孫 堅

(中國船級社 江陰辦事處，江蘇 江陰 214431)

0 引言

2006年，國際海事組織提出c-Navigation概念，即通過電子信息手段，在船上和岸上收集、綜合和顯示海事信息，實(shí)現(xiàn)船—船、船—岸、岸—岸之間信息的相互溝通，以達(dá)到船舶安全、經(jīng)濟(jì)航行和環(huán)境保護(hù)的最終目標(biāo)。目前，大多數(shù)船舶由于設(shè)備自身原因或人為管理因素，導(dǎo)致油耗較大，運(yùn)營成本較高，在航運(yùn)市場不夠景氣的情況下缺乏競爭力，難于生存。為了解決上述問題，利用現(xiàn)代化的信息技術(shù)手段研發(fā)了船舶智能化運(yùn)行與維護(hù)系統(tǒng)。研究智能船舶運(yùn)行與維護(hù)系統(tǒng)(SOMS)目的是為了保障船舶安全、提高船舶能效，減少設(shè)備自身或人為因素造成的安全事故和燃油消耗，提供基于本船自身數(shù)據(jù)分析的運(yùn)行維護(hù)優(yōu)化方案、降低運(yùn)營成本，并通過岸海一體服務(wù)手段，向用戶提供船舶與公司之間實(shí)現(xiàn)無縫信息交流及協(xié)同管理的可能性。本文將SOMS系統(tǒng)應(yīng)用于某散貨船，對智能船舶節(jié)能降耗的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。

1 系統(tǒng)組成

SOMS系統(tǒng)是一款針對船舶運(yùn)行與維護(hù)過程的智能信息分析與決策支持系統(tǒng)，由船端和岸端兩部分組成。船端是通過傳感器、數(shù)據(jù)端口來集成全船的導(dǎo)航系統(tǒng)、輪機(jī)設(shè)備(包括主機(jī)、電站、液位遙測、壓載水、電子海圖、航行數(shù)據(jù)記錄儀等全船已有的監(jiān)控信息)，以及包括燃油流量、軸功率、主機(jī)瞬時轉(zhuǎn)速、軸振動等SOMS專用信息的，進(jìn)而形成集成信息運(yùn)行平臺，并在平臺中統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)信息共享，包括船上系統(tǒng)之間、船岸之間均可通過衛(wèi)星數(shù)據(jù)通訊進(jìn)行收發(fā)傳輸。本文闡述某散貨船船端的配置情況。

在本船中，系統(tǒng)除采集導(dǎo)航設(shè)備、監(jiān)測報警、主機(jī)遙控等信號之外，還包含自帶氣象站、能見度儀、鹽溫計、主機(jī)和輔機(jī)燃油消耗流量計、軸功率等傳感器。所有外部信號和傳感器信號通過5個數(shù)據(jù)端口采集進(jìn)入系統(tǒng)，各數(shù)據(jù)端口通過6類高速網(wǎng)線與多端口集線器連接，再與系統(tǒng)集成信息運(yùn)行平臺服務(wù)器和顯示計算機(jī)連接，并將數(shù)據(jù)包通過船舶衛(wèi)星通訊與岸端系統(tǒng)集成運(yùn)行平臺通訊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)傳輸。

2 系統(tǒng)功能

2.1 智能集成信息平臺

智能集成信息平臺搭建智能船舶基礎(chǔ)架構(gòu)，主要實(shí)現(xiàn)船舶數(shù)據(jù)多元信息感知、多元信息存儲、數(shù)據(jù)同步、數(shù)據(jù)分析加工、報警事件處理、趨勢預(yù)測、結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)輕量級壓縮與船岸數(shù)據(jù)交換等技術(shù)。集成信息平臺產(chǎn)品滿足一個智能系統(tǒng)所必備的三大要素，即智能感知、智能分析、智能決策。

2.1.1智能感知

SOMS擁有一個集成的信息平臺系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠收集全船設(shè)備信息，形成信息集中平臺，并統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲。

2.1.2智能分析

SOMS平臺搭載專用數(shù)據(jù)分析模型庫。目前在SOMS平臺上已形成110多個智能數(shù)據(jù)分析模型，可搭載支持各項功能的專用模型庫，定義數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、基準(zhǔn)建立、對比分析、優(yōu)化輸出的統(tǒng)一調(diào)用流程，將數(shù)據(jù)來源與功能要求自動匹配，形成SOMS的每一個特色功能(如設(shè)備安全預(yù)警、燃油消耗優(yōu)化、岸海傳輸壓縮等)，并以數(shù)據(jù)分析模型的自學(xué)習(xí)能力，隨航行過程進(jìn)行自動模型訓(xùn)練與優(yōu)化(效果通常在投入使用后3～6月逐步見效)。

2.1.3智能決策

SOMS為一個集成平臺+多個定制化應(yīng)用模式。SOMS有統(tǒng)一的信息平臺與專用模型庫，能像智能手機(jī)的“平臺+APPs”模式一樣，滿足船東在船舶運(yùn)維過程的各項需求，以低成本、快速響應(yīng)形式提供從船端到岸端的多個定制化應(yīng)用。

2.2 船舶能效管理

系統(tǒng)基于SOMS信息平臺中主機(jī)、輔機(jī)和鍋爐等設(shè)備的油耗等數(shù)據(jù)，調(diào)用涉及船舶能效分析的專用模型庫，實(shí)時分析評估船舶海上航行能源消耗狀態(tài)、設(shè)備性能和能源效率狀態(tài)，找到能源消耗方向，并提供船舶航行及設(shè)備使用的優(yōu)化方案，旨在將全船的整體能源成本降到最低。

運(yùn)用SOMS特有的能耗數(shù)據(jù)分析與優(yōu)化模型，基于自身航行數(shù)據(jù)，建立能耗基準(zhǔn)與優(yōu)化目標(biāo)，并在航行過程中實(shí)時計算分析，結(jié)合當(dāng)前主機(jī)轉(zhuǎn)速、航行環(huán)境、燃油效率因素給出可供微調(diào)的轉(zhuǎn)速優(yōu)化范圍(轉(zhuǎn)速優(yōu)化工具)，指導(dǎo)船員盡可能降低船舶能耗，并直觀看到降耗效果。

2.2.1能效狀態(tài)評估

能效狀態(tài)評估優(yōu)化主要功能是對于船舶總體航行過程中的能源消耗進(jìn)行監(jiān)測，并評估消耗是否合理，監(jiān)測重要耗能設(shè)備狀態(tài)信息，是對能效參數(shù)統(tǒng)一的分析功能。

2.2.2全船耗能設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控

系統(tǒng)對采集到的船舶重要設(shè)備狀態(tài)信息進(jìn)行分析。重要設(shè)備狀態(tài)信息主要包括：主機(jī)總體狀態(tài)、發(fā)電機(jī)組總體狀態(tài)、鍋爐總體狀態(tài)，以參數(shù)曲線形式，全面直觀地顯示出重要設(shè)備狀態(tài)信息。

2.2.3綜合轉(zhuǎn)速優(yōu)化

能效優(yōu)化功能包括綜合優(yōu)化指示儀表展示、轉(zhuǎn)速優(yōu)化工具功能。該功能為輔助決策功能，幫助船員根據(jù)船舶狀態(tài)采用合理的主機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到降低燃油消耗的目的。

2.2.4能效數(shù)據(jù)分析管理

船舶能效分析管理功能包括船舶能效監(jiān)測、耗能設(shè)備評估、能效分布分析、燃料信息管理功能。

2.2.5ECA監(jiān)控管理

基于全球排放監(jiān)控區(qū)域的劃分，ECA監(jiān)控管理能夠根據(jù)當(dāng)前船舶航向、航速，在距離排放控制區(qū)一定范圍內(nèi)，進(jìn)行剩余海里、剩余時間預(yù)警，幫助船員及時調(diào)整航行。

2.2.6MRV數(shù)據(jù)報告

按照MRV碳排放監(jiān)測核算/報告/核查體系數(shù)據(jù)報告要求，系統(tǒng)可提供能效數(shù)據(jù)的記錄和存儲表格，便于船員提供相應(yīng)文件資料。

2.3 SOMS健康管理系統(tǒng)

基于船舶運(yùn)行的真實(shí)工況，不報警并不意味著設(shè)備一切正常，設(shè)備運(yùn)行中的狀態(tài)變化可能暗示著安全隱患。因此，SOMS健康管理系統(tǒng)特有的實(shí)時健康狀態(tài)評價與預(yù)警分析工具，可以通過實(shí)時對比設(shè)備的健康基準(zhǔn)模型、結(jié)合趨勢預(yù)測模型，將發(fā)現(xiàn)的安全隱患(緩變型)及時告訴用戶，并直觀給出問題原因與關(guān)鍵變化參數(shù)，幫助用戶高效排除安全隱患，使未來期望達(dá)到“近零故障”運(yùn)行目標(biāo)。本船主要對主機(jī)、發(fā)電機(jī)組和軸系等重要設(shè)備健康狀態(tài)進(jìn)行評估。

2.3.1主機(jī)健康狀態(tài)評估

主機(jī)健康狀態(tài)評估提供主機(jī)整體性能狀態(tài)評估、主機(jī)組成系統(tǒng)及部件報警評估、主機(jī)核心部件的健康評估，以及健康異常的決策提醒和維護(hù)輔助決策支持建議。

(1)主機(jī)整體性能狀態(tài)評估

實(shí)時跟蹤分析主機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行工況下的主機(jī)燃油效率狀態(tài)，針對主機(jī)每一個穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下的燃油效率狀態(tài)進(jìn)行評價，識別異常燃油效率消耗和發(fā)展趨勢，并能夠計算異常狀態(tài)下的額外燃油消耗。

(2)主機(jī)組成系統(tǒng)狀態(tài)評估

根據(jù)主機(jī)實(shí)時的運(yùn)行工況，對主機(jī)的附屬系統(tǒng)工作狀態(tài)進(jìn)行評價，識別滑油系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、淡水冷卻系統(tǒng)、海水冷卻系統(tǒng)等，主要識別其在使用工況下的性能表現(xiàn)異常和報警信號異常。

(3)主機(jī)核心部件健康狀態(tài)評估

對主機(jī)核心部件氣缸、軸承、增壓器、空冷器、輔助系統(tǒng)進(jìn)行針對性的健康狀態(tài)監(jiān)視。健康狀態(tài)監(jiān)視以工況追蹤為牽引，分析每一個工況下的各個健康狀態(tài)表征參數(shù)的表現(xiàn)，并識別異常狀態(tài)，提供對于該參數(shù)異常的解釋以及關(guān)聯(lián)分析。

(4)主機(jī)異常及報警事件智能分析與維護(hù)輔助決策支持

該功能對監(jiān)測報警系統(tǒng)提供的主機(jī)報警事件進(jìn)行分析，給出引起該報警事件的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)，并能夠自動匹配機(jī)理性知識的維修活動建議，同時支持相似報警案例的快速匹配檢索功能。

2.3.2發(fā)電機(jī)組健康狀態(tài)評估

發(fā)電機(jī)能效趨勢評估是對發(fā)電機(jī)能效參數(shù)實(shí)時數(shù)據(jù)趨勢走向的展示，以及實(shí)時數(shù)據(jù)和基線數(shù)據(jù)對比情況的分析、不同參數(shù)實(shí)時數(shù)據(jù)走向的對比分析，并通過趨勢曲線的方式展示，同時可展示能效參數(shù)的實(shí)時數(shù)據(jù)和合理區(qū)間。

(1)發(fā)電機(jī)組整體性能狀態(tài)評估

針對發(fā)電機(jī)組的柴油機(jī)與發(fā)電機(jī)部分，結(jié)合輸出的功率和燃油消耗及狀態(tài)監(jiān)測參數(shù)，SOMS健康管理系統(tǒng)能夠?qū)崟r給出整體健康狀態(tài)評價并對健康異常偏移進(jìn)行提示。

(2)發(fā)電機(jī)核心部件健康狀態(tài)評估

按照發(fā)電機(jī)序號分別進(jìn)行柴油機(jī)和發(fā)電機(jī)健康狀態(tài)的評估監(jiān)控。對于單臺發(fā)電機(jī)組，SOMS健康管理系統(tǒng)提供對應(yīng)工況下的柴油機(jī)部分健康狀態(tài)評估(對氣缸狀態(tài)、增壓器、滑油供給、燃油供給系統(tǒng)整體狀態(tài)的評估)。

2.3.3鍋爐健康狀態(tài)評估

針對船舶的燃油鍋爐和廢氣鍋爐進(jìn)行整體運(yùn)行狀態(tài)評價，并提供鍋爐能效狀態(tài)評價、鍋爐燃油消耗以及趨勢、鍋爐主要報警狀態(tài)、鍋爐主要參數(shù)的健康態(tài)勢評價等。

2.3.4軸系健康狀態(tài)評估

軸系健康狀態(tài)評估通過對振動、溫度、滑油液位的監(jiān)測，評估船舶軸系整體狀態(tài)、軸承狀態(tài)?；谡駝拥妮S系健康狀態(tài)評估以振動數(shù)據(jù)特征值進(jìn)行分析后的評估，同時結(jié)合追蹤軸承溫度、滑油液位變化以確保船舶軸系安全性。

2.3.5輔助設(shè)備健康狀態(tài)評估

對于重要輔助設(shè)備，如空壓機(jī)、泵組、風(fēng)機(jī)等，結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)和振動分析進(jìn)行健康狀態(tài)評估，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的掌握。

2.3.6健康狀態(tài)分析工具

(1)經(jīng)濟(jì)性分析工具

經(jīng)濟(jì)性分析工具提供一段時間內(nèi)設(shè)備(主機(jī)、發(fā)電機(jī)、鍋爐)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)的評價，包括當(dāng)前穩(wěn)定狀態(tài)下的燃油效率等經(jīng)濟(jì)曲線以及偏離正常區(qū)間程度。

(2)氣缸壓力分析工具

氣缸壓力分析工具結(jié)合在線轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)以及離線設(shè)備采集并上傳的氣缸壓力數(shù)據(jù)，開展相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析和曲線再現(xiàn)。

(3)部件衰退分析工具

部件衰退分析工具提供了針對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)下的各個工況以及核心主要部件表現(xiàn)的性能衰退分析方法。使用者可以統(tǒng)計并查看指定時間區(qū)域內(nèi)設(shè)備運(yùn)行工況分布情況，為分析不同工況下設(shè)備核心部件的衰退情況以及性能變化情況提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

(4)振動分析工具

振動數(shù)據(jù)采集分析工具是對振動數(shù)據(jù)分析的專用分析工具，具有振動類的特征分析功能和離線的機(jī)艙重要設(shè)備振動監(jiān)測分析功能。

(5)油液分析工具

油液分析工具分析船舶機(jī)械設(shè)備使用油液的物理、化學(xué)性能以及油液中所含磨屑雜物等。

(6)設(shè)備運(yùn)行分析工具

設(shè)備運(yùn)行分析工具主要從設(shè)備使用維度方面和設(shè)備使用的強(qiáng)度和頻度方面進(jìn)行統(tǒng)計。

(7)設(shè)備報警分布分析工具

設(shè)備報警分布分析工具主要分析設(shè)備的報警信號數(shù)據(jù)。通過全船分布的設(shè)備與系統(tǒng)的鏈接線圖關(guān)系，直觀展示報警發(fā)生的態(tài)勢以及集中程度，同時進(jìn)行事件的發(fā)生頻率統(tǒng)計，從中找到頻發(fā)事件。

2.3.7健康事件處理

(1)預(yù)警事件分析管理

預(yù)警事件分析管理是從全船設(shè)備和部件的狀態(tài)監(jiān)測為出發(fā)點(diǎn)，提供對預(yù)警事件的處理機(jī)制。根據(jù)輔助指導(dǎo)提示、運(yùn)行狀態(tài)曲線、預(yù)警參數(shù)趨勢曲線、固定參數(shù)趨勢曲線，對運(yùn)行狀態(tài)異常預(yù)警做出決策以及狀態(tài)分析。

(2)報警事件分析管理

報警事件分析管理是從全船設(shè)備和部件的狀態(tài)監(jiān)測為出發(fā)點(diǎn)，提供對報警事件的處理機(jī)制。根據(jù)輔助指導(dǎo)提示、運(yùn)行狀態(tài)曲線、報警參數(shù)趨勢曲線、固定參數(shù)趨勢曲線，對運(yùn)行狀態(tài)異常報警做出決策以及狀態(tài)分析。

3 結(jié)語

綜上所述，不難看出智能SOMS系統(tǒng)能帶來更好的節(jié)能效果?？梢灶A(yù)見，隨著船舶航行大數(shù)據(jù)的不斷累積，智能專業(yè)模型將不斷擴(kuò)展，船東可根據(jù)需要定制相應(yīng)的服務(wù)模型。相應(yīng)的專業(yè)模型將為船員提供科學(xué)決策支持，提升航行經(jīng)濟(jì)效益，減少船員工作量，降低維保成本。