某舊船機(jī)艙智能化改造方案研究

楊海婷 陳順洪 陳萬宏 李興宇

摘? ? 要：智能船舶是未來發(fā)展方向，智能機(jī)艙是智能船舶的重要組成部分。對于較早設(shè)計建造的船舶，機(jī)艙自動化水平較低，針對《智能船舶規(guī)范》對智能機(jī)艙的要求，分析某舊船機(jī)艙智能化改造的技術(shù)可行性，并給出初步智能化改造方案，可為現(xiàn)有船舶機(jī)艙智能化改造提供參考。改造后智能機(jī)艙能夠?yàn)楣芾砣藛T提供更多的信息和數(shù)據(jù)，為設(shè)備與系統(tǒng)的使用、操作和控制等提供支持。

關(guān)鍵詞：智能船舶；智能機(jī)艙；智能化改造；狀態(tài)監(jiān)測

中圖分類號：U664.82 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Research on Intelligent Transformation of Existing Ship's Engine Room

YANG Haiting1，? CHEN Shunhong2，? CHEN Wanhong2，? LI Xingyu2

（ 1. The Military Representative Office of the Naval Department in Guangzhou，? Guangzhou 510656，

2. Guangzhou Marine Engineering Corporation，? Guangzhou? 510250 ）

Abstract： Intelligent ship is the future direction of development， and intelligent engine room is an important part of intelligent ship. For the ships designed and built earlier， the engine room automation level is low. According to the requirements of intelligent engine room in the latest Code for Intelligent Ships， the technical feasibility of intelligent transformation of an existing ship's engine room is analyzed， and the preliminary intelligent transformation scheme and the intelligent level that can be achieved after the transformation are given. After the transformation， the intelligent cabin can provide more information and data for managers， and provide support for the use， operation and control of equipment and systems. It can provide reference for the engine- room intelligent transformation of the existing ships.

Key words： Intelligent Ship;? Intelligent Engine Room;? Intelligent Transformation;? Condition Monitoring

1? ? ?前言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，信息化、智能化技術(shù)已在越來越多領(lǐng)域得到發(fā)展和應(yīng)用。智能船舶的發(fā)展呈加速趨勢，逐漸成為世界各個造船強(qiáng)國的主要研究方向。韓國、日本、歐洲等傳統(tǒng)船舶制造強(qiáng)國都在積極發(fā)展智能船舶技術(shù)[1-3]，這一趨勢的發(fā)展也導(dǎo)致船舶設(shè)計制造領(lǐng)域的技術(shù)革命[4]。

中國船級社基于近年來的研究成果和充分借鑒國內(nèi)外有關(guān)智能船舶的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，并考慮未來船舶智能化發(fā)展方向的基礎(chǔ)上，于2015年12月1日首次對外公布了《智能船舶規(guī)范》。該規(guī)范將智能船舶分為6大功能模塊：智能航行、智能船體、智能機(jī)艙、智能能效管理、智能貨物管理和智能集成平臺[5]。2020年3月1日，發(fā)布了《智能船舶規(guī)范（2020年版）》，相比于2015年版，新版本增加了遠(yuǎn)程控制操作和自主操作功能。

智能船舶包含智能航行和智能平臺等多項(xiàng)功能[6]。其中：智能航行是智能船舶面向外部功能，是依靠智能技術(shù)解決航行過程中船舶與外部環(huán)境的矛盾關(guān)系，即船舶運(yùn)動的控制；而智能船體、智能機(jī)艙、智能能效管理、智能貨物管理及集成平臺等，主要是面向內(nèi)部的功能，是船舶內(nèi)部運(yùn)行控制[7]。作為船舶主輔機(jī)的主要布置場所，機(jī)艙堪稱船舶心臟[8]，機(jī)艙智能化是實(shí)現(xiàn)船舶智能化的核心與關(guān)鍵[9，10]。

本文參照《智能船舶規(guī)范》（2020）對于智能機(jī)艙的要求，重點(diǎn)解決智能船舶內(nèi)部功能問題。結(jié)合某舊船機(jī)艙內(nèi)系統(tǒng)和設(shè)備配置情況，對其機(jī)艙智能化改造技術(shù)方案及可行性進(jìn)行探討，為舊船機(jī)艙智能化改造提供參考。

2? ? 某舊船機(jī)艙現(xiàn)狀

某舊船采用雙機(jī)、雙噴水推進(jìn)裝置，推進(jìn)系統(tǒng)由船用高速柴油機(jī)、齒輪箱、軸系及噴水推進(jìn)裝置組成，配有2臺柴油發(fā)電機(jī)組。該船建造時間較早，全船自動化水平低，機(jī)艙未設(shè)置監(jiān)控室，未設(shè)置集中監(jiān)控系統(tǒng)，采取有人值班方式。

動力監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)有機(jī)旁和駕駛室2個控制站，可在機(jī)旁和駕駛室顯示主推進(jìn)裝置（主推進(jìn)柴油機(jī)、齒輪箱、推進(jìn)器及軸系）的轉(zhuǎn)速、燃油壓力、滑油溫度等主要運(yùn)行參數(shù)，當(dāng)燃油壓力、滑油溫度等參數(shù)異常時發(fā)出聲光報警；在駕駛室遠(yuǎn)程遙控實(shí)現(xiàn)主推進(jìn)機(jī)組起停、齒輪箱離合、緊急停車、安全保護(hù)等功能，實(shí)現(xiàn)對推進(jìn)器的舵角和倒航斗位置，以及主機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行遙控。

電站為半自動電站。柴油發(fā)電機(jī)組監(jiān)測報警系統(tǒng)，主要包含機(jī)旁控制儀表箱和駕駛室綜合報警板組成，柴油發(fā)電機(jī)組的起、停部位為機(jī)旁，并能在機(jī)旁控制儀表箱顯示報警信號和項(xiàng)目，駕駛室綜合報警板僅能在駕駛室發(fā)出綜合報警信號，無法顯示報警項(xiàng)目；配電板設(shè)半自動并車裝置；其他輔助設(shè)備（泵、閥）等，均為手動本地控制。

3? ? ?改造目標(biāo)

《智能船舶規(guī)范》第4章對智能機(jī)艙的功能要求為：“智能機(jī)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(jī)艙內(nèi)機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、健康狀況進(jìn)行分析和評估，用于機(jī)械設(shè)備操作決策和維護(hù)保養(yǎng)計劃的制定：

（1）對機(jī)艙內(nèi)主推進(jìn)裝置、柴油發(fā)電機(jī)組及其相關(guān)的設(shè)備與系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)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(jī)械設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和健康狀況進(jìn)行分析評估；

（3）根據(jù)分析與評估結(jié)果，提出合理建議，為設(shè)備與系統(tǒng)的使用、操作和控制、檢修、管理等方面的決策提供支持；

（4）主推進(jìn)裝置應(yīng)能由駕駛室控制站遠(yuǎn)程控制，機(jī)器處所包括機(jī)艙集控站（室）周期無人值班；

（5）無人值班周期內(nèi)，機(jī)艙內(nèi)的設(shè)備及系統(tǒng)能連續(xù)正常運(yùn)行。

除具備以上基本功能外，智能機(jī)艙還可基于設(shè)備與系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和健康狀況的分析和評估結(jié)果，制定相應(yīng)的維護(hù)保養(yǎng)計劃[11]，有效降低重大設(shè)備故障及惡性事件的發(fā)生，為船舶營運(yùn)降本增效[12]。

同時，根據(jù)中國船級社《智能船舶規(guī)范》的要求，申請智能機(jī)艙功能標(biāo)志M的船舶，應(yīng)符合如下條件：

（1）滿足CCS《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》第7篇AUT-0附加標(biāo)志的相關(guān)要求；

（2）設(shè)有用于狀態(tài)監(jiān)測、健康評估、輔助決策的相關(guān)系統(tǒng)及設(shè)備。

結(jié)合某舊船現(xiàn)有技術(shù)狀態(tài)和功能與規(guī)范對比分析，智能機(jī)艙的首要條件是實(shí)現(xiàn)AUT-0附加標(biāo)志的要求?！吨悄艽耙?guī)范》第4章對智能機(jī)艙第（1）、（4）和（5）項(xiàng)基本功能與申請《鋼制海船入級規(guī)范》第7篇自動化系統(tǒng)一致；第（2）和（3）項(xiàng)基本功能是實(shí)現(xiàn)基于狀態(tài)監(jiān)測進(jìn)行輔助決策。如果說AUT-0的機(jī)艙自動化要求實(shí)現(xiàn)船舶機(jī)艙無人值守，那么i-Ship M則是在無人機(jī)艙的基礎(chǔ)上賦予船舶機(jī)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(jī)艙無人化向全船智能化邁出的一大步。

4? ? 改造可行性分析

經(jīng)對某舊船主推進(jìn)柴油機(jī)、推進(jìn)器、齒輪箱、軸系、柴油發(fā)電機(jī)組和電站構(gòu)造和系統(tǒng)組成的評估分析，發(fā)現(xiàn)主推進(jìn)柴油機(jī)在設(shè)計時預(yù)留有部分傳感器接口，新增傳感器均能在機(jī)體和基座上找到安裝位置，可借助原有傳感器和新增傳感器對主推進(jìn)柴油機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，可根據(jù)歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)比較分析，結(jié)合相關(guān)算法進(jìn)行主推進(jìn)柴油機(jī)故障診斷[13-15]；推進(jìn)器、齒輪箱、軸系和柴油發(fā)電機(jī)組本體上未預(yù)留傳感器的接口，在機(jī)體上新增傳感器在技術(shù)和施工上存在難度，但在基座和相應(yīng)管路上增加傳感器在技術(shù)和施工上具備可行性；配電板上主開關(guān)、負(fù)載開關(guān)和半自動并車裝置改造或配電板整體更換均具備可行性。新增的主推進(jìn)監(jiān)控單元、推進(jìn)器監(jiān)控、柴油發(fā)電機(jī)組監(jiān)控單元和駕駛室綜合控制柜，均能在相應(yīng)艙室內(nèi)找到安裝位置，控制電纜和動力電纜的敷設(shè)施工難度不大。因此，該舊船主推進(jìn)裝置、柴油發(fā)電機(jī)組和電站智能化改造方案可行，不存在較大的技術(shù)風(fēng)險，但畢竟是舊船改造，對于設(shè)備加裝傳感器等改造內(nèi)容在規(guī)范適用和檢驗(yàn)方面，仍存在船檢對改裝方案的認(rèn)可、對規(guī)范的理解等方面問題，需要提前和中國船級社進(jìn)一步溝通。

5? ?初步改造方案

5.1? 主推進(jìn)裝置

5.1.1主推進(jìn)柴油機(jī)改造

某舊船每臺主推進(jìn)柴油機(jī)上設(shè)有燃油進(jìn)口壓力、泄漏傳感器，滑油溫度、壓力、濾器壓差傳感器、冷卻淡水出口溫度傳感器、膨脹水箱液位傳感器、海水出口壓力傳感器和增壓器前排氣溫度、轉(zhuǎn)速傳感器，通過上述傳感器將主推進(jìn)柴油機(jī)的主要運(yùn)行參數(shù)傳輸給機(jī)旁控制系統(tǒng)和駕駛室控制系統(tǒng)。

現(xiàn)有主推進(jìn)柴油機(jī)監(jiān)控、報警項(xiàng)目無法滿足CCS智能機(jī)艙規(guī)范的要求，需增加部分傳感器、主推進(jìn)柴油機(jī)監(jiān)測單元和駕駛室綜合控制柜，并對主推進(jìn)柴油機(jī)的機(jī)旁控制系統(tǒng)進(jìn)行升級改造，對主推進(jìn)柴油機(jī)各缸燃燒性能與燃燒室相關(guān)部件、摩擦部件、曲軸箱防爆性能和增壓器性能進(jìn)行監(jiān)測。新增傳感器類型及用途，見表1。

機(jī)旁控制系統(tǒng)在保留原有主推進(jìn)柴油機(jī)運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測的基礎(chǔ)上，增加對新增傳感器信號的收集、傳輸?shù)墓δ?；主推進(jìn)柴油機(jī)監(jiān)控單元接收、儲存主推進(jìn)柴油機(jī)機(jī)旁控制系統(tǒng)的信號，當(dāng)主推進(jìn)柴油機(jī)運(yùn)行參數(shù)異常時發(fā)出聲光報警，并對主推進(jìn)柴油機(jī)實(shí)施安全保護(hù)。駕駛室綜合控制柜，可對主推進(jìn)柴油機(jī)監(jiān)控單元的信息實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸。

5.1.2 齒輪箱改造

每臺齒輪箱上設(shè)有齒輪箱潤滑油溫度傳感器、齒輪箱工作油壓力傳感器和齒輪箱潤滑油壓力傳感口，能在機(jī)旁和駕駛室駕控臺對齒輪箱運(yùn)行狀態(tài)實(shí)施監(jiān)測，當(dāng)運(yùn)行參數(shù)異常時發(fā)出聲光報警?，F(xiàn)有齒輪箱監(jiān)控項(xiàng)目無法滿足CCS智能機(jī)艙規(guī)范的要求，需增加部分傳感器和監(jiān)測項(xiàng)目?？紤]齒輪箱箱體上沒有預(yù)留接口的事實(shí)，在齒輪箱安裝基座的前、后端各設(shè)2個振動傳感器，將振動傳感器和機(jī)旁監(jiān)測、報警的信號接入主推進(jìn)柴油機(jī)監(jiān)控單元和駕駛室綜合控制柜，可在機(jī)艙或駕駛室對齒輪箱的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測和記錄。

5.1.3推進(jìn)器改造

每套推進(jìn)器及其液壓泵站上設(shè)有液壓油溫度傳感器、液壓油壓力傳感器、滑油壓力傳感器、滑油流量傳感器、液壓油液位傳感器、舵角反饋傳感器和倒航斗角度反饋傳感器，可在機(jī)旁和駕駛室對推進(jìn)器的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測和操作，但推進(jìn)器的監(jiān)控報警項(xiàng)目仍較CCS智能機(jī)艙的要求有一定差異，需在每套推進(jìn)器上增加1個軸轉(zhuǎn)速傳感器、2個振動傳感器和1套推進(jìn)器監(jiān)測單元。軸轉(zhuǎn)速傳感器和振動傳感器結(jié)合一起使用時，可判斷推進(jìn)器內(nèi)是否有小木塊、水瓶等異物進(jìn)入，且能對噴水推進(jìn)器的空化狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時有效的監(jiān)測[16]。推進(jìn)器及液壓泵站的機(jī)旁監(jiān)測、報警信號及新增傳感器的信號接入推進(jìn)器監(jiān)測單元，并將相關(guān)信號傳輸至駕駛室的綜合控制柜。

改造后的主推進(jìn)裝置及其監(jiān)控系統(tǒng)，主要由表2所列設(shè)備組成。

5.2? ?柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組改造

某舊船柴油發(fā)電機(jī)組的起、?？刂泣c(diǎn)為機(jī)旁，機(jī)旁控制箱上設(shè)有可顯示柴油發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速、滑油溫度、冷卻水溫度、滑油壓力、淡水壓力、電流、電壓等參數(shù)，駕駛室設(shè)有發(fā)電機(jī)組綜合報警板，可在柴油發(fā)電機(jī)組故障時發(fā)出聲光報警信號，無法顯示具體報警項(xiàng)目?，F(xiàn)有柴油發(fā)電機(jī)組的配置無法滿足CCS智能機(jī)艙的要求，需增加部分傳感器，并對機(jī)旁控制系統(tǒng)進(jìn)行升級改造，以實(shí)現(xiàn)對發(fā)電柴油機(jī)各缸燃燒性能與燃燒室相關(guān)部件、摩擦部件、曲軸箱防爆性能和增壓器性能的監(jiān)測，并增加遙控起、停功能。

考慮到該舊船柴油發(fā)電機(jī)組構(gòu)造和系統(tǒng)的實(shí)際情況，在機(jī)體上增加監(jiān)測各缸燃燒性能與燃燒室相關(guān)部件、摩擦部件、曲軸箱防爆性能和增壓器性能的傳感器存在較大的技術(shù)風(fēng)險，施工難度較大。為此，在綜合考慮機(jī)體構(gòu)造及其配套系統(tǒng)管路的情況下，提出柴油發(fā)電機(jī)組及其監(jiān)控系統(tǒng)改造方案如下：在每臺柴油發(fā)電機(jī)組的排氣管上增設(shè)1個溫度傳感器；海水管上增設(shè)1個壓力傳感器；安裝基座上增設(shè)4個振動傳感器；根據(jù)新增傳感器信號傳輸要求，升級改造柴油發(fā)電機(jī)組機(jī)旁控制系統(tǒng)，在機(jī)艙設(shè)柴油發(fā)電機(jī)組監(jiān)測單元；結(jié)合電站自動改造，對柴油發(fā)電機(jī)組的燃油、冷卻水、排氣系統(tǒng)進(jìn)行升級改造，以實(shí)現(xiàn)電站和柴油發(fā)電機(jī)組自動切換；新增的振動傳感器、排氣溫度傳感器和海水壓力傳感器及柴油發(fā)電機(jī)組的原配傳感器，可對柴油發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，并將信號傳輸至機(jī)旁控制箱和柴油發(fā)電機(jī)組監(jiān)測單元，柴油發(fā)電機(jī)組監(jiān)測單元接收、儲存機(jī)旁控制箱傳輸來機(jī)組運(yùn)行信號，同時將信號傳輸至設(shè)在駕駛室的綜合控制柜。駕駛室的綜合控制柜接收來自柴油發(fā)電機(jī)組監(jiān)測單元的信號，并與儲存在綜合控制柜內(nèi)發(fā)電機(jī)組的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)比較，發(fā)現(xiàn)異常時發(fā)出聲光報警，并將報警信號傳輸至柴油發(fā)電機(jī)組監(jiān)測單元和柴油發(fā)電機(jī)組機(jī)旁控制箱，控制柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行降速、停機(jī)或柴油發(fā)電機(jī)組的切換，以實(shí)現(xiàn)柴油發(fā)電機(jī)組的安全保護(hù)。

5.3? ?配電板改造

現(xiàn)有配電板為手動分合閘形式，配電板內(nèi)設(shè)有半自動電站控制裝置，無法滿足AUT-0附加標(biāo)志的相關(guān)要求：在失電情況下，備用發(fā)電機(jī)組應(yīng)能自動起動，并自動連接至主配電板，因此需對配電板進(jìn)行改造，達(dá)到自動電站的功能。

具體改造項(xiàng)目如下：原船配電板整體換裝或部分換裝，主開關(guān)更換為電動操作型；原船半自動并車裝置更換為自動并車裝置，同時結(jié)合柴油發(fā)電機(jī)組智能化改造對機(jī)組機(jī)旁控制系統(tǒng)及相應(yīng)管路系統(tǒng)進(jìn)行智能改造，實(shí)現(xiàn)柴油發(fā)電機(jī)組自動并車和切換。

6? ? 結(jié)論

綜合以上對比分析，對于某舊船舶，由于主機(jī)、齒輪箱、軸系等重要設(shè)備規(guī)范要求的監(jiān)測項(xiàng)目受制于建造時的設(shè)備制造水平及設(shè)計要求，未安裝相關(guān)傳感器，改造難度較大。對于控制系統(tǒng)可通過改造滿足規(guī)范的要求。由于監(jiān)測范圍無法全部滿足規(guī)范的全部要求，對機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和健康狀態(tài)分析評估結(jié)果將產(chǎn)生一定影響。

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基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金委員會聯(lián)合基金項(xiàng)目（U214120082）。

作者簡介：楊海婷（1985-），女，工程師，主要從事裝備合同監(jiān)管工作。

陳順洪（1984-），男，高級工程師。主要從事船舶總體設(shè)計工作。

收稿日期：2023-04-04