智能船舶系統在散貨船上的設計應用

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

網絡通信技術和智能控制技術的發展促進了船舶向數字化、網絡化、智能化方向發展[1]。船舶智能化系統的應用:一方面提高了船舶運營及管理效率,如船岸互聯互通、設備維護、設備優化、船舶運營統計分析等[2];另一方面利用船舶實際運行數據的反饋,能夠分析船舶運營性能、設備運行狀態等,從而優化船舶設計。

根據中國船級社《智能船舶規范》(2020)規定,智能船舶系統的功能可分為智能能效、智能機艙等。國內學者基于不同應用方向對智能船舶系統功能進行了大量的研究。李林[3]以電子海圖系統為平臺,對AIS信息的解析及在電子海圖系統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測進行了研究。鄧曉光[5]以集裝箱船為目標船型,通過建模仿真分析了船舶航速與運營能耗的關系,用于指導優化船舶航行速度,降低燃油消耗。

智能船舶系統正逐步應用到實船項目中。目前相關研究大多是通過系統仿真技術,對某一項智能化技術進行驗證分析,缺少從設計到實船應用的綜合性分析和基于船廠角度的智能化應用功能的設計。本文開發的智能船舶系統采用“1平臺+N應用”的框架,基于實船設備配置和應用功能需求,分別對系統架構、數據采集傳輸、系統設計、功能應用等方面進行了研究;并以某61 000 t散貨船為研究對象,實現了船舶營運數據的自動采集、傳輸和處理、運營狀態的實時監測,以及船舶營運數據的分析;最后提出改善船舶運營及設計的有效措施。

1 智能應用平臺設計

智能船舶系統設計主要考慮船端運營和岸端管理應用,通過衛星通信系統實現船端和岸端系統互聯互通。從船舶運營管理角度出發,船舶智能化功能主要關注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。基于此,系統分為船端系統應用平臺和岸端系統應用平臺(見圖1)。

圖1 智能船舶系統功能模塊

船端系統平臺包含以下功能模塊:船舶能效監測模塊,主要用于監測船舶運行時的實時船舶能效營運指數(EEOI)值、單海里油耗等能效參數;油耗監測模塊,主要用于監測當前燃油存量、消耗量和各設備油耗狀態;縱傾優化功能,主要用于優化船舶浮態,降低船舶航行阻力,從而減少船舶油耗;主機性能評估模塊,主要用于監測船舶主機各系統運行狀態,對異常運行情況發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備運行參數,定期向岸基指定位置發送報告信息。

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

2 數據采集與傳輸

根據上述功能設計,系統主要采集的導航設備信號和機艙設備信號見表1。

表1 設備信號清單

為了降低設備成本,系統設計考慮盡量重復利用現有傳感器數據,從各處集中控制站中采集數據。61 000 t散貨船配置綜合導航系統、機艙監測報警系統和主機控制系統。

綜合導航系統通過雷達集成所有導航設備數據并集中送出。該接口為RS422接口,采用IEC 61162-1通信協議。系統通過該接口既可以將內部導航信號統一打包送出,又能形成有效的網絡隔離,防止外圍系統對船舶導航系統內部網絡造成網絡威脅。系統采集網絡見圖2。

圖2 信號采集接線圖

主機控制系統內部采集主機爆壓、壓縮壓力等重要燃燒參數。由于該系統本身與機艙監測報警系統有數據交互,因此將主機控制系統的所有數據送入機艙監測報警系統,機艙監測報警系統再將主機、發電機、鍋爐等設備的數據打包送出。各設備通信協議信息見表2。

表2 設備通信協議

IEC 61162標準是船舶導航及無線電設備數字接口標準,其中:IEC 61162-1/2是對串行接口通信標準的規定,IEC 61162-450是對以太網通信的規定。串行通信協議中定義了不同信息對應的固定通信語句,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標準解析出的結果是封裝后的信息,需要根據ITU-RM.1371協議,經過6位ASCII碼表轉換[2],才能解析出對應的船舶信息。

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

圖3 航路信息

3 系統設計

3.1 系統網絡架構

船端系統主要包括數據采集箱、系統服務器和客戶端。數據采集箱包含信號轉換單元和網關防火墻,實現不同信號接口的轉換和內外網絡的隔離。系統設計采用瀏覽器服務器(B/S)架構,服務器主要用于系統數據采集、存儲和功能應用的計算。客戶端主要用于系統應用的前端顯示和交互。同時,系統接入船舶局域網,通過系統賬戶,在局域網內部可隨時訪問智能船舶系統,極大拓展了系統的靈活性。系統架構見圖4。

圖4 智能船舶系統網絡架構

3.2 數據庫設計

智能船舶系統涉及大量的數據處理與分析。數據庫的設計既要滿足不同功能的需要,又要考慮大量數據處理時系統的響應速度。同時,考慮到隨著技術的發展,新的智能應用功能會不斷增加,所以數據庫的設計需要考慮系統的可配置性及功能的拓展性。基于以上考慮數據庫表主要分為以下3類:

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

(2)基礎參數表:保存船舶基礎參數,包括船舶主要參數(艙容信息、船舶性能信息等)和設備參數(主機發電機油耗信息、輔機臺架試驗和海試運行數據等)。

(3)界面交互表:用于后臺計算與前端數據顯示的交互接口,根據不同功能頁面設置對應的交互表。系統結構見圖5。

圖5 軟件結構

4 數據應用

4.1 能效監測

船舶能耗直接關系到船舶的實際運營成本,始終是船東重點關注的內容。本船主要能耗設備為主機、發電機和鍋爐。主機和發電機共用燃油供給系統,在燃油總管和發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,在燃油供給管路上安裝體積式流量計。

各能耗設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為發電機累計油耗;VDG-IN為發電機燃油管路入口流量;VDG-OUT為發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]。縱傾優化主要基于船舶實際航行性能數據庫,以最小主機功率為優化目標,給出船舶最佳縱傾的建議。借助系統對航行數據的自動采集的優勢,能夠對大量的航行數據進行處理,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據庫,見圖6。系統根據船舶當前吃水和設定航速給出縱傾優化建議,以降低船舶的營運能效。

圖6 本船某航速下的船舶運動關系

4.3 主機性能分析

船舶主機是船舶最重要的設備,且系統復雜,參數眾多,一直以來是船舶維護管理的重中之重。系統首先根據主機試車、試航數據建立理論數據模型;在船舶運行當中,實時監測主機各系統運行參數,并結合氣溫(環境溫度)、冷卻水溫度等環境參數將系統運行參數修正到理論模型相同條件下。當實際運行數據與理論運行模型偏差超出閾值時,系統發出報警,同時結合專家知識庫,給出維護建議,見圖7。

圖7 主機性能分析

環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,分為環境溫度修正和冷卻水溫度修正;tmeas為測量得到的環境溫度及冷卻水溫度;tref為參考標準下的環境溫度及冷卻水溫度;F為常量;K為常量;Ameas為實際的參數測量值,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的整改計劃,并且納入到船舶能效管理計劃(SEEMP)中。

系統能夠自動對船舶航行數據進行采集、處理及分析,實現對船舶航行性能的實時監測,并對航行數據進行積累,形成船舶航行數據庫。在此基礎上,實時監測船舶的CII等級。通過對氣象數據的解析,可以實現未來對CII等級的預測。當CII等級較差時,可以提前采取相關措施,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、縱傾優化、航速優化和航線優化等。

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

5 結語

利用船舶智能化系統,能夠對船舶進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的設計思路、系統架構和應用功能等,開發了智能船舶管理平臺。研究表明:一方面通過船廠技術積累與信息技術的結合,可實現對船舶運營管理支持的延伸服務;另一方面,利用船舶實際運行數據的反饋,可以優化船型設計、設備選型等,實現船舶設計、運營、反饋優化的良性循環。