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摘要：在海洋工程装备的大型化和恶劣海况下运输和安装双重需求下，半潜运载装备亟需提高智能化作业能力。为了提升传统半潜运载装备的智能化水平，对其智能船舶功能模块进行了全新的设计。针对半潜运载装备的船型特点分析和规划智能船舶功能的主要模块，完成了系统的总体方案设计。设计了智能集成平台，保障整体智能船舶系统的兼容性、可开发性及安全性；设计了智能机舱系统，实现机舱设备状态的实时监测和异常报警；设计了智能能效管理系统，实现船舶能耗的状态监测、优化预测及管理决策；设计了智能航行系统，提供路径规划、避碰避障等船舶驾驶辅助功能。实际应用结果证明了本文设计科学，应用效果良好，提升了半潜运载装备在航行、管理、维护保养、货物运输等各环节的智能化水平，降低了船舶管理难度、减少了人为误操作、提高了设备及船舶营运的安全、优化了船舶航行路径、控制了燃油消耗、降低了运行成本。
关键词：半潜运载装备；智能船舶；智能集成平台
Intelligent Ship Function Design for Semi-submersible Carrier Equipment
Cai Ruimou1，Cui Bin1,2，Hong Xiaobin2，Chen Yuanming2，Zhu Wanwu1
(1.Guangzhou Shipyard International Co.,Ltd.,Guangzhou 511462,China;
2.South China University of Technology,Guangzhou 510641,China)
Abstract:Under the two requirements of large-scale ocean engineering equipment,and transportation&installation under harsh sea conditions,semi-submersible carrier equipment urgently needs to improve its intelligent operation capability.In order to enhance the intelligence level of traditional semi-submersible carrier equipment,a new design was carried out for its intelligent ship function module.The overall scheme design of the system was completed by analyzing and planning the main modules of intelligent ship functions for the ship type characteristics of semi-submersible carrier equipment.an intelligent integration platform was designed to ensure the compatibility,exploitability,and safety of the overall intelligent ship system;an intelligent cabin system was designed to realize real-time monitoring and abnormal alarm of engine room equipment status;an intelligent energy efficiency management system was designed to realize status monitoring,optimization prediction,and management decision-making of ship energy consumption;an intelligent navigation system was designed to provide ship navigation auxiliary functions such as path planning,collision avoidance,and obstacle avoidance.The practical application result verifies that the design of this article is scientific.The intelligence level of semi-submersible carrier equipment is improved in various aspects such as navigation,management,maintenance,and cargo transportation,and the proposed design mitigates the difficulty of ship management,reduces human error operations,improves the safety of equipment and ship operation,lowers the ship's navigation path,controls fuel consumption,and reduces operating costs.
Key words:semi-submarine carrier equipment;intelligent ship;intelligent integration platform
0引言
智能船舶是具有自我学习、自我感知、规划、决策和控制等自组织能力的船舶[1]。近年来，欧美、日韩等国家在智能船舶方面开展了大量研究工作；与此同时，智能船舶领域也成为了国内的研究热点[2]。目前我国智能船舶相关技术多应用于小型船艇上，在大型船舶领域的智能船舶应用示范项目依然比较有限[3]。
船舶智能化已成为船舶制造必然趋势，半潜运载装备智能化设计顺应技术发展潮流，满足海洋工程装备大型化的需要，对于加快我国海洋开发具有重要意义。智能船舶涉及到船舶管理操作、设备运行控制、故障监测、设备运维、运营管理等多方面[4]，研制智能化半潜运载装备能极大地提高半潜运载装备的作业能力和保障航行安全，通过优化航线降低油耗能明显降低运营成本。
目前半潜运载装备智能化的发展方向主要是利用传感器、通信、物联网、互联网等技术手段，自动感知和获得船舶自身、海洋环境、物流、港口等方面的信息和数据，并基于计算机技术、自动控制技术、大数据处理和分析技术，在船舶航行、管理、维护保养、货物运输等方面实现智能化运行[5]。
本文针对半潜运载装备，对智能船舶功能的主要模块进行了分析和规划，完成了系统的总体方案设计，实现了智能监测、智能机舱、智能能效管理和智能航行等功能，在实际应用中效果良好。
1半潜运载装备智能船舶功能总体设计
半潜运载装备智能船舶功能主要有两大集成系统：一是自动监测与控制集成系统，包括全船指标监控、设备辅助控制、提前预警、功率优化、推进遥控、动力定位控制、装运载控制、阀门遥控、液位遥测、船载运动检测和预报系统等；二是智能集成平台，是船舶智能化的核心、全船的数据处理中心，接收所有数据并根据智能船舶系统需要通过数据分析预测产生有价值的新数据，实现智能化运营管理。自动监测与控制集成系统作为底层数据收集和自动控制系统，提供了全船的监测与控制功能，智能集成平台通过收集自动化测控集成系统及其他系统信息进行数据加工处理。图1为半潜运载装备智能船舶功能模块示意图，图2为对应的总体设计框图。
针对半潜船自动化系统信息点数多、控制对象多、控制逻辑复杂的特点，本文采用三层网络架构型式，分为管理控制层，协议转换层和现场采集控制层。通过明确各层网络的功能设定，各层信息相互隔离，有效控制各层网络负荷，保证系统通信的可靠性，避免受到无关信息的干扰。系统网络拓扑图如3所示。
2智能集成平台设计
2.1智能集成平台系统结构
智能集成平台是船舶实现智能化的关键，是智能船舶系统各项模块功能之间满足开放性、兼容性以及安全性要求的坚实基础[6-7]，是全船的数据处理中心，接收所有数据并将其标准化存储于数据库中，并根据智能船舶系统需要通过数据分析预测产生有价值的新数据，以实现对船舶的全面监控与智能化管理。智能集成平台由硬盘、CPU、内存、防火墙、数据服务器等组成，可为不同系统分配单独虚拟环境与运行资源。智能集成平台架构如图4所示。
2.2数据中心
数据中心在平台层实现数据收集、数据存储、数据处理、数据发布订阅、数据访问接口、数据报警等功能：
(1)数据存储模块把所有数据存储到本地数据库中，数据库分为两部分，实时数据由MySQL负责存储，历史数据库由MongoDB负责存储；
(2)数据处理模块提供数据处理与分析功能，包括异常数据剔除、数据量纲转换、数据分组、数据计算、数据检索分析等功能；
(3)数据发布订阅模块支持数据高并发收发功能，实现数据请求查询服务接口，实现请求-审核机制下的数据按需订阅功能；
(4)数据报警模块，每个设备的参数都有安全的界限，测量的数值若超出这个安全界限会激发报警效果，为航行、安全、经济性等相关指标提供综合预报预警；
(5)数据访问接口模块，提供数据共享接口，定制接口、文件服务、邮件服务等接口；
(6)音视频管理模块实现视频流数据解析，数据远程传输。
2.3智能机舱
智能机舱系统通过大数据、机器学习等手段，实现对机舱主要设备的视情维护功能[8-9]，提供实时工况下健康评估和偏离程度的直观显示，并对异常工况发出警告。
2.3.1健康状态监测工具
针对安全隐患和设备疲劳等问题，健康状态监测具体包括破坏趋势分析工具、零部件失效分析工具和缸内气压分析工具，有效了解设备性能与异常状态，并从以下几个方面给出评估。
(1)主发电机模块健康状态监测
综合整体健康状态监测、主发电机核心零部件健康状态监测、主发电机附属模块健康状态监测，当健康状态出现异常时发出决策提醒以及对决策的辅助建议。
(2)推进系统健康状态监测
推进系统健康状态监测具体包括推进系统电机整体性能状态监测、推进系统电机关键部件健康状态监测和辅助推进系统健康状态监测。
2.3.2异常状况处理
(1)异常状况智能分析与维护建议
该功能会在报警系统针对机舱设备情况发出报警后或健康状态监测系统发出预警后，展开异常状况智能分析，解析产生异常状况的原因和相关数据，同时自动查询专家知识库，提供设备维护建议。另一方面，随着设备异常状况处理经验的累积，自动迭代优化专家知识库。
(2)异常状况远程排查
实现船舶与岸基管理平台的数据交互系统，提供邮件收发功能，支持过往邮件记录与查询功能，为岸基管理平台提供异常状态远程排查接口。
2.3.3异常专家知识库维护
异常专家知识库中存储有以往异常事件、预警事件以及报警事件，具体记录包括事件类型、产生原因以及建议应对措施，同时提供可视化查询页面。可与岸基管理平台服务器实现数据同步。
2.3.4健康档案
健康档案可为日常轮机检查和管理提供高效支持，同时为全船提供快捷的图纸档案检索等功能。
2.3.5电子轮机日志
电子轮机日志是反映船舶机电设备运行和管理工作的原始记录，是船舶的法定文件之一。电子轮机日志最大程度地将设备运行情况和管理工作自动化和数字化，并且和传统工作模式结合，既可进行轮机日志信息的追溯，也可对自动采集的日志信息进行抄录，客观上保证了轮机日志的真实性和准确性。
2.4智能能效管理
在大型船舶领域，船舶的大型化导致减排压力不断增大，这种趋势带来了巨大挑战。特别是随着人们对自主性和智能系统的关注，优化能源管理将成为一个关键问题[10-11]。智能能效管理主要包括能效监测、能效分析、能效优化、滑失率分析和能效管理决策等功能。
2.4.1能效监测
宏观监测船舶总体能源消耗，重点监测主要能耗设备实时状态。能效监测设备可以分类、分级划分，主要如下：
(1)电力系统主要监测发电机组等设备，采集功率、燃油消耗、电压、电流、温度等数据。
(2)推进系统主要监测推进电机、推进变频器等设备，采集变频器输出电流、电压、频率、电机转速、转矩等数据。
(3)其他系统主要监测自主导航、锅炉等系统，采集船舶位置、航速、航向、吃水、纵横倾角、水深、能耗等数据。
2.4.2能效分析
船舶能效分析管理功能包括船舶能效监测，耗能设备评估，能效分布分析。参数界面展示各个系统的详细参数，主要有船舶总体能耗、船舶动态能耗、推进电机、发动机组、锅炉等设备能量消耗分布比例以及能量利用效率。
(1)能效数据分析
主要以航行地图方式展示航行过程能效及排放变化数据。设定某时间段内船舶能效评估指标信息平均值及各项指标的统计。包括时间、平均航速、平均推进功率、燃油效率、电站累积消耗量、锅炉累积消耗量。
(2)耗能设备监测
耗能设备监测基于设定的能耗评估方法，将船舶设备实际运行情况与预设基准进行分析比较，自动研判设备能效情况，并输出结果。耗能设备主要包括发电机组、推进电机、锅炉等。
(3)船舶能效分布
能效分布分析主要监测航行过程中的当前能效实时分布数据，并基于设定算法算出船舶动态能耗分布比例和能量利用率，包括：分析得出设计航速下各主要耗能设备的能量消耗分布比例及能量利用效率；根据能耗实时数据，分析得出船舶动态能量消耗分布比例及能量利用效率；输出静态和动态能耗分布数据，以及能量利用效率的分析结果；指标的超限提醒，当船舶能效及能耗指标实时值超过设定限值时进行报警。
2.4.3能效优化
航速优化工具查看船舶燃油效率，并查看当前航速和系统建议航速，包括：手动调整船舶在当前海况下的推进功率后，体现推进功率调整后对于航行任务和能效信息的影响；提供航速优化建议和96 h内气象海况信息。航速优化建议包括建议调整时间、预计航速、预计滑失率、实际调整时间，展示转向点信息，提醒用户；实时显示当前船舶能效整体状态参数，滑失率、航速以及海图航线信息、接入的气导数据(风浪涌流数据)；导入航线计划后，结合气象预报，给出宏观航线的计划航速；详情页展示过去24 h海里油耗、相对风速、航速、推进功率。
2.4.4滑失率分析
滑失率作为影响推进功率转化为船舶速度过程中重要的因素，在决策航速优化时，可根据滑失率的历史曲线，判定当前海况和未来海况的变化趋势，进而辅助调节推进功率，以适应海况，达到节油的目的。
2.4.5能效管理决策
(1)ECA监测
排放控制区域(Emission Control Area，ECA)主要功能为在距离排放控制区一定范围内，依据船舶实时航向与航速，计算剩余海里和剩余事件，必要时发出预警[12]；展示当前船舶航行实时信息，具体显示信息见船舶航行实时数据显示信息表；展示排放限制区信息，具体显示信息见排放限制区显示信息表；展示当前船舶航行相关参数实时曲线图。
(2)MRV报告
耗能设备评估根据船舶设备能耗的实时情况，自动对船舶工况状态做出判断(航行、工作、停泊和维修)，基于设定的能耗评估方法和基准进行比较分析，并输出结果。耗能设备主要包括发电机组、推进电机、锅炉等。主要体现能效参数包括：单位作业CO2排放、单位距离CO2排放、单位距离燃料消耗量及单位运输量CO2排放等。
2.5智能航行
智能航行系统要求应能根据设定航行路径，综合船体参数、外界环境等信息做出相应的航行规划和避碰。对于大型船舶，受限于政策法规、技术成熟度及安全保障等问题，智能航行系统重点应围绕感知增强、辅助决策等方面开展研究[13-15]。
2.5.1系统功能
智能航行系统在电子海图、水文气象信息的基础上，利用船载雷达、AIS、GPS、摄像头等感知设备，全方位感知航行环境信息，结合采集的船舶自身状态信息，基于认知决策技术、机器学习技术等对上述信息进行智能融合，以统一的三维平行重构界面，实时向船舶驾驶人员给出实时可靠的可视结果。智能航行系统具备以下功能：辅助瞭望，辅助航速规划、路径规划，辅助避碰策略。主要功能实现如下。
(1)船舶自身状态的感知，基于差分GPS，惯性导航，摄像头等感知设备，实时获得船舶当前的位置、航向、轨迹等信息。通过船舶的航迹、航向以及主机转速、舵角等信息，可以判断船舶是否处于安全可控状态。
(2)船舶外部环境的感知，船舶关心的外部环境信息包括会遇到船只的航速、航向，各船舶离本船的距离以及船舶之间的距离等。通过雷达图像处理、AIS、摄像头等感知设备，可以实现上述信息的获取与综合一体化的显示。支持辅助避碰功能，开阔水域不少于5个危险目标的情况下，提供避碰判断和辅助决策能力。
(3)视觉增强技术，相比船舶现有的感知系统，本系统通过信息融合技术，基于深度视觉和识别技术，辅助船员进行瞭望。
(4)船舶防碰撞以及近距离声光预警，本系统在对自身船舶以及周围船舶位置、速度、航向全方位感知的基础上，利用风险分析及评估方法，建立风险感知与认知模型，该模型可以快速分析航行态势，评估当前的碰撞风险，实现船舶防碰撞以及近距离声光预警，为驾驶员提供路径参考。
2.5.2人机界面
人机界面是给用户直观查看、访问、管理、读取船舶状态信息，并进行相关参数设置的交互程序。人机界面基于Qt开发设计。智能航行人机界面如图5~6所示。
3系统应用
本文设计的智能船舶系统已成功应用于多艘半潜运载装备的设计建造，取得了良好的应用效果。
2016年12月，建造交付的10万t级“新光华”号半潜运载装备具备了船舶运动监控、预报以及提供决策支持的咨询管理系统等初级智能船舶功能，提升了其作业安全性和可用性。
2021年6月交付的5万t级“祥安口”号半潜运载装备是应用本文技术设计建造的我国首艘具备智能船舶能力的半潜运载装备。其配备了智能集成平台，具备智能航行、智能机舱和智能能效管理等功能，大大提升了船舶作业的智能化水平。
2022年1月交付的8万t级“新耀华”号半潜运载装备是我国第二艘具备智能船舶能力的半潜运载装备。其在5万t级“祥安口”号半潜运载装备的基础上，对自动监测与控制集成系统进行了全面优化，全船自动监测采样点近万点，进一步提升了系统的智能化水平。
得益于本文技术，半潜运载装备在航行、管理、维护保养、货物运输等各环节的智能化水平得到了提升，达到了降低船舶管理难度、减少人为误操作、提高设备及船舶营运的安全、优化船舶航行路径、控制燃油消耗、降低成本、提高收益等作用。营运过程中，通过本系统优化航行路径控制燃油消耗达到船舶营运节能3%以上，构建了覆盖全船设备、系统、运行和环境的数据模型，形成智能认知、分析、辅助决策的能力，为船舶的航行提供安全保证；实现了对主机、辅机、锅炉、推进轴系等重要设备进行监测、健康评估、预警，提供运维计划和备件管理，提升设备的安全，保证船舶运营性能。
4结束语
本文针对半潜运载装备智能化需求，对半潜运载装备智能船舶功能进行了分析和设计。其中，设计了智能集成平台，为保障整体智能船舶系统的兼容性、可开发性及安全性提供了必要基础；设计了智能机舱系统，实现了机舱设备状态的实时监测和异常报警；设计了智能能效管理系统，实现了船舶能耗的状态监测、优化预测及管理决策；设计了智能航行系统，为船舶驾驶提供路径规划、避碰避障等辅助功能。该系统不仅利于提高半潜运载装备工作过程中的安全性，也可减少运营过程中的人力物力成本，提升经济效益。
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