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海上船舶智能机舱综述论文

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  关键词:船舶;智能机舱;智能化管控;石油化工

  1船舶智能机舱的概念

海上船舶智能机舱综述论文

  船舶智能机舱是指通过集成先进的传感器技术、监控系统、数据处理技术和智能算法,实现对船舶动力装置、推进系统、电力系统等关键设备的实时监测、控制和优化。他利用各种传感器收集设备运行数据,通过监控系统和数据处理技术进行数据分析和处理,运用智能算法进行决策和控制,从而提高设备的可靠性和安全性,降低运营成本,优化运行效率。

  1.1船舶智能机舱的相关技术

  1.1.1传感器技术

  传感器技术是实现船舶智能机舱的关键。通过部署各种传感器,实现对船舶各系统的实时监测和数据采集。

  1.1.2监控系统

  监控系统是船舶智能机舱的核心。通过监控系统,可以实现对船舶各系统的实时监控和数据分析。

  1.1.3智能算法

  智能算法通过运用各种智能算法,如神经网络、模糊控制等,实现对船舶各系统的优化和控制。

  1.1.4数据处理技术

  数据处理技术通过运用各种数据处理技术,如数据挖掘、模式识别等,实现对船舶各系统的故障预测

  和预警。

  1.2船舶智能机舱的优势

  1.2.1优化运行效率

  通过实时监控和数据分析,智能机舱可以预测设备的运行状态,提前发现潜在问题,从而优化设备的运行效率。

  1.2.2提高安全性

  智能机舱可以对船舶各系统进行实时监测和预警,及时发现潜在的安全隐患,提高船舶的安全性。

  1.2.3降低运营成本

  通过优化设备的运行效率和降低设备的故障率,智能机舱可以帮助船东降低运营成本。

  1.2.4提高决策效率

  通过实时监测和数据分析,智能机舱可以为船东提供准确的决策支持,提高决策效率。

  中国船级社(CCS)[1]于2023年3月颁布《智能船舶规范》(2023版),在规范中对智能船舶的设计与检验要求进行了具体细化,并按照船舶智能机场、自主操作、远程控制功能分别授予船舶功能标志。

  船舶通过利用智能机舱能综合状态监测装置,实时采集各种信息和数据,并对船舶机舱内的柴油机发电设备与配电系统的运行情况和实时状态进行监测、

  评估,为柴油机发电设备与配电系统的使用、控制和操作、维修及管理等方面提供决策支持。

  1.3船舶智能机舱的基本功能

  (1)对船舶机舱内相关柴油发电设备与配电系统运行状态进行监测;

  (2)采集状态监测数据,对柴油发电设备与配电系统的运行情况和实时状态进行监测、评估;

  (3)根据数据分析与评估结果,提出合理建议,为柴油机发电设备与配电系统的使用、控制和操作、维修及管理等方面提供决策支持;

  (4)发电系统控制室由远程控制,机舱集控站(室)可实现周期无人值班;

  (5)在无人值班周期内,机舱设备及配套系统应可以连续正常运行[2];

  (6)除上述的基本功能外,智能机舱还应基于设备与系统运行状态和使用情况分析和评估结果制定相应的设备维护保养计划,作为智能机舱的补充功能。

  2船舶机舱智能化管控对象范围

  在智能机舱离港期间[3],除了少量的人工远程干预外,机舱将长时间无人值守。为了适应多种特殊样式的动态需求,机舱设备需要具备以下能力:首先,能够实现预置静默、低噪反潜、高速机动、正面对抗等多种特殊样式的要求;其次,能够基于多任务进行能源高效自主调度和设备自主运行;再次,还能够全面自主感知机舱设备的运行状态,一旦发生异常情况如故障,能够自主识别并及时采取诊断措施,进行自主重构恢复或降级运行,这样可以确保机舱设备在最大限度上连续、可靠地工作;最后,若发生机舱火灾、浸水等舱室损害,机舱还需要具备一定程度的自主损管能力,即在无人状态下自主处理相应问题。

  这些任务的实现必然要求机舱智能化,能对机舱相关的关键系统与设备以及机舱自身损害状态进行综合管控。

  基于上述任务需求分析,机舱智能化综合管控的关键对象至少应包括5类:

  (1)动力系统,包括原电动机及其附属设备、轴系、齿轮箱、调距桨、推进器、控制动力源等。对于电力推进船舶,还应包括发电机、变频器、推进电机等;当配有侧推进器时,还应包括侧推进系统及其附属设备。

  (2)操纵系统,包括舵机装置、液压系统等。

  (3)电力系统,包括柴油发电机组、主配电板、配电柜、蓄电池、充放电系统、不间断电源、主干电缆等。

  (4)管网系统,包括燃油管路、滑油管路、海水管路、淡水管路、通风管路等管系,泵、电动机、阀件等。

  (5)其他系统,包括视频监视系统、结构监测设备、灭火系统、消防泵系统、遥控门系统等。

  3船舶机舱智能化能力目标设备

  3.1高可靠、高集成度、高智能化的机舱设备

  当前,机舱系统及其设备搭载的传感器数量和种类有限,仅能获取有限的状态信息[4]。为了实现更全面的状态感知,比如对油液质量监测的需求,必须通过外部安装接触式或非接触式的传感设备来扩展感知维度。然而,这种后期加装的传感器存在兼容性差、部署复杂等问题。另外,在恶劣的机舱环境下,外部加装的传感器易受到性能退化的影响,从而直接影响状态监测的准确性。此外,传统机舱设备设计的主要面向有人舰船,其结构松散、自动化程度低、控制精度差,如果继续使用这类机舱设备,则面临着无人化和智能化接口改造困难以及高昂的代价问题。因此,对于高可靠性、自持性和强交互需求的智能机舱,需要进行设备级优化设计,使其具备高度集成、封装优化以及智能交互的特点。即通过提高集成度来提升设备可靠性,通过封装优化来降低接口复杂度,并通过智能交互实现设备的自我感知和自主智能控制。

  3.2高可靠、基于冗余/简化的机舱系统重构设计

  机舱设备种类繁多、数量众多、环境复杂[5]。有人舰船通常会设置专门岗位来负责维护和修复舰船设备。而对于智能机舱来说,尽管舰员生活所需的机舱设备大幅减少,但系统的可靠性要求却更高。因此,需要综合考虑对机舱内的动力系统、电力系统、管网系统等进行冗余、简化等整体重构设计。具体做法包括缩短功能实现路径、增加功能冗余旁路、控制动力源电气化等,以减少故障概率、增加恢复路径,提高机舱的本质可靠性。在故障发生时,能够快速实现自我保护和自主隔离,将功能损失降到最低限度。

  3.3全面、准确的机舱整体运行态势智能感知能力

  为了及时、准确地掌握机舱运行状况,智能机舱必须具备全面的态势感知能力。通过设备主动上报和外置监测等手段,对关键设备、系统和机舱自身状态进行基本物理特征监测,包括振动参数、热力参数、声学参数、火灾探测信息、图像信息和管路泄漏等方面。机舱智能大脑可以部署在全舰任务控制系统的计算决策中心,并通过多种算法进行数据分析,包括数学机理模型、时域频域分析、专家系统、关联融合分析、故障模式识别、深度学习和支持向量机等。通过对监

  测数据进行预处理和特征提取,机舱智能大脑可以自主评估机舱运行状态的态势融合,预判重要设备的潜在故障趋势,并对已发生的故障进行诊断定位,实现机舱设备、系统和舱室的综合态势感知和认知分析。

  3.4自主、协调的机舱系统自主运维能力

  《智能船舶规范》(2020年)中,对智能机舱的要求是实现AUT-0,即要求实现周期性无人值守,并且单点故障不应影响其功能的实现,但对机舱的智能化自主运维,有进一步的要求[6]。首先,关键系统和设备需要具备较完备的自动控制能力。例如,重要设备如主机和辅助系统可以在没有人工干预的情况下自动启停,机舱温度可以根据工作状态自动调节,消防喷淋装置可以按顺序启停等。其次,机舱的智能大脑需要具备任务规划能力,可以根据任务切换、航姿调整等不同目标要求来执行机舱系统的任务规划,生成各种设备的控制指令,并自动地对机舱内的设备进行综合调度控制,以保证机舱系统的自主协调运行。当发生故障或预测到故障即将发生时,机舱的智能大脑应具备应急处理和自主决策的能力,可以根据预设的策略库、决策树等方式,自主地对故障节点进行重启、隔离或降额恢复,以最大程度地确保任务的连续性。

  为了安全性考虑,机舱系统还应配备应急控制系统,以便在紧急情况下可以通过全舰任务控制系统、岸基控制站等直接下达控制指令。

  3.5及时、有效的机舱自主损害管制能力

  智能机舱的航行和特殊任务中,可能会发生突发的火灾、浸水等损害风险。因此,智能机舱需要具备自主损害管制的能力,这是智能机舱实现智能化的重要特征之一。当机舱的态势感知系统通过综合分析图像、烟温火警、舱室温度和浸水报警等多维损管监测信息后判断出机舱正在遭受损害威胁时,智能机舱应该能够立即作出相应的损管决策,生成相应的损管方案,并启动机舱内的灭火系统、消防泵、舱底水阀、防火门和水密门等装置,协调并完成自主损害管制,及时控制损害情况的恶化。

  3.6实时、可靠的人机跨域协同管控能力

  航行期间,岸基和指挥舰等远程控制站需要通过外部通信系统实时、可靠地了解智能机舱的动态情况,并下达任务指令,必要时进行远程干预,以实现跨域的人机协同管控。

  重要的机舱监测数据和态势感知结果应该安全可信地发送至岸基控制站,供岸基控制站人员实时评估。同时,在船只靠港后,岸基人员还可以对存储的机

  舱历史数据进行二次离线深度分析。岸基控制站拥有最高的控制权限,可以根据任务需求,可靠且及时地向智能机舱任务控制系统下达特定任务指令,智能机舱根据指令进行任务规划和协调控制。必要时,控制站还可以直接对关键设备和系统进行人工远程操作。

  此外,控制站还需要具备良好且可靠的人机交互能力,例如构建基于机舱数字孪生技术的机舱可视化管控平台等。

  4船舶智能机舱的发展趋势和应用前景

  4.1船舶智能机舱的发展趋势

  传感器技术的创新与发展。随着科技的不断进步,新型的传感器技术将不断涌现,为智能机舱的发展提供更准确、更可靠的监测数据。

  云计算与大数据的应用。随着云计算和大数据技术的发展,未来的智能机舱将更加依赖于这些技术来实现对海量数据的处理和分析,以提供更准确、更及时的决策支持。

  人工智能与机器学习的应用。人工智能和机器学习技术的发展将推动智能机舱向更高层次发展。未来的智能机舱将更加依赖于这些技术来实现对设备故障的精准预测和预警。

  行业标准的制定和完善。随着智能机舱技术的不断发展,相关的行业标准也将不断制定和完善。这些标准将为智能机舱的设计、制造和应用提供指导和规范。

  网络安全与隐私保护。随着智能机舱技术的应用越来越广泛,网络安全和隐私保护问题也将越来越受到关注。未来的研究将更加注重如何提高智能机舱的网络安全性能和保护用户的隐私数据。

  4.2智能船舶机舱的应用前景

  提高船舶安全性。通过智能船舶机舱的实时监控和预警系统,可及时发现并排除机舱设备故障和潜在风险,降低事故发生风险,提高船舶和船员的安全性。

  提升运营效率。借助智能船舶机舱的自动化和数据分析能力,优化机舱设备的运行效率和维护计划,降低运营成本和停航时间,提高船舶运营的效益。

  保护环境减排。通过智能船舶机舱对能源的精细化管理和优化,减少燃油的消耗和环境污染物的排放,实现船舶运营的可持续发展和环境保护。

  推动航运业创新。智能船舶机舱作为航运业创新的重要一环,将为航运业的现代化转型和发展提供新的动力和机遇。

  5结语

  船舶智能机舱是船舶工业发展的重要趋势之一。他通过集成先进的传感器技术、监控系统、智能算法和数据处理技术,实现对船舶各系统的实时监测、控制和优化。随着技术的不断进步和应用范围的不断扩大,未来的船舶智能机舱将更加依赖于新型的传感器技术、云计算和大数据技术、人工智能和机器学习技术等来实现更高效、更安全、更经济的运行。同时,随着行业标准的制定和完善以及网络安全和隐私保护问题的关注度不断提高,船舶智能机舱的发展将迎来更加广阔的前景。

  参考文献:

  [1]中国船级社(CCS).智能船舶规范2023[S].北京:中国船级社(CCS),2023.

  [2]中国船级社(CCS).智能船舶规范2020[S].北京:中国船级社(CCS),2020.

  [3]郭晟江,郑庆国.智能船舶的轮机管理研究[J].船舶工程,2023,45(4):44-49,57.

  [4]杨海婷,陈顺洪,陈万宏,等.某旧船机舱智能化改造方案研究[J].广东造船,2023,42(3):55-58.

  [5]胡嘉.船舶机舱典型设备声发射故障诊断方法研究[D].武汉:武汉理工大学,2023.

  [6]李国祥,王海燕,陈晓东.基于数字孪生技术的船舶智能机舱[J].中国船检,2023(1):52-54.

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