智能船舶系统在散货船上的设计应用.pdf

第 卷 第 期江苏船舶.年 月.智能船舶系统在散货船上的设计应用杨海建宋洋涛王 楠(南通中远海运川崎船舶工程有限公司江苏 南通)摘 要:为适应船舶设计制造及航运发展的智能化趋势在物联网及大数据的背景下结合船东需求与船厂技术积累分析了 散货船智能船舶系统的设计思路、系统架构、应用功能等完成了智能船舶平台的开发与应用 实际应用结果表明:系统实现了船舶主要设备运行状态的监测、辅助决策、能效监测与分析等功能在提高船舶的营运能效的同时为船厂对船舶实际运营性能的分析提供了支持关键词:智能船舶通信协议数据分析能效监测中图分类号:.文献标志码:./.引言网络通信技术和智能控制技术的发展促进了船舶向数字化、网络化、智能化方向发展 船舶智能化系统的应用:一方面提高了船舶运营及管理效率如船岸互联互通、设备维护、设备优化、船舶运营统计分析等另一方面利用船舶实际运行数据的反馈能够分析船舶运营性能、设备运行状态等从而优化船舶设计根据中国船级社智能船舶规范()规定智能船舶系统的功能可分为智能能效、智能机舱等国内学者基于不同应用方向对智能船舶系统功能进行了大量的研究 李林以电子海图系统为平台对 信息的解析及在电子海图系统上的显示进行了研究 王晓东等基于船舶的样本集通过支持向量机模型算法对船舶主机故障诊断预测进行了研究 邓晓光以集装箱船为目标船型通过建模仿真分析了船舶航速与运营能耗的关系用于指导优化船舶航行速度降低燃油消耗智能船舶系统正逐步应用到实船项目中 目前相关研究大多是通过系统仿真技术对某一项智能化技术进行验证分析缺少从设计到实船应用的综合性分析和基于船厂角度的智能化应用功能的设计 本文开发的智能船舶系统采用“平台 应收稿日期:收稿日期:交通运输部 年度交通运输行业重点科技项目()作者简介:杨海建()男硕士高级工程师从事船舶电气设计工作宋洋涛()男硕士工程师从事船舶电气设计工作王楠()男硕士高级工程师从事船舶总体开发研究工作用”的框架基于实船设备配置和应用功能需求分别对系统架构、数据采集传输、系统设计、功能应用等方面进行了研究并以某 散货船为研究对象实现了船舶营运数据的自动采集、传输和处理、运营状态的实时监测以及船舶营运数据的分析最后提出改善船舶运营及设计的有效措施 智能应用平台设计智能船舶系统设计主要考虑船端运营和岸端管理应用通过卫星通信系统实现船端和岸端系统互联互通 从船舶运营管理角度出发船舶智能化功能主要关注 个方面:提升船舶运营的管理效率和降低船舶运营的能耗 基于此系统分为船端系统应用平台和岸端系统应用平台(见图)图 智能船舶系统功能模块 船端系统平台包含以下功能模块:船舶能效监测模块主要用于监测船舶运行时的实时船舶能效营运指数()值、单海里油耗等能效参数油耗监测模块主要用于监测当前燃油存量、消耗量和各设备油耗状态纵倾优化功能主要用于优化船舶浮态降低船舶航行阻力从而减少船舶油耗主机性能评估模块主要用于监测船舶主机各系统运行状态对异常运行情况发出报警并提供维护建议报告管理模块利用自动采集船舶设备运行参数定期向 江 苏 船 舶第 卷岸基指定位置发送报告信息岸端系统平台包含以下功能模块:远程监控模块主要用于实时监测船舶设备运行状态辅助岸基船队运营管理历史数据模块主要用于分析一段时间内的船舶航行、外部环境等数据性能分析模块通过对船舶长期运行数据的积累分析船舶不同时期航行性能的变化 随着船舶运营数据的积累可通过岸端系统平台分析船舶系统设计与实际运营的偏差为改善船舶设计提供支撑 数据采集与传输根据上述功能设计系统主要采集的导航设备信号和机舱设备信号见表 表 设备信号清单设备信号电罗经航向、转向率船舶定位系统经纬度、对地速度计程仪对水航速舵角指示器舵角风速风向仪风速、风向测深仪水深吃水计吃水主机功率、转速、爆压、排气温度等发电机功率、运行时间等液位计油舱液位设备参数大容量设备运行电流信号 为了降低设备成本系统设计考虑尽量重复利用现有传感器数据从各处集中控制站中采集数据 散货船配置综合导航系统、机舱监测报警系统和主机控制系统综合导航系统通过雷达集成所有导航设备数据并集中送出 该 接 口 为 接 口 采 用 通信协议 系统通过该接口既可以将内部导航信号统一打包送出又能形成有效的网络隔离防止外围系统对船舶导航系统内部网络造成网络威胁 系统采集网络见图 主机控制系统内部采集主机爆压、压缩压力等重要燃烧参数 由于该系统本身与机舱监测报警系统有数据交互因此将主机控制系统的所有数据送入机舱监测报警系统机舱监测报警系统再将主机、发电机、锅炉等设备的数据打包送出 各设备通信协议信息见表 标准是船舶导航及无线电设备数字接口标准其中:/是对串行接口通信标准的规定 是对以太网通信的规定串行通信协议中定义了不同信息对应的固定通信语句如 代表对水速度信息/是用于传送船舶自动识别系统信息的语句包括自身船舶信息和周围船舶信息 但是通过 标准解析出的结果是封装后的信息需要根据.协议经过 位 码表转换才能解析出对应的船舶信息图 信号采集接线图表 设备通信协议设备接口通信协议通信语句主要信号雷达 波特率:/周期:/位置、水深、舵角、航向、速度、信息等电子海图 组播航路信息风速风向仪 波特率:/周期:风速、风向主机遥控系统 波特率:/周期:车钟信息机舱监测报警系统 波特率:/周期:()机舱设备、吃水等信息 电子海图主要采集规划好的航路信息 不同厂家采用的通信协议格式会有不同 本船电子海图根据 标准 组播协议传输航路信息文件文件格式为 标准中的 格式包含航路转向点经纬度信息及转向等信息见图 系统设计.系统网络架构船端系统主要包括数据采集箱、系统服务器和 第 期杨海建等:智能船舶系统在散货船上的设计应用 客户端 数据采集箱包含信号转换单元和网关防火墙实现不同信号接口的转换和内外网络的隔离系统设计采用浏览器服务器(/)架构服务器主要用于系统数据采集、存储和功能应用的计算 客户端主要用于系统应用的前端显示和交互 同时系统接入船舶局域网通过系统账户在局域网内部可随时访问智能船舶系统极大拓展了系统的灵活性 系统架构见图 图 航路信息图 智能船舶系统网络架构.数据库设计智能船舶系统涉及大量的数据处理与分析 数据库的设计既要满足不同功能的需要又要考虑大量数据处理时系统的响应速度 同时考虑到随着技术的发展新的智能应用功能会不断增加所以数据库的设计需要考虑系统的可配置性及功能的拓展性 基于以上考虑数据库表主要分为以下 类:()原始数据表:用于保存实时采集的船舶运行数据 考虑到部分应用对数据实时性、数据量的要求不同按照存储周期对原始数据表进行分类根据功能及查询时间长度自动匹配到相应的表中进行数据查询()基础参数表:保存船舶基础参数包括船舶主要参数(舱容信息、船舶性能信息等)和设备参数(主机发电机油耗信息、辅机台架试验和海试运行数据等)()界面交互表:用于后台计算与前端数据显示的交互接口根据不同功能页面设置对应的交互表 系统结构见图 数据应用.能效监测船舶能耗直接关系到船舶的实际运营成本始终是船东重点关注的内容 本船主要能耗设备为主机、发电机和锅炉 主机和发电机共用燃油供给系统在燃油总管和发电机燃油进出口管路上分别安装体积式流量计 锅炉为独立燃油供给系统在燃油供给管路上安装体积式流量计图 软件结构 各能耗设备油耗计算公式如下:()()式中:为发电机累计油耗为发电机燃油管路入口流量为发电机燃油管路出口流量为燃油密度为主机累计油耗为公共燃油管路总流量为锅炉累计油耗为锅炉燃油管路总流量.纵倾优化船舶纵倾的变化对船舶的阻力和推进性能有一定的影响在实际航行过程中采用最佳纵倾航行能够有效降低船舶的营运能效 纵倾优化主要基于船舶实际航行性能数据库以最小主机功率为优化目标给出船舶最佳纵倾的建议 借助系统对航行数据的自动采集的优势能够对大量的航行数据进行处理在考虑气象的前提下获得船舶在不同吃水、航速、纵倾条件下船舶需要消耗的主机功率建立包含船舶吃水、速度、纵倾和功率的船舶运动模型数据库见图 系统根据船舶当前吃水和设定航速给出纵倾优化建议以降低船舶的营运能效.主机性能分析船舶主机是船舶最重要的设备且系统复杂参数众多一直以来是船舶维护管理的重中之重 系统首先根据主机试车、试航数据建立理论数据模型在船舶运行当中实时监测主机各系统运行参数并结合气温(环境温度)、冷却水温度等环境参数将系统运行参数修正到理论模型相同条件下 当实际运行数据与理论运行模型偏差超出阈值时系统发出报警同时结合专家知识库给出维护建议见图 江 苏 船 舶第 卷图 本船某航速下的船舶运动关系图 主机性能分析 环境温度及冷却水温度的修正公式如下:()()式中:为修正值分为环境温度修正和冷却水温度修正为测量得到的环境温度及冷却水温度为参考标准下的环境温度及冷却水温度 为常量 为常量为实际的参数测量值包括主机爆压、压缩压力、扫气压力和排气温度.性能分析及预测在 强制的船舶营运碳排放强度()评价体系下将船舶划分为 个等级 如果船舶的 等级较差船舶就必须进行相关的整改计划并且纳入到船舶能效管理计划()中系统能够自动对船舶航行数据进行采集、处理及分析实现对船舶航行性能的实时监测并对航行数据进行积累形成船舶航行数据库 在此基础上实时监测船舶的 等级 通过对气象数据的解析可以实现未来对等级的预测当等级较差时可以提前采取相关措施以提高船舶的年度 等级 提高 等级的措施包括坞修建议、纵倾优化、航速优化和航线优化等以坞修建议为例按照 :中推荐的方法本船经过数据处理后排除了异常数据及外界因数对船舶性能分析的影响 通过数据拟合对比当前时间段船舶性能(如速度损失)与前一段时间的数据得到了速度损失的变化 船员可以根据分析结果及 预测结果合理安排坞修时间以提高 的等级 对于船舶设计者来说船舶实际的营运性能是评价船舶设计优劣最直观的体现 通过本系统可以对船舶航行数据及分析结果进行积累及整合由此了解船舶在不同吃水、航速、外界环境等条件下实际性能并最终反馈到新船设计中 结语利用船舶智能化系统能够对船舶进行智能化辅助管理及智能能效分析 本文基于 散货船阐述了船舶智能系统的设计思路、系统架构和应用功能等开发了智能船舶管理平台 研究表明:一方面通过船厂技术积累与信息技术的结合可实现对船舶运营管理支持的延伸服务另一方面利用船舶实际运行数据的反馈可以优化船型设计、设备选型等实现船舶设计、运营、反馈优化的良性循环参考文献:陈弓.基于大数据的智能船舶研究.江苏船舶():.杨鑫 袁科琛 刘芳.智能船舶船岸一体化系统应用.船海工程 ():.李林.基于 的 信息解码与显示.大连:大连海事大学.王晓东 马旭颖.基于 模型算法和大数据分析技术的船舶设备故障诊断.上海船舶运输科学研究所学报 ():.邓晓光.大型集装箱船舶营运能效系统建模仿真与分析方法研究.武汉:武汉理工大学.毛文雷 马宁 顾解忡.基于纵倾调整的集装箱船实海域航行阻力减少的研究.船舶工程():.()()().()/.().()()()()()()().()()()()()