智能拖轮的方案设计
天津港轮驳有限公司·刘玉平、伊杰
摘要：拖轮作为船舶功能分类中的一员，其船体结构、动力配置和作业方式均与客船和货船等运输船舶存在很大的差异。据中国港口协会轮驳分会的统计数据，目前国内港作拖轮的保有量在余艘。本文结合天津港港作拖轮在港口助泊、引航员接送的作业情况和多年的管理经验，针对港作拖轮提出了智能化的设计方案，以期使港作拖轮的作业更加安全、设备使用更加可靠、船舶运营管理更加经济和环保。
关键词：智能拖轮；船舶安全；智能航行；智能船体；智能机舱；智能能效；智能集成平台
一、船舶智能化的发展现状
中国船级社于年12月1日正式发布的《智能船舶规范》对智能船舶进行了定义，即智能船舶就是利用传感器、通信、物联网、互联网等技术手段，自动感知和获得船舶自身、海洋环境、物流、港口等方面的信息和数据，并基于计算机技术、自动控制技术和大数据处理和分析技术，在船舶航行、管理、维护保养、货物运输等方面实现智能化运行的船舶[1]。
近年来由于智能船舶概念的兴起以及智能船舶技术的日益发展，船舶智能化已经成为全球航运的大势所趋。出于通过船舶智能化降低船舶控制和管理难度，减少人为误操作，提高设备及船舶营运的安全，优化船舶航行，控制燃油消耗、降低成本，提高收益等目的，目前智能船舶的研究与探索已在全球范围内开展。
美国的斯佩里海事公司(SperryMarine)的VisionMaster综合船桥系统可根据航行时的天气状况等自动规划航线以及优化油耗，并能提供远程诊断、软件更新和其他技术支持。该系统已在美国皇家加勒比游船公司最新的“海洋解放号”和其姊妹船“海洋自由号”上安装使用[2]。英国的罗尔斯·罗伊斯（RollsRoyce）公司则专注于船舶设备的远距离监控。年10月，发布了一段罗尔斯·罗伊斯与马士基集团旗下的Svitzer拖轮公司联合开发的无人拖轮在哥本哈根港进行远程操纵的视频，尽管该拖轮尚无法完成实际助泊作业，但它代表着未来智能船舶的一种发展趋势。此外，芬兰、挪威、日本、韩国等很多国家也都在船舶智能化的不同领域进行着不同程度的有益探索。
作为世界最大的船舶建造国，我国对智能船舶的研制也是后来居上。年5月8日，国务院正式印发《中国制造》发展战略，其中智能船舶是《中国制造》中明确重点发展的领域。国家工信部为加强对船舶行业智能制造的顶层设计和系统指导，将编制发布《推进船舶智能制造指导意见》。继中国船级社发布《智能船舶规范》后，《船舶智能机舱检验指南》也于年11月6日正式生效。作为一种开放式规范和指导性文件，其与国际上智能船舶技术的发展和应用同步，为智能船舶的建造明确了方向和标准。年12月5日，由我国自主研制的全球第一艘智能船舶“大智”号3.88万吨散货船在上海交付使用，该船安装了全球首个能够自主学习的船舶智能运行与维护系统（SOMS），是为全球首艘通过船级社认证的智能船舶，标志着我国智能船舶的建造技术达到了世界领先水平。
智能船舶的出现，将彻底颠覆现有的航运技术和管理体系，是现代航运的划时代革命。船舶的智能化时代已经渐行渐近……
二、天津港智能拖轮的方案设计
（一）天津港智能拖轮项目介绍
天津港智能拖轮项目包括2艘千瓦全回转拖轮和2艘千瓦全回转拖轮。其中千瓦拖轮主要用于恶劣天气的人员接送、海上破冰、沿海拖带和港口助泊。自动化程度为AUT-0，冰区等级为CCSICECLASSB3。千瓦拖轮主要用于港口助泊、海上消防和沿海拖带。冰区等级为CCSICECLASSB，消防等级为FiFi1/2，采用自动化电站设计。
为了响应国家船舶智能化的发展战略，满足天津港打造“智慧港口”的需要，提高拖轮设备的安全性，减少船舶工作人员的劳动强度，最大限度的降低人为因素对船舶安全的影响，总结天津港拖轮管理方面的经验，并结合当今网络应用技术及数据分析技术的发展，天津港智能拖轮项目均按照中国船级社《智能船舶规范》和《智能机舱检验指南》进行设计建造。智能拖轮方案包括智能航行、智能船体、智能机舱、智能能效管理、智能集成平台五个部分，在现有的技术条件下满足中国船级社《智能船舶规范》相关章节的要求，以实现拖轮的自动化、信息化和智能化。
（二）天津港智能拖轮的设计原则
以港口助泊、海上拖带、引航、护航等作业为主的轮驳企业，面对复杂的港口航行环境、良莠不齐的船员操作和管理水平以及越来越严苛的环保法案，每天思考和忧虑的不外乎三个问题：安全、经济、节能与环保。
根据英国船东保赔协会对年至年四年期间发生近次船舶严重事故的调查结果表明，在发生事故的直接原因中，属人为因素的占58%；而美国对至年10年间的起船舶碰撞事故进行了一项专门研究，最后结论是:在所有事故中，有55%的事故发生的主要原因是人为错误。由此可以看出，人为失误是影响船舶安全的最大隐患。除了提高船员素质之外，提高拖轮的自动化水平降低船舶安全对船员的依赖程度将是一种提高设备可靠性的有效途径。智能拖轮的宗旨就是通过技术手段最大限度减少人为误操作，提高设备的可靠性和船舶营运的安全性。
据香港环保署年的调查数据显示：船舶排放的二氧化硫、氮氧化物排放分担率分别达到50％和32％；中国环保部机动车排污监控中心统计显示，年在我国港口靠泊的船舶共排放二氧化硫和氮氧化物排放量约占全国排放总量的8.4％和11.3％[3]。而年由自然资源保护协会公布的《中国船舶和港口空气污染防治白皮书》又使所有的船舶企业对船舶环保问题加深了认识也承受着空前的压力。当今的轮驳企业其拖轮动力绝大多数还是由柴油机提供，尽管普遍使用低硫的轻柴油，但柴油机的热工状态不良不仅多消耗燃油而且还会产生大量的固体悬浮微粒、一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物、铅及硫氧化合物的排放。船员的误操作造成的海洋环境污染也是偶有发生。智能船舶的发展应顺应“绿色船舶”的发展潮流，出于轮驳企业的社会责任感，通过拖轮的智能化来保护我们的碧海蓝天也是势在必行的。
如图1所示，天津港智能拖轮的设计原则是提高设备与船舶的本质安全。通过航行风险提示与辅助决策的支持使船舶运行更加安全；通过对设备的智能化管理与故障预警使设备运行更加可靠；通过航行优化以及设备修理由计划修理转变为视情维修使船舶管理更加经济；通过环保设计以及对柴油机热工况的优化控制使船舶使用更加环保。
图1天津港智能拖轮的设计原则
（三）天津港智能拖轮方案的安全性
智能拖轮方案作是在现有拖轮基础上新增设的一个系统，其自身的稳定性和安全性以及该系统在特定条件下对拖轮的正常运营是否会产生安全风险是我们首要