智能船舶主要機電應用技術分析

（四川交通職業技術學院，四川 成都 610000）

隨著船舶自動化程度的提高，人們越來越追求船舶智能化，期望自動感知、主觀分析、智慧操作的船舶。因此，必須要把握智能船舶的相關技術，了解其主要機電的應用技術，最終推動船舶行業的快速發展。

1 智能船舶涵義界定

智能船舶運用的是傳感、通信、物聯網等技術手段，并通過計算機技術、自動控制技術、大數據技術、智能技術等對船舶自身、海洋環境、物流、港口等方面的信息和數據進行自動感知和獲取，推動船舶航行、管理、維護保養、貨物運輸等方面的智能化運行，保證船舶運行更加安全、環保、可靠。智能船舶具有感知的能力，可以對船舶自身和周圍環境信息進行感知。而且具有記憶和思維能力，對于其自身感知的信息及管理知識進行存儲，通過已有的知識來分析、計算、比較、判斷、聯想、決策信息。智能船舶還可以進行學習和自適應，其依賴的是專家知識、與環境的相互作用，通過學習積累知識對環境變化適應。智能船舶可以對自身狀況和外部環境做出反應，在形成決策后，為船岸人員提供指導，進行船舶控制，所以具有行為決策能力。

2 智能船舶主要機電的應用技術

（1）智能船舶技術研發策略。在智能船舶的技術研發中，需要進行能效控制，對船舶能效進行管理控制，所以要匯總分析能效指標，改善航線設計、航速、船舶浮態、動力設備等船舶能效因素，有效減少排放、提高能效。智能能效管理模塊由能效控制技術服務，船舶能效管理的輔助決策建議需要結合過信息感知技術采集和通信導航技術傳遞的船舶航行狀態、耗能狀況等信息進行，綜合考慮航線特點、燃料消耗、經濟效益等評估結果，在不同目標下提供航速的優化方案。根據航行水域交通流控制信息、前方航道船舶密度情況、公司船期信息、航道水流分布信息、航道航行難易信息，航線規劃技術可以智能實時為船舶選擇航道內的位置和航道，通過優化航線來實現安全高效、綠色環保。線性規劃方法、混合整數規劃模型、遺傳算法、模擬退火、粒子群優化算法等都屬于目前常用的航線規劃方法。在智能航行模塊中航路設計和優化依賴的就是航線規劃技術，船舶海上運輸的安全高效要充分發揮航線計劃、航線監控、自動避碰等功能，有效縮短運輸航程，降低燃料消耗。在智能船舶的狀態監測與故障診斷技術中，判斷設備的穩定狀態或惡化情況要結合監測設備振動發展趨勢等技術手段進行。在船舶機械設備運行中或基本不拆卸設備時，故障診斷技術可以對被診斷對象的狀態是的異常狀態或故障狀態進行判斷，發現其劣化狀態下發生的部位或零部件，就故障產生原因進行判斷，對狀態劣化的發展趨勢進行預測等等。目前智能船體和智能機艙兩大模塊中開始應用狀態監測與故障診斷技術，其運用了采集數據結果，可以監控全生命周期對船體、主機等關鍵配套，對使用情況進行定量評估，根據輔助決策系統來保證船體和設備的安全性。如果船舶遇險，遇險預警救助技術就可以及時預警及求救，實時監測預警船舶的航行姿態，保證在船舶發生傾覆等突發情況時向監控中心或周圍船舶自動發出求救信號，為搜救人員和船舶前往遇難遇險船舶開展救助提供指引。

（2）大數據挖掘處理技術。智能船舶中要對實船進行數據采集，采集航速、航向、風速、風向、主機轉速和扭矩等交船試航測試的數據。在特定環境條件下，智能船舶就可以提供營運船舶長期監測的最全面數據。目前智能船舶的航行數據可以定時報送，每4h或6h由船上報送岸上。在營運監測中，可以就航速、航向、吃水、風浪流、水深水溫等海況環境、主輔機工作參數、轉速與扭矩、船舶駕駛、船舶位置、船舶運動等全部信息獲取。智能船舶可以進行數據岸端有線傳輸，在船舶靠岸或靠碼頭時通過有線加密方式將數據發送到指定的岸端網絡信息平臺，也可以在移動存儲介質的船舶每個航次返回特定港口時交到岸上指定機構。收集到數據后要進行數據的預處理，并清洗船舶監測中缺失和失真的數據。修改失真的船舶監測數據時，要判斷失真數據，比如，結合船舶吃水的區間和范圍、數據的量級、數據變化趨勢等等監測數據的特性進行。在發現其失真后，要運用一定的數值方法對修補失真的值。而且海上航行船舶的信號會受到各種各樣的干擾，噪聲和震動也會影響到監測數據的濾波。處理濾波時，可以運用卡爾曼濾波、高斯濾波、中值濾波、均值濾波等多種方法，在船舶監測數據中主要運用的還是卡爾曼濾波。

（3）船機信息感知技術。智能船舶可以對船機信息進行感知，包括航道設施及水位狀態、船舶交通量、船舶密度等等。在感知包括航道設施及水位狀態時，可以在航道沿岸每隔兩公里左右設立監控鐵塔，建立覆蓋整個航道的有線光纖基干網絡。以此為中心組成無線自組織網絡，這一網絡由Zigbee技術構成，使得整個航道臨岸區域都可以覆蓋無線傳感網。在航道兩岸的各種傳感設備中都可以部署，通過無線傳感網絡采集到的數據向最近的監控鐵塔傳輸運用的是無線方式，再由有線光纖基干網絡傳回指揮中心。這樣就可以實現無線傳感網覆蓋和傳感器熱插拔，也可以實時響頻聯動航道兩岸的標志標牌的傾倒、移動及被盜等情況。在感知船舶交通量時，需要系統分析計算模塊的支持，內河航道船舶流量的有效監控和計量依賴全天候激光傳感船舶交通量觀測系統進行，這樣內河航道交通的數據才更加準確。這一系統采集的全天候船舶交通流量數據可以提供給航道的整體分析和規劃依據。感知船舶密度，必須要通過系統來智能識別視頻圖像，并進行計算機的統計和推演，得到船舶密度的漸近演變，對每一航段的船舶動態密度進行自動分析。如果船舶密度增大到一定量，就必須要啟動應急預警管理系統，通過航道擁堵預警信號來防止航道堵塞的干預監管措施。對于發生突發事故的航道，及時提醒和告知船主可以通過船舶交通導流告示板進行。

（4）無人船技術。智能船舶的控制系統直接影響著無人船航行的操縱性、經濟性和安全性，所以測量中可以自動控制無人船的航速與航向，保證無人船可以克服各種干擾，實現無人船的自動穩定地運行，這是智能船舶中無人船自動作業和自動回歸的核心技術。在智能船舶中，無人船依據智能控制技術、螺旋槳的推力和舵機對航速和航向進行實時調節，可以自動按照預先設定的航線進行精準的走線、換線及回歸等功能。而且無人船的關鍵技術還可以進行多傳感器集成與數據融合，實現遠距離無線局域網的數據通訊，進行實時多模控制技術。比如，進行多傳感器集成中，無人船設計的可兼容多傳感器的船載控制系統，結合不同的用戶需求都可以進行靈活搭載GNSS接收機、測深儀、ADCP（聲學多普勒流速剖面儀）、電子羅盤、水質采樣等多種傳感器設備。

3 結語

隨著大數據、信息物理系統、物聯網等技術的快速發展，繼船舶自動化、信息化后，船舶行業又開始實現了智能化。這都離不開電子技術、信息技術和網絡技術的發展，所以越來越多的信息技術產品用于船舶設計，推動了船舶由傳統的機電控制向網絡化、數字化和自動化的轉變。智能船舶是一種新型的船舶，其集多種自動化系統為一體，具有多功能的綜合系統，使得船舶航行的安全性、經濟性和管理效率大大提高。