三峽局公務(wù)船舶機(jī)務(wù)管理輔助決策技術(shù)研究

王海江，陳學(xué)文，任鋒

（長江三峽通航管理局，湖北宜昌 443002）

1 引言

公務(wù)船舶是航務(wù)管理和航道維護(hù)部門實(shí)現(xiàn)管理職能和航道管理養(yǎng)護(hù)職能最重要的設(shè)備。船舶的設(shè)備技術(shù)狀態(tài)直接影響著通航業(yè)務(wù)工作的效率和質(zhì)量，近年來三峽局船舶設(shè)備技術(shù)狀態(tài)總體良好，船舶設(shè)備運(yùn)行情況穩(wěn)定，但隨著船舶數(shù)量逐年增加，船型覆蓋面不斷擴(kuò)大，設(shè)備保障要求隨之提高。主要面臨如下問題：船舶類型多，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不一，管理難度大；船舶老舊，使用頻率高，安全壓力大；基礎(chǔ)數(shù)據(jù)多，管理人員少，工作強(qiáng)度大；船舶維護(hù)維修計(jì)劃的科學(xué)性和規(guī)范性亟待提高。傳統(tǒng)的船舶機(jī)務(wù)管理工作，主要是以人工管理方式進(jìn)行，特別是處理船舶生產(chǎn)作業(yè)過程中的故障，“一事一議”的工作方式不僅效率偏低，而且不能實(shí)現(xiàn)對問題成因的系統(tǒng)集成，各專業(yè)也無法形成聯(lián)動聯(lián)控體系，達(dá)不到船舶安全生產(chǎn)各環(huán)節(jié)風(fēng)險預(yù)判預(yù)控的目標(biāo)。近年來船舶數(shù)字機(jī)務(wù)技術(shù)的發(fā)展，為大數(shù)據(jù)技術(shù)在船舶機(jī)務(wù)管理方面的應(yīng)用成為可能。通過運(yùn)用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，可以對機(jī)務(wù)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行廣泛收集、分析、共享，提高船舶機(jī)務(wù)系統(tǒng)各專業(yè)數(shù)據(jù)的溝通協(xié)調(diào)，提升船舶數(shù)字機(jī)務(wù)管理工作整體水平。

2 船舶機(jī)務(wù)管理輔助決策技術(shù)研究

2.1 船舶運(yùn)行能耗分析研究

通過北斗定位數(shù)據(jù)并根據(jù)船舶航行、靠港等狀態(tài)，統(tǒng)計(jì)船舶在營運(yùn)過程中各環(huán)節(jié)所消耗的時間，計(jì)算并統(tǒng)計(jì)航次中的航行在港時間、在港率和在航率。根據(jù)年、月、航次分別對能效營運(yùn)數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)律性分析。

基于船舶動力系統(tǒng)運(yùn)行工況特征，通過建立航行工況辨識模型與能效狀態(tài)評估模型，實(shí)現(xiàn)基于多源信息的船舶航行狀態(tài)智能識別以及能效狀態(tài)的分析與評估，基于實(shí)測數(shù)據(jù)的船舶能效評估能根據(jù)實(shí)時采集的數(shù)據(jù)，判斷船舶當(dāng)前航行狀態(tài)，基于所建立的船舶能效狀態(tài)評估模型，并利用歷史數(shù)據(jù)建立評估準(zhǔn)則，對設(shè)備進(jìn)行能效實(shí)時異常分析、預(yù)警和能效狀態(tài)評估。

不同類型的船舶在主機(jī)型號、尺度結(jié)構(gòu)、船舶總噸上存在著顯著的差異。主機(jī)油耗和船舶總噸是影響船舶能效的重要因素，基于以上考慮，將三峽局船舶根據(jù)其各自船型結(jié)構(gòu)劃分為多個類型，相同類型的船舶無論在船舶尺度、船型結(jié)構(gòu)、主機(jī)選型、螺旋槳類型上基本相同，因此，將模型計(jì)算的船舶營運(yùn)能效指數(shù)值與同類型船舶進(jìn)行比較，根據(jù)計(jì)算結(jié)果便可對同類型、不同船舶的能效水平進(jìn)行評估。

船舶主機(jī)及各推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)備在長時間運(yùn)行后，各設(shè)備的能效水平會隨著時間的增長而逐漸下降。可以將能效模型計(jì)算結(jié)果作為衡量能效退化的參考數(shù)值，通過實(shí)測數(shù)據(jù)所得的船舶能效營運(yùn)指數(shù)與模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，即可判斷船舶能效水平隨時間變化的趨勢及變化程度，當(dāng)二者差值較大時，就需要考慮對船舶主機(jī)進(jìn)行維修保養(yǎng)或螺旋槳及船底清污，以保證船舶的能效水平處于較好的狀態(tài)。

2.2 船舶健康度評價研究

船舶是非常典型的復(fù)雜設(shè)備組合體，對于船舶健康度的評價是一個綜合評價過程，過程中涉及多方面要素以及多層次的指標(biāo)，為此需要研究構(gòu)建涵蓋評價目標(biāo)、評價內(nèi)容、評價主體、評價方式、評價模型和結(jié)果運(yùn)用的船舶智能評價體系。

確定評價目標(biāo)。評價目標(biāo)指船舶智能評價體系構(gòu)建后評價工作所要達(dá)到的效果狀態(tài)。本期研究的內(nèi)容包括：提出既有針對性和可操作性，又具備一定前瞻性的評價目標(biāo)，確保船舶智能評價體系的構(gòu)建可以為建立船舶故障智能診斷、星級船舶數(shù)據(jù)模型，確定技術(shù)狀況及預(yù)算績效評價指標(biāo)，合理制定船舶運(yùn)行維護(hù)費(fèi)支出標(biāo)準(zhǔn)與結(jié)構(gòu)，優(yōu)化船舶資源配置、提升船舶工作效率，支撐船舶裝備建設(shè)發(fā)展起到應(yīng)有的導(dǎo)向和改進(jìn)作用。

明確評價內(nèi)容。研究內(nèi)容包括：確定評價對象，除原有管理辦法中規(guī)定的船體、主要機(jī)電設(shè)備和專用設(shè)備外，還需要增加船舶檢驗(yàn)證書等資料完備性和有效性評價，船舶安全、環(huán)保、消防等設(shè)備的可用性評價，船舶服役時間、油耗、故障、事故等過程類信息，船舶能耗水平及相關(guān)排放程度等；細(xì)化評價內(nèi)容，逐級細(xì)化評價范圍內(nèi)的各種評價對象和評價內(nèi)容，例如船體包括船外板、甲板、內(nèi)底板、骨架、隔艙壁和上層建筑等，主要機(jī)電設(shè)備包括推進(jìn)主機(jī)、發(fā)電機(jī)組、絞纜機(jī)、錨機(jī)、舵機(jī)、起重機(jī)、軸系、推進(jìn)器、舵等，專用設(shè)備包括特殊船舶專用設(shè)備（如絞錨設(shè)備、鋪排機(jī)構(gòu)）等，新增的各類評價對象屬性也需要逐級細(xì)化分解為可衡量的內(nèi)容。

落實(shí)評價主體。研究內(nèi)容包括：是否將機(jī)務(wù)工作人員和管理人員為主的評價專家小組優(yōu)化為機(jī)務(wù)管理、安全管理、航道生產(chǎn)等部門組成的綜合評價小組；詳細(xì)調(diào)研航道生產(chǎn)部門對于船舶工作任務(wù)安排、船舶工作效率等方面的需求，分析整理后融入相關(guān)指標(biāo)體系；詳細(xì)調(diào)研安全管理部門對于船舶安全管理、應(yīng)急處置等方面的需求，分析整理后融入相關(guān)指標(biāo)體系等。

創(chuàng)新評價方式。研究的內(nèi)容包括：將當(dāng)前周期性現(xiàn)場自查為主、上級部門抽查為輔的評價方式拓展到周期性現(xiàn)場核查、專家小組遠(yuǎn)程核查、信息系統(tǒng)自動核查相結(jié)合的模式；目前每季度一次的核查周期是否可以優(yōu)化；如何通過視頻監(jiān)控、知識庫等技術(shù)手段提升遠(yuǎn)程核查效率，降低系統(tǒng)核查成本；信息系統(tǒng)自動采集數(shù)據(jù)的機(jī)制，數(shù)據(jù)存儲的方式，如何保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、完整性和可靠性等。

優(yōu)選評價模型。研究內(nèi)容包括：評價內(nèi)容的確定是船舶智能評價指標(biāo)體系創(chuàng)建的基礎(chǔ)，將這些內(nèi)容歸類選擇作為一級指標(biāo)，并相應(yīng)地細(xì)化成二級乃至三級指標(biāo)；選取部分與船舶安全運(yùn)行密切相關(guān)的指標(biāo)作為剛性指標(biāo)，剛性指標(biāo)具備“一票否決”功能；基于船舶智能評價定性指標(biāo)和定量指標(biāo)相結(jié)合，指標(biāo)層次化、多樣化的特點(diǎn)，綜合分析加權(quán)評分法、層次分析法、模糊綜合評價法等評價算法的適用性，形成符合三峽海事實(shí)際管理需求的評價模型等。

強(qiáng)化結(jié)果運(yùn)用。研究內(nèi)容包括：因船制宜，探索船舶智能評價結(jié)果運(yùn)用思路。如何根據(jù)船舶智能評價的要求，在船舶建造階段即完成相關(guān)數(shù)據(jù)采集設(shè)備的部署；評價結(jié)果需要自動形成評價報告，評價報告的主要內(nèi)容，以及重點(diǎn)建議方向；評價結(jié)果輸出的對象，如何充分利用評價結(jié)果確定船舶星級和技術(shù)狀況等級、維修方案、整改內(nèi)容，改進(jìn)維護(hù)方式、增加維護(hù)頻次，調(diào)整維修經(jīng)費(fèi)、加強(qiáng)培訓(xùn)，提升相關(guān)部門工作效率等。

目前三峽局船舶老舊，使用頻率高，安全壓力大。十四五期間，達(dá)報廢年限行船數(shù)量將增至8 艘，占比40%。老舊船舶的高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)勢必為船舶管理工作帶來一定安全風(fēng)險。需要通過健康評估預(yù)警系統(tǒng)為超期服役船舶的核心設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行跟蹤和評估，及時發(fā)現(xiàn)問題、預(yù)測預(yù)警，協(xié)助完成維修和報廢決策。

2.3 船舶操控行為分析技術(shù)研究

船舶操控對于船舶安全航行非常重要，在實(shí)際航行中存在一些不規(guī)范行為，存在安全隱患。船舶操控行為指船員在駕駛過程中對船舶的各種操控行為，內(nèi)容包括啟航、停航、正倒車切換等。實(shí)際航行中，往往存在一些不規(guī)范行為，不規(guī)范的操控行為會對船舶設(shè)備產(chǎn)生一定的不良后果，或者可能產(chǎn)生一定的安全隱患。例如啟航過程中，水溫沒有達(dá)到一定的數(shù)值就開始正車，潤滑條件不足，將可能導(dǎo)致發(fā)動機(jī)零件磨損加劇，影響船舶航行安全。

目前對船舶的操控行為規(guī)范性的監(jiān)管手段單一，自動化程度不夠。傳統(tǒng)監(jiān)管方式是查看航行日志和輪機(jī)日志，在有條件的船舶上則通過視頻監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)管，通過人工巡視，查看判斷操控行為是否規(guī)范。由于航行時間長，人工查看工作量大，而且視頻無法關(guān)聯(lián)航行過程中各種機(jī)艙運(yùn)行參數(shù)，難以完成深層次的規(guī)范性判斷。需要利用信息化手段輔助管理人員自動監(jiān)管，發(fā)現(xiàn)不規(guī)范行為并進(jìn)行提示。

總體設(shè)計(jì)。基于物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)，采集船舶啟航、航行、停航全過程船舶方位數(shù)據(jù)和機(jī)艙監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法，融合船舶操控規(guī)則知識庫，形成船舶操控行為規(guī)范模型庫，可自動持續(xù)輸出船舶操控行為規(guī)范性評定結(jié)果，為船舶操控行為的監(jiān)測預(yù)警提供信息化支撐。

數(shù)據(jù)采集。需要采集的數(shù)據(jù)包括船舶航行數(shù)據(jù)和機(jī)艙監(jiān)測數(shù)據(jù)，采集方式包括傳感器采集、相關(guān)監(jiān)測系統(tǒng)抽取和知識庫生成。船舶航行數(shù)據(jù)包括船舶航行起止時間、航行速度、航行軌跡等，機(jī)艙監(jiān)測數(shù)據(jù)包括船舶主機(jī)轉(zhuǎn)速、功率、水溫、油壓、油艙液位等。本期研究基于大數(shù)據(jù)展開，支持采集各類傳感器數(shù)據(jù)，也支持從船舶管理、機(jī)艙監(jiān)測等系統(tǒng)中抽取數(shù)據(jù)。對于船舶操控相關(guān)規(guī)范中明確要求的部分內(nèi)容，本期研究創(chuàng)新性地采用了基于知識庫生成樣本數(shù)據(jù)的模式，例如可以錄入部分啟航過程初始數(shù)據(jù)，該部分?jǐn)?shù)據(jù)可以較好地描述船舶從熱車到正車的標(biāo)準(zhǔn)操控行為，在主機(jī)轉(zhuǎn)速、主機(jī)水溫的曲線配合方面完全符合規(guī)范要求。對于部分缺乏足夠數(shù)據(jù)樣本，但具備確定知識庫要求的行為，例如夜航，可以采用該種方法完善采集數(shù)據(jù)。

特征工程。針對不同類型船舶操控行為需要對已采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行不同的特征工程。首先是針對部分空值和異常值進(jìn)行處理，由于數(shù)據(jù)量較大，部分空值可以直接刪除，異常值可以采用四分位間距檢測后剔除。船舶航行過程數(shù)據(jù)和機(jī)艙監(jiān)測數(shù)據(jù)主要為時序數(shù)據(jù)，可以采用滑動窗口法提取時間段數(shù)據(jù)的平均數(shù)、中位數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差、最大值、最小值、斜率、偏度、峰度等作為特征，最終形成合適的特征數(shù)據(jù)集。對于不同的操控行為，提取不同的特征值。

模型生成?；诤叫袛?shù)據(jù)和機(jī)艙監(jiān)測數(shù)據(jù)生成模型，例如開航行為分析、正倒車切換等模型，各模型的主要標(biāo)簽和主要因子包括：

模型一、開航行為分析。標(biāo)簽為：開航操控行為是否規(guī)范。主要因子為：水溫曲線斜率、水溫最大值、主機(jī)轉(zhuǎn)速曲線斜率、水溫-航速曲線相位差等。

模型二、正倒車切換。標(biāo)簽為：正倒車切換行為是否規(guī)范。主要因子為：主機(jī)轉(zhuǎn)速曲線斜率、轉(zhuǎn)速-航速曲線相位差等。

模型三、航程航速分析。標(biāo)簽為：航速航程是否異常。主要因子為：航程統(tǒng)計(jì)、航速統(tǒng)計(jì)、油耗統(tǒng)計(jì)等。

模型四、駕駛過程。標(biāo)簽為：駕駛過程操控行為是否規(guī)范。主要因子為：主機(jī)轉(zhuǎn)速統(tǒng)計(jì)、船舶航速統(tǒng)計(jì)、船舶軌跡曲線等。

模型應(yīng)用。模型生成后，需要通過測試數(shù)據(jù)進(jìn)行測試和參數(shù)調(diào)優(yōu)。模型可以導(dǎo)入到船舶管理系統(tǒng)和機(jī)務(wù)管理系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)操控行為規(guī)范性分析，也可以作為多因子綜合評價模型的輸入，最終輸出具體的操控行為綜合評分。

3 總結(jié)

綜上所述，船舶管理信息系統(tǒng)建設(shè)的加快推進(jìn)，為大數(shù)據(jù)技術(shù)在船舶機(jī)務(wù)管理中的應(yīng)用提供了廣闊空間。我們要進(jìn)一步擴(kuò)大大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用，深度挖掘其更深的優(yōu)勢和價值，找到現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)與傳統(tǒng)船舶機(jī)務(wù)管理工作相結(jié)合、相融合、相促進(jìn)的銜接點(diǎn)，不斷提高三峽局公務(wù)船舶機(jī)務(wù)管理輔助決策技術(shù)能力。