智能机舱技术陆上验证平台构建初探

张 平，王五桂，金 颀，邱 诚

智能机舱技术陆上验证平台构建初探

张 平1，王五桂2，金 颀2，邱 诚2

（1. 海装驻上海地区第八军事代表室，上海 200011；2. 中国舰船研究设计中心，武汉 430064）

本文通过分析智能机舱技术的内涵和功能需求，并在舰船电力技术试验室已有平台和已形成能力的基础上，提出智能机舱技术陆上验证平台硬件和软件构建方案，为后续新增智能化模拟与控制的相关设备，为智能化船舶电力系统物理模拟试验能力提供技术支撑。

智能机舱 陆上验证平台 硬件平台和软件平台 管理

0 引言

随着船舶吨位的增加，船舶机电设备也变得复杂。机电设备的使用、维护、保障成本，机电系统的安全性、可靠性要求都随之提高。传统的机电设备监测主要包括主机监测、发电机组监测等，每个系统比较独立，且采集的信息量、参数种类都较少，逻辑简单、准确性低，甚至会出现漏检和误判。因此，对机电设备及系统的信息化、智能化、集成化的需求也越来越强烈[1]。随着现代科学技术的发展，互联网、云计算、大数据分析、人工智能等新兴技术在各行各业中都得到了广泛的应用。这些先进技术都可以过渡到船舶行业，辅助人工来优化对船舶的运营和管理[2]。

目前船舶机电设备智能化相关技术的发展还在处在初期阶段，尤其是在国内，中国船级社CCS在2015年底推出智能船舶规范，其中涉及机电设备的智能机舱部分只涉及到了主、辅机和轴系、齿轮箱等传统设备。随着船舶智能化的发展和新一代信息物理系统以及大数据技术的优化升级，机舱智能化所涉及的范围肯定会进一步扩大，电气化设备也将会成为智能化机舱的重要组成部分，相关的如机舱综合监控、智能电机管理、以及综合电力推进等系统也会被纳入到相关的规范系统中[3]。通过研究智能机电监测管理系统，为船舶机电设备智能化方面积累相关经验，尽早进入智能船舶领域，提升自身竞争能力。

1 智能机舱技术的内涵

传统船舶机舱自动化系统是集机舱动力系统及辅助系统自动控制、监测、报警等于一体化的监控系统，主要由主机遥控、机舱监测报警、电站管理、泵组控制等组成。各系统一般是单独设计，维护管理相对独立。

智能机舱是在原有自动化机舱发展的基础上演变而来[4]。根据《智能船舶规范》中的定义，智能机舱是综合利用状态监测系统所获得的各种信息和数据，对机舱内机械设备的运行状态、健康状况进行分析和评估，用于机械设备操作决策和维护保养计划的制定。基本功能包括对机舱内的主推进发动机、辅助发电用发动机、轴系的运行状态进行监测；根据状态监测系统收集的数据，对机械设备的运行状态和健康状况进行分析和评估；根据分析与评估结果，提出纠正建议，为船舶操作提供决策建议。

目前智能机舱技术在原有自动化机舱基础上发展起来的，还在处在发展的初期阶段。随着船舶智能化的发展和新一代信息物理系统以及大数据技术的优化升级，智能机舱技术将打破传统各系统独立运行模式，实现各系统设备之间有限互通，所涉及的范围肯定会进一步扩大，电气化设备也肯定会成为智能机舱的重要组成部分，相关的如机舱综合监控、智能电机管理、以及综合电力推进等系统也会被纳入到智能机舱的规范系统中，实现整体智能化管理。未来智能机舱技术也将融合综合导航和环境感知系统，实现航行过程中自动诊断存在的故障，并能够有效监控船舶周围及自身状态，有效保障船舶的航行安全，还能够有效节省经营成本[5]。智能机舱技术融合智能能效管理技术和智能航行操纵控制技术又将推动船舶无人驾驶的发展[6]。

2 智能机舱技术的功能需求

智能机舱由四个模块，分别为：主机故障诊断分系统、电力系统故障诊断分系统、辅助设备故障诊断分系统、智能机舱管控分系统。

智能机舱内部网络结构采用以太网，主机故障诊断分系统、电力系统故障诊断分系统、辅助设备故障诊断分系统、智能机舱管控分系统通过以太网接入，有效提高网络可靠性。

主机故障诊断主要包括滑油油液在线监测、主机振动监测、主机主要辅助设备监控、主机健康管理及辅助决策和提出主机的特征参数及决策建议等功能。

图1 智能机舱总体构架

电力系统故障诊断主要包括推进链诊断、配电板诊断、旋转设备诊断和综合故障诊断等功能。

辅助设备模块故障诊断主要包括辅助模块及设备监控、典型电机（泵组）故障预警及定位、模块关联性设备故障影响提示及辅助决策和故障预警、故障报警原因分析及故障排除建议等功能。

融合分析：智能机舱健康管理模块根据采集到的主机诊断模块、电力系统诊断模块、辅助设备诊断模块的实时数据，结合模块间的相互关系，通过图表形式联合诊断设备故障。

工况设置：智能机舱软件配置工况设置功能，用户可根据实际工况选择一般工况和特殊工况（钻探时），特殊工况下软件屏蔽健康管理功能，但仍然保留数据采集存储功能，为后续特殊工况时的设备健康分析积累必要的数据。

数据管理：提供统一的数据存储接口，智能机舱健康管理模块获取主机诊断模块、电力系统诊断模块、辅助设备诊断模块的特征参数、故障信息、辅助决策建议，将数据统一存储至智能机舱健康管理模块数据库中，方便模块对历史数据的有效保存和追溯。

用户扩展：外部计算机可灵活扩展，用户根据需求接入环网中，通过数据中心建立虚拟化服务，完成物理机扩展，所需物理机无任何配置要求，均可访问智能机舱管理软件。

3 智能机舱技术陆上验证平台构建

智能机舱技术是在柴油机、电力推进系统、机舱辅助设备常规状态监测的基础上，通过新增相应的状态监测传感器，信号采集装置、软件故障算法等手段扩展状态监测的广度和深度，实现柴油机、电力推进系统、机舱辅助设备的状态监测、故障诊断、健康评估，并为船舶操作提供决策建议。各部分通过感知平台建设、数据分析实现智能化机舱，为船员提供机舱状态、健康情况、辅助决策，降低船员劳动强度，一定程度上提高本船运营效能。本文在船舶电力技术实验室的基础上构建智能机舱技术陆上验证平台。船舶电力技术实验室已具备电力系统及关键设备研究及设计验证能力，形成了较为完善的舰船电力系统仿真研究平台、极端工况下舰船电力系统特性仿真研究平台。在现有平台能力的技术上，通过拓展智能机舱技术陆上验证平台的硬件和软件平台，可依托新一代智能船舶，新增智能化模拟与控制的相关设备，为智能化船舶电力系统物理模拟试验能力提供技术支撑。

3.1 陆上验证平台硬件总体构架

1）云平台内部采用两台光纤交换机，采用双冗余，物理服务器之间通过交换机连接；

2）外部交换机采用四台交换机部署全连接方式，外部设备通过外部交换机连接；

3）NAT路由器，机架式10G；

4）汇聚层网络交换节点：万兆智能网管三层交换机，至少16个10G SFP+光口，16个电口。支持IPv4 / IPv6路由，适合虚拟化、高可靠、高速度。2台堆叠连接；

5）接入层网络交换节点：千兆智能网管交换机（含万兆上联光模块接口），至少24个1G电口；

6）数据终端：网络支持100台及以上的终端，终端由其他项目实现。

图2 演示验证系统硬件总体拓扑图

3.2 陆上验证平台软件总体构架

智能船舶集成平台的总体软件架构图如图3所示，图4是集成平台软件的运行示意图，各软件通常运行在云平台的不同的虚拟机中。其中数据库是系统的核心节点，采用数据库集群技术实现数据的高效可靠的存储和管理。除系统软件和数据库以外，集成平台软件可以分为如下三类：

1）应用软件。包括设备监控及系统管理软件。构建基于B/S架构的智能船舶监控管理系统，接收数据库系统中各种设备的状态参数，并以多种展现形式将船舶的各项数据实时显示在监控界面上，以实现船舶运行状况的监测功能，并向用户提供人机交互界面。

对于报警信息等安全级别较高的数据，通过WebSocket协议服务端与客户端全双工通信的机制实时地向监控软件推送，实现信息的及时显示；对于需要远程控制的部分设备，通OPCUAClient端实时与OPCUA Server端进行通信，实现对指定设备的控制功能。从而构成基于Web的、具有参数监测和指令下发等功能的船舶信息集成管理系统。

软件系统通过接口模块将各类数据采集并处理后，形成统一的信息管理平台，实现船舶监控数据采集、显示和船务管理等业务应用的综合集成，并以B/S方式进行综合信息发布。凡是接入船舶网络中的移动设备或计算机，只需使用浏览器即可实现基于Web的船舶信息管理。

图3 系统软件总体架构

2）数据采集传输与入库软件。包括数据终端软件和数据接口软件。数据接口软件作为OPCUAClient连接作为OPCUA Server的数据终端软件，通过可靠的加密手段实时进行数据通信，数据接口软件可进行数据的实时采集和入库、历史数据访问、即时报警信息接收、设备控制等功能。运行在嵌入式PAC设备中的数据终端软件对应各类不同的设备或传感器，在现场采集各类参数和数据，将不同的数据协议转成标准的OPCUA协议，向多个Client端实时可靠地发送数据。

3）服务中间件。提供上层应用的各种服务组件，包括统一用户认证、系统间的数据交互、数据库中间件、大数据分析等软件。这些软件通常以RESTful接口或程序库的形式提供给上层软件。

图4 系统软件示意图

云计算平台通过软件手段将服务器集群池化，并进行统一管理和调度，对外提供具有可弹性伸缩、高可用、高安全等特性的服务。应用、Web、数据库等服务器均可构建在不同的虚拟云服务器中，基于资源需求和业务优先级实现虚拟机的灵活部署，以提高资源利用率，降低硬件采购成本，节能和节省空间。

4 结语

智能化是船舶发展的趋势所在，目前已有数艘船舶根据CCS相关规范开展了机舱机电设备的智能化工作。随着机舱机电设备高精度在线感知、实时健康状态评估、专有系统知识库、视情维护、故障预诊断技术研究越加深入，并在智能机舱技术陆上验证平台进行充分的验证和迭代，将进一步构建机舱设备智能监测及预诊断维护体系，未来可解决机舱设备寿命周期长、人工管理需求高等问题，将在更多型号中得到更深入的应用。

随着科技的进步科学的发展，新的科学技术不断涌现，舰船机舱的智能控制系统也在不断完善。将物联网技术应用在自动监控网络当中，可以实现远程在线监控，可以实时确定机舱设备的运行状态，并且能够在技术成熟的前提下，将所采集到的监控数据存储至终端，为后续应用夯实基础。

[1] 罗华富, 王舒华. 物联网在舰船机舱自动化监控中的应用[J]. 舰船科学技术, 2020(42): 220-222.

[2] 王远渊, 刘佳仑, 马枫, 王兴平, 严新平. 智能船舶远程驾驶控制技术[J]. 中国舰船研究, 2021(16): 18-30.

[3] 刘微, 尚家发. 智能船舶发展现状及我国发展策略研究[J]. 舰船科学技术, 2017(21): 193-197.

[4] 陈弓. 基于大数据的智能船舶研究[J]. 江苏船舶, 2018, 35(1): 1-3.

[5] 周志凤, 黄嵘, 龚瑞良. 智能船舶的顶层规划与体系架构[J]. 船舶, 2017(3).

[6] 梁云芳, 谢俊元, 陈虎等. 智能船舶的发展研究[A]. 纪念《船舶力学》创刊二十周年学术会议论文集[C], 无锡: 船舶力学, 2017, 650-197.

Study on the Construction of Onshore Verification Platform for Intelligent Engine Cabin Technology

Zhang Ping1, WangWugui2, Jin Qi2, Qiu Cheng2

（1. The Eighth Naval Military Representative Office in Shanghai District, Shanghai 200011, China; 2. China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China）

U665

A

1003-4862（2022）06-0037-04

2022-04-07

张平（1981-），男，工程师。研究方向：船舶电气。E-mail: jq649875791@foxmail.com