《智能船舶規(guī)范》下的機艙智能化探究

龐 路 何沁園

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

引 言

隨著科學技術的不斷進步，越來越多的智能化、信息化技術走進了人們生活的各個領域，使人們對于設備智能化的要求也越來越高。早在2014年德國漢諾威工業(yè)博覽會上，“工業(yè)4.0”的概念就已經(jīng)開始受到廣泛關注?！肮I(yè)4.0”代表了繼工業(yè)機械化、工業(yè)電氣化、工業(yè)自動化之后的“第四次工業(yè)革命”，而工業(yè)“智能化”正是“工業(yè)4.0”的核心表現(xiàn)形式。在各個領域，“智能化”都是近年來技術發(fā)展的主要方向。在新一輪工業(yè)技術革命如火如荼的大背景下，船舶設計制造領域也正經(jīng)歷著技術變革，船舶“智能化”作為這場變革的重要一環(huán)，將使船舶設計從理念到方法產(chǎn)生質(zhì)的改變。

作為船舶主輔機的主要布置場所，機艙堪稱“船舶心臟”，其重要性不言而喻。在船舶設計制造領域，船舶自動化的推進和發(fā)展在很大程度上體現(xiàn)在機艙自動化程度提高上，各船級社的規(guī)范中，也對機艙自動化有著詳細的規(guī)定和要求。因此，“智能機艙”的實現(xiàn)可以說是在船舶智能化的進程中不可或缺的一個重要方面。

1 《智能船舶規(guī)范》簡介

《智能船舶規(guī)范》是基于中國船級社近年來的科技研究成果，并充分考慮國內(nèi)外有關智能船舶的應用經(jīng)驗和未來船泊智能化的發(fā)展方向編制而成的，于2015年12月1日第18屆中國國際海事會展期間對外發(fā)布，并于2016年3月1日起正式生效。［1］

《智能船舶規(guī)范》中規(guī)定：智能船舶系指利用傳感器、通信、物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等技術手段，自動感知和獲得船舶自身、海洋環(huán)境、物流、港口等方面的信息和數(shù)據(jù)，并基于計算機技術、自動控制技術和大數(shù)據(jù)處理和分析技術，在船舶航行、管理、維護保養(yǎng)、貨物運輸?shù)确矫鎸崿F(xiàn)智能化運行的船舶，以使船舶更加安全、更加環(huán)保、更加經(jīng)濟和更加可靠。［2-3］

《智能船舶規(guī)范》分智能航行、智能船體、智能機艙、智能能效管理、智能貨物管理和智能集成平臺等六個方面對智能船舶的功能進行描述。滿足智能船舶規(guī)范要求的船舶，可以獲得智能船舶附加標志“i-Ship（Nx， Hx， Mx， Ex， Cx， Ix）”，括號內(nèi)的字母是智能船舶的功能標志，分別對應上述智能船舶功能的六個方面。

《智能船舶規(guī)范》作為全球首部包含了智能船舶“設計—建造—運營”全周期的船級社規(guī)范，不但具有引領技術發(fā)展的現(xiàn)實意義，還將隨智能船舶技術的深入應用同步成長，不斷納入新的應用成果，完善并細化已有的技術要求。［4］

2 無人機艙與智能機艙

機艙自動化在船舶整體自動化設計當中始終占有重要的一席之地，究其歷史可追溯到20世紀60年代，為提高船舶動力裝置的運行可靠性、安全性和經(jīng)濟性，從而實現(xiàn)降低船舶運營成本、改善船舶管理人員工作條件等目的，機艙自動化系統(tǒng)得到大力發(fā)展。及至今日，隨著科學技術的飛速發(fā)展，新的設備以及自動化系統(tǒng)設計思路層出不窮，機艙自動化系統(tǒng)幾乎已經(jīng)成為現(xiàn)代船舶的“標配”。

一般來說，機艙自動化系統(tǒng)的組成分為以下四個方面：

（1）機艙檢測、報警、控制系統(tǒng)；

（2）主機和可調(diào)螺距螺旋槳的遙控系統(tǒng)；

（3）船舶電站自動化；

（4）輔鍋爐、其他機電設備的自動控制。

目前，在新船設計（尤其是工程用船以及海工項目）中越來越多被配置的動力定位系統(tǒng)，廣義上也可歸入自動化系統(tǒng)的范疇。［5］

在《智能船舶規(guī)范》中，各船級社都對機艙自動化提出具體要求?！朵撝坪４爰壱?guī)范》第7篇自動化系統(tǒng)中規(guī)定，對于不同自動化等級的船舶，可授予下列附加標志［6］：AUT-0為推進裝置由駕駛室控制站遙控，機器處所包括機艙集控站（室）周期無人值班；MCC為機艙集控站（室）有人值班對機電設備進行監(jiān)控；BRC為推進裝置由駕駛室控制站遙控，機器處所有人值班。

其中，AUT-0的自動化要求即為船舶無人機艙。滿足AUT-0要求的機艙自動化系統(tǒng)，采集并集中監(jiān)控來自船舶各個重要系統(tǒng)（如機艙監(jiān)測報警系統(tǒng)、功率管理系統(tǒng)、推進遙控系統(tǒng)、閥門遙控系統(tǒng)、液位測量系統(tǒng)、動力定位系統(tǒng)、主輔鍋爐、其他重要輔機等）的參數(shù)信息，保證主推進裝置、重要輔機、主輔鍋爐、電站以及其他主要機電設備在無人值班期間連續(xù)正常運行，并在所監(jiān)控的設備發(fā)生異常時對指定場所發(fā)出報警指示。

《智能船舶規(guī)范》第4章對智能機艙的功能要求為：“智能機艙能夠綜合利用狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)所獲得的各種信息和數(shù)據(jù)，對機艙內(nèi)機械設備的運行狀態(tài)、健康狀況進行分析和評估，用于機械設備操作決策和維護保養(yǎng)計劃的制定。”具體描述可分為以下四個方面［2］：

（1）對機艙內(nèi)的主推進發(fā)動機、輔助發(fā)電用發(fā)動機、軸系的運行狀態(tài)進行監(jiān)測。

（2）根據(jù)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)，對機械設備的運行狀態(tài)和健康狀況進行分析和評估。

（3）根據(jù)分析與評估結果，提出糾正建議，為船舶操作提供決策建議。

（4）除基本功能之外，智能機艙還可根據(jù)機械設備運行狀態(tài)和健康狀況的分析和評估結果，制定相應的視情維護計劃，作為智能機艙的補充功能。

值得注意的是，《智能船舶規(guī)范》要求申請智能機艙附加標志M的船舶，應符合如下條件［2］：

（1）滿足AUT-0附加標志相關要求；

（2）設有基于狀態(tài)監(jiān)測的輔助決策系統(tǒng)。

由此入手，我們可以得出智能船舶與傳統(tǒng)船舶的機艙自動化相比較的一個重要區(qū)別，即“設有基于狀態(tài)監(jiān)測的輔助決策系統(tǒng)”。

“輔助決策”指“依據(jù)機械設備運行狀態(tài)和健康狀況的分析與評估結果，提出糾正措施，為船舶操作提供決策建議”。［2］即具有輔助決策功能之后，智能機艙將能夠在不需要額外人為干預的情況下，根據(jù)系統(tǒng)所收集到的各設備運行狀態(tài)、參數(shù)信息作出狀況評估，并根據(jù)評估結果對船員的操作提出建議。

如果說“AUT-0”的機艙自動化要求實現(xiàn)船舶機艙無人值守，那么“i-Ship M”則是在無人機艙的基礎上賦予船舶機艙自我感知和自我思考的能力，是船舶智能化的重要一環(huán)，即由“機艙無人化”向“全船無人化”邁出的一大步。

3 機艙智能化思路探索

依托上文的對比分析可知，要實現(xiàn)智能機艙的規(guī)范要求，關鍵在于狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)和輔助決策系統(tǒng)的構建，狀態(tài)監(jiān)測是前提，輔助決策是目的。

在船舶設計自動化程度達到一定高度的今天，針對船舶各個系統(tǒng)、機電設備的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)已無軟硬件上的瓶頸限制，很多海工項目（如半潛打撈工程船等）在設計過程中均已加入狀態(tài)監(jiān)測的功能作為船舶自動化系統(tǒng)的補充?，F(xiàn)有的狀態(tài)監(jiān)測設備可以接收船體結構應力、船用電機、振動噪聲、船舶風機、空調(diào)、冷藏設備、閥門、液位、火警、照明等狀態(tài)信號，并加以集中顯示和控制。

圖1為獨立狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的簡要結構框圖。

圖1 獨立的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)結構框圖

輔助決策系統(tǒng)，可以說是當前各領域智能化的“敲門磚”，只有在自動化控制的基礎上加入輔助決策功能，才能使控制系統(tǒng)由自動化向智能化進行轉(zhuǎn)變。

該系統(tǒng)是以決策主題為重心，以信息智能處理技術為基礎，依托圍繞決策主題的數(shù)據(jù)庫和知識庫，為決策主題提供決策支持的系統(tǒng)。參考陸上智能變電站的報警信息輔助決策系統(tǒng)［7］，可以整理出用于船舶智能機艙輔助決策系統(tǒng)的基本結構。其主要組成部分有數(shù)據(jù)庫、知識庫、推理機和解釋器等幾部分，系統(tǒng)基本邏輯構架如圖2所示。

圖2 輔助決策系統(tǒng)基本邏輯結構

在船舶智能機艙設計中，輔助決策功能的決策主題即“船舶操作”，即在發(fā)生設備故障報警的情況下對船員操作提出輔助建議。決策輸入來源有兩處：數(shù)據(jù)庫來自于狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，存儲并反映當前受監(jiān)測設備的實時狀態(tài)信息；而設備異常信息則主要由集成監(jiān)測報警控制系統(tǒng)（IAMCS）收集并提供。決策輸入的信息進入系統(tǒng)后，設備的當前狀態(tài)與知識庫中已有的各個主要設備典型異常情況進行比對，再結合設備異常報警信息，按照既定邏輯進行推理，將結論以處理建議報告的形式通過解釋器進行輸出。

另外，該輔助決策系統(tǒng)一定是開放式的，在使用過程當中可以通過網(wǎng)絡對知識庫中的設備典型樣本以及異常狀況處理方式進行擴充，同時還具有遠程通訊的接口，在有需要的情況下使用岸基支持的方法對設備的故障處理及操作方式進行“遠程專家會診”。

4 智能機艙系統(tǒng)設計探究

現(xiàn)以某半潛打撈工程船為例，結合輔助決策系統(tǒng)設計，對智能機艙的自動化系統(tǒng)設計進行探究。

4.1 船舶自動化相關概況

本船為一艘具有動力定位DP-2能力，采用電力驅(qū)動的自航半潛打撈工程船，可在無限航區(qū)航行及作業(yè)。自動化系統(tǒng)滿足CCS船級社對無人機艙（AUT-0）及動力定位DP-2等級的相關要求。

本船自動化系統(tǒng)包括集成監(jiān)測報警控制系統(tǒng)（IAMCS）、推進遙控系統(tǒng)（TCS）、DP-2控制系統(tǒng)、壓載閥門遙控及液位監(jiān)測系統(tǒng)（VRLMS），各系統(tǒng)基于計算機和網(wǎng)絡搭建，并根據(jù)船級社的要求設有必要的冗余。

集成監(jiān)測報警控制系統(tǒng)為船上所有重要設備提供一套基于計算機的、分布式的綜合報警、監(jiān)測及控制系統(tǒng)。

壓載閥門遙控及液位監(jiān)測系統(tǒng)能對全傳壓載系統(tǒng)進行控制、監(jiān)測與報警，對船體撓度值進行實時監(jiān)測與報警，并模擬裝載狀態(tài)。

推進遙控系統(tǒng)獨立于集成監(jiān)測報警控制系統(tǒng)，為每個推進器設置一套獨立的推進遙控和安全系統(tǒng)。

DP-2控制系統(tǒng)高度綜合動力系統(tǒng)、推進器系統(tǒng)、測量系統(tǒng)及動力定位控制系統(tǒng)。在系統(tǒng)出現(xiàn)單個故障時，可通過控制剩余推進器的推力和方向，在規(guī)定的環(huán)境條件下，使本船停留在設定的位置和首向上。

在本船無人機艙的自動化系統(tǒng)基礎上，要構建智能機艙系統(tǒng)，重點在于如何將“基于狀態(tài)監(jiān)測的輔助決策系統(tǒng)”融入其中。

4.2 輔助決策系統(tǒng)

就目前的半潛船設計要求來說，無人機艙自動化平臺的數(shù)據(jù)采集已經(jīng)具有一定的深度和廣度，船上各重要設備已經(jīng)有相當大規(guī)模的狀態(tài)信息被采集并監(jiān)控，完全可以作為輔助決策系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫構建藍本，加入其余與機艙相關的系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控信息，構建輔助決策系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫，如圖3所示。

圖3 輔助決策系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫構成

數(shù)據(jù)庫集中監(jiān)測并存儲主推進系統(tǒng)（包括相關軸系、管系、冷卻等裝置）、船舶電站（包括發(fā)電、供電裝置）、閥門液位、空調(diào)冷藏裝置、風機泵組等輔助設備、火災報警系統(tǒng)、防火門等機艙相關設備及系統(tǒng)的狀態(tài)信息。數(shù)據(jù)庫中的狀態(tài)信息應包括設備的靜態(tài)配置狀態(tài)數(shù)據(jù)以及實時監(jiān)測的變化狀態(tài)數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)庫應具有一定量的存儲空間，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行存儲備份，保證在需要時可以進行回放和顯示。

輔助決策系統(tǒng)的知識庫，是集合了對船舶各系統(tǒng)的理論分析以及實際工程經(jīng)驗，通過分類歸納和總結形成的，其內(nèi)容源于規(guī)范以及經(jīng)驗總結。知識庫的存儲內(nèi)容應包括設備現(xiàn)象、類型、原因、處理方式等幾個方面，存儲結構選用表格式，在系統(tǒng)接收到設備狀態(tài)信息后進行查找比對，為系統(tǒng)進行智能化邏輯推理提供論據(jù)。

表1 輔助決策系統(tǒng)知識庫存儲結構示例

基于數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)支持以及知識庫的分類梳理，輔助決策系統(tǒng)即可結合由集成監(jiān)測報警系統(tǒng)中提取的異常/事故報警信息對人員操作、故障處理進行輔助建議。其基本結構圖如圖4所示。

圖4 輔助決策系統(tǒng)

4.3 智能機艙自動化的實現(xiàn)

在本半潛船中增設自動化中心機柜，在自動化服務器中安裝輔助決策系統(tǒng)并為所有狀態(tài)數(shù)據(jù)提供存儲備份空間。機柜留有遠程診斷接口，可在需要時增加岸基支持功能。將該自動化中心機柜通過雙冗余高速工業(yè)以太網(wǎng)與原船自動化系統(tǒng)整合起來，即可形成集中監(jiān)控輔助平臺，完成對智能機艙功能的實現(xiàn)。

此外，還可利用機艙視頻實時監(jiān)控，實現(xiàn)現(xiàn)場觀察和遠程操作的結合，并通過設置無線路由器的形式提供盡可能多的延伸顯示位置，提高船員操作的便利性。

5 結 論

CCS《智能船舶規(guī)范》對于我國未來的智能船舶發(fā)展起到了非常好的導向作用，從規(guī)范出發(fā)，我們可以看到智能船舶今后的發(fā)展方向。隨著船舶自動化程度的越來越高，必然會由量變引發(fā)質(zhì)變，實現(xiàn)智能船舶的終極目標——無人船。

與傳統(tǒng)船舶的機艙自動化設計相比，智能機艙在重要設備的狀態(tài)監(jiān)測方面要求更高，且需要在無人機艙的基礎上進一步實現(xiàn)輔助決策功能。這是船舶智能化發(fā)展的必經(jīng)之路，也是智能船舶感知學習能力、診斷分析能力以及自主響應能力的主要體現(xiàn)。

［參考文獻］

［1］殷非，楊照宇，王碩豐. 智能船舶發(fā)展綜述［C］//上海市船舶與海洋工程學會2016年學術年會電氣和自動化專場. 上海：上海市船舶與海洋工程學會，2016：1-6.［2］中國船級社. 智能船舶規(guī)范［S］. 2015.

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［4］龔瑞良，吉雨冠. 智能船舶技術和無人駕駛技術研究［J］. 船舶，2016（5）：82-87.

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［8］楊智強，歐陽樹林. 變電設備狀態(tài)檢修的輔助決策系統(tǒng)設計與實現(xiàn)研究［J］. 低碳技術，2016（11）：26-27.