李 磊，周 慶，夏討飯

(中遠海運重工有限公司，上海 200135)

0 引言

隨著大數(shù)據(jù)、智能終端、感知技術等高端技術的出現(xiàn)，以及航運企業(yè)對降低運營成本的迫切需求，船舶智能化已成為新時期船舶制造與航運領域的技術發(fā)展的重點方向。

64 000載重噸散貨船是散貨船市場上的主流船型，市場需求較大。何新宇等介紹了65 000載重噸散貨船的開發(fā)設計概況及主要特點。陳正敏等分析了61 000載重噸散貨船貨艙分艙布置對總縱彎矩的影響。張陳等介紹了67 000載重噸散貨船輪機系統(tǒng)的優(yōu)化設計方法。賈銳等介紹了智能船舶的概念、研究現(xiàn)狀和意義，分析了智能船舶應具備的系統(tǒng)配置。劉微等對國內(nèi)外智能船舶發(fā)展現(xiàn)狀進行系統(tǒng)分析與比較，為我國智能船舶的發(fā)展提出若干建議。張雷等介紹了基于現(xiàn)代網(wǎng)絡結構、船舶數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)共享和船舶數(shù)據(jù)二次分析的現(xiàn)代船舶智能系統(tǒng)的結構組成、系統(tǒng)分析和設計方法。李娜等根據(jù)中國船級社《智能船舶規(guī)范》中智能機艙入級符號的相關要求，研究了機艙主輔機等重大設備智能監(jiān)測設計方案與智能機艙監(jiān)測評估系統(tǒng)。

目前，智能系統(tǒng)在船舶上的應用已有成功的案例，但是從設計初期就將船舶設計與智能系統(tǒng)進行融合的方案較少。本文結合多艘64 000載重噸散貨船的建造經(jīng)驗，設計初期就融入智能“1+3”系統(tǒng)，通過優(yōu)化總體布置、型線和節(jié)能裝置，開發(fā)出了一艘具有市場競爭力的64 000載重噸智能散貨船。

1 設計概況

64 000載重噸智能散貨船用于運輸散裝煤、礦砂、糧食和鋼材等貨物，適用于無限航區(qū)。該船為平甲板、垂直船首、方艉船型，艏部設置艏樓。上甲板以下從艏部至艉部設有7道橫向水密艙壁，將全船分隔為艏尖艙、5個貨艙、機艙和艉尖艙。貨艙區(qū)域和機艙為單殼、雙層底；3號貨艙為風暴壓載艙。主機選用低速柴油機，位于艉部。

64 000載重噸智能散貨船主要參數(shù)如下：總長199.90 m，型寬32.26 m，型深18.90 m，結構吃水13.50 m，載重量(結構吃水)64 000 t，貨艙艙容78 000 m，壓載艙艙容18 000 m，重油艙艙容1 600 m，柴油艙艙容300 m，淡水艙艙容450 m，主機型號MAN B&W 6G50ME-C9.6 (Tier III)with HP-SCR。

2 總體布置方案設計

研發(fā)過程中，利用NAPA軟件開展船體建模、艙室容積計算、浮態(tài)評估、穩(wěn)性計算等工作，根據(jù)船舶的主要技術指標對設備和系統(tǒng)的參數(shù)進行論證和選型，不斷改進設計方案。為確保螺旋槳浸沒和駕駛室視域均能滿足要求，需要綜合調(diào)整全船布置。總布置方案進行了如下設計：

(1)降低上層建筑層高。雖然低于市場主流設計層高，不利于滿足視域要求，但是有利于減小空船重量，降低成本。

(2)反復驗證計算后，確定使視域和螺旋槳浸沒能夠同時滿足要求的最小的艉尖艙和艏尖艙艙容。

(3)取消雙層底內(nèi)的管隧，減輕船體結構重量。

(4)應急消防泵艙和應急海底閥箱布置在艉部，大大減少了管路長度。

(5)調(diào)整淡水艙和舵機艙區(qū)域的艙室劃分，降低滿足破艙穩(wěn)性要求的淡水艙的空氣管頭高度。

(6)優(yōu)化艙口蓋的設計，減輕艙口蓋的重量。

(7)主機和發(fā)電機均配置SCR裝置，滿足Tier III的排放控制標準。

(8)為有效控制空船重量和全船成本，主甲板僅設置1個甲板室。

(9)在滿足規(guī)范要求的前提下減少機艙配置風機的數(shù)量，使機艙布置更加靈活。

3 節(jié)能裝置設計

船舶的水動力節(jié)能裝置會改變艉部流場，以減少船舶阻力、提高推進效率。節(jié)能裝置根據(jù)安裝位置的不同分為2類：螺旋槳前方的為槳前節(jié)能裝置，包含前置預旋定子、前置預旋導輪、前置伴流補償導管等；螺旋槳后方的為槳后節(jié)能裝置，包含舵球、后置定子、消渦鰭等。

為了提高型線和節(jié)能裝置的性能及市場競爭力，64 000載重噸智能散貨船采用型線、槳、節(jié)能裝置一體化設計的技術，充分考慮這三者之間的相互影響。

本項目采用的節(jié)能裝置為前置伴流補償導管和舵球。針對開發(fā)的型線和節(jié)能裝置進行了一系列的水池試驗，包含不安裝節(jié)能裝置模型試驗、安裝前置伴流補償導管模型試驗、安裝前置伴流補償導管和舵球模型試驗。經(jīng)過試驗驗證，航速指標實現(xiàn)了預定的設計目標，證明了采用型線、槳、節(jié)能裝置一體化設計方法的可靠性。

4 智能系統(tǒng)設計

通過智能系統(tǒng)，船舶可以在以下方面實現(xiàn)營運船舶的節(jié)能效果。

(1)確定合理的航線和航速

根據(jù)實時的天氣和海況資料，推算出影響船舶航行的強風、高海浪區(qū)和低壓活動路徑，并結合船舶條件和航次要求，使船舶盡量避開大風浪區(qū)。合理配置各航段上的航速，充分利用順風、順浪、順流的有利因素，使得航行條件達到最佳。

(2)實時監(jiān)測機器設備的運營狀態(tài)

通過監(jiān)測，工作人員可以及時發(fā)現(xiàn)機器運行中存在的問題，使機器保持在最佳的工作狀態(tài)。

(3)合理配載

船舶在裝載量一定的情況下，若變化其縱傾，則船體水線長度、船體水下幾何形狀、浮心位置、浸水面積、進水角、去流角，以及船型的方形系數(shù)和水線面系數(shù)等都將發(fā)生變化。這些變化必然導致興波阻力、摩擦阻力及粘壓阻力等各阻力成分的改變，使船舶總阻力發(fā)生變化。不同縱傾所引起的船體艉部流場的變化將引起推進效率的改變，從而導致船-機-槳的配合隨之改變，并隨著船速不同而變化。在排水量及航速一定的情況下，必定存在一個最佳縱傾狀態(tài)，通過合理配載達到最佳縱傾狀態(tài)，可降低船舶阻力，實現(xiàn)節(jié)能減排。

智能船舶總體方案是基于工業(yè)以太網(wǎng)與工業(yè)現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡組合，將目前船上相互獨立的通導系統(tǒng)、機艙自動化系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、船岸交互系統(tǒng)、無線網(wǎng)絡系統(tǒng)、配載系統(tǒng)等集中連接到統(tǒng)一的網(wǎng)絡環(huán)境中，通過全船數(shù)據(jù)的收集，建立船舶數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)全船數(shù)據(jù)集中管理和信息共享。

本設計采用的智能“1+3”系統(tǒng)，包含集成平臺系統(tǒng)、智能機艙系統(tǒng)、智能航行系統(tǒng)和智能能效系統(tǒng)。智能航行、智能機艙、智能能效系統(tǒng)等是基于智能集成平臺進行分析和處理數(shù)據(jù)的，提供輔助決策功能。智能系統(tǒng)組成示意圖見圖1。

圖1 智能系統(tǒng)示意圖

4.1 集成平臺系統(tǒng)

將智能集成平臺網(wǎng)絡與原船舶局域網(wǎng)絡、功能子系統(tǒng)網(wǎng)絡進行整合，形成統(tǒng)一的網(wǎng)絡架構，通過以太網(wǎng)絡和工業(yè)總線網(wǎng)絡接口匯集船舶機電數(shù)據(jù)。上層管理網(wǎng)絡采用以太網(wǎng)結構，將監(jiān)測報警系統(tǒng)、配載系統(tǒng)等相對獨立的船舶機電子系統(tǒng)，以及管理終端納入統(tǒng)一的網(wǎng)絡環(huán)境中，管理人員通過桌面電腦或移動設備可以查看相關應用軟件信息。下層現(xiàn)場總線網(wǎng)由分區(qū)域的數(shù)據(jù)采集單元構成，實現(xiàn)對現(xiàn)場設備的數(shù)據(jù)監(jiān)測。

智能集成平臺的硬件主要包括防火墻、交換機、服務器和存儲設備等。集成平臺從物理安全、軟件安全、數(shù)據(jù)安全等多個層次對網(wǎng)絡系統(tǒng)的安全進行設計，保障船舶網(wǎng)絡信息處于安全狀態(tài)。

4.2 智能機艙系統(tǒng)

智能機艙系統(tǒng)通過智能集成平臺，對機艙監(jiān)測報警系統(tǒng)發(fā)送的主機、輔機和軸系的設備運行數(shù)據(jù)進行分析處理。此外，還增加了1套軸系的油液和振動監(jiān)測裝置。

智能機艙系統(tǒng)硬件組成主要包括：原船自帶傳感器設備及裝置、軸振動在線監(jiān)測裝置、艉軸滑油在線監(jiān)測裝置等。根據(jù)軟件的部署及操作部位，智能機艙系統(tǒng)軟件可以劃分為健康管理系統(tǒng)應用軟件、振動在線監(jiān)測裝置軟件和油液在線監(jiān)測裝置軟件等。振動在線監(jiān)測裝置軟件部署在軸振動在線監(jiān)測裝置中的數(shù)據(jù)采集儀，主要用來監(jiān)測中間軸承的振動情況。油液在線監(jiān)測裝置軟件部署在油液在線監(jiān)測箱內(nèi)，在線監(jiān)測艉軸滑油的質(zhì)量，包含水分、磨損顆粒、粘度等性能指標。

4.3 智能航行系統(tǒng)

智能航行系統(tǒng)提供全球氣象信息的下載，并借助岸基數(shù)據(jù)中心的支持，對船舶航路和航速進行設計和優(yōu)化。船端接收氣導服務優(yōu)化航路和航速推薦報告，進行航路格式轉換，氣導航路通過航路系統(tǒng)向綜合橋樓報警系統(tǒng)(IBS)的自動推送，與電子海圖(ECDIS)的信息集成，根據(jù)優(yōu)化設計后的航線、航速，指導船舶的駕駛。

智能航行系統(tǒng)主要設備包括：通導數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關、雷達海圖圖像采集網(wǎng)關、航路工作站、智能通信網(wǎng)關和船載智能移動氣象站。

4.4 智能能效系統(tǒng)

智能能效管理系統(tǒng)通過智能集成平臺對采集的機艙監(jiān)測報警系統(tǒng)、流量計和通導設備等數(shù)據(jù)進行分析處理，提供能效管理設備檢測及能效優(yōu)化輔助決策的服務。

智能能效系統(tǒng)軟件設計功能主要包括船舶能效智能監(jiān)測、能耗實時分析與智能評估、關鍵設備能效狀態(tài)評估及節(jié)能減排輔助決策等，為船舶提供監(jiān)測、分析、節(jié)能等服務，也為船東及船員提供系列管理工具，使船舶以更經(jīng)濟、更環(huán)保的方式運營。系統(tǒng)軟件配置需要輸入船舶主要設計參數(shù)，包括主尺度、水動力性能數(shù)據(jù)和主要耗能設備性能指標等。

5 結語

目前，世界各主流航運公司紛紛將其未來發(fā)展的重點轉移到提升其船隊運營效率和安全性上，以此在船舶市場低迷與長期運力過剩的情況下求得發(fā)展，而船舶智能化能為船舶提供更安全、更經(jīng)濟的解決方案。本文介紹了一型具有市場競爭力的64 000載重噸智能散貨船的總體設計方案，可以為智能散貨船的研發(fā)提供有益的探索和借鑒。