楊海建,宋洋濤,王 楠

(南通中遠海運川崎船舶工程有限公司,江蘇 南通 226005)

0 引言

網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和智能控制技術(shù)的發(fā)展促進了船舶向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向發(fā)展[1]。船舶智能化系統(tǒng)的應(yīng)用:一方面提高了船舶運營及管理效率,如船岸互聯(lián)互通、設(shè)備維護、設(shè)備優(yōu)化、船舶運營統(tǒng)計分析等[2];另一方面利用船舶實際運行數(shù)據(jù)的反饋,能夠分析船舶運營性能、設(shè)備運行狀態(tài)等,從而優(yōu)化船舶設(shè)計。

根據(jù)中國船級社《智能船舶規(guī)范》(2020)規(guī)定,智能船舶系統(tǒng)的功能可分為智能能效、智能機艙等。國內(nèi)學(xué)者基于不同應(yīng)用方向?qū)χ悄艽跋到y(tǒng)功能進行了大量的研究。李林[3]以電子海圖系統(tǒng)為平臺,對AIS信息的解析及在電子海圖系統(tǒng)上的顯示進行了研究。王曉東等[4]基于船舶的樣本集,通過支持向量機模型算法,對船舶主機故障診斷預(yù)測進行了研究。鄧曉光[5]以集裝箱船為目標(biāo)船型,通過建模仿真分析了船舶航速與運營能耗的關(guān)系,用于指導(dǎo)優(yōu)化船舶航行速度,降低燃油消耗。

智能船舶系統(tǒng)正逐步應(yīng)用到實船項目中。目前相關(guān)研究大多是通過系統(tǒng)仿真技術(shù),對某一項智能化技術(shù)進行驗證分析,缺少從設(shè)計到實船應(yīng)用的綜合性分析和基于船廠角度的智能化應(yīng)用功能的設(shè)計。本文開發(fā)的智能船舶系統(tǒng)采用“1平臺+N應(yīng)用”的框架,基于實船設(shè)備配置和應(yīng)用功能需求,分別對系統(tǒng)架構(gòu)、數(shù)據(jù)采集傳輸、系統(tǒng)設(shè)計、功能應(yīng)用等方面進行了研究;并以某61 000 t散貨船為研究對象,實現(xiàn)了船舶營運數(shù)據(jù)的自動采集、傳輸和處理、運營狀態(tài)的實時監(jiān)測,以及船舶營運數(shù)據(jù)的分析;最后提出改善船舶運營及設(shè)計的有效措施。

1 智能應(yīng)用平臺設(shè)計

智能船舶系統(tǒng)設(shè)計主要考慮船端運營和岸端管理應(yīng)用,通過衛(wèi)星通信系統(tǒng)實現(xiàn)船端和岸端系統(tǒng)互聯(lián)互通。從船舶運營管理角度出發(fā),船舶智能化功能主要關(guān)注2個方面:提升船舶運營的管理效率和降低船舶運營的能耗?；诖?系統(tǒng)分為船端系統(tǒng)應(yīng)用平臺和岸端系統(tǒng)應(yīng)用平臺(見圖1)。

圖1 智能船舶系統(tǒng)功能模塊

船端系統(tǒng)平臺包含以下功能模塊:船舶能效監(jiān)測模塊,主要用于監(jiān)測船舶運行時的實時船舶能效營運指數(shù)(EEOI)值、單海里油耗等能效參數(shù);油耗監(jiān)測模塊,主要用于監(jiān)測當(dāng)前燃油存量、消耗量和各設(shè)備油耗狀態(tài);縱傾優(yōu)化功能,主要用于優(yōu)化船舶浮態(tài),降低船舶航行阻力,從而減少船舶油耗;主機性能評估模塊,主要用于監(jiān)測船舶主機各系統(tǒng)運行狀態(tài),對異常運行情況發(fā)出報警并提供維護建議;報告管理模塊,利用自動采集船舶設(shè)備運行參數(shù),定期向岸基指定位置發(fā)送報告信息。

岸端系統(tǒng)平臺包含以下功能模塊:遠程監(jiān)控模塊,主要用于實時監(jiān)測船舶設(shè)備運行狀態(tài),輔助岸基船隊運營管理;歷史數(shù)據(jù)模塊,主要用于分析一段時間內(nèi)的船舶航行、外部環(huán)境等數(shù)據(jù);性能分析模塊,通過對船舶長期運行數(shù)據(jù)的積累,分析船舶不同時期航行性能的變化。隨著船舶運營數(shù)據(jù)的積累,可通過岸端系統(tǒng)平臺分析船舶系統(tǒng)設(shè)計與實際運營的偏差,為改善船舶設(shè)計提供支撐。

2 數(shù)據(jù)采集與傳輸

根據(jù)上述功能設(shè)計,系統(tǒng)主要采集的導(dǎo)航設(shè)備信號和機艙設(shè)備信號見表1。

表1 設(shè)備信號清單

為了降低設(shè)備成本,系統(tǒng)設(shè)計考慮盡量重復(fù)利用現(xiàn)有傳感器數(shù)據(jù),從各處集中控制站中采集數(shù)據(jù)。61 000 t散貨船配置綜合導(dǎo)航系統(tǒng)、機艙監(jiān)測報警系統(tǒng)和主機控制系統(tǒng)。

綜合導(dǎo)航系統(tǒng)通過雷達集成所有導(dǎo)航設(shè)備數(shù)據(jù)并集中送出。該接口為RS422接口,采用IEC 61162-1通信協(xié)議。系統(tǒng)通過該接口既可以將內(nèi)部導(dǎo)航信號統(tǒng)一打包送出,又能形成有效的網(wǎng)絡(luò)隔離,防止外圍系統(tǒng)對船舶導(dǎo)航系統(tǒng)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)造成網(wǎng)絡(luò)威脅。系統(tǒng)采集網(wǎng)絡(luò)見圖2。

圖2 信號采集接線圖

主機控制系統(tǒng)內(nèi)部采集主機爆壓、壓縮壓力等重要燃燒參數(shù)。由于該系統(tǒng)本身與機艙監(jiān)測報警系統(tǒng)有數(shù)據(jù)交互,因此將主機控制系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)送入機艙監(jiān)測報警系統(tǒng),機艙監(jiān)測報警系統(tǒng)再將主機、發(fā)電機、鍋爐等設(shè)備的數(shù)據(jù)打包送出。各設(shè)備通信協(xié)議信息見表2。

表2 設(shè)備通信協(xié)議

IEC 61162標(biāo)準是船舶導(dǎo)航及無線電設(shè)備數(shù)字接口標(biāo)準,其中:IEC 61162-1/2是對串行接口通信標(biāo)準的規(guī)定,IEC 61162-450是對以太網(wǎng)通信的規(guī)定。串行通信協(xié)議中定義了不同信息對應(yīng)的固定通信語句,如VBW代表對水速度信息。VDO/VDM是用于傳送船舶自動識別系統(tǒng)信息的語句,包括自身船舶信息和周圍船舶信息。但是,通過IEC 61162-2標(biāo)準解析出的結(jié)果是封裝后的信息,需要根據(jù)ITU-RM.1371協(xié)議,經(jīng)過6位ASCII碼表轉(zhuǎn)換[2],才能解析出對應(yīng)的船舶信息。

電子海圖主要采集規(guī)劃好的航路信息。不同廠家采用的通信協(xié)議格式會有不同。本船電子海圖根據(jù)IEC 61162-450標(biāo)準UDP組播協(xié)議傳輸航路信息文件,文件格式為IEC 61174標(biāo)準中的XML格式,包含航路轉(zhuǎn)向點經(jīng)緯度信息及轉(zhuǎn)向等信息,見圖3。

圖3 航路信息

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

船端系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集箱、系統(tǒng)服務(wù)器和客戶端。數(shù)據(jù)采集箱包含信號轉(zhuǎn)換單元和網(wǎng)關(guān)防火墻,實現(xiàn)不同信號接口的轉(zhuǎn)換和內(nèi)外網(wǎng)絡(luò)的隔離。系統(tǒng)設(shè)計采用瀏覽器服務(wù)器(B/S)架構(gòu),服務(wù)器主要用于系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、存儲和功能應(yīng)用的計算?？蛻舳酥饕糜谙到y(tǒng)應(yīng)用的前端顯示和交互。同時,系統(tǒng)接入船舶局域網(wǎng),通過系統(tǒng)賬戶,在局域網(wǎng)內(nèi)部可隨時訪問智能船舶系統(tǒng),極大拓展了系統(tǒng)的靈活性。系統(tǒng)架構(gòu)見圖4。

圖4 智能船舶系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

3.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

智能船舶系統(tǒng)涉及大量的數(shù)據(jù)處理與分析。數(shù)據(jù)庫的設(shè)計既要滿足不同功能的需要,又要考慮大量數(shù)據(jù)處理時系統(tǒng)的響應(yīng)速度。同時,考慮到隨著技術(shù)的發(fā)展,新的智能應(yīng)用功能會不斷增加,所以數(shù)據(jù)庫的設(shè)計需要考慮系統(tǒng)的可配置性及功能的拓展性?；谝陨峡紤]數(shù)據(jù)庫表主要分為以下3類:

(1)原始數(shù)據(jù)表:用于保存實時采集的船舶運行數(shù)據(jù)。考慮到部分應(yīng)用對數(shù)據(jù)實時性、數(shù)據(jù)量的要求不同,按照存儲周期對原始數(shù)據(jù)表進行分類。根據(jù)功能及查詢時間長度,自動匹配到相應(yīng)的表中進行數(shù)據(jù)查詢。

(2)基礎(chǔ)參數(shù)表:保存船舶基礎(chǔ)參數(shù),包括船舶主要參數(shù)(艙容信息、船舶性能信息等)和設(shè)備參數(shù)(主機發(fā)電機油耗信息、輔機臺架試驗和海試運行數(shù)據(jù)等)。

(3)界面交互表:用于后臺計算與前端數(shù)據(jù)顯示的交互接口,根據(jù)不同功能頁面設(shè)置對應(yīng)的交互表。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 軟件結(jié)構(gòu)

4 數(shù)據(jù)應(yīng)用

4.1 能效監(jiān)測

船舶能耗直接關(guān)系到船舶的實際運營成本,始終是船東重點關(guān)注的內(nèi)容。本船主要能耗設(shè)備為主機、發(fā)電機和鍋爐。主機和發(fā)電機共用燃油供給系統(tǒng),在燃油總管和發(fā)電機燃油進出口管路上分別安裝體積式流量計。鍋爐為獨立燃油供給系統(tǒng),在燃油供給管路上安裝體積式流量計。

各能耗設(shè)備油耗計算公式如下:

MDG=(VDG-IN-VDG-OUT)ρ

MME=[VTOTAL-(VDG-IN-VDG-OUT)]ρ

MAB=VABρ

式中:MDG為發(fā)電機累計油耗;VDG-IN為發(fā)電機燃油管路入口流量;VDG-OUT為發(fā)電機燃油管路出口流量;ρ為燃油密度;MME為主機累計油耗;VTOTAL為公共燃油管路總流量;MAB為鍋爐累計油耗;VAB為鍋爐燃油管路總流量。

4.2 縱傾優(yōu)化

船舶縱傾的變化對船舶的阻力和推進性能有一定的影響,在實際航行過程中,采用最佳縱傾航行能夠有效降低船舶的營運能效[5]?？v傾優(yōu)化主要基于船舶實際航行性能數(shù)據(jù)庫,以最小主機功率為優(yōu)化目標(biāo),給出船舶最佳縱傾的建議。借助系統(tǒng)對航行數(shù)據(jù)的自動采集的優(yōu)勢,能夠?qū)Υ罅康暮叫袛?shù)據(jù)進行處理,在考慮氣象的前提下,獲得船舶在不同吃水、航速、縱傾條件下船舶需要消耗的主機功率,建立包含船舶吃水、速度、縱傾和功率的船舶運動模型數(shù)據(jù)庫,見圖6。系統(tǒng)根據(jù)船舶當(dāng)前吃水和設(shè)定航速給出縱傾優(yōu)化建議,以降低船舶的營運能效。

圖6 本船某航速下的船舶運動關(guān)系

4.3 主機性能分析

船舶主機是船舶最重要的設(shè)備,且系統(tǒng)復(fù)雜,參數(shù)眾多,一直以來是船舶維護管理的重中之重。系統(tǒng)首先根據(jù)主機試車、試航數(shù)據(jù)建立理論數(shù)據(jù)模型;在船舶運行當(dāng)中,實時監(jiān)測主機各系統(tǒng)運行參數(shù),并結(jié)合氣溫(環(huán)境溫度)、冷卻水溫度等環(huán)境參數(shù)將系統(tǒng)運行參數(shù)修正到理論模型相同條件下。當(dāng)實際運行數(shù)據(jù)與理論運行模型偏差超出閾值時,系統(tǒng)發(fā)出報警,同時結(jié)合專家知識庫,給出維護建議,見圖7。

圖7 主機性能分析

環(huán)境溫度及冷卻水溫度的修正公式如下:

Acorr=F(tmeas-tref)(K+Ameas)

式中:Acorr為修正值,分為環(huán)境溫度修正和冷卻水溫度修正;tmeas為測量得到的環(huán)境溫度及冷卻水溫度;tref為參考標(biāo)準下的環(huán)境溫度及冷卻水溫度;F為常量;K為常量;Ameas為實際的參數(shù)測量值,包括主機爆壓、壓縮壓力、掃氣壓力和排氣溫度。

4.4 性能分析及預(yù)測

在IMO強制的船舶營運碳排放強度(CII)評價體系下,將船舶劃分為A～E 5個等級。如果船舶的CII等級較差,船舶就必須進行相關(guān)的整改計劃,并且納入到船舶能效管理計劃(SEEMP)中。

系統(tǒng)能夠自動對船舶航行數(shù)據(jù)進行采集、處理及分析,實現(xiàn)對船舶航行性能的實時監(jiān)測,并對航行數(shù)據(jù)進行積累,形成船舶航行數(shù)據(jù)庫。在此基礎(chǔ)上,實時監(jiān)測船舶的CII等級。通過對氣象數(shù)據(jù)的解析,可以實現(xiàn)未來對CII等級的預(yù)測。當(dāng)CII等級較差時,可以提前采取相關(guān)措施,以提高船舶的年度CII等級。提高CII等級的措施包括塢修建議、縱傾優(yōu)化、航速優(yōu)化和航線優(yōu)化等。

以塢修建議為例,按照ISO 19030-2:2016中推薦的方法,本船經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后,排除了異常數(shù)據(jù)及外界因數(shù)對船舶性能分析的影響。通過數(shù)據(jù)擬合,對比當(dāng)前時間段船舶性能(如速度損失)與前一段時間的數(shù)據(jù),得到了速度損失的變化。船員可以根據(jù)分析結(jié)果及CII預(yù)測結(jié)果,合理安排塢修時間,以提高CII的等級。對于船舶設(shè)計者來說,船舶實際的營運性能是評價船舶設(shè)計優(yōu)劣最直觀的體現(xiàn)。通過本系統(tǒng),可以對船舶航行數(shù)據(jù)及分析結(jié)果進行積累及整合,由此了解船舶在不同吃水、航速、外界環(huán)境等條件下實際性能,并最終反饋到新船設(shè)計中。

5 結(jié)語

利用船舶智能化系統(tǒng),能夠?qū)Υ斑M行智能化輔助管理及智能能效分析。本文基于61 000 t散貨船闡述了船舶智能系統(tǒng)的設(shè)計思路、系統(tǒng)架構(gòu)和應(yīng)用功能等,開發(fā)了智能船舶管理平臺。研究表明:一方面通過船廠技術(shù)積累與信息技術(shù)的結(jié)合,可實現(xiàn)對船舶運營管理支持的延伸服務(wù);另一方面,利用船舶實際運行數(shù)據(jù)的反饋,可以優(yōu)化船型設(shè)計、設(shè)備選型等,實現(xiàn)船舶設(shè)計、運營、反饋優(yōu)化的良性循環(huán)。