某62m三用工作船智能系統設計

朱月平

摘 ? ?要：本文介紹某62m 三用工作船（AHTS）的智能系統設計。該智能系統滿足美國船級社（ABS）的數據基礎設施、結構健康監測、機械健康監測等智能功能要求。開展了針對AHTS的智能系統架構設計和智能系統功能設計。數字化、智能化是智能船舶的發展趨勢，本文為后期相似船舶的設計和建造提供了可供參考的實例。

關鍵詞：AHTS；智能系統；數據基礎；結構監測；機械監測

中圖分類號：U674.98?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A

Design of Intelligent System for 62 m AHTS

Zhu Yueping

（ Jiangmen Hangtong Shipbuilding CO.， LTD of CCCC Fourth Harbor Engineering Co.， Ltd.， Jiangmen 529145 ）

Abstract： This paper briefly introduces the intelligent system of the 62 m AHTS . The intelligent system meets the requirements of the ABS Classification Society for data infrastructure， structural health monitoring and mechanical health monitoring functions. The intelligent system architecture design and intelligent system function design for the AHTS are carried out. Digitization and intelligence are the development trend of intelligent ships. The paper gives out an example for future similar vessels digital design and ship building.

Key words： AHTS; Intelligent system; Data basis; Structural monitoring; Mechanical monitoring

1 ? ? 前言

近年來，隨著人工智能技術的快速發展，智能船舶也越來越引起業界的關注。三用工作船（AHTS）能對海洋平臺等大型結構物進行遠洋拖航、起拋錨作業、對外消防、動力定位和供應物資，在特定情況下還能用作緊急救援[3] 。本文參照美國船級社（ABS）發布的《船舶與海工設施智能功能指南》2022版的相關要求，完成對某62 m三用工作（AHTS）船的智能化設計，用以指導以后的AHTS智能化工程的具體實施。

2 ? ?船舶基本情況

三用工作船（AHTS）的三個主要功能：拖帶、起拋錨和供應物資。AHTS是一種現代化、多用途、功能全、效果好的工作船舶類型，能有力地配合海上作業尤其是油氣平臺工作。為了響應國家船舶數字化、智能化的發展戰略，提高AHTS的安全性和高效性，降低船員的勞動強度，方便船舶管理公司對船舶的實時監控管理，結合對AHTS的營運經驗以及大數據分析等人工智能技術，初步研究并形成AHTS的智能化設計方案。

某62 m三用工作船（AHTS），依據美國船級社（ABS）智能規范有關要求進行設計，船舶基本參數如下：

總長62 m

型寬16 m

型深6.2 m

吃水4.9 m

載重量1 500 t

航速12 kn

甲板裝貨能力500 t

推進功率2X2750 HP

系柱拉力不少于75 t

該船滿足美國船級社（ABS）的AMS、DPS-2、ACCU等符號要求，并具有良好的操縱性能，適應惡劣天氣作業；配有大功率和大尺寸的拖纜機，適合深海作業；具有大面積的尾甲板，在拖輪連續拖航和拋起錨作業中能將錨、浮筒及其他設備存放于甲板，并進行相關操作；還存貯大量的淡水和燃油。

面對AHTS的拖航、拋起錨、主甲板運輸雜貨等作業要求，需要對船體結構和機械設備的健康狀態進行監測，從而保障船舶運行的安全性、可靠性，而針對這些需求的智能化系統是一種有效方案。

3 ? ?ABS智能功能要求

根據美國船級社（ABS）發布的《船舶與海工設施智能功能指南》（2022版本），智能功能可為船員和工作人員提供關鍵信息以輔助決策，其在船舶和海工設施上的應用越來越普遍。智能功能用于支持船舶運營，通常包括船體結構和機械健康監視、資產效率監測、操作績效管理以及船員協助等。按照該指南對安裝智能功能的船舶和海工設施提出的技術和檢驗要求，船舶可申請智能符號，分別是數據基礎設施符號SMART INF、結構健康監測符號SMART SHM、以及機械健康監測符號SMART MHM。

3.1 ? 數據基礎設施SMART （INF）

數據基礎設施的目標，是通過預裝的硬件和軟件建立數據處理功能，以支持當前和未來可能的智能功能實現。具體包括：智能功能傳感器接口、船舶系統數據接口、數據網絡和通信、數據管理、數據處理和分享、人機界面功能，其中數據處理和分析以及人機界面功能的功能特定于某些智能功能（如SHM和MHM），因此，數據基礎設施符號不包含這些部分。

3.2 ? 結構健康監測SMART （SHM）

結構健康監測的目的，是為船舶所有人提供結構健康評估，評估和預測結構損傷，并為更安全和優化的船舶操作、檢查和維修以及資產完整性管理提供決策支持。其特點是根據船舶特定環境、載荷、操作和最新的結構數據，能夠評估結構健康狀態及預測結構損傷。基于結構健康評估和預測方法的準確性和可靠性水平，分為4級SMART （SHM Tier 1/2/3/4），逐級增強。

3.3 ? 機械健康監測SMART （MHM）

機械健康監測智能功能的目標，是為船東提供更好的船載機械和系統的健康狀態和運行條件評估。MHM用于支持船東的決策，以實現更安全、更可靠的操作、維護計劃和完整性管理。根據MHM功能的能力，這種決策支持的范圍可能從基本趨勢和異常檢測到故障模式診斷，甚至包括健康預測。其特點是：機械系統的數據收集和健康監測能力、安裝傳感器獲得數據和實時健康監測、利用環境和海洋氣象數據支持運營數據分析、基于數據驅動模型和算法來支持更好的決策。

MHM可以使用復雜的算法、機器學習和設備數據知識，以確定可持續服務的程度或維護要求。MHM按照其能力劃分為3級SMART （MHM Tier 1/2/3），分別是異常監測、診斷和預測能力。

4 ? ?智能系統設計方案

船舶智能系統，可以采用人工智能技術自動監測設備乃至船舶狀態，提供故障預警和輔助決策建議，從而保障設備、船舶、貨物和人員的安全。本船按照美國ABS的SMART （INF，SHM （TIER 1）， MHM（TIER 1）） 要求進行設計，分別建立全船的數據基礎設施，對特殊載荷和操作的結構健康監測，對機械系統和設備的異常情況監測。

4.1 ? 智能系統架構設計

船舶智能系統按照平臺+應用的架構進行設計，分為4個層級：設備層、感知層、平臺層、應用層。設備層是構建船舶正常運行所需配置的設備系統及運行數據；感知層通過在船上部署傳感器，實現對船舶內外部環境的充分感知；平臺層是智能系統的數據中心，實現船端數據的采集、處理、存儲、計算、分發和船岸通信，為智能應用提供基礎模型庫和數據庫；應用層對船舶數據進行數據分析與挖掘，通過算法服務和智能分析，對業務應用及輔助決策提供信息支撐。

（1）設備層

設備層是智能系統的船舶數據源，設備系統運行會產生原始數據，這些數據表征了設備的運行狀態，并通過感知層與智能系統建立連接，將數據反饋給智能系統。

（2）感知層

感知層是智能系統的基礎，支撐著整個智能系統的基本框架。通過傳感器對船舶所在的海洋環境、船舶周邊的物體狀況、船體自身狀況、機艙系統狀況、貨物及人員狀況形成感知數據。

（3）平臺層

平臺層是智能系統的數據層，實現全船數據的融合與轉發、平臺運用消息引擎和標準化的封裝手段，實現船端應用系統的互聯互通，通過異構系統、異構數據、異構協議之間的信息集成和數據交換實現信息共享，從而形成全船級的應用平臺。

（4）應用層

應用層主要提供的各種智能應用，根據采集到的關鍵運行數據，通過數據分析和挖掘，對業務應用形成各類智能應用軟件。ABS的智能功能SHM/MHM都與船舶功能、系統相對應，如表1所示。

表1 ?智能功能系統對應表

4.2 ? 智能系統功能設計

（1）數據基礎設施SMART （INF）

數據接口包括智能功能傳感器接口、船舶系統數據接口、數據網絡和通信、數據管理等。

① 智能功能傳感器接口

包括：主機、發電機、軸系等主要機械系統的壓力、溫度、振動等傳感器數據采集；特殊載荷結構的應力檢測傳感器數據采集。

② 船舶系統數據接口

提供特定數量和類型的I/O接口，并與局域網和衛星通信網絡連接。船舶系統包括：自動舵、電羅經、雷達、測深儀、計程儀、風速風向儀等航行系統，AMS、液位遙測等機艙自動化系統；甲板機械系統等。

③ 數據網絡和通信

外部網絡采用衛星通信網絡，通過VSAT實現基于數據輕量化的船岸雙向通信功能，采用MQTT通信協議進行數據通信；內部網絡采用有線網絡傳輸，通過船內局域網系統實現數據傳輸、共享和分發，采用TCP/IP協議進行數據通信。

④ 數據管理

提供數據治理、數據存儲和數據同步來管理數據。數據存儲按數據類別、數據歸屬系統等依據進行分庫存儲，滿足6 000個信號點12個月存儲要求，建立支持決策、管理過程的數據集合，對數據庫進行安全、評估管理。

（2）結構健康監測SMART （SHM ?TIER 1）

船體監測及輔助決策系統，對船體結構應力、船舶運動狀態、船舶裝載以及海況、航向、航速等數據進行采集、存儲、分析、顯示，當這些數據的變化超過預設臨界值時，該系統發出警告，并提供船舶操作的輔助決策。

① 系統狀態監測

根據本船特點選擇船舶安全相關的監測參數，通常包括：總縱強度、結構關鍵區域、船舶運動、船舶運動加速度、海況數據等；運用結構強度分析技術，識別結構關鍵區及重點監測區，優化傳感器測點布置及數量，以最優布置方案保障系統的輔助決策準確高效。

② 輔助決策技術

根據船的拖航、拋起錨作業場景下的船體監測參數需求，包括船舶運動、結構應力、航行參數等，提出不同場景模式下的船體總縱強度和局部強度的安全閾值設定標準，最終形成基于船體感知大數據下的輔助決策技術。

（3）機械健康監測SMART （MHM ?TIER 1）

健康監測系統是基于智能信息集成平臺的智能應用，實現主機、柴油發電機組、軸系及輔助系統等設備的狀態監測，評估設備的健康狀況，并為船舶操作提供輔助決策建議。

健康狀態評估提供對于主機、發電機、全回轉舵槳、推進軸、燃油滑油系統、冷卻水系統的健康評估功能，直觀展示當前運行工況下的健康狀態以及偏離程度，并在發現異常情況時發出預警提醒。系統內設置了報警等級、篩選、查詢和管理報警工況等功能。

基于船舶全面狀態信息的智能感知（操控、機艙設備狀態、油料消耗等），利用機艙設備運行的數據挖掘與分析，實時評估設備當前狀態、提前發現故障隱患。

4.3 ? 智能系統工程設計

按照設備層、傳感器感知層、數據平臺層和交互應用層，完成智能系統工程設計。

（1）基礎設施部署

將采集模塊、服務器、不間斷電源、網絡交換機、防火墻等設備安裝在一個機柜內，并部署在船上設備間內。

（2）結構監測部署

應力傳感器感知船體應力變化信息，部署在關鍵結構部位；按照應力傳感器的分布區域配置信號采集模塊，匯集數據后發送給工作服務器進行數據處理。

（3）機械監測部署

除了必要的溫度、壓力等傳感器外，在關鍵旋轉設備上安裝振動傳感器，并通過振動分析軟件實現設備的全天候狀態監測。

5 ? ?結論

綜上所述，本船智能系統采用感知、平臺和應用的架構設計，滿足ABS的SMART （INF，SHM （TIER 1）、MHM（TIER 1）） 的相關要求，建立了全船數據收集、存儲、傳輸的基礎設施；通過對拖航、拋起錨等作業工況的船體結構進行監測，實現船體結構安全監測和健康評估；通過對推進系統、輔助系統、電力系統、操舵系統、系泊系統等船舶系統的狀態監測和健康狀態評估，確保設備運行安全、可靠；實現船舶作業場景的數據感知、結構和設備安全監測，提高了AHTS的作業能力、運行效率和安全保障技術水平。同時，作為油公司也能更好地了解為其服務的船舶的性能和狀態，更好地做好船舶的調配和管理。

參考文獻

[1] 船舶與海工設施智能功能指南 [S]，美國： 美國船級社（ABS），2022.

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