某散貨船智能機(jī)艙的設(shè)計與研究

李娜 向輝 李泉 陸佳 陳列峰

摘 要：本文主要介紹了中國船級社智能規(guī)范對于智能機(jī)艙的要求，重點探討了智能機(jī)艙主輔機(jī)等重大設(shè)備的智能設(shè)計及實施方案，并對智能機(jī)艙監(jiān)測評估系統(tǒng)與視情維護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：智能機(jī)艙；設(shè)計；研究

中圖分類號：U664.121 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract： This paper introduces the CCSs intelligent rule requirements for intelligent engine room， focuses on the intelligent design proposals for important equipment in E/R， indicates the intelligent engine room design scheme and researches the intelligent engine room monitoring and evaluation system.

Key words： Intelligent engine room； Design； research

1 概述

智能船舶屬于《中國制造2025》中重點發(fā)展的高技術(shù)船舶，代表了未來船舶發(fā)展的方向。其以大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用實時數(shù)據(jù)傳輸和匯集、遠(yuǎn)程遙控等先進(jìn)的信息化技術(shù)，實現(xiàn)船舶智能化感知、判斷分析以及輔助決策，從而更好地保證船舶航行安全性及效率[1]。

2 智能機(jī)艙規(guī)范要求

目前各國船級社對于智能船舶入級規(guī)范要求尚處于不斷探索研究中，有些船級社如中國船級社（CCS）已經(jīng)出臺了智能船舶規(guī)范。本文主要針對CCS智能船舶規(guī)范對于智能機(jī)艙的入級標(biāo)志要求進(jìn)行研究探討。

中國船級社智能船舶規(guī)范于2016年3月1日生效[2]，該規(guī)范適用于申請CCS智能船舶附加標(biāo)志的船舶。根據(jù)申請，經(jīng)CCS 審圖與檢驗，確認(rèn)船舶在智能航行、智能船體、智能機(jī)艙、智能能效管理、智能貨物管理和智能集成平臺方面已符合本規(guī)范要求，可授予如下智能船舶附加標(biāo)志：i-Ship （Nx， Hx， Mx， Ex， Cx， Ix）。其中，括號內(nèi)的字母是智能船舶的功能標(biāo)志，可根據(jù)船舶實際具有的功能授予。

智能船舶的功能標(biāo)志的含義如下：

N--智能航行功能標(biāo)志；

H--智能船體功能標(biāo)志；

M--智能機(jī)艙功能標(biāo)志；

E--智能能效管理功能標(biāo)志；

C--智能貨物管理功能標(biāo)志；

I--智能集成平臺功能標(biāo)志；

x--可選功能補(bǔ)充標(biāo)志，一個小寫字母表示一個功能補(bǔ)充標(biāo)志，一個功能標(biāo)志可有多個功能補(bǔ)充標(biāo)志；

i-Ship （Mx）--智能機(jī)艙入級附加標(biāo)志。

智能機(jī)艙應(yīng)具有如下基本功能：

（1）對機(jī)艙內(nèi)的主推進(jìn)發(fā)動機(jī)、輔助發(fā)電用發(fā)動機(jī)、軸系的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測；

（2）根據(jù)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)，對機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和健康狀況進(jìn)行分析和評估；

（3）根據(jù)分析與評估結(jié)果提出糾正建議，為船舶操作提供決策建議。

除具有上述規(guī)定的基本功能外，智能機(jī)艙還可根據(jù)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和健康狀況的分析和評估結(jié)果，制定相應(yīng)的視情維護(hù)計劃，作為智能機(jī)艙的補(bǔ)充功能。對于機(jī)艙內(nèi)關(guān)鍵設(shè)備主機(jī)、輔機(jī)和推進(jìn)軸系的狀態(tài)監(jiān)測，有如下的規(guī)范要求：

（1）主推進(jìn)發(fā)動機(jī)及其部件實施狀態(tài)監(jiān)測，至少應(yīng)包括如下部件/性能：

各缸燃燒性能；

燃燒室相關(guān)部件，如氣缸套、活塞頭（含活塞環(huán)）、氣缸蓋（含進(jìn)、排氣閥）、燃料噴嘴/閥；

摩擦部件，如主軸承、曲柄銷軸承、十字頭軸承、凸輪軸軸承；

曲軸箱防爆；

增壓器性能。

（2）輔助發(fā)電用發(fā)動機(jī)及其部件實施狀態(tài)監(jiān)測，至少應(yīng)包括如下部件/性能：

燃燒室相關(guān)部件，如氣缸蓋（含進(jìn)、排氣閥）、氣缸套、燃料噴嘴/閥；

摩擦部件，如主軸承、曲柄銷軸承、凸輪軸軸承；

增壓器性能。

（3）推進(jìn)軸系實施狀態(tài)監(jiān)測，至少應(yīng)包括如下部件/性能：

齒輪箱；

軸和軸承；

軸瓦、密封性能。

如果狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)能根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)對機(jī)械設(shè)備及其部件的工作狀況進(jìn)行健康評估，證明通過狀態(tài)監(jiān)測確定的狀態(tài)可等效于直接檢驗確定的狀態(tài)，則CCS 可批準(zhǔn)實施視情維護(hù)。

已實施視情維護(hù)的機(jī)械設(shè)備及其部件的拆檢項目可按視情維護(hù)計劃執(zhí)行，未納入視情維護(hù)系統(tǒng)的設(shè)備及其部件仍應(yīng)按PMS 實施維護(hù)及檢驗。

狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)在船上安裝完成后，應(yīng)按CCS規(guī)范要求進(jìn)行初次檢驗，驗證船舶可按批準(zhǔn)的程序和計劃實施機(jī)械設(shè)備及系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測，監(jiān)測系統(tǒng)可按設(shè)計有效運(yùn)行。

3 智能機(jī)艙設(shè)計研究

3.1 主機(jī)智能機(jī)艙設(shè)計方案

CCS智能機(jī)艙規(guī)范要求推進(jìn)主柴油機(jī)需要監(jiān)測各缸燃燒性能與燃燒室相關(guān)部件、摩擦部件、曲軸箱防爆、增壓器性能。根據(jù)主柴油機(jī)選用品牌不同，智能設(shè)計方案存在差異。本文以某散貨船船型為例，主機(jī)選用WINGD低速二沖程電噴柴油機(jī)，為了滿足主機(jī)監(jiān)測要求，前期策劃時主柴油機(jī)可采用配置智能燃燒控制與監(jiān)測系統(tǒng)ICC+ICM模塊、活塞可靠性運(yùn)行Mapex-PR模塊、摩擦部件軸承溫度與磨損監(jiān)測系統(tǒng)、主滑油水份監(jiān)測系統(tǒng)等方案。

（1）主機(jī)智能燃燒控制與監(jiān)測系統(tǒng)ICC+ICM模塊

主要通過氣缸壓力傳感器與飛輪端角度傳感器來實現(xiàn)。這些傳感器接至信號處理單元，通過BUS總線接至ICC控制器，控制器編程數(shù)據(jù)處理后接至PC機(jī)，輸出PV示功圖及主機(jī)輸出功率等重要參數(shù)，同時還可通過連接打印機(jī)打印出各缸燃燒狀態(tài)參數(shù)及圖表。主機(jī)智能燃燒控制模塊設(shè)計方案，如圖1所示。

（2）活塞可靠性運(yùn)行Mapex-PR模塊

通過各缸缸套前溫度傳感器與缸套后溫度傳感器、缸套冷卻水總管進(jìn)出口溫度傳感器與掃氣溫度傳感器實現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測，這些傳感器接至放大器后再連接至Mapex-PR控制箱進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，監(jiān)測結(jié)果通過PC機(jī)顯示器顯示或打印輸出監(jiān)測結(jié)果。主機(jī)Mapex-PR模塊設(shè)計方案如圖2所示。

（3）主機(jī)摩擦部件軸承溫度與磨損監(jiān)測系統(tǒng)

軸承溫度監(jiān)測系統(tǒng)，通過設(shè)置在主軸承、推力軸承、曲柄銷、十字頭軸承各軸承處的溫度傳感器實現(xiàn)溫度監(jiān)測；軸承磨損監(jiān)測系統(tǒng)，通過設(shè)置在主軸承、曲柄銷、十字頭軸承處每缸前后距離傳感器實現(xiàn)磨損監(jiān)測，通過控制器數(shù)據(jù)自動處理計算差值參數(shù)，以此監(jiān)測軸承的磨損狀態(tài)。

（4）主滑油水份監(jiān)測系統(tǒng)

通過在主滑油管路進(jìn)口處安裝一個油中水傳感器，通過設(shè)置預(yù)報警及高報警來間接監(jiān)測軸承運(yùn)行狀態(tài)。

（5）主機(jī)曲軸箱防爆狀態(tài)監(jiān)測

通過設(shè)置油霧探測器，即可滿足智能規(guī)范要求。

（6）主機(jī)增壓器性能監(jiān)測

通過增壓器的滑油、廢氣溫度傳感器與轉(zhuǎn)速傳感器以及掃氣壓力，進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測。

3.2 輔機(jī)智能設(shè)計方案

CCS智能機(jī)艙規(guī)范要求輔機(jī)需要監(jiān)測柴油機(jī)側(cè)各缸燃燒室相關(guān)部件、摩擦部件、增壓器性能。為了滿足輔機(jī)監(jiān)測要求，前期策劃與訂貨時輔機(jī)可采用配置溫度傳感器、壓力傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器等實現(xiàn)燃燒摩擦等部件狀態(tài)檢測。

輔機(jī)氣缸蓋，通過缸套冷卻水進(jìn)口壓力傳感器與出口溫度傳感器、各缸排煙出口溫度傳感器間接實現(xiàn)燃燒室狀態(tài)監(jiān)測；輔機(jī)主軸承、曲柄銷軸承、凸輪軸軸承等各摩擦部件的溫度監(jiān)測，可通過溫度傳感器直接或間接實現(xiàn)。軸承位置適宜時，可直接安裝溫度傳感器進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測，也可通過主滑油管路進(jìn)口安裝壓力、溫度或顆粒度傳感器間接實現(xiàn)軸承潤滑狀態(tài)監(jiān)測；增壓器性能，通過增壓器轉(zhuǎn)速傳感器與增壓器廢氣出口溫度傳感器進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測。

3.3 推進(jìn)軸系智能設(shè)計方案

CCS智能機(jī)艙規(guī)范要求推進(jìn)軸系實施狀態(tài)監(jiān)測，監(jiān)測齒輪箱、推進(jìn)軸及軸承的運(yùn)行狀態(tài)。推進(jìn)軸系上可以安裝軸功率儀實時監(jiān)測主機(jī)輸出功率，用于計算主機(jī)實時油耗及智能系統(tǒng)分析，同時也可以用于主機(jī)的綜合狀態(tài)分析評估。為滿足智能集成系統(tǒng)檢驗要求，需要在軸承基座上安裝振動傳感器，從而監(jiān)測軸系的磨損、裂紋、變形以及軸瓦及潤滑等各種異常情況，保證軸系的安全。

3.4 其他設(shè)備的智能設(shè)計方案

CCS智能機(jī)艙規(guī)范雖然只對主機(jī)、發(fā)電機(jī)、推進(jìn)軸系提出了明確要求，但根據(jù)CCS《船舶智能機(jī)艙檢驗指南》[3]文件要求，對于重要的輔助機(jī)械如空壓機(jī)、機(jī)艙風(fēng)機(jī)、重要的油水泵組及電動機(jī)、空氣瓶等機(jī)艙輔助設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測檢驗，尤其提出振動檢驗要求。為滿足振動檢驗要求，可以采用在設(shè)備上安裝振動傳感器的方案，或者采用離線的振動傳感器由人定時檢測輸入系統(tǒng)的方案。

在智能機(jī)艙的監(jiān)測點中還要求對很多設(shè)備的運(yùn)動部件進(jìn)行監(jiān)測，有些設(shè)備運(yùn)動部件因位置限制很難安裝相應(yīng)的傳感器進(jìn)行直接監(jiān)測的，對于此類情況可通過間接手段進(jìn)行監(jiān)測，如通過對滑油內(nèi)的固態(tài)顆粒進(jìn)行監(jiān)測，由軟件分析得出相關(guān)運(yùn)動部件的磨損情況。

3.5 智能機(jī)艙監(jiān)測評估系統(tǒng)

智能機(jī)艙評估系統(tǒng)能夠綜合利用狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)所獲得的各種信息和數(shù)據(jù)，對機(jī)艙內(nèi)機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、健康狀況進(jìn)行分析和評估，并能用于機(jī)械設(shè)備操作決策和維護(hù)保養(yǎng)計劃的制定，主要包括以下幾方面：

（1）對機(jī)艙內(nèi)的主推進(jìn)發(fā)動機(jī)、輔助發(fā)電用發(fā)動機(jī)、軸系的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測；

（2）根據(jù)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)，對機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和健康狀況進(jìn)行分析和評估；

（3）根據(jù)分析與評估結(jié)果，提出糾正建議，為船舶操作提供決策建議。

智能機(jī)艙監(jiān)測評估系統(tǒng)是如何實現(xiàn)其評估功能的呢？

（1）對于常規(guī)船舶：對機(jī)艙的監(jiān)測主要是通過機(jī)艙監(jiān)測報警系統(tǒng)（AMS）來實現(xiàn)的，其功能主要是在線的監(jiān)測設(shè)備的各個信號點，通過信號與報警設(shè)定值的比對得出設(shè)備單點狀態(tài)結(jié)論，而這個結(jié)論只存在好和不好兩個等級。同時其監(jiān)測數(shù)據(jù)保存的時間不長（不超過一個月），且通常只保存報警事件這些數(shù)據(jù)，對于機(jī)艙內(nèi)各設(shè)備的狀態(tài)評估是由有經(jīng)驗的船員來完成的。

（2）對于智能機(jī)艙：除了有AMS系統(tǒng)的功能外，還具有更強(qiáng)的數(shù)據(jù)分析功能。智能機(jī)艙監(jiān)測系統(tǒng)對于數(shù)據(jù)的分析并不局限在單個信號點的比對，它對于每個信號點都會關(guān)聯(lián)上其他數(shù)據(jù)一起來分析。比如主機(jī)軸承溫度，智能機(jī)艙監(jiān)測系統(tǒng)能將其同主機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)聯(lián)起來分析，在不同轉(zhuǎn)速情況下正常主機(jī)軸承的溫度應(yīng)處于一個適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，智能機(jī)艙監(jiān)測系統(tǒng)能通過數(shù)據(jù)的積累，給出這個范圍的數(shù)據(jù)。而對于主機(jī)軸承溫度這個點，其評估結(jié)論是良好/亞健康/故障這三級加上評估分?jǐn)?shù)。同時，對于系統(tǒng)內(nèi)采集的信號點，它可以通過大數(shù)據(jù)分析技術(shù)將各個信號點之間的聯(lián)系找出來，并能通過這些數(shù)據(jù)的變化分析出故障產(chǎn)生的原因。舉例來說，機(jī)艙主海水管路破裂---海水壓力降低---機(jī)艙污水井高位報警，在這一系列的時間中，AMS系統(tǒng)只能看到冷卻海水壓力低報警和機(jī)艙污水井高位報警這兩個單點故障，而智能機(jī)艙則可以通過兩個報警產(chǎn)生的數(shù)據(jù)分析，得到兩者之間的關(guān)聯(lián)，并提醒船員問題產(chǎn)生的根源。

智能機(jī)艙評估系統(tǒng)除了對主機(jī)、發(fā)電機(jī)和軸系及機(jī)艙輔助設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測，還可實現(xiàn)船岸信息傳輸?shù)裙δ堋Ｅc常規(guī)的機(jī)艙自動化系統(tǒng)數(shù)據(jù)只能短期存儲相比，智能機(jī)艙采集的數(shù)據(jù)采樣時間更長，并且數(shù)據(jù)還會通過V-SAT系統(tǒng)傳輸?shù)桨渡希砂墩具M(jìn)行儲存分析。 智能機(jī)艙評估系統(tǒng)還能根據(jù)現(xiàn)有的信號采集對其他設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測，同時還有學(xué)習(xí)功能，可以通過數(shù)據(jù)/故障模式積累，為后續(xù)相似故障提供參考。

4 視情維護(hù)計劃系統(tǒng)

根據(jù)CCS智能船舶入級規(guī)范要求，智能機(jī)艙除了滿足基本功能外，還可根據(jù)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和健康狀況的分析和評估結(jié)果，制定相應(yīng)的視情維護(hù)計劃，作為智能機(jī)艙的補(bǔ)充功能。

智能機(jī)艙的視情維護(hù)計劃主要通過未來研發(fā)的智能機(jī)艙視情維護(hù)系統(tǒng)實現(xiàn)，智能機(jī)艙視情維護(hù)系統(tǒng)與智能機(jī)艙評估系統(tǒng)應(yīng)該是相互關(guān)聯(lián)、兩者相輔相成的：智能機(jī)艙評估系統(tǒng)為智能機(jī)艙維護(hù)系統(tǒng)提供設(shè)備故障分析與輔助決策建議，智能機(jī)艙維護(hù)系統(tǒng)根據(jù)評估系統(tǒng)的故障分析報告，結(jié)合設(shè)備運(yùn)行時數(shù)與自身所需的維護(hù)保養(yǎng)需求，通過軟件的數(shù)據(jù)積累分析后提供機(jī)艙設(shè)備的維護(hù)方案。

常規(guī)船舶的設(shè)備維護(hù)通常存在定時維護(hù)和故障維護(hù)兩種情況。某些有經(jīng)驗的船員能根據(jù)船上的數(shù)據(jù)判斷出設(shè)備的狀況，可以在設(shè)備故障前提前維護(hù)，但這不存在普遍性；而智能船舶的視情維護(hù)系統(tǒng)，是根據(jù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行長期的跟蹤分析，得到數(shù)據(jù)的變化趨勢函數(shù)，推理出設(shè)備可能發(fā)生故障的時間而提前通知船員維護(hù)。

5 結(jié)語

本文以中國船級社智能船舶規(guī)范中智能機(jī)艙入級符號的相關(guān)要求，探討了機(jī)艙主輔機(jī)等重大設(shè)備智能監(jiān)測設(shè)計方案與智能機(jī)艙監(jiān)測評估系統(tǒng)。隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，大數(shù)據(jù)時代船舶智能化正在不斷地升級，從而更好地保證了船舶航行安全性與經(jīng)濟(jì)性。同時，更高級的智能化的無人船也正在積極研究和實施中。

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