某62m三用工作船智能系統(tǒng)設(shè)計

朱月平

摘 ? ?要：本文介紹某62m 三用工作船（AHTS）的智能系統(tǒng)設(shè)計。該智能系統(tǒng)滿足美國船級社（ABS）的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、機械健康監(jiān)測等智能功能要求。開展了針對AHTS的智能系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計和智能系統(tǒng)功能設(shè)計。數(shù)字化、智能化是智能船舶的發(fā)展趨勢，本文為后期相似船舶的設(shè)計和建造提供了可供參考的實例。

關(guān)鍵詞：AHTS；智能系統(tǒng)；數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；結(jié)構(gòu)監(jiān)測；機械監(jiān)測

中圖分類號：U674.98?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A

Design of Intelligent System for 62 m AHTS

Zhu Yueping

（ Jiangmen Hangtong Shipbuilding CO.， LTD of CCCC Fourth Harbor Engineering Co.， Ltd.， Jiangmen 529145 ）

Abstract： This paper briefly introduces the intelligent system of the 62 m AHTS . The intelligent system meets the requirements of the ABS Classification Society for data infrastructure， structural health monitoring and mechanical health monitoring functions. The intelligent system architecture design and intelligent system function design for the AHTS are carried out. Digitization and intelligence are the development trend of intelligent ships. The paper gives out an example for future similar vessels digital design and ship building.

Key words： AHTS; Intelligent system; Data basis; Structural monitoring; Mechanical monitoring

1 ? ? 前言

近年來，隨著人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，智能船舶也越來越引起業(yè)界的關(guān)注。三用工作船（AHTS）能對海洋平臺等大型結(jié)構(gòu)物進行遠洋拖航、起拋錨作業(yè)、對外消防、動力定位和供應(yīng)物資，在特定情況下還能用作緊急救援[3] 。本文參照美國船級社（ABS）發(fā)布的《船舶與海工設(shè)施智能功能指南》2022版的相關(guān)要求，完成對某62 m三用工作（AHTS）船的智能化設(shè)計，用以指導以后的AHTS智能化工程的具體實施。

2 ? ?船舶基本情況

三用工作船（AHTS）的三個主要功能：拖帶、起拋錨和供應(yīng)物資。AHTS是一種現(xiàn)代化、多用途、功能全、效果好的工作船舶類型，能有力地配合海上作業(yè)尤其是油氣平臺工作。為了響應(yīng)國家船舶數(shù)字化、智能化的發(fā)展戰(zhàn)略，提高AHTS的安全性和高效性，降低船員的勞動強度，方便船舶管理公司對船舶的實時監(jiān)控管理，結(jié)合對AHTS的營運經(jīng)驗以及大數(shù)據(jù)分析等人工智能技術(shù)，初步研究并形成AHTS的智能化設(shè)計方案。

某62 m三用工作船（AHTS），依據(jù)美國船級社（ABS）智能規(guī)范有關(guān)要求進行設(shè)計，船舶基本參數(shù)如下：

總長62 m

型寬16 m

型深6.2 m

吃水4.9 m

載重量1 500 t

航速12 kn

甲板裝貨能力500 t

推進功率2X2750 HP

系柱拉力不少于75 t

該船滿足美國船級社（ABS）的AMS、DPS-2、ACCU等符號要求，并具有良好的操縱性能，適應(yīng)惡劣天氣作業(yè)；配有大功率和大尺寸的拖纜機，適合深海作業(yè)；具有大面積的尾甲板，在拖輪連續(xù)拖航和拋起錨作業(yè)中能將錨、浮筒及其他設(shè)備存放于甲板，并進行相關(guān)操作；還存貯大量的淡水和燃油。

面對AHTS的拖航、拋起錨、主甲板運輸雜貨等作業(yè)要求，需要對船體結(jié)構(gòu)和機械設(shè)備的健康狀態(tài)進行監(jiān)測，從而保障船舶運行的安全性、可靠性，而針對這些需求的智能化系統(tǒng)是一種有效方案。

3 ? ?ABS智能功能要求

根據(jù)美國船級社（ABS）發(fā)布的《船舶與海工設(shè)施智能功能指南》（2022版本），智能功能可為船員和工作人員提供關(guān)鍵信息以輔助決策，其在船舶和海工設(shè)施上的應(yīng)用越來越普遍。智能功能用于支持船舶運營，通常包括船體結(jié)構(gòu)和機械健康監(jiān)視、資產(chǎn)效率監(jiān)測、操作績效管理以及船員協(xié)助等。按照該指南對安裝智能功能的船舶和海工設(shè)施提出的技術(shù)和檢驗要求，船舶可申請智能符號，分別是數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施符號SMART INF、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測符號SMART SHM、以及機械健康監(jiān)測符號SMART MHM。

3.1 ? 數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施SMART （INF）

數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施的目標，是通過預(yù)裝的硬件和軟件建立數(shù)據(jù)處理功能，以支持當前和未來可能的智能功能實現(xiàn)。具體包括：智能功能傳感器接口、船舶系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和通信、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)處理和分享、人機界面功能，其中數(shù)據(jù)處理和分析以及人機界面功能的功能特定于某些智能功能（如SHM和MHM），因此，數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施符號不包含這些部分。

3.2 ? 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測SMART （SHM）

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的目的，是為船舶所有人提供結(jié)構(gòu)健康評估，評估和預(yù)測結(jié)構(gòu)損傷，并為更安全和優(yōu)化的船舶操作、檢查和維修以及資產(chǎn)完整性管理提供決策支持。其特點是根據(jù)船舶特定環(huán)境、載荷、操作和最新的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，能夠評估結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)及預(yù)測結(jié)構(gòu)損傷。基于結(jié)構(gòu)健康評估和預(yù)測方法的準確性和可靠性水平，分為4級SMART （SHM Tier 1/2/3/4），逐級增強。

3.3 ? 機械健康監(jiān)測SMART （MHM）

機械健康監(jiān)測智能功能的目標，是為船東提供更好的船載機械和系統(tǒng)的健康狀態(tài)和運行條件評估。MHM用于支持船東的決策，以實現(xiàn)更安全、更可靠的操作、維護計劃和完整性管理。根據(jù)MHM功能的能力，這種決策支持的范圍可能從基本趨勢和異常檢測到故障模式診斷，甚至包括健康預(yù)測。其特點是：機械系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集和健康監(jiān)測能力、安裝傳感器獲得數(shù)據(jù)和實時健康監(jiān)測、利用環(huán)境和海洋氣象數(shù)據(jù)支持運營數(shù)據(jù)分析、基于數(shù)據(jù)驅(qū)動模型和算法來支持更好的決策。

MHM可以使用復(fù)雜的算法、機器學習和設(shè)備數(shù)據(jù)知識，以確定可持續(xù)服務(wù)的程度或維護要求。MHM按照其能力劃分為3級SMART （MHM Tier 1/2/3），分別是異常監(jiān)測、診斷和預(yù)測能力。

4 ? ?智能系統(tǒng)設(shè)計方案

船舶智能系統(tǒng)，可以采用人工智能技術(shù)自動監(jiān)測設(shè)備乃至船舶狀態(tài)，提供故障預(yù)警和輔助決策建議，從而保障設(shè)備、船舶、貨物和人員的安全。本船按照美國ABS的SMART （INF，SHM （TIER 1）， MHM（TIER 1）） 要求進行設(shè)計，分別建立全船的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施，對特殊載荷和操作的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，對機械系統(tǒng)和設(shè)備的異常情況監(jiān)測。

4.1 ? 智能系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

船舶智能系統(tǒng)按照平臺+應(yīng)用的架構(gòu)進行設(shè)計，分為4個層級：設(shè)備層、感知層、平臺層、應(yīng)用層。設(shè)備層是構(gòu)建船舶正常運行所需配置的設(shè)備系統(tǒng)及運行數(shù)據(jù)；感知層通過在船上部署傳感器，實現(xiàn)對船舶內(nèi)外部環(huán)境的充分感知；平臺層是智能系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)船端數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲、計算、分發(fā)和船岸通信，為智能應(yīng)用提供基礎(chǔ)模型庫和數(shù)據(jù)庫；應(yīng)用層對船舶數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)分析與挖掘，通過算法服務(wù)和智能分析，對業(yè)務(wù)應(yīng)用及輔助決策提供信息支撐。

（1）設(shè)備層

設(shè)備層是智能系統(tǒng)的船舶數(shù)據(jù)源，設(shè)備系統(tǒng)運行會產(chǎn)生原始數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)表征了設(shè)備的運行狀態(tài)，并通過感知層與智能系統(tǒng)建立連接，將數(shù)據(jù)反饋給智能系統(tǒng)。

（2）感知層

感知層是智能系統(tǒng)的基礎(chǔ)，支撐著整個智能系統(tǒng)的基本框架。通過傳感器對船舶所在的海洋環(huán)境、船舶周邊的物體狀況、船體自身狀況、機艙系統(tǒng)狀況、貨物及人員狀況形成感知數(shù)據(jù)。

（3）平臺層

平臺層是智能系統(tǒng)的數(shù)據(jù)層，實現(xiàn)全船數(shù)據(jù)的融合與轉(zhuǎn)發(fā)、平臺運用消息引擎和標準化的封裝手段，實現(xiàn)船端應(yīng)用系統(tǒng)的互聯(lián)互通，通過異構(gòu)系統(tǒng)、異構(gòu)數(shù)據(jù)、異構(gòu)協(xié)議之間的信息集成和數(shù)據(jù)交換實現(xiàn)信息共享，從而形成全船級的應(yīng)用平臺。

（4）應(yīng)用層

應(yīng)用層主要提供的各種智能應(yīng)用，根據(jù)采集到的關(guān)鍵運行數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析和挖掘，對業(yè)務(wù)應(yīng)用形成各類智能應(yīng)用軟件。ABS的智能功能SHM/MHM都與船舶功能、系統(tǒng)相對應(yīng)，如表1所示。

表1 ?智能功能系統(tǒng)對應(yīng)表

4.2 ? 智能系統(tǒng)功能設(shè)計

（1）數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施SMART （INF）

數(shù)據(jù)接口包括智能功能傳感器接口、船舶系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和通信、數(shù)據(jù)管理等。

① 智能功能傳感器接口

包括：主機、發(fā)電機、軸系等主要機械系統(tǒng)的壓力、溫度、振動等傳感器數(shù)據(jù)采集；特殊載荷結(jié)構(gòu)的應(yīng)力檢測傳感器數(shù)據(jù)采集。

② 船舶系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口

提供特定數(shù)量和類型的I/O接口，并與局域網(wǎng)和衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)連接。船舶系統(tǒng)包括：自動舵、電羅經(jīng)、雷達、測深儀、計程儀、風速風向儀等航行系統(tǒng)，AMS、液位遙測等機艙自動化系統(tǒng)；甲板機械系統(tǒng)等。

③ 數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和通信

外部網(wǎng)絡(luò)采用衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，通過VSAT實現(xiàn)基于數(shù)據(jù)輕量化的船岸雙向通信功能，采用MQTT通信協(xié)議進行數(shù)據(jù)通信；內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)采用有線網(wǎng)絡(luò)傳輸，通過船內(nèi)局域網(wǎng)系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、共享和分發(fā)，采用TCP/IP協(xié)議進行數(shù)據(jù)通信。

④ 數(shù)據(jù)管理

提供數(shù)據(jù)治理、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)同步來管理數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)存儲按數(shù)據(jù)類別、數(shù)據(jù)歸屬系統(tǒng)等依據(jù)進行分庫存儲，滿足6 000個信號點12個月存儲要求，建立支持決策、管理過程的數(shù)據(jù)集合，對數(shù)據(jù)庫進行安全、評估管理。

（2）結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測SMART （SHM ?TIER 1）

船體監(jiān)測及輔助決策系統(tǒng)，對船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力、船舶運動狀態(tài)、船舶裝載以及海況、航向、航速等數(shù)據(jù)進行采集、存儲、分析、顯示，當這些數(shù)據(jù)的變化超過預(yù)設(shè)臨界值時，該系統(tǒng)發(fā)出警告，并提供船舶操作的輔助決策。

① 系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測

根據(jù)本船特點選擇船舶安全相關(guān)的監(jiān)測參數(shù)，通常包括：總縱強度、結(jié)構(gòu)關(guān)鍵區(qū)域、船舶運動、船舶運動加速度、海況數(shù)據(jù)等；運用結(jié)構(gòu)強度分析技術(shù)，識別結(jié)構(gòu)關(guān)鍵區(qū)及重點監(jiān)測區(qū)，優(yōu)化傳感器測點布置及數(shù)量，以最優(yōu)布置方案保障系統(tǒng)的輔助決策準確高效。

② 輔助決策技術(shù)

根據(jù)船的拖航、拋起錨作業(yè)場景下的船體監(jiān)測參數(shù)需求，包括船舶運動、結(jié)構(gòu)應(yīng)力、航行參數(shù)等，提出不同場景模式下的船體總縱強度和局部強度的安全閾值設(shè)定標準，最終形成基于船體感知大數(shù)據(jù)下的輔助決策技術(shù)。

（3）機械健康監(jiān)測SMART （MHM ?TIER 1）

健康監(jiān)測系統(tǒng)是基于智能信息集成平臺的智能應(yīng)用，實現(xiàn)主機、柴油發(fā)電機組、軸系及輔助系統(tǒng)等設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測，評估設(shè)備的健康狀況，并為船舶操作提供輔助決策建議。

健康狀態(tài)評估提供對于主機、發(fā)電機、全回轉(zhuǎn)舵槳、推進軸、燃油滑油系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)的健康評估功能，直觀展示當前運行工況下的健康狀態(tài)以及偏離程度，并在發(fā)現(xiàn)異常情況時發(fā)出預(yù)警提醒。系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置了報警等級、篩選、查詢和管理報警工況等功能。

基于船舶全面狀態(tài)信息的智能感知（操控、機艙設(shè)備狀態(tài)、油料消耗等），利用機艙設(shè)備運行的數(shù)據(jù)挖掘與分析，實時評估設(shè)備當前狀態(tài)、提前發(fā)現(xiàn)故障隱患。

4.3 ? 智能系統(tǒng)工程設(shè)計

按照設(shè)備層、傳感器感知層、數(shù)據(jù)平臺層和交互應(yīng)用層，完成智能系統(tǒng)工程設(shè)計。

（1）基礎(chǔ)設(shè)施部署

將采集模塊、服務(wù)器、不間斷電源、網(wǎng)絡(luò)交換機、防火墻等設(shè)備安裝在一個機柜內(nèi)，并部署在船上設(shè)備間內(nèi)。

（2）結(jié)構(gòu)監(jiān)測部署

應(yīng)力傳感器感知船體應(yīng)力變化信息，部署在關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部位；按照應(yīng)力傳感器的分布區(qū)域配置信號采集模塊，匯集數(shù)據(jù)后發(fā)送給工作服務(wù)器進行數(shù)據(jù)處理。

（3）機械監(jiān)測部署

除了必要的溫度、壓力等傳感器外，在關(guān)鍵旋轉(zhuǎn)設(shè)備上安裝振動傳感器，并通過振動分析軟件實現(xiàn)設(shè)備的全天候狀態(tài)監(jiān)測。

5 ? ?結(jié)論

綜上所述，本船智能系統(tǒng)采用感知、平臺和應(yīng)用的架構(gòu)設(shè)計，滿足ABS的SMART （INF，SHM （TIER 1）、MHM（TIER 1）） 的相關(guān)要求，建立了全船數(shù)據(jù)收集、存儲、傳輸?shù)幕A(chǔ)設(shè)施；通過對拖航、拋起錨等作業(yè)工況的船體結(jié)構(gòu)進行監(jiān)測，實現(xiàn)船體結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測和健康評估；通過對推進系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、操舵系統(tǒng)、系泊系統(tǒng)等船舶系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測和健康狀態(tài)評估，確保設(shè)備運行安全、可靠；實現(xiàn)船舶作業(yè)場景的數(shù)據(jù)感知、結(jié)構(gòu)和設(shè)備安全監(jiān)測，提高了AHTS的作業(yè)能力、運行效率和安全保障技術(shù)水平。同時，作為油公司也能更好地了解為其服務(wù)的船舶的性能和狀態(tài)，更好地做好船舶的調(diào)配和管理。

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