智能船舶主要機(jī)電應(yīng)用技術(shù)分析

（四川交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610000）

隨著船舶自動(dòng)化程度的提高，人們?cè)絹?lái)越追求船舶智能化，期望自動(dòng)感知、主觀分析、智慧操作的船舶。因此，必須要把握智能船舶的相關(guān)技術(shù)，了解其主要機(jī)電的應(yīng)用技術(shù)，最終推動(dòng)船舶行業(yè)的快速發(fā)展。

1 智能船舶涵義界定

智能船舶運(yùn)用的是傳感、通信、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)手段，并通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、智能技術(shù)等對(duì)船舶自身、海洋環(huán)境、物流、港口等方面的信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)感知和獲取，推動(dòng)船舶航行、管理、維護(hù)保養(yǎng)、貨物運(yùn)輸?shù)确矫娴闹悄芑\(yùn)行，保證船舶運(yùn)行更加安全、環(huán)保、可靠。智能船舶具有感知的能力，可以對(duì)船舶自身和周圍環(huán)境信息進(jìn)行感知。而且具有記憶和思維能力，對(duì)于其自身感知的信息及管理知識(shí)進(jìn)行存儲(chǔ)，通過(guò)已有的知識(shí)來(lái)分析、計(jì)算、比較、判斷、聯(lián)想、決策信息。智能船舶還可以進(jìn)行學(xué)習(xí)和自適應(yīng)，其依賴的是專家知識(shí)、與環(huán)境的相互作用，通過(guò)學(xué)習(xí)積累知識(shí)對(duì)環(huán)境變化適應(yīng)。智能船舶可以對(duì)自身狀況和外部環(huán)境做出反應(yīng)，在形成決策后，為船岸人員提供指導(dǎo)，進(jìn)行船舶控制，所以具有行為決策能力。

2 智能船舶主要機(jī)電的應(yīng)用技術(shù)

（1）智能船舶技術(shù)研發(fā)策略。在智能船舶的技術(shù)研發(fā)中，需要進(jìn)行能效控制，對(duì)船舶能效進(jìn)行管理控制，所以要匯總分析能效指標(biāo)，改善航線設(shè)計(jì)、航速、船舶浮態(tài)、動(dòng)力設(shè)備等船舶能效因素，有效減少排放、提高能效。智能能效管理模塊由能效控制技術(shù)服務(wù)，船舶能效管理的輔助決策建議需要結(jié)合過(guò)信息感知技術(shù)采集和通信導(dǎo)航技術(shù)傳遞的船舶航行狀態(tài)、耗能狀況等信息進(jìn)行，綜合考慮航線特點(diǎn)、燃料消耗、經(jīng)濟(jì)效益等評(píng)估結(jié)果，在不同目標(biāo)下提供航速的優(yōu)化方案。根據(jù)航行水域交通流控制信息、前方航道船舶密度情況、公司船期信息、航道水流分布信息、航道航行難易信息，航線規(guī)劃技術(shù)可以智能實(shí)時(shí)為船舶選擇航道內(nèi)的位置和航道，通過(guò)優(yōu)化航線來(lái)實(shí)現(xiàn)安全高效、綠色環(huán)保。線性規(guī)劃方法、混合整數(shù)規(guī)劃模型、遺傳算法、模擬退火、粒子群優(yōu)化算法等都屬于目前常用的航線規(guī)劃方法。在智能航行模塊中航路設(shè)計(jì)和優(yōu)化依賴的就是航線規(guī)劃技術(shù)，船舶海上運(yùn)輸?shù)陌踩咝б浞职l(fā)揮航線計(jì)劃、航線監(jiān)控、自動(dòng)避碰等功能，有效縮短運(yùn)輸航程，降低燃料消耗。在智能船舶的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)中，判斷設(shè)備的穩(wěn)定狀態(tài)或惡化情況要結(jié)合監(jiān)測(cè)設(shè)備振動(dòng)發(fā)展趨勢(shì)等技術(shù)手段進(jìn)行。在船舶機(jī)械設(shè)備運(yùn)行中或基本不拆卸設(shè)備時(shí)，故障診斷技術(shù)可以對(duì)被診斷對(duì)象的狀態(tài)是的異常狀態(tài)或故障狀態(tài)進(jìn)行判斷，發(fā)現(xiàn)其劣化狀態(tài)下發(fā)生的部位或零部件，就故障產(chǎn)生原因進(jìn)行判斷，對(duì)狀態(tài)劣化的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)等等。目前智能船體和智能機(jī)艙兩大模塊中開(kāi)始應(yīng)用狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)，其運(yùn)用了采集數(shù)據(jù)結(jié)果，可以監(jiān)控全生命周期對(duì)船體、主機(jī)等關(guān)鍵配套，對(duì)使用情況進(jìn)行定量評(píng)估，根據(jù)輔助決策系統(tǒng)來(lái)保證船體和設(shè)備的安全性。如果船舶遇險(xiǎn)，遇險(xiǎn)預(yù)警救助技術(shù)就可以及時(shí)預(yù)警及求救，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警船舶的航行姿態(tài)，保證在船舶發(fā)生傾覆等突發(fā)情況時(shí)向監(jiān)控中心或周圍船舶自動(dòng)發(fā)出求救信號(hào)，為搜救人員和船舶前往遇難遇險(xiǎn)船舶開(kāi)展救助提供指引。

（2）大數(shù)據(jù)挖掘處理技術(shù)。智能船舶中要對(duì)實(shí)船進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集航速、航向、風(fēng)速、風(fēng)向、主機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩等交船試航測(cè)試的數(shù)據(jù)。在特定環(huán)境條件下，智能船舶就可以提供營(yíng)運(yùn)船舶長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的最全面數(shù)據(jù)。目前智能船舶的航行數(shù)據(jù)可以定時(shí)報(bào)送，每4h或6h由船上報(bào)送岸上。在營(yíng)運(yùn)監(jiān)測(cè)中，可以就航速、航向、吃水、風(fēng)浪流、水深水溫等海況環(huán)境、主輔機(jī)工作參數(shù)、轉(zhuǎn)速與扭矩、船舶駕駛、船舶位置、船舶運(yùn)動(dòng)等全部信息獲取。智能船舶可以進(jìn)行數(shù)據(jù)岸端有線傳輸，在船舶靠岸或靠碼頭時(shí)通過(guò)有線加密方式將數(shù)據(jù)發(fā)送到指定的岸端網(wǎng)絡(luò)信息平臺(tái)，也可以在移動(dòng)存儲(chǔ)介質(zhì)的船舶每個(gè)航次返回特定港口時(shí)交到岸上指定機(jī)構(gòu)。收集到數(shù)據(jù)后要進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)處理，并清洗船舶監(jiān)測(cè)中缺失和失真的數(shù)據(jù)。修改失真的船舶監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，要判斷失真數(shù)據(jù)，比如，結(jié)合船舶吃水的區(qū)間和范圍、數(shù)據(jù)的量級(jí)、數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)等等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的特性進(jìn)行。在發(fā)現(xiàn)其失真后，要運(yùn)用一定的數(shù)值方法對(duì)修補(bǔ)失真的值。而且海上航行船舶的信號(hào)會(huì)受到各種各樣的干擾，噪聲和震動(dòng)也會(huì)影響到監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的濾波。處理濾波時(shí)，可以運(yùn)用卡爾曼濾波、高斯濾波、中值濾波、均值濾波等多種方法，在船舶監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中主要運(yùn)用的還是卡爾曼濾波。

（3）船機(jī)信息感知技術(shù)。智能船舶可以對(duì)船機(jī)信息進(jìn)行感知，包括航道設(shè)施及水位狀態(tài)、船舶交通量、船舶密度等等。在感知包括航道設(shè)施及水位狀態(tài)時(shí)，可以在航道沿岸每隔兩公里左右設(shè)立監(jiān)控鐵塔，建立覆蓋整個(gè)航道的有線光纖基干網(wǎng)絡(luò)。以此為中心組成無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)，這一網(wǎng)絡(luò)由Zigbee技術(shù)構(gòu)成，使得整個(gè)航道臨岸區(qū)域都可以覆蓋無(wú)線傳感網(wǎng)。在航道兩岸的各種傳感設(shè)備中都可以部署，通過(guò)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)采集到的數(shù)據(jù)向最近的監(jiān)控鐵塔傳輸運(yùn)用的是無(wú)線方式，再由有線光纖基干網(wǎng)絡(luò)傳回指揮中心。這樣就可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感網(wǎng)覆蓋和傳感器熱插拔，也可以實(shí)時(shí)響頻聯(lián)動(dòng)航道兩岸的標(biāo)志標(biāo)牌的傾倒、移動(dòng)及被盜等情況。在感知船舶交通量時(shí)，需要系統(tǒng)分析計(jì)算模塊的支持，內(nèi)河航道船舶流量的有效監(jiān)控和計(jì)量依賴全天候激光傳感船舶交通量觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行，這樣內(nèi)河航道交通的數(shù)據(jù)才更加準(zhǔn)確。這一系統(tǒng)采集的全天候船舶交通流量數(shù)據(jù)可以提供給航道的整體分析和規(guī)劃依據(jù)。感知船舶密度，必須要通過(guò)系統(tǒng)來(lái)智能識(shí)別視頻圖像，并進(jìn)行計(jì)算機(jī)的統(tǒng)計(jì)和推演，得到船舶密度的漸近演變，對(duì)每一航段的船舶動(dòng)態(tài)密度進(jìn)行自動(dòng)分析。如果船舶密度增大到一定量，就必須要啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)警管理系統(tǒng)，通過(guò)航道擁堵預(yù)警信號(hào)來(lái)防止航道堵塞的干預(yù)監(jiān)管措施。對(duì)于發(fā)生突發(fā)事故的航道，及時(shí)提醒和告知船主可以通過(guò)船舶交通導(dǎo)流告示板進(jìn)行。

（4）無(wú)人船技術(shù)。智能船舶的控制系統(tǒng)直接影響著無(wú)人船航行的操縱性、經(jīng)濟(jì)性和安全性，所以測(cè)量中可以自動(dòng)控制無(wú)人船的航速與航向，保證無(wú)人船可以克服各種干擾，實(shí)現(xiàn)無(wú)人船的自動(dòng)穩(wěn)定地運(yùn)行，這是智能船舶中無(wú)人船自動(dòng)作業(yè)和自動(dòng)回歸的核心技術(shù)。在智能船舶中，無(wú)人船依據(jù)智能控制技術(shù)、螺旋槳的推力和舵機(jī)對(duì)航速和航向進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，可以自動(dòng)按照預(yù)先設(shè)定的航線進(jìn)行精準(zhǔn)的走線、換線及回歸等功能。而且無(wú)人船的關(guān)鍵技術(shù)還可以進(jìn)行多傳感器集成與數(shù)據(jù)融合，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離無(wú)線局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)通訊，進(jìn)行實(shí)時(shí)多?？刂萍夹g(shù)。比如，進(jìn)行多傳感器集成中，無(wú)人船設(shè)計(jì)的可兼容多傳感器的船載控制系統(tǒng)，結(jié)合不同的用戶需求都可以進(jìn)行靈活搭載GNSS接收機(jī)、測(cè)深儀、ADCP（聲學(xué)多普勒流速剖面儀）、電子羅盤(pán)、水質(zhì)采樣等多種傳感器設(shè)備。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著大數(shù)據(jù)、信息物理系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的快速發(fā)展，繼船舶自動(dòng)化、信息化后，船舶行業(yè)又開(kāi)始實(shí)現(xiàn)了智能化。這都離不開(kāi)電子技術(shù)、信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，所以越來(lái)越多的信息技術(shù)產(chǎn)品用于船舶設(shè)計(jì)，推動(dòng)了船舶由傳統(tǒng)的機(jī)電控制向網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化和自動(dòng)化的轉(zhuǎn)變。智能船舶是一種新型的船舶，其集多種自動(dòng)化系統(tǒng)為一體，具有多功能的綜合系統(tǒng)，使得船舶航行的安全性、經(jīng)濟(jì)性和管理效率大大提高。