标准是推进船舶数字化发展的关键

第４８卷

２０１９年７月

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船海工程

ＳＨＩＰ＆ＯＣＥＡＮＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ

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Ｖｏｌ.４８

Ｊｕｌ.２０１９

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ＤＯＩ:１０.３９６３/ｊ.ｉｓｓｎ.１６７１￣７９５３.２０１９.Ｓ１.０８２

标准是推进船舶数字化发展的关键

祝能１ꎬ２ꎬ陈实２ꎬ蔡玉良２ꎬ吕林１ꎬ李善鸿１

(１.武汉理工大学高性能船舶技术教育部重点实验室ꎬ武汉４３００６３ꎻ２.中国船级社ꎬ北京１００００７)摘㊀要:在海事背景下ꎬ从传感器的角度分析船舶数字化对标准的需求ꎬ探讨标准在建立和应用过程中带来的机遇和面临的挑战ꎬ以期为船舶数字化开展标准化工作提供基础ꎮ

关键词:船舶ꎻ标准ꎻ数字化ꎻ传感器

中图分类号:Ｕ６９２.７㊀㊀㊀㊀文献标志码:Ａ㊀㊀㊀㊀文章编号:１６７１￣７９５３(２０１９)Ｓ１￣０３１０￣０４

收稿日期:２０１９－０３－１８修回日期:２０１９－０３－３０

基金项目:工信部项目(工信部装函[２０１７]６１４号)ꎻ

国家自然科学基金(５１６７９１７６)

第一作者:祝能(１９８９ )ꎬ男ꎬ博士ꎬ博士后研究人员研究方向:绿色智能船舶技术标准及服务产品

㊀㊀随着物联网技术的不断发展ꎬ船舶行业已经进入数字化时代[１]ꎮ船舶数字化是利用传感器等技术收集船舶和外界信息ꎬ通过互联网等通信手段将信息传送至集成平台或岸基中心ꎬ便于数据的访问和共享ꎬ采用大数据工具或建模功能对信息进行分析处理ꎬ提供给专业人员开发新的船舶应用ꎮ数字化在船舶上的应用包括船舶状态实时监控[２￣３]㊁能效优化管理[４￣５]㊁数据驱动建模[６￣７]㊁预见性维护[８￣９]ꎬ以及辅助船舶航行[１０￣１１]等ꎬ这些数字应用极其依赖于船舶的运行数据ꎮ数据在多种应用场景下流通使用过程会存在缺失㊁无效或无法识别等问题ꎬ严重阻碍船舶实现数字化的进程ꎮ因此ꎬ缺乏保证数据可用性的统一标准已成为船舶数字化面临的主要挑战ꎮ

１㊀标准化的收益与挑战

国际标准化组织(ＩＳＯ)的国家标准化管理委

员会(ＳＴＡＣＯ)一直致力于标准化概念的研究ꎬ先后以 指南 的形式给 标准 的定义作出统一规定:标准是由一个公认的机构制定和批准的文件ꎬ对活动或活动的结果规定了规则㊁导则或特殊值ꎬ供共同和反复使用ꎬ以实现在预定领域内最佳秩序的效果ꎮ国家标准ＧＢ/Ｔ３９３５.１ １９９６[１２]对标准的定义:为在一定的范围内获得最佳秩序ꎬ对活动或其结果规定共同的和重复使用的规则㊁导

则或特性的文件ꎮ该文件经协商一致制定并经一个公认机构的批准ꎮ标准应以科学㊁技术和实践经验的综合成果为基础ꎬ以促进最佳社会效益为目的ꎮ英国标准协会将标准描述为:标准是商定的处理方式ꎬ涵盖的活动范围广泛ꎬ可以是制造产品㊁管理流程㊁提供服务或材料ꎮ总之ꎬ标准的目的是提供可靠的基础ꎬ使人们能够对产品或服务的期望达成共识ꎮ

标准有助于提高效率和创造效益ꎬ企业通过建立质量管理标准ꎬ帮助提高工作效率ꎬ减少产品故障ꎻ标准有助于多方集成与共同开发ꎬ例如ꎬ通过制定产品设计标准ꎬ便于后续新设备的轻松集成和功能开发ꎻ标准有助于促进互通协作ꎬ通过规定标准化接口和通用语言ꎬ能够实现不同供应商的产品在集成系统中各个独立模块的协同工作ꎻ标准一旦确定ꎬ还可以协调工作流程ꎬ提供程序框架ꎬ提高透明度和可追溯性ꎬ促进知识的转化与实践ꎬ为第三方验证与监管提供基础ꎮ

尽管标准具有许多应用ꎬ且带来的益处良多ꎬ但也可能具有局限性ꎬ甚至达不到预期效果ꎮ有些标准可能会过于关注一个方面ꎬ而对其他更重要的方面产生消极的影响ꎮ例如ꎬ能效设计指数(ＥＥＤＩ)[１３]作为绿色船舶的基准ꎬ却引发了船舶航行安全问题ꎮ改善ＥＥＤＩ的一种方法是降低发动机的功率[１４]ꎬ虽然有利于减少燃油消耗ꎬ但是意味着船舶可能没有足够的动力来克服恶劣天气条件下的风浪阻力ꎮ

针对一些特定技术和解决方案ꎬ标准过于严苛可能会限制创新ꎬ阻碍新的参与者进入市场ꎬ从而导致出现意料之外的锁定效应[１５]ꎮ我国智能船舶发展尚处于初步阶段ꎬ«智能船舶规范»[１６]仅

对船舶进行了目标功能要求ꎬ而开放的实现途径０

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和解决方案为客户提供更多的可能性ꎮ因此ꎬ标准应该重视为供应商留出创新空间ꎬ鼓励更多更好的产品在市场上脱颖而出ꎮ

标准化工作还需要大量的资源与成本ꎮ建立标准的过程是漫长的ꎬ需要经过大量的社会调研和文献查阅工作ꎬ同时标准化和其他战略投资一样存在着风险ꎬ在缺乏品质和业界支持的情况下ꎬ或者是错误的限制都会导致标准无法推广使用ꎮ因此ꎬ必须根据预期收益来评估相关成本ꎬ以确保制定标准的价值ꎮ

２㊀船舶数字化需要标准

对于船舶实现数字化ꎬ标准化有助于数据的有效收集㊁存储㊁交换㊁分析和使用ꎬ同时标准化还可以提高数据质量和传感器的可靠性ꎮ下面将从传感器的角度讨论船舶数字化对标准的需求ꎮ２.１㊀传感器的元数据

元数据是包含数据各种信息的数据ꎬ对于船舶上的传感器ꎬ元数据一般包括以下信息:传感器的用途ꎬ如用于测量温度㊁压力㊁振动等ꎻ传感器的数据计量单位ꎻ传感器的测点位置ꎬ如测量气缸温度或者排气温度ꎻ有关测量的其他信息ꎬ如数据格式㊁测量值等ꎻ传感器的配置ꎬ如功能或操作事项ꎻ将元数据与对应传感器正确匹配的唯一标识信息ꎮ

在利用传感器数据进行分析和处理过程中ꎬ上述信息必不可少ꎮ如果元数据不可用或者定义不清晰ꎬ将会导致分析人员误读原始数据ꎬ影响分析结果ꎮ缺乏元数据意味着需要花费更多的资源和时间去进行分析ꎬ严重妨碍问题的查找和解决进程ꎮ因此ꎬ传感器的元数据需要标准化ꎬ以便规范传感器数据的信息ꎬ提高信息的可追溯性ꎬ降低误读传感器数据的风险ꎮ

２.２㊀传感器的命名方案

目前ꎬ传感器的命名没有统一的标准ꎬ只能由供应商采用专有的命名方案ꎮ合理的传感器名称可以表征元数据的唯一性ꎬ有利于数据的追踪ꎮ传感器名称还可以提供有关船舶部件及功能的一些信息ꎬ提高数据信息透明度ꎬ便于分析人员或计算机快速准确地进行识别ꎮ标准化的传感器名称能够为不同供应商之间的传感器数据交换利用创建一种通用的语言环境ꎮ因此ꎬ标准化的传感器命名方案可以提高数据的识别效率ꎬ便于不同分析人员直接利用ꎮ

２.３㊀传感器的质量和可靠性

数据的品质取决于传感器的测量能力ꎬ状态监测及其他数字化应用ꎬ都依赖于传感器数据进行评估与决策ꎬ因此ꎬ确保传感器能够提供可靠和准确的数据信息至关重要ꎮ传感器的质量取决于多方面因素ꎬ例如ꎬ传感器的材质只能适用于特定的环境条件ꎬ传感器的测量精度㊁准确性和重复性与技术发展水平有关ꎬ而对于内置数据处理功能的传感器ꎬ其质量问题还可能与处理器硬件或处理计算程序有关ꎮ

传感器在投入使用后ꎬ会随着时间逐渐劣化ꎬ但劣化规律及影响程度尚不明确ꎮ为了弱化传感器劣化造成的影响ꎬ需要及时对传感器进行校准检查ꎮ对于船舶使用的传感器ꎬ其校准周期㊁校准方式等没有一个标准的答案ꎮ传感器的安装位置对采集的数据信息产生干扰ꎬ通常在设计阶段直接嵌入到目标测点的传感器比后续改装的成本更低ꎬ且能够保证具有更好的安装位置ꎮ

视情维护也是数字化在船舶中的一种应用ꎬ根据机械设备运行状态和健康状况的分析和评估结果实施维护ꎮ因此ꎬ需要建立标准来确保用于状态监测的传感器质量ꎬ提高视情维护方案的可靠性ꎬ保证机械设备的性能和安全ꎮ

３㊀标准化的影响

３.１㊀标准化组织机构

标准既可以由公众制定ꎬ也可以由个人制定ꎮ通常情况ꎬ会有一个行业资深机构来引领制定标准ꎬ这些机构包括:国际标准化组织(ＩＳＯ)㊁国际电工委员会(ＩＥＣ)㊁欧洲标准化委员会(ＣＥＮ)㊁欧洲电工标准化委员会(ＣＥＮＥＬＥＣ)以及国际会计准则理事会(ＩＡＳＢ)等ꎮ

ＩＳＯ成立于１９４７年ꎬ是世界上最大的自愿性国际标准开发商ꎬ已经发布了两万多项国际标准ꎬ涵盖了技术和业务的各种领域ꎮＩＥＣ成立于１９０６年ꎬ其工作领域主要是电气㊁电子及相关技术的国际标准ꎮ当前大多数国际标准都是由上述机构制定ꎬ其中ＩＳＯ和ＩＥＣ占所有产品标准的８５％ꎮ在航运业ꎬ国际海事组织(ＩＭＯ)是联合国的一个机构ꎬ专门负责海上航行安全㊁安保以及防污染等工作ꎮＩＭＯ主要颁布海事公约和规范ꎬ并不制定详细的技术标准ꎬ因此需要授权其他组织

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