基于智能船舶的机舱智能化探究.docx

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基于智能船舶的机舱智能化探究

基于智能船舶的机舱智能化建造探究

一、引言

随着科学技术的不断进步，越来越多的智能化、信息化技术走进了人们生活的各个领域，使人们对于设备智能化的要求也越来越高。

早在2014年德国汉诺威工业博览会上，“工业4.0”的概念就已经开始受到广泛关注。

“工业4.0”代表了继工业机械化、工业电气化、工业自动化之后的“第四次工业革命”，而工业“智能化”正是“工业4.0”的核心表现形式。

在各个领域，“智能化”都是近年来技术发展的主要方向。

在新一轮工业技术革命如火如荼的大背景下，船舶设计制造领域也正经历着技术变革，船舶“智能化”作为这场变革的重要一环，将使船舶设计从理念到方法产生质的改变。

作为船舶主辅机的主要布置场所，机舱堪称“船舶心脏”，其重要性不言而喻。

在船舶设计制造领域，船舶自动化的推进和发展在很大程度上体现在机舱自动化程度提高上，各船级社的规范中，也对机舱自动化有着详细的规定和要求。

因此，“智能机舱”的实现可以说是在船舶智能化的进程中不可或缺的一个重要方面。

如何规范“智能机舱”的实现，应符合《智能船舶规范》。

二、《智能船舶规范》简介

《智能船舶规范》是基于中国船级社近年来的科技研究成果，并充分考虑国内外有关智能船舶的应用经验和未来船泊智能化的发展方向编制而成的，于2015年12月1日第18届中国国际海事会展期间对外发布，并于2016年3月1日起正式生效。

《智能船舶规范》中规定：

智能船舶系指利用传感器、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，以使船舶更加安全、更加环保、更加经济和更加可靠。

《智能船舶规范》分智能航行、智能船体、智能机舱、智能能效管理、智能货物管理和智能集成平台等六个方面对智能船舶的功能进行描述。

满足智能船舶规范要求的船舶，可以获得智能船舶附加标志“i-Ship（Nx，Hx，Mx，Ex，Cx，Ix）”，括号内的字母是智能船舶的功能标志，分别对应上述智能船舶功能的六个方面。

《智能船舶规范》作为全球首部包含了智能船舶“设计—建造—运营”全周期的船级社规范，不但具有引领技术发展的现实意义，还将随智能船舶技术的深入应用同步成长，不断纳入新的应用成果，完善并细化已有的技术要求。

三、无人机舱与智能机舱

机舱自动化在船舶整体自动化设计当中始终占有重要的一席之地，究其历史可追溯到20世纪60年代，为提高船舶动力装置的运行可靠性、安全性和经济性，从而实现降低船舶运营成本、改善船舶管理人员工作条件等目的，机舱自动化系统得到大力发展。

及至今日，随着科学技术的飞速发展，新的设备以及自动化系统设计思路层出不穷，机舱自动化系统几乎已经成为现代船舶的“标配”。

一般来说，机舱自动化系统的组成分为以下四个方面：

（1）机舱检测、报警、控制系统；

（2）主机和可调螺距螺旋桨的遥控系统；

（3）船舶电站自动化；

（4）辅锅炉、其他机电设备的自动控制。

目前，在新船设计（尤其是工程用船以及海工项目）中越来越多被配置的动力定位系统，广义上也可归入自动化系统的范畴。

在《智能船舶规范》中，各船级社都对机舱自动化提出具体要求。

《钢制海船入级规范》第7篇自动化系统中规定，对于不同自动化等级的船舶，可授予下列附加标志：

AUT-0为推进装置由驾驶室控制站遥控，机器处所包括机舱集控站（室）周期无人值班；MCC为机舱集控站（室）有人值班对机电设备进行监控；BRC为推进装置由驾驶室控制站遥控，机器处所有人值班。

其中，AUT-0的自动化要求即为船舶无人机舱。

满足AUT-0要求的机舱自动化系统，采集并集中监控来自船舶各个重要系统（如机舱监测报警系统、功率管理系统、推进遥控系统、阀门遥控系统、液位测量系统、动力定位系统、主辅锅炉、其他重要辅机等）的参数信息，保证主推进装置、重要辅机、主辅锅炉、电站以及其他主要机电设备在无人值班期间连续正常运行，并在所监控的设备发生异常时对指定场所发出报警指示。

《智能船舶规范》第4章对智能机舱的功能要求为：

“智能机舱能够综合利用状态监测系统所获得的各种信息和数据，对机舱内机械设备的运行状态、健康状况进行分析和评估，用于机械设备操作决策和维护保养计划的制定。

”具体描述可分为以下四个方面：

（1）对机舱内的主推进发动机、辅助发电用发动机、轴系的运行状态进行监测。

（2）根据状态监测系统收集的数据，对机械设备的运行状态和健康状况进行分析和评估。

（3）根据分析与评估结果，提出纠正建议，为船舶操作提供决策建议。

（4）除基本功能之外，智能机舱还可根据机械设备运行状态和健康状况的分析和评估结果，制定相应的视情维护计划，作为智能机舱的补充功能。

值得注意的是，《智能船舶规范》要求申请智能机舱附加标志M的船舶，应符合如下条件：

（1）满足AUT-0附加标志相关要求；

（2）设有基于状态监测的辅助决策系统。

由此入手，我们可以得出智能船舶与传统船舶的机舱自动化相比较的一个重要区别，即“设有基于状态监测的辅助决策系统”。

“辅助决策”指“依据机械设备运行状态和健康状况的分析与评估结果，提出纠正措施，为船舶操作提供决策建议”。

即具有辅助决策功能之后，智能机舱将能够在不需要额外人为干预的情况下，根据系统所收集到的各设备运行状态、参数信息作出状况评估，并根据评估结果对船员的操作提出建议。

如果说“AUT-0”的机舱自动化要求实现船舶机舱无人值守，那么“i-ShipM”则是在无人机舱的基础上赋予船舶机舱自我感知和自我思考的能力，是船舶智能化的重要一环，即由“机舱无人化”向“全船无人化”迈出的一大步。

四、机舱智能化思路探索

依托上文的对比分析可知，要实现智能机舱的规范要求，关键在于状态监测系统和辅助决策系统的构建，状态监测是前提，辅助决策是目的。

在船舶设计自动化程度达到一定高度的今天，针对船舶各个系统、机电设备的状态监测系统已无软硬件上的瓶颈限制，很多海工项目（如半潜打捞工程船等）在设计过程中均已加入状态监测的功能作为船舶自动化系统的补充。

现有的状态监测设备可以接收船体结构应力、船用电机、振动噪声、船舶风机、空调、冷藏设备、阀门、液位、火警、照明等状态信号，并加以集中显示和控制。

辅助决策系统，可以说是当前各领域智能化的“敲门砖”，只有在自动化控制的基础上加入辅助决策功能，才能使控制系统由自动化向智能化进行转变。

该系统是以决策主题为重心，以信息智能处理技术为基础，依托围绕决策主题的数据库和知识库，为决策主题提供决策支持的系统。

参考陆上智能变电站的报警信息辅助决策系统，可以整理出用于船舶智能机舱辅助决策系统的基本结构。

其主要组成部分有数据库、知识库、推理机和解释器等几部分。

在船舶智能机舱设计中，辅助决策功能的决策主题即“船舶操作”，即在发生设备故障报警的情况下对船员操作提出辅助建议。

决策输入来源有两处：

数据库来自于状态监测系统，存储并反映当前受监测设备的实时状态信息；而设备异常信息则主要由集成监测报警控制系统（IAMCS）收集并提供。

决策输入的信息进入系统后，设备的当前状态与知识库中已有的各个主要设备典型异常情况进行比对，再结合设备异常报警信息，按照既定逻辑进行推理，将结论以处理建议报告的形式通过解释器进行输出。

另外，该辅助决策系统一定是开放式的，在使用过程当中可以通过网络对知识库中的设备典型样本以及异常状况处理方式进行扩充，同时还具有远程通讯的接口，在有需要的情况下使用岸基支持的方法对设备的故障处理及操作方式进行“远程专家会诊”。

五、智能机舱系统设计探究

现以某半潜打捞工程船为例，结合辅助决策系统设计，对智能机舱的自动化系统设计进行探究。

（一）船舶自动化相关概况

本船为一艘具有动力定位DP-2能力，采用电力驱动的自航半潜打捞工程船，可在无限航区航行及作业。

自动化系统满足CCS船级社对无人机舱（AUT-0）及动力定位DP-2等级的相关要求。

本船自动化系统包括集成监测报警控制系统（IAMCS）、推进遥控系统（TCS）、DP-2控制系统、压载阀门遥控及液位监测系统（VRLMS），各系统基于计算机和网络搭建，并根据船级社的要求设有必要的冗余。

集成监测报警控制系统为船上所有重要设备提供一套基于计算机的、分布式的综合报警、监测及控制系统。

压载阀门遥控及液位监测系统能对全传压载系统进行控制、监测与报警，对船体挠度值进行实时监测与报警，并模拟装载状态。

推进遥控系统独立于集成监测报警控制系统，为每个推进器设置一套独立的推进遥控和安全系统。

DP-2控制系统高度综合动力系统、推进器系统、测量系统及动力定位控制系统。

在系统出现单个故障时，可通过控制剩余推进器的推力和方向，在规定的环境条件下，使本船停留在设定的位置和首向上。

在本船无人机舱的自动化系统基础上，要构建智能机舱系统，重点在于如何将“基于状态监测的辅助决策系统”融入其中。

（二）辅助决策系统

就目前的半潜船设计要求来说，无人机舱自动化平台的数据采集已经具有一定的深度和广度，船上各重要设备已经有相当大规模的状态信息被采集并监控，完全可以作为辅助决策系统的数据库构建蓝本，加入其余与机舱相关的系统状态监控信息，构建辅助决策系统的数据库。

数据库集中监测并存储主推进系统（包括相关轴系、管系、冷却等装置）、船舶电站（包括发电、供电装置）、阀门液位、空调冷藏装置、风机泵组等辅助设备、火灾报警系统、防火门等机舱相关设备及系统的状态信息。

数据库中的状态信息应包括设备的静态配置状态数据以及实时监测的变化状态数据。

数据库应具有一定量的存储空间，对监测数据进行存储备份，保证在需要时可以进行回放和显示。

辅助决策系统的知识库，是集合了对船舶各系统的理论分析以及实际工程经验，通过分类归纳和总结形成的，其内容源于规范以及经验总结。

知识库的存储内容应包括设备现象、类型、原因、处理方式等几个方面，存储结构选用表格式，在系统接收到设备状态信息后进行查找比对，为系统进行智能化逻辑推理提供论据。

基于数据库的数据支持以及知识库的分类梳理，辅助决策系统即可结合由集成监测报警系统中提取的异常/事故报警信息对人员操作、故障处理进行辅助建议。

（三）智能机舱自动化的实现

在本半潜船中增设自动化中心机柜，在自动化服务器中安装辅助决策系统并为所有状态数据提供存储备份空间。

机柜留有远程诊断接口，可在需要时增加岸基支持功能。

将该自动化中心机柜通过双冗余高速工业以太网与原船自动化系统整合起来，即可形成集中监控辅助平台，完成对智能机舱功能的实现。

此外，还可利用机舱视频实时监控，实现现场观察和远程操作的结合，并通过设置无线路由器的形式提供尽可能多的延伸显示位置，提高船员操作的便利性。

六、结论

CCS《智能船舶规范》对于我国未来的智能船舶发展起到了非常好的导向作用，从规范出发，我们可以看到智能船舶今后的发展方向。

随着船舶自动化程度的越来越高，必然会由量变引发质变，实现智能船舶的终极目标——无人船。

与传统船舶的机舱自动化设计相比，智能机舱在重要设备的状态监测方面要求更高，且需要在无人机舱的基础上进一步实现辅助决策功能。

这是船舶智能化发展的必经之路，也是智能船舶感知学习能力、诊断分析能力以及自主响应能力的主要体现。