摘要：船舶電氣系統(tǒng)是保障船舶正常運(yùn)行的重要組成部分，隨著船舶規(guī)模的擴(kuò)大和運(yùn)營(yíng)需求的增加，傳統(tǒng)的電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)面臨著越來(lái)越多的挑戰(zhàn)。人工智能技術(shù)的興起為解決這些挑戰(zhàn)提供了新的思路，能實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶電氣系統(tǒng)的高效監(jiān)控、智能診斷與自我修復(fù)，優(yōu)化能源管理，提高安全保障水平，提升船舶電氣系統(tǒng)的整體性能和可靠性。因此，探討了基于人工智能的船舶電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)，分析其在船舶電氣系統(tǒng)中的應(yīng)用狀況，為船舶電氣系統(tǒng)的發(fā)展提供科學(xué)的參考和建議。

關(guān)鍵詞：人工智能船舶電氣系統(tǒng)智能診斷性能需求

中圖分類號(hào)：TP18

DesignTechnologyofShipElectricalSystemBasedonArtificialIntelligence

JUTianhao1WUWei1YUANHuihui1ZHAOYang2

1.WuhanHuahaiGeneralElectricCo.，Ltd.;

2.WuhanHaiwangElectromechanicalEngineeringTechnologyCo.，Ltd.，WuhanCity，HubeiProvince，430205China

Abstract：Theshipelectricalsystemisanimportantcomponenttoensurethenormaloperationofships.Withtheexpansionofshipscaleandtheincreaseinoperationalrequirements，traditionalelectricalsystemdesignisfacingmoreandmorechallenges.TheriseofArtificialIntelligence（AI）technologyprovidesnewideastoaddressthesechallenges，enablingefficientmonitoring，intelligentdiagnosis，andself-healingofshipelectricalsystems，optimizingenergymanagement，improvingsafetyassurancelevels，andenhancingtheoverallperformanceandreliabilityofshipelectricalsystems.Therefore，hispaperdiscussesthedesigntechnologyofshipelectricalsystembasedonAI，analyzesitsapplicationstatusinshipelectricalsystems，providesscientificreferencesandrecommendationsforthedevelopmentofshipelectricalsystems.

KeyWords：AI;Shipelectricalsystem;Intelligentdiagnosis;Performancerequirements

船舶電氣系統(tǒng)是船舶正常運(yùn)行不可或缺的部分，為船舶上的各種設(shè)備提供必要的動(dòng)力和電源，包括推進(jìn)系統(tǒng)、照明、導(dǎo)航、通信設(shè)備以及生活區(qū)域的電力供應(yīng)等，保障了船舶的基本運(yùn)行需要，提高了船上人員的工作效率和生活質(zhì)量。從航行安全方面來(lái)說(shuō)，船舶電氣系統(tǒng)支持著船舶的導(dǎo)航系統(tǒng)、緊急響應(yīng)系統(tǒng)和安全監(jiān)控系統(tǒng)等，幫助船舶在復(fù)雜的海洋環(huán)境中安全航行，及時(shí)響應(yīng)各種緊急情況，保護(hù)船舶和船員的安全。因此，設(shè)計(jì)高效、可靠且智能化的船舶電氣系統(tǒng)對(duì)于現(xiàn)代航海事業(yè)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。

1船舶電氣系統(tǒng)的基本組成

船舶電氣系統(tǒng)是船舶能量管理與分配的關(guān)鍵樞紐，確保船舶各電氣設(shè)備的正常運(yùn)行與系統(tǒng)整體的能效優(yōu)化?；窘M成包括發(fā)電機(jī)組、分配系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、保護(hù)裝置及用電設(shè)備。其中，發(fā)電機(jī)組通常由柴油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的同步發(fā)電機(jī)構(gòu)成，負(fù)責(zé)為船舶提供主要?jiǎng)恿εc照明所需的電能；分配系統(tǒng)包括母線、斷路器、配電板及變壓器等，實(shí)現(xiàn)電能的有效分配與傳輸；控制系統(tǒng)，包括自動(dòng)化控制設(shè)備與儀表，負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)、調(diào)節(jié)電氣系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，確保系統(tǒng)穩(wěn)定性與響應(yīng)性；保護(hù)裝置，如熔斷器、繼電器等，保障系統(tǒng)在過(guò)載或故障時(shí)能迅速切斷，防止設(shè)備損壞與人員傷害；用電設(shè)備則涵蓋了船上所有電氣負(fù)荷，包括推進(jìn)系統(tǒng)、照明、通信與導(dǎo)航設(shè)備等。

2船舶電氣系統(tǒng)人工智能技術(shù)選型

2.1人工智能技術(shù)分類

船舶電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和管理中，主要適用的人工智能（ArtificialIntelligence，AI）技術(shù)，包括機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。深度學(xué)習(xí)作為機(jī)器學(xué)習(xí)的一個(gè)子集，通過(guò)模擬人腦的工作方式，使用多層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理復(fù)雜的數(shù)據(jù)。深度學(xué)習(xí)在圖像識(shí)別、自然語(yǔ)言處理和復(fù)雜決策支持系統(tǒng)中表現(xiàn)出色，可應(yīng)用于船舶電氣系統(tǒng)的視覺監(jiān)控、自動(dòng)導(dǎo)航和高級(jí)決策制定等方面。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ConvolutionalNeuralNetwork，CNN）和循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RecurrentNeuralNetwork，RNN）是實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)的關(guān)鍵架構(gòu)。CNN可以用于船舶監(jiān)控系統(tǒng)中的對(duì)象識(shí)別和分類任務(wù)。而RNN擅長(zhǎng)處理序列數(shù)據(jù)，用于能源消耗和系統(tǒng)性能趨勢(shì)分析。

2.2硬件和軟件要求

基于選定的人工智能技術(shù)，船舶電氣系統(tǒng)的硬件和軟件的要求也有所不同。（1）硬件方面，深度學(xué)習(xí)和復(fù)雜神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型通常需要高性能的計(jì)算資源，包括高速多核（High-SpeedMulti-CoreCentralProcessingUnit，CPU）、大容量（High-CapacityRandomAccessMemory，RAM）以及專業(yè)的圖形處理單元（GraphicsProcessingUnit，GPU）或張量處理單元（TPU，TensorProcessingUnit），以支持模型的快速訓(xùn)練和實(shí)時(shí)推斷，對(duì)較小規(guī)模或復(fù)雜度較低的機(jī)器學(xué)習(xí)項(xiàng)目，標(biāo)準(zhǔn)的商用硬件通常就足夠了。（2）軟件方面，要選擇合適的開發(fā)和運(yùn)行環(huán)境，包括操作系統(tǒng)、編程語(yǔ)言和專用的機(jī)器學(xué)習(xí)或深度學(xué)習(xí)框架。計(jì)算機(jī)編程（Python）有著廣泛的庫(kù)支持，如符號(hào)數(shù)學(xué)系統(tǒng)（TensorFlow）、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)庫(kù)（Keras）和機(jī)器學(xué)習(xí)庫(kù)（PyTorch），都是開發(fā)AI模型的強(qiáng)大工具，還需要數(shù)據(jù)處理和可視化工具，如數(shù)據(jù)分析包（Pandas）和2D繪圖庫(kù)（Matplotlib），以及為模型部署和集成提供支持的軟件平臺(tái)[1]。

3人工智能的船舶電氣系統(tǒng)需求分析

3.1功能需求分析

功能需求定義了船舶電氣系統(tǒng)必須實(shí)現(xiàn)的基本功能，對(duì)集成人工智能的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，要涵蓋傳統(tǒng)的電氣系統(tǒng)需求，還要包含由AI技術(shù)驅(qū)動(dòng)的功能。導(dǎo)航功能需求包括精確的定位和航向控制[2]，自動(dòng)調(diào)整航線以避開障礙物和危險(xiǎn)區(qū)域。通信功能需求不僅涉及標(biāo)準(zhǔn)的船舶通信系統(tǒng)，如無(wú)線電通信和衛(wèi)星通信，還包括數(shù)據(jù)交換和實(shí)時(shí)信息共享的能力，以支持遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制[3]。

3.2性能需求分析

性能需求確保系統(tǒng)能執(zhí)行必要的功能，且在效率、可靠性和功耗方面達(dá)到高標(biāo)準(zhǔn)。處理速度方面，系統(tǒng)必須能夠?qū)崟r(shí)處理大量數(shù)據(jù)，如從傳感器收集的信息，以及執(zhí)行復(fù)雜的決策支持算法，無(wú)延遲地響應(yīng)航行、通信和動(dòng)力管理等任務(wù)的需要。可靠性是另一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，特別是在惡劣的海洋環(huán)境下，系統(tǒng)必須能夠持Dz9dBa5wszZ/rJD+J5MQ20Zvfp+F5IaZuYnNxFlvWDo=續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，抵御物理和網(wǎng)絡(luò)安全威脅[4]。功耗需求關(guān)注系統(tǒng)的能效，尤其是在能源供應(yīng)受限的情況下，系統(tǒng)需要采用先進(jìn)的算法和硬件設(shè)計(jì)來(lái)降低能耗，確保長(zhǎng)時(shí)間的自主運(yùn)行。

3.3用戶需求分析

用戶需求聚焦于操作人員和維護(hù)人員與系統(tǒng)的互動(dòng)，旨在提升用戶體驗(yàn)和系統(tǒng)的易用性。用戶界面（UserInterface，UI）設(shè)計(jì)需簡(jiǎn)潔直觀，提供清晰的信息展示和操作指南，使非專業(yè)人員也能輕松掌握管理系統(tǒng)。系統(tǒng)報(bào)警功能需精確及時(shí)，通過(guò)視覺和聲音提示迅速通知操作人員，同時(shí)提供初步的問題診斷和解決建議。故障診斷方面，系統(tǒng)應(yīng)具備自學(xué)習(xí)和適應(yīng)的能力，支持遠(yuǎn)程訪問和控制功能，使得維護(hù)人員能在不同位置對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和維護(hù)工作。

4基于人工智能的船舶電氣系統(tǒng)集成與測(cè)試

船舶電氣系統(tǒng)集成應(yīng)遵循模塊化設(shè)計(jì)原則，采用分層架構(gòu)以促進(jìn)不同組件之間的高效交互和兼容性，定義清晰的接口和通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)硬件與軟件之間的無(wú)縫集成，利用中間件技術(shù)以進(jìn)一步促進(jìn)不同技術(shù)棧間的集成，確保數(shù)據(jù)的順暢流動(dòng)和處理[5]。制訂全面的測(cè)試計(jì)劃是確保系統(tǒng)可靠性和性能的重要步驟，測(cè)試計(jì)劃應(yīng)包括單元測(cè)試、集成測(cè)試和系統(tǒng)測(cè)試等多個(gè)層次，單元測(cè)試針對(duì)系統(tǒng)的最小可測(cè)試單元進(jìn)行驗(yàn)證，確保每個(gè)部件按照預(yù)期工作；集成測(cè)試則關(guān)注不同組件間的交互和數(shù)據(jù)交換是否正確無(wú)誤。

5人工智能技術(shù)在船舶電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的實(shí)現(xiàn)

5.1數(shù)據(jù)收集與處理

船舶電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，人工智能技術(shù)的融入提高了系統(tǒng)的智能化水平，其中，傳感器布置與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，布局如溫度、壓力、流量和電流傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶電氣系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，收集的大量數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)高效的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)匯聚，為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理與分析奠定基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)預(yù)處理與清洗步驟對(duì)于確保數(shù)據(jù)質(zhì)量至關(guān)重要，剔除異常值、填補(bǔ)缺失值、數(shù)據(jù)歸一化等方法，優(yōu)化數(shù)據(jù)質(zhì)量，為機(jī)器學(xué)習(xí)模型的訓(xùn)練提供準(zhǔn)確、干凈的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，特征工程在AI的應(yīng)用中起到橋梁的作用，從原始數(shù)據(jù)中提煉出對(duì)預(yù)測(cè)模型最有用的信息，提高了模型的學(xué)習(xí)效率，提升預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度。

5.2智能診斷

船舶電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和管理中，異常檢測(cè)與預(yù)警機(jī)制采用復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，如異常檢測(cè)算法、聚類分析和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，從歷史數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)并識(shí)別正常與異常狀態(tài)之間的差異，實(shí)現(xiàn)早期故障預(yù)警，提前采取措施，避免潛在的故障發(fā)展成為嚴(yán)重問題。故障診斷與自我修復(fù)技術(shù)進(jìn)一步提升了船舶電氣系統(tǒng)的智能化水平[12]。利用深度學(xué)習(xí)、專家系統(tǒng)和模糊邏輯等技術(shù)，對(duì)故障原因進(jìn)行深入分析和診斷，實(shí)現(xiàn)故障的快速定位和分類，結(jié)合自適應(yīng)控制和機(jī)器學(xué)習(xí)策略，系統(tǒng)能夠根據(jù)故障診斷結(jié)果自動(dòng)調(diào)整運(yùn)行參數(shù)或啟動(dòng)備用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)故障的自我修復(fù)和系統(tǒng)的自我恢復(fù)功能，保障船舶電氣系統(tǒng)的連續(xù)可靠運(yùn)行。

5.3能源管理與優(yōu)化

能源消耗模式分析是對(duì)船舶運(yùn)行中各電氣設(shè)備的能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行收集與分析，識(shí)別能源使用的關(guān)鍵影響因素，為能效提升提供數(shù)據(jù)支撐，通過(guò)預(yù)測(cè)算法和優(yōu)化模型，如遺傳算3hnB+GYVN+xMfU8ktu79FA==法、粒子群優(yōu)化等，實(shí)現(xiàn)能源使用的最優(yōu)分配與調(diào)度，旨在降低能耗同時(shí)保障船舶系統(tǒng)的高效運(yùn)行。

5.4安全性設(shè)計(jì)

船舶電氣系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)中，安全性設(shè)計(jì)是核心要素，保護(hù)系統(tǒng)免受內(nèi)外部威脅，確保數(shù)據(jù)的完整性、保密性和可用性，保障物理設(shè)備和船員的安全。從數(shù)據(jù)安全的角度考慮，應(yīng)用端到端加密（End-to-EndEncryption，E2EE）技術(shù)是保護(hù)傳輸過(guò)程中數(shù)據(jù)不被第三方截取的重要手段，實(shí)施嚴(yán)格的訪問控制和身份驗(yàn)證機(jī)制，確保只有授權(quán)用戶才能訪問系統(tǒng)數(shù)據(jù)和功能，防止未經(jīng)授權(quán)的訪問和數(shù)據(jù)泄露。針對(duì)物理安全，必須考慮到船舶環(huán)境的特殊性，采取措施保護(hù)硬件設(shè)備免受物理?yè)p害，如水、火災(zāi)、電磁干擾等，在設(shè)計(jì)時(shí)選用耐用的材料、采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施，以及布置傳感器監(jiān)測(cè)環(huán)境變化，預(yù)防可能的物理安全問題。

6結(jié)語(yǔ)

綜上所述，基于人工智能的船舶電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)代表了航運(yùn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新的最新趨勢(shì)，集成先進(jìn)的AI算法和技術(shù)，為船舶電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與運(yùn)營(yíng)提供了全新的解決方案。本文通過(guò)對(duì)AI技術(shù)在船舶電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行全面分析，明確了其在提升系統(tǒng)性能、增強(qiáng)能效管理、優(yōu)化安全保護(hù)等方面的顯著優(yōu)勢(shì)。然而，要充分發(fā)揮AI技術(shù)在船舶電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的潛力，還需克服數(shù)據(jù)收集與處理的難題、提高AI模型的準(zhǔn)確性和透明度、加強(qiáng)跨學(xué)科技術(shù)的融合等挑戰(zhàn)。隨著AI技術(shù)的不斷進(jìn)步和航運(yùn)業(yè)對(duì)智能化、自動(dòng)化需求的不斷提升，基于AI的船舶電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)將會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用，為航運(yùn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支持。

參考文獻(xiàn)

[1] 柳一凡.基于AM系統(tǒng)下船舶電氣軟件設(shè)計(jì)及二次開發(fā)[D].大連：大連理工大學(xué)，2020.

[2] 陳建勇，陳亞杰，高海波，等.新型綠色船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用分析[J].船海工程，2023，52（6）：1-7.

[3] 于永安.船舶電力系統(tǒng)中的智能繼電保護(hù)裝置軟件與硬件開發(fā)[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2023，45（21）：158-161.

[4] 彭鳳健，牟龍華，方重凱，等.基于LSTM-FCN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的船舶電力系統(tǒng)故障識(shí)別方法[J].船電技術(shù)，2023，43（10）：67-73.

[5] 蔡佳慧.混合動(dòng)力船舶直流組網(wǎng)變頻控制配電系統(tǒng)測(cè)試流程分析[J].海峽科學(xué)，2023（11）：37-42.