張 平，王五桂，金 頎，邱 誠

智能機艙技術陸上驗證平臺構建初探

張 平1，王五桂2，金 頎2，邱 誠2

（1. 海裝駐上海地區(qū)第八軍事代表室，上海 200011；2. 中國艦船研究設計中心，武漢 430064）

本文通過分析智能機艙技術的內涵和功能需求，并在艦船電力技術試驗室已有平臺和已形成能力的基礎上，提出智能機艙技術陸上驗證平臺硬件和軟件構建方案，為后續(xù)新增智能化模擬與控制的相關設備，為智能化船舶電力系統(tǒng)物理模擬試驗能力提供技術支撐。

智能機艙 陸上驗證平臺 硬件平臺和軟件平臺 管理

0 引言

隨著船舶噸位的增加，船舶機電設備也變得復雜。機電設備的使用、維護、保障成本，機電系統(tǒng)的安全性、可靠性要求都隨之提高。傳統(tǒng)的機電設備監(jiān)測主要包括主機監(jiān)測、發(fā)電機組監(jiān)測等，每個系統(tǒng)比較獨立，且采集的信息量、參數(shù)種類都較少，邏輯簡單、準確性低，甚至會出現(xiàn)漏檢和誤判。因此，對機電設備及系統(tǒng)的信息化、智能化、集成化的需求也越來越強烈[1]。隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)分析、人工智能等新興技術在各行各業(yè)中都得到了廣泛的應用。這些先進技術都可以過渡到船舶行業(yè)，輔助人工來優(yōu)化對船舶的運營和管理[2]。

目前船舶機電設備智能化相關技術的發(fā)展還在處在初期階段，尤其是在國內，中國船級社CCS在2015年底推出智能船舶規(guī)范，其中涉及機電設備的智能機艙部分只涉及到了主、輔機和軸系、齒輪箱等傳統(tǒng)設備。隨著船舶智能化的發(fā)展和新一代信息物理系統(tǒng)以及大數(shù)據(jù)技術的優(yōu)化升級，機艙智能化所涉及的范圍肯定會進一步擴大，電氣化設備也將會成為智能化機艙的重要組成部分，相關的如機艙綜合監(jiān)控、智能電機管理、以及綜合電力推進等系統(tǒng)也會被納入到相關的規(guī)范系統(tǒng)中[3]。通過研究智能機電監(jiān)測管理系統(tǒng)，為船舶機電設備智能化方面積累相關經驗，盡早進入智能船舶領域，提升自身競爭能力。

1 智能機艙技術的內涵

傳統(tǒng)船舶機艙自動化系統(tǒng)是集機艙動力系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)自動控制、監(jiān)測、報警等于一體化的監(jiān)控系統(tǒng)，主要由主機遙控、機艙監(jiān)測報警、電站管理、泵組控制等組成。各系統(tǒng)一般是單獨設計，維護管理相對獨立。

智能機艙是在原有自動化機艙發(fā)展的基礎上演變而來[4]。根據(jù)《智能船舶規(guī)范》中的定義，智能機艙是綜合利用狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)所獲得的各種信息和數(shù)據(jù)，對機艙內機械設備的運行狀態(tài)、健康狀況進行分析和評估，用于機械設備操作決策和維護保養(yǎng)計劃的制定?；竟δ馨▽C艙內的主推進發(fā)動機、輔助發(fā)電用發(fā)動機、軸系的運行狀態(tài)進行監(jiān)測；根據(jù)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)，對機械設備的運行狀態(tài)和健康狀況進行分析和評估；根據(jù)分析與評估結果，提出糾正建議，為船舶操作提供決策建議。

目前智能機艙技術在原有自動化機艙基礎上發(fā)展起來的，還在處在發(fā)展的初期階段。隨著船舶智能化的發(fā)展和新一代信息物理系統(tǒng)以及大數(shù)據(jù)技術的優(yōu)化升級，智能機艙技術將打破傳統(tǒng)各系統(tǒng)獨立運行模式，實現(xiàn)各系統(tǒng)設備之間有限互通，所涉及的范圍肯定會進一步擴大，電氣化設備也肯定會成為智能機艙的重要組成部分，相關的如機艙綜合監(jiān)控、智能電機管理、以及綜合電力推進等系統(tǒng)也會被納入到智能機艙的規(guī)范系統(tǒng)中，實現(xiàn)整體智能化管理。未來智能機艙技術也將融合綜合導航和環(huán)境感知系統(tǒng)，實現(xiàn)航行過程中自動診斷存在的故障，并能夠有效監(jiān)控船舶周圍及自身狀態(tài)，有效保障船舶的航行安全，還能夠有效節(jié)省經營成本[5]。智能機艙技術融合智能能效管理技術和智能航行操縱控制技術又將推動船舶無人駕駛的發(fā)展[6]。

2 智能機艙技術的功能需求

智能機艙由四個模塊，分別為：主機故障診斷分系統(tǒng)、電力系統(tǒng)故障診斷分系統(tǒng)、輔助設備故障診斷分系統(tǒng)、智能機艙管控分系統(tǒng)。

智能機艙內部網(wǎng)絡結構采用以太網(wǎng)，主機故障診斷分系統(tǒng)、電力系統(tǒng)故障診斷分系統(tǒng)、輔助設備故障診斷分系統(tǒng)、智能機艙管控分系統(tǒng)通過以太網(wǎng)接入，有效提高網(wǎng)絡可靠性。

主機故障診斷主要包括滑油油液在線監(jiān)測、主機振動監(jiān)測、主機主要輔助設備監(jiān)控、主機健康管理及輔助決策和提出主機的特征參數(shù)及決策建議等功能。

圖1 智能機艙總體構架

電力系統(tǒng)故障診斷主要包括推進鏈診斷、配電板診斷、旋轉設備診斷和綜合故障診斷等功能。

輔助設備模塊故障診斷主要包括輔助模塊及設備監(jiān)控、典型電機（泵組）故障預警及定位、模塊關聯(lián)性設備故障影響提示及輔助決策和故障預警、故障報警原因分析及故障排除建議等功能。

融合分析：智能機艙健康管理模塊根據(jù)采集到的主機診斷模塊、電力系統(tǒng)診斷模塊、輔助設備診斷模塊的實時數(shù)據(jù)，結合模塊間的相互關系，通過圖表形式聯(lián)合診斷設備故障。

工況設置：智能機艙軟件配置工況設置功能，用戶可根據(jù)實際工況選擇一般工況和特殊工況（鉆探時），特殊工況下軟件屏蔽健康管理功能，但仍然保留數(shù)據(jù)采集存儲功能，為后續(xù)特殊工況時的設備健康分析積累必要的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)管理：提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)存儲接口，智能機艙健康管理模塊獲取主機診斷模塊、電力系統(tǒng)診斷模塊、輔助設備診斷模塊的特征參數(shù)、故障信息、輔助決策建議，將數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲至智能機艙健康管理模塊數(shù)據(jù)庫中，方便模塊對歷史數(shù)據(jù)的有效保存和追溯。

用戶擴展：外部計算機可靈活擴展，用戶根據(jù)需求接入環(huán)網(wǎng)中，通過數(shù)據(jù)中心建立虛擬化服務，完成物理機擴展，所需物理機無任何配置要求，均可訪問智能機艙管理軟件。

3 智能機艙技術陸上驗證平臺構建

智能機艙技術是在柴油機、電力推進系統(tǒng)、機艙輔助設備常規(guī)狀態(tài)監(jiān)測的基礎上，通過新增相應的狀態(tài)監(jiān)測傳感器，信號采集裝置、軟件故障算法等手段擴展狀態(tài)監(jiān)測的廣度和深度，實現(xiàn)柴油機、電力推進系統(tǒng)、機艙輔助設備的狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、健康評估，并為船舶操作提供決策建議。各部分通過感知平臺建設、數(shù)據(jù)分析實現(xiàn)智能化機艙，為船員提供機艙狀態(tài)、健康情況、輔助決策，降低船員勞動強度，一定程度上提高本船運營效能。本文在船舶電力技術實驗室的基礎上構建智能機艙技術陸上驗證平臺。船舶電力技術實驗室已具備電力系統(tǒng)及關鍵設備研究及設計驗證能力，形成了較為完善的艦船電力系統(tǒng)仿真研究平臺、極端工況下艦船電力系統(tǒng)特性仿真研究平臺。在現(xiàn)有平臺能力的技術上，通過拓展智能機艙技術陸上驗證平臺的硬件和軟件平臺，可依托新一代智能船舶，新增智能化模擬與控制的相關設備，為智能化船舶電力系統(tǒng)物理模擬試驗能力提供技術支撐。

3.1 陸上驗證平臺硬件總體構架

1）云平臺內部采用兩臺光纖交換機，采用雙冗余，物理服務器之間通過交換機連接；

2）外部交換機采用四臺交換機部署全連接方式，外部設備通過外部交換機連接；

3）NAT路由器，機架式10G；

4）匯聚層網(wǎng)絡交換節(jié)點：萬兆智能網(wǎng)管三層交換機，至少16個10G SFP+光口，16個電口。支持IPv4 / IPv6路由，適合虛擬化、高可靠、高速度。2臺堆疊連接；

5）接入層網(wǎng)絡交換節(jié)點：千兆智能網(wǎng)管交換機（含萬兆上聯(lián)光模塊接口），至少24個1G電口；

6）數(shù)據(jù)終端：網(wǎng)絡支持100臺及以上的終端，終端由其他項目實現(xiàn)。

圖2 演示驗證系統(tǒng)硬件總體拓撲圖

3.2 陸上驗證平臺軟件總體構架

智能船舶集成平臺的總體軟件架構圖如圖3所示，圖4是集成平臺軟件的運行示意圖，各軟件通常運行在云平臺的不同的虛擬機中。其中數(shù)據(jù)庫是系統(tǒng)的核心節(jié)點，采用數(shù)據(jù)庫集群技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效可靠的存儲和管理。除系統(tǒng)軟件和數(shù)據(jù)庫以外，集成平臺軟件可以分為如下三類：

1）應用軟件。包括設備監(jiān)控及系統(tǒng)管理軟件。構建基于B/S架構的智能船舶監(jiān)控管理系統(tǒng)，接收數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中各種設備的狀態(tài)參數(shù)，并以多種展現(xiàn)形式將船舶的各項數(shù)據(jù)實時顯示在監(jiān)控界面上，以實現(xiàn)船舶運行狀況的監(jiān)測功能，并向用戶提供人機交互界面。

對于報警信息等安全級別較高的數(shù)據(jù)，通過WebSocket協(xié)議服務端與客戶端全雙工通信的機制實時地向監(jiān)控軟件推送，實現(xiàn)信息的及時顯示；對于需要遠程控制的部分設備，通OPCUAClient端實時與OPCUA Server端進行通信，實現(xiàn)對指定設備的控制功能。從而構成基于Web的、具有參數(shù)監(jiān)測和指令下發(fā)等功能的船舶信息集成管理系統(tǒng)。

軟件系統(tǒng)通過接口模塊將各類數(shù)據(jù)采集并處理后，形成統(tǒng)一的信息管理平臺，實現(xiàn)船舶監(jiān)控數(shù)據(jù)采集、顯示和船務管理等業(yè)務應用的綜合集成，并以B/S方式進行綜合信息發(fā)布。凡是接入船舶網(wǎng)絡中的移動設備或計算機，只需使用瀏覽器即可實現(xiàn)基于Web的船舶信息管理。

圖3 系統(tǒng)軟件總體架構

2）數(shù)據(jù)采集傳輸與入庫軟件。包括數(shù)據(jù)終端軟件和數(shù)據(jù)接口軟件。數(shù)據(jù)接口軟件作為OPCUAClient連接作為OPCUA Server的數(shù)據(jù)終端軟件，通過可靠的加密手段實時進行數(shù)據(jù)通信，數(shù)據(jù)接口軟件可進行數(shù)據(jù)的實時采集和入庫、歷史數(shù)據(jù)訪問、即時報警信息接收、設備控制等功能。運行在嵌入式PAC設備中的數(shù)據(jù)終端軟件對應各類不同的設備或傳感器，在現(xiàn)場采集各類參數(shù)和數(shù)據(jù)，將不同的數(shù)據(jù)協(xié)議轉成標準的OPCUA協(xié)議，向多個Client端實時可靠地發(fā)送數(shù)據(jù)。

3）服務中間件。提供上層應用的各種服務組件，包括統(tǒng)一用戶認證、系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交互、數(shù)據(jù)庫中間件、大數(shù)據(jù)分析等軟件。這些軟件通常以RESTful接口或程序庫的形式提供給上層軟件。

圖4 系統(tǒng)軟件示意圖

云計算平臺通過軟件手段將服務器集群池化，并進行統(tǒng)一管理和調度，對外提供具有可彈性伸縮、高可用、高安全等特性的服務。應用、Web、數(shù)據(jù)庫等服務器均可構建在不同的虛擬云服務器中，基于資源需求和業(yè)務優(yōu)先級實現(xiàn)虛擬機的靈活部署，以提高資源利用率，降低硬件采購成本，節(jié)能和節(jié)省空間。

4 結語

智能化是船舶發(fā)展的趨勢所在，目前已有數(shù)艘船舶根據(jù)CCS相關規(guī)范開展了機艙機電設備的智能化工作。隨著機艙機電設備高精度在線感知、實時健康狀態(tài)評估、專有系統(tǒng)知識庫、視情維護、故障預診斷技術研究越加深入，并在智能機艙技術陸上驗證平臺進行充分的驗證和迭代，將進一步構建機艙設備智能監(jiān)測及預診斷維護體系，未來可解決機艙設備壽命周期長、人工管理需求高等問題，將在更多型號中得到更深入的應用。

隨著科技的進步科學的發(fā)展，新的科學技術不斷涌現(xiàn)，艦船機艙的智能控制系統(tǒng)也在不斷完善。將物聯(lián)網(wǎng)技術應用在自動監(jiān)控網(wǎng)絡當中，可以實現(xiàn)遠程在線監(jiān)控，可以實時確定機艙設備的運行狀態(tài)，并且能夠在技術成熟的前提下，將所采集到的監(jiān)控數(shù)據(jù)存儲至終端，為后續(xù)應用夯實基礎。

[1] 羅華富, 王舒華. 物聯(lián)網(wǎng)在艦船機艙自動化監(jiān)控中的應用[J]. 艦船科學技術, 2020(42): 220-222.

[2] 王遠淵, 劉佳侖, 馬楓, 王興平, 嚴新平. 智能船舶遠程駕駛控制技術[J]. 中國艦船研究, 2021(16): 18-30.

[3] 劉微, 尚家發(fā). 智能船舶發(fā)展現(xiàn)狀及我國發(fā)展策略研究[J]. 艦船科學技術, 2017(21): 193-197.

[4] 陳弓. 基于大數(shù)據(jù)的智能船舶研究[J]. 江蘇船舶, 2018, 35(1): 1-3.

[5] 周志鳳, 黃嶸, 龔瑞良. 智能船舶的頂層規(guī)劃與體系架構[J]. 船舶, 2017(3).

[6] 梁云芳, 謝俊元, 陳虎等. 智能船舶的發(fā)展研究[A]. 紀念《船舶力學》創(chuàng)刊二十周年學術會議論文集[C], 無錫: 船舶力學, 2017, 650-197.

Study on the Construction of Onshore Verification Platform for Intelligent Engine Cabin Technology

Zhang Ping1, WangWugui2, Jin Qi2, Qiu Cheng2

（1. The Eighth Naval Military Representative Office in Shanghai District, Shanghai 200011, China; 2. China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China）

U665

A

1003-4862（2022）06-0037-04

2022-04-07

張平（1981-），男，工程師。研究方向：船舶電氣。E-mail: jq649875791@foxmail.com