龐 路 何沁園

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，越來(lái)越多的智能化、信息化技術(shù)走進(jìn)了人們生活的各個(gè)領(lǐng)域，使人們對(duì)于設(shè)備智能化的要求也越來(lái)越高。早在2014年德國(guó)漢諾威工業(yè)博覽會(huì)上，“工業(yè)4.0”的概念就已經(jīng)開(kāi)始受到廣泛關(guān)注?！肮I(yè)4.0”代表了繼工業(yè)機(jī)械化、工業(yè)電氣化、工業(yè)自動(dòng)化之后的“第四次工業(yè)革命”，而工業(yè)“智能化”正是“工業(yè)4.0”的核心表現(xiàn)形式。在各個(gè)領(lǐng)域，“智能化”都是近年來(lái)技術(shù)發(fā)展的主要方向。在新一輪工業(yè)技術(shù)革命如火如荼的大背景下，船舶設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域也正經(jīng)歷著技術(shù)變革，船舶“智能化”作為這場(chǎng)變革的重要一環(huán)，將使船舶設(shè)計(jì)從理念到方法產(chǎn)生質(zhì)的改變。

作為船舶主輔機(jī)的主要布置場(chǎng)所，機(jī)艙堪稱“船舶心臟”，其重要性不言而喻。在船舶設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域，船舶自動(dòng)化的推進(jìn)和發(fā)展在很大程度上體現(xiàn)在機(jī)艙自動(dòng)化程度提高上，各船級(jí)社的規(guī)范中，也對(duì)機(jī)艙自動(dòng)化有著詳細(xì)的規(guī)定和要求。因此，“智能機(jī)艙”的實(shí)現(xiàn)可以說(shuō)是在船舶智能化的進(jìn)程中不可或缺的一個(gè)重要方面。

1 《智能船舶規(guī)范》簡(jiǎn)介

《智能船舶規(guī)范》是基于中國(guó)船級(jí)社近年來(lái)的科技研究成果，并充分考慮國(guó)內(nèi)外有關(guān)智能船舶的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和未來(lái)船泊智能化的發(fā)展方向編制而成的，于2015年12月1日第18屆中國(guó)國(guó)際海事會(huì)展期間對(duì)外發(fā)布，并于2016年3月1日起正式生效。［1］

《智能船舶規(guī)范》中規(guī)定：智能船舶系指利用傳感器、通信、物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)手段，自動(dòng)感知和獲得船舶自身、海洋環(huán)境、物流、港口等方面的信息和數(shù)據(jù)，并基于計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和大數(shù)據(jù)處理和分析技術(shù)，在船舶航行、管理、維護(hù)保養(yǎng)、貨物運(yùn)輸?shù)确矫鎸?shí)現(xiàn)智能化運(yùn)行的船舶，以使船舶更加安全、更加環(huán)保、更加經(jīng)濟(jì)和更加可靠。［2-3］

《智能船舶規(guī)范》分智能航行、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(tái)等六個(gè)方面對(duì)智能船舶的功能進(jìn)行描述。滿足智能船舶規(guī)范要求的船舶，可以獲得智能船舶附加標(biāo)志“i-Ship（Nx， Hx， Mx， Ex， Cx， Ix）”，括號(hào)內(nèi)的字母是智能船舶的功能標(biāo)志，分別對(duì)應(yīng)上述智能船舶功能的六個(gè)方面。

《智能船舶規(guī)范》作為全球首部包含了智能船舶“設(shè)計(jì)—建造—運(yùn)營(yíng)”全周期的船級(jí)社規(guī)范，不但具有引領(lǐng)技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)實(shí)意義，還將隨智能船舶技術(shù)的深入應(yīng)用同步成長(zhǎng)，不斷納入新的應(yīng)用成果，完善并細(xì)化已有的技術(shù)要求。［4］

2 無(wú)人機(jī)艙與智能機(jī)艙

機(jī)艙自動(dòng)化在船舶整體自動(dòng)化設(shè)計(jì)當(dāng)中始終占有重要的一席之地，究其歷史可追溯到20世紀(jì)60年代，為提高船舶動(dòng)力裝置的運(yùn)行可靠性、安全性和經(jīng)濟(jì)性，從而實(shí)現(xiàn)降低船舶運(yùn)營(yíng)成本、改善船舶管理人員工作條件等目的，機(jī)艙自動(dòng)化系統(tǒng)得到大力發(fā)展。及至今日，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，新的設(shè)備以及自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路層出不窮，機(jī)艙自動(dòng)化系統(tǒng)幾乎已經(jīng)成為現(xiàn)代船舶的“標(biāo)配”。

一般來(lái)說(shuō)，機(jī)艙自動(dòng)化系統(tǒng)的組成分為以下四個(gè)方面：

（1）機(jī)艙檢測(cè)、報(bào)警、控制系統(tǒng)；

（2）主機(jī)和可調(diào)螺距螺旋槳的遙控系統(tǒng)；

（3）船舶電站自動(dòng)化；

（4）輔鍋爐、其他機(jī)電設(shè)備的自動(dòng)控制。

目前，在新船設(shè)計(jì)（尤其是工程用船以及海工項(xiàng)目）中越來(lái)越多被配置的動(dòng)力定位系統(tǒng)，廣義上也可歸入自動(dòng)化系統(tǒng)的范疇。［5］

在《智能船舶規(guī)范》中，各船級(jí)社都對(duì)機(jī)艙自動(dòng)化提出具體要求?！朵撝坪４爰?jí)規(guī)范》第7篇自動(dòng)化系統(tǒng)中規(guī)定，對(duì)于不同自動(dòng)化等級(jí)的船舶，可授予下列附加標(biāo)志［6］：AUT-0為推進(jìn)裝置由駕駛室控制站遙控，機(jī)器處所包括機(jī)艙集控站（室）周期無(wú)人值班；MCC為機(jī)艙集控站（室）有人值班對(duì)機(jī)電設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控；BRC為推進(jìn)裝置由駕駛室控制站遙控，機(jī)器處所有人值班。

其中，AUT-0的自動(dòng)化要求即為船舶無(wú)人機(jī)艙。滿足AUT-0要求的機(jī)艙自動(dòng)化系統(tǒng)，采集并集中監(jiān)控來(lái)自船舶各個(gè)重要系統(tǒng)（如機(jī)艙監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)、功率管理系統(tǒng)、推進(jìn)遙控系統(tǒng)、閥門遙控系統(tǒng)、液位測(cè)量系統(tǒng)、動(dòng)力定位系統(tǒng)、主輔鍋爐、其他重要輔機(jī)等）的參數(shù)信息，保證主推進(jìn)裝置、重要輔機(jī)、主輔鍋爐、電站以及其他主要機(jī)電設(shè)備在無(wú)人值班期間連續(xù)正常運(yùn)行，并在所監(jiān)控的設(shè)備發(fā)生異常時(shí)對(duì)指定場(chǎng)所發(fā)出報(bào)警指示。

《智能船舶規(guī)范》第4章對(duì)智能機(jī)艙的功能要求為：“智能機(jī)艙能夠綜合利用狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所獲得的各種信息和數(shù)據(jù)，對(duì)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(píng)估，用于機(jī)械設(shè)備操作決策和維護(hù)保養(yǎng)計(jì)劃的制定。”具體描述可分為以下四個(gè)方面［2］：

（1）對(duì)機(jī)艙內(nèi)的主推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)、輔助發(fā)電用發(fā)動(dòng)機(jī)、軸系的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

（2）根據(jù)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)，對(duì)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(píng)估。

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

（4）除基本功能之外，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(píng)估結(jié)果，制定相應(yīng)的視情維護(hù)計(jì)劃，作為智能機(jī)艙的補(bǔ)充功能。

值得注意的是，《智能船舶規(guī)范》要求申請(qǐng)智能機(jī)艙附加標(biāo)志M的船舶，應(yīng)符合如下條件［2］：

（1）滿足AUT-0附加標(biāo)志相關(guān)要求；

（2）設(shè)有基于狀態(tài)監(jiān)測(cè)的輔助決策系統(tǒng)。

由此入手，我們可以得出智能船舶與傳統(tǒng)船舶的機(jī)艙自動(dòng)化相比較的一個(gè)重要區(qū)別，即“設(shè)有基于狀態(tài)監(jiān)測(cè)的輔助決策系統(tǒng)”。

“輔助決策”指“依據(jù)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和健康狀況的分析與評(píng)估結(jié)果，提出糾正措施，為船舶操作提供決策建議”。［2］即具有輔助決策功能之后，智能機(jī)艙將能夠在不需要額外人為干預(yù)的情況下，根據(jù)系統(tǒng)所收集到的各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、參數(shù)信息作出狀況評(píng)估，并根據(jù)評(píng)估結(jié)果對(duì)船員的操作提出建議。

如果說(shuō)“AUT-0”的機(jī)艙自動(dòng)化要求實(shí)現(xiàn)船舶機(jī)艙無(wú)人值守，那么“i-Ship M”則是在無(wú)人機(jī)艙的基礎(chǔ)上賦予船舶機(jī)艙自我感知和自我思考的能力，是船舶智能化的重要一環(huán)，即由“機(jī)艙無(wú)人化”向“全船無(wú)人化”邁出的一大步。

3 機(jī)艙智能化思路探索

依托上文的對(duì)比分析可知，要實(shí)現(xiàn)智能機(jī)艙的規(guī)范要求，關(guān)鍵在于狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和輔助決策系統(tǒng)的構(gòu)建，狀態(tài)監(jiān)測(cè)是前提，輔助決策是目的。

在船舶設(shè)計(jì)自動(dòng)化程度達(dá)到一定高度的今天，針對(duì)船舶各個(gè)系統(tǒng)、機(jī)電設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已無(wú)軟硬件上的瓶頸限制，很多海工項(xiàng)目（如半潛打撈工程船等）在設(shè)計(jì)過(guò)程中均已加入狀態(tài)監(jiān)測(cè)的功能作為船舶自動(dòng)化系統(tǒng)的補(bǔ)充?，F(xiàn)有的狀態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)備可以接收船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力、船用電機(jī)、振動(dòng)噪聲、船舶風(fēng)機(jī)、空調(diào)、冷藏設(shè)備、閥門、液位、火警、照明等狀態(tài)信號(hào)，并加以集中顯示和控制。

圖1為獨(dú)立狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的簡(jiǎn)要結(jié)構(gòu)框圖。

圖1 獨(dú)立的狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

輔助決策系統(tǒng)，可以說(shuō)是當(dāng)前各領(lǐng)域智能化的“敲門磚”，只有在自動(dòng)化控制的基礎(chǔ)上加入輔助決策功能，才能使控制系統(tǒng)由自動(dòng)化向智能化進(jìn)行轉(zhuǎn)變。

該系統(tǒng)是以決策主題為重心，以信息智能處理技術(shù)為基礎(chǔ)，依托圍繞決策主題的數(shù)據(jù)庫(kù)和知識(shí)庫(kù)，為決策主題提供決策支持的系統(tǒng)。參考陸上智能變電站的報(bào)警信息輔助決策系統(tǒng)［7］，可以整理出用于船舶智能機(jī)艙輔助決策系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。其主要組成部分有數(shù)據(jù)庫(kù)、知識(shí)庫(kù)、推理機(jī)和解釋器等幾部分，系統(tǒng)基本邏輯構(gòu)架如圖2所示。

圖2 輔助決策系統(tǒng)基本邏輯結(jié)構(gòu)

在船舶智能機(jī)艙設(shè)計(jì)中，輔助決策功能的決策主題即“船舶操作”，即在發(fā)生設(shè)備故障報(bào)警的情況下對(duì)船員操作提出輔助建議。決策輸入來(lái)源有兩處：數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)自于狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，存儲(chǔ)并反映當(dāng)前受監(jiān)測(cè)設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息；而設(shè)備異常信息則主要由集成監(jiān)測(cè)報(bào)警控制系統(tǒng)（IAMCS）收集并提供。決策輸入的信息進(jìn)入系統(tǒng)后，設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)與知識(shí)庫(kù)中已有的各個(gè)主要設(shè)備典型異常情況進(jìn)行比對(duì)，再結(jié)合設(shè)備異常報(bào)警信息，按照既定邏輯進(jìn)行推理，將結(jié)論以處理建議報(bào)告的形式通過(guò)解釋器進(jìn)行輸出。

另外，該輔助決策系統(tǒng)一定是開(kāi)放式的，在使用過(guò)程當(dāng)中可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)知識(shí)庫(kù)中的設(shè)備典型樣本以及異常狀況處理方式進(jìn)行擴(kuò)充，同時(shí)還具有遠(yuǎn)程通訊的接口，在有需要的情況下使用岸基支持的方法對(duì)設(shè)備的故障處理及操作方式進(jìn)行“遠(yuǎn)程專家會(huì)診”。

4 智能機(jī)艙系統(tǒng)設(shè)計(jì)探究

現(xiàn)以某半潛打撈工程船為例，結(jié)合輔助決策系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對(duì)智能機(jī)艙的自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行探究。

4.1 船舶自動(dòng)化相關(guān)概況

本船為一艘具有動(dòng)力定位DP-2能力，采用電力驅(qū)動(dòng)的自航半潛打撈工程船，可在無(wú)限航區(qū)航行及作業(yè)。自動(dòng)化系統(tǒng)滿足CCS船級(jí)社對(duì)無(wú)人機(jī)艙（AUT-0）及動(dòng)力定位DP-2等級(jí)的相關(guān)要求。

本船自動(dòng)化系統(tǒng)包括集成監(jiān)測(cè)報(bào)警控制系統(tǒng)（IAMCS）、推進(jìn)遙控系統(tǒng)（TCS）、DP-2控制系統(tǒng)、壓載閥門遙控及液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（VRLMS），各系統(tǒng)基于計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)搭建，并根據(jù)船級(jí)社的要求設(shè)有必要的冗余。

集成監(jiān)測(cè)報(bào)警控制系統(tǒng)為船上所有重要設(shè)備提供一套基于計(jì)算機(jī)的、分布式的綜合報(bào)警、監(jiān)測(cè)及控制系統(tǒng)。

壓載閥門遙控及液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能對(duì)全傳壓載系統(tǒng)進(jìn)行控制、監(jiān)測(cè)與報(bào)警，對(duì)船體撓度值進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與報(bào)警，并模擬裝載狀態(tài)。

推進(jìn)遙控系統(tǒng)獨(dú)立于集成監(jiān)測(cè)報(bào)警控制系統(tǒng)，為每個(gè)推進(jìn)器設(shè)置一套獨(dú)立的推進(jìn)遙控和安全系統(tǒng)。

DP-2控制系統(tǒng)高度綜合動(dòng)力系統(tǒng)、推進(jìn)器系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)及動(dòng)力定位控制系統(tǒng)。在系統(tǒng)出現(xiàn)單個(gè)故障時(shí)，可通過(guò)控制剩余推進(jìn)器的推力和方向，在規(guī)定的環(huán)境條件下，使本船停留在設(shè)定的位置和首向上。

在本船無(wú)人機(jī)艙的自動(dòng)化系統(tǒng)基礎(chǔ)上，要構(gòu)建智能機(jī)艙系統(tǒng)，重點(diǎn)在于如何將“基于狀態(tài)監(jiān)測(cè)的輔助決策系統(tǒng)”融入其中。

4.2 輔助決策系統(tǒng)

就目前的半潛船設(shè)計(jì)要求來(lái)說(shuō)，無(wú)人機(jī)艙自動(dòng)化平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集已經(jīng)具有一定的深度和廣度，船上各重要設(shè)備已經(jīng)有相當(dāng)大規(guī)模的狀態(tài)信息被采集并監(jiān)控，完全可以作為輔助決策系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建藍(lán)本，加入其余與機(jī)艙相關(guān)的系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控信息，構(gòu)建輔助決策系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，如圖3所示。

圖3 輔助決策系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)成

數(shù)據(jù)庫(kù)集中監(jiān)測(cè)并存儲(chǔ)主推進(jìn)系統(tǒng)（包括相關(guān)軸系、管系、冷卻等裝置）、船舶電站（包括發(fā)電、供電裝置）、閥門液位、空調(diào)冷藏裝置、風(fēng)機(jī)泵組等輔助設(shè)備、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、防火門等機(jī)艙相關(guān)設(shè)備及系統(tǒng)的狀態(tài)信息。數(shù)據(jù)庫(kù)中的狀態(tài)信息應(yīng)包括設(shè)備的靜態(tài)配置狀態(tài)數(shù)據(jù)以及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的變化狀態(tài)數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)具有一定量的存儲(chǔ)空間，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)備份，保證在需要時(shí)可以進(jìn)行回放和顯示。

輔助決策系統(tǒng)的知識(shí)庫(kù)，是集合了對(duì)船舶各系統(tǒng)的理論分析以及實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)分類歸納和總結(jié)形成的，其內(nèi)容源于規(guī)范以及經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。知識(shí)庫(kù)的存儲(chǔ)內(nèi)容應(yīng)包括設(shè)備現(xiàn)象、類型、原因、處理方式等幾個(gè)方面，存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)選用表格式，在系統(tǒng)接收到設(shè)備狀態(tài)信息后進(jìn)行查找比對(duì)，為系統(tǒng)進(jìn)行智能化邏輯推理提供論據(jù)。

表1 輔助決策系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)示例

基于數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)支持以及知識(shí)庫(kù)的分類梳理，輔助決策系統(tǒng)即可結(jié)合由集成監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)中提取的異常/事故報(bào)警信息對(duì)人員操作、故障處理進(jìn)行輔助建議。其基本結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 輔助決策系統(tǒng)

4.3 智能機(jī)艙自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)

在本半潛船中增設(shè)自動(dòng)化中心機(jī)柜，在自動(dòng)化服務(wù)器中安裝輔助決策系統(tǒng)并為所有狀態(tài)數(shù)據(jù)提供存儲(chǔ)備份空間。機(jī)柜留有遠(yuǎn)程診斷接口，可在需要時(shí)增加岸基支持功能。將該自動(dòng)化中心機(jī)柜通過(guò)雙冗余高速工業(yè)以太網(wǎng)與原船自動(dòng)化系統(tǒng)整合起來(lái)，即可形成集中監(jiān)控輔助平臺(tái)，完成對(duì)智能機(jī)艙功能的實(shí)現(xiàn)。

此外，還可利用機(jī)艙視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)觀察和遠(yuǎn)程操作的結(jié)合，并通過(guò)設(shè)置無(wú)線路由器的形式提供盡可能多的延伸顯示位置，提高船員操作的便利性。

5 結(jié) 論

CCS《智能船舶規(guī)范》對(duì)于我國(guó)未來(lái)的智能船舶發(fā)展起到了非常好的導(dǎo)向作用，從規(guī)范出發(fā)，我們可以看到智能船舶今后的發(fā)展方向。隨著船舶自動(dòng)化程度的越來(lái)越高，必然會(huì)由量變引發(fā)質(zhì)變，實(shí)現(xiàn)智能船舶的終極目標(biāo)——無(wú)人船。

與傳統(tǒng)船舶的機(jī)艙自動(dòng)化設(shè)計(jì)相比，智能機(jī)艙在重要設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)方面要求更高，且需要在無(wú)人機(jī)艙的基礎(chǔ)上進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)輔助決策功能。這是船舶智能化發(fā)展的必經(jīng)之路，也是智能船舶感知學(xué)習(xí)能力、診斷分析能力以及自主響應(yīng)能力的主要體現(xiàn)。

［參考文獻(xiàn)］

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