结以往经验教训，审视那些认为不可避免的环节，评估海事行业在任何给定节点的进度。从ABB角度来看，到位的构建模块包括：
1、高度可靠且可重配置的电力推进系统，融合了在动态定位船舶、客船和破冰船方面的多年经验，满足其对高可用性和可靠性、优化设计和控制以降低运营成本的要求。
2、Azipod R推进系统，降低了推进系统的机械复杂性，推进效率和操纵性高（图2）。
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图2：Azipod R DO
3、储能系统，减少了发动机磨耗，进一步优化运营、降低油耗，并在发动机发生故障时提供备用动力。
4、燃料电池电源，可降低排放并整合多种能源系统。
5、先进保护系统和Onboard DC Grid TM船载电流电网，实现了高容错的电力系统设计，可单独利用各种能源，并通过整合所有能源和耗能设备来优化状态，还能在部件故障后进行重配置，将对船舶性能和安全的影响降至最低。
6、与电力推进系统全面集成的分布式冗余自动化系统，能实现自动控制、监控和电站诊断。
7、带扩展功能的集成导航系统（如ABB Ability TM Pilot Vision态势知系统），用于增强现实、态势感知和导航支持。
8、运营支持系统，用于运营规划、船舶优化和航线规划
9、实时可用的在线船队信息，与岸基运营相连，随时随地处理数据来分析和优化船舶和船队的运营、性能和状态。在ABB，这主要由ABB Ability TM联合运营中心实现。
10、每个构建模块在改善船舶性能和运营方面都有其自身的价值，在通往自主控制和导航的无人驾驶或低级无人驾驶船只之旅中起到了补给站的作用。
无人值守机械的设计可用性
无论在总体概念的哪个层面，所有基本船只系统的可用性和可靠性对于无人航运和无人值守船舶能否为人所接受都起着至关重要的作用。电站是为推进、操纵和控制系统提供可靠优化电力必不可少的骨干。
在配有电力推进系统的传统船只上，可用性主要是通过冗余来实现的。这些系统对于使用动态定位（DP）、对安全需求较高的客船、破冰船和近海工程船而言，更是必不可少。
图3中，近海工程船系统采用了一个电站和两个变电站，通过主配电盘的母线开关或转换开关进行电力连接。这两个变电站必须彼此独立运营。通过提高变电站的数量，可相对减轻故障造成的影响，如果单台设备故障，两设备分体式的平衡系统将损失50%的装机容量，三设备分体式的平衡系统将损失33%的装机容量（图4），四设备分体式平衡系统将损失25%的装机容量，以此类推。
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图3：传统的OSV船两段式电力推进系统
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图4：传统系统冗余
传统设计假设船上工程师能够识别和纠正故障，并使船舶恢复正常运营。所以其基本思路是系统能耐受任何单点故障。如果船舶配备了无人照顾机舱，则船员依赖自动报警系统进行故障检测。原则上来讲，这意味着船员无需时时刻刻呆在机舱里。只有在发出报警声时，他们才进入机舱识别并解决问题，之后则继续履行其他职责。
传统上，分布式电站(图5)可简化保护系统的设计和验证。而最近，由于强烈关注油耗和排放，已有船舶采用闭环控制来实现单点故障后的更优效率和可用性。
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图5：适用于钻井船的径向电站
而在无人值守船舶上，没有船员执行干预和维修工作。在许多情况下，要等待数天甚至数周才能获得支持。由于故障件无法修复或更换，必须重新定义可用性规则。其中一种方式是，通过关键组件的高可靠性并通过重配置来解决各种故障，从而保证设计可用性(图6)：
1、对于不能轻易增加的部件，比如主推进系统或主电源，应通过使用高可靠性部件（即，减少故障发生率）实现可用性。
2、对于其他部件，比如配电系统，系统应能够进行重配置以实现持续运营，使故障对性能的影响降至最低，并在出现故障后系统能在容错状态下运营。重配置可基于预定义或智能算法全自动进行，或通过岸上控制中心远程完成。
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图6：冗余设计
显然，可明确的故障数量有限，具体取决于故障和风险分析。 除分布式和闭环结构外，还可以考虑使用更复杂的拓扑，如星点互连或与环形组合互连（图7）。原则上，这些拓扑结构在电站的各个配电层面上皆可采用，从而为从能源到耗电设备的能量流动创造多条路径。
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图7：可重新配置的系统概念
模块化的设计让新能源和储能在更大的额定功率下具有相对相似的效率和电力密度。为提高可用性，可采用更小的能源/储能单元。前述不同拓扑结构原则上可以任意组合连接，以实现所需的容错性和可重配置性。为了便于说明，概念设计如图8所示。
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图8：超高稳定性的概念
在对其可行性下结论之前，仍需对此类替代性高级拓扑结构进行评估。不过，我们将可能会看到趋势沿这一方向发展。虽然传统直流系统可用作高级拓扑结构的基础结构，但Onboard DC Grid TM船载直流电网凭借其简单和快速连接，而成为必然选择。
总结
与最初设想的一样，船舶行业距离全面摘取数字化成果并不遥远。
ABB对未来船舶的看法很简单。未来船舶将实现电力、数字化和智慧互联。首先，对动力装置进行电气化，以利用更清洁的燃料和针对预期运营的优化设计。下一步是确立数字化运营。反过来，这可以促成互联运营的实施。无人驾驶，甚至无人值守船舶将加入船队。目的不是要消除人员，而是要为人员提供更多有附加值的任务，使他们能够实现更有效、更安全地运营。
电动船舶效率更高、更简单、更灵活、更数字化和更互联化。而且电动船舶是迈向更智能化、数字化和自动化航运的天然平台。系统更小、更简单、活动部件更少，因而所需的维护和监控也更少。几乎一切都可远程诊断，许多故障可自动或远程修复或避开。全电动动力装置已是海洋石油支持船以及较小型渡轮和沿海船舶的可行选择。这些船舶最有可能成为首批商业运营的全自动船舶。
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发表于 2020-5-8 13:50
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