某旧船机舱智能化改造方案研究

杨海婷 陈顺洪 陈万宏 李兴宇

摘    要：智能船舶是未来发展方向，智能机舱是智能船舶的重要组成部分。对于较早设计建造的船舶，机舱自动化水平较低，针对《智能船舶规范》对智能机舱的要求，分析某旧船机舱智能化改造的技术可行性，并给出初步智能化改造方案，可为现有船舶机舱智能化改造提供参考。改造后智能机舱能够为管理人员提供更多的信息和数据，为设备与系统的使用、操作和控制等提供支持。

关键词：智能船舶；智能机舱；智能化改造；状态监测

中图分类号：U664.82                              文献标识码：A

Research on Intelligent Transformation of Existing Ship's Engine Room

YANG Haiting1，  CHEN Shunhong2，  CHEN Wanhong2，  LI Xingyu2

（ 1. The Military Representative Office of the Naval Department in Guangzhou，  Guangzhou 510656，

2. Guangzhou Marine Engineering Corporation，  Guangzhou  510250 ）

Abstract： Intelligent ship is the future direction of development， and intelligent engine room is an important part of intelligent ship. For the ships designed and built earlier， the engine room automation level is low. According to the requirements of intelligent engine room in the latest Code for Intelligent Ships， the technical feasibility of intelligent transformation of an existing ship's engine room is analyzed， and the preliminary intelligent transformation scheme and the intelligent level that can be achieved after the transformation are given. After the transformation， the intelligent cabin can provide more information and data for managers， and provide support for the use， operation and control of equipment and systems. It can provide reference for the engine- room intelligent transformation of the existing ships.

Key words： Intelligent Ship;  Intelligent Engine Room;  Intelligent Transformation;  Condition Monitoring

1     前言

隨着科学技术的不断发展，信息化、智能化技术已在越来越多领域得到发展和应用。智能船舶的发展呈加速趋势，逐渐成为世界各个造船强国的主要研究方向。韩国、日本、欧洲等传统船舶制造强国都在积极发展智能船舶技术[1-3]，这一趋势的发展也导致船舶设计制造领域的技术革命[4]。

中国船级社基于近年来的研究成果和充分借鉴国内外有关智能船舶的应用经验，并考虑未来船舶智能化发展方向的基础上，于2015年12月1日首次对外公布了《智能船舶规范》。该规范将智能船舶分为6大功能模块：智能航行、智能船体、智能机舱、智能能效管理、智能货物管理和智能集成平台[5]。2020年3月1日，发布了《智能船舶规范（2020年版）》，相比于2015年版，新版本增加了远程控制操作和自主操作功能。

智能船舶包含智能航行和智能平台等多项功能[6]。其中：智能航行是智能船舶面向外部功能，是依靠智能技术解决航行过程中船舶与外部环境的矛盾关系，即船舶运动的控制；而智能船体、智能机舱、智能能效管理、智能货物管理及集成平台等，主要是面向内部的功能，是船舶内部运行控制[7]。作为船舶主辅机的主要布置场所，机舱堪称船舶心脏[8]，机舱智能化是实现船舶智能化的核心与关键[9，10]。

本文参照《智能船舶规范》（2020）对于智能机舱的要求，重点解决智能船舶内部功能问题。结合某旧船机舱内系统和设备配置情况，对其机舱智能化改造技术方案及可行性进行探讨，为旧船机舱智能化改造提供参考。

2    某旧船机舱现状

某旧船采用双机、双喷水推进装置，推进系统由船用高速柴油机、齿轮箱、轴系及喷水推进装置组成，配有2台柴油发电机组。该船建造时间较早，全船自动化水平低，机舱未设置监控室，未设置集中监控系统，采取有人值班方式。

动力监控系统设有机旁和驾驶室2个控制站，可在机旁和驾驶室显示主推进装置（主推进柴油机、齿轮箱、推进器及轴系）的转速、燃油压力、滑油温度等主要运行参数，当燃油压力、滑油温度等参数异常时发出声光报警；在驾驶室远程遥控实现主推进机组起停、齿轮箱离合、紧急停车、安全保护等功能，实现对推进器的舵角和倒航斗位置，以及主机转速进行遥控。

电站为半自动电站。柴油发电机组监测报警系统，主要包含机旁控制仪表箱和驾驶室综合报警板组成，柴油发电机组的起、停部位为机旁，并能在机旁控制仪表箱显示报警信号和项目，驾驶室综合报警板仅能在驾驶室发出综合报警信号，无法显示报警项目；配电板设半自动并车装置；其他辅助设备（泵、阀）等，均为手动本地控制。

3     改造目标

《智能船舶规范》第4章对智能机舱的功能要求为：“智能机舱能够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：

（1）对机舱内主推进装置、柴油发电机组及其相关的设备与系统运行状态进行监测；

（2）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评估；

（3）根据分析与评估结果，提出合理建议，为设备与系统的使用、操作和控制、检修、管理等方面的决策提供支持；

（4）主推进装置应能由驾驶室控制站远程控制，机器处所包括机舱集控站（室）周期无人值班；

（5）无人值班周期内，机舱内的设备及系统能连续正常运行。

除具备以上基本功能外，智能机舱还可基于设备与系统运行状态和健康状况的分析和评估结果，制定相应的维护保养计划[11]，有效降低重大设备故障及恶性事件的发生，为船舶营运降本增效[12]。

同时，根据中国船级社《智能船舶规范》的要求，申请智能机舱功能标志M的船舶，应符合如下条件：

（1）满足CCS《钢质海船入级规范》第7篇AUT-0附加标志的相关要求；

（2）设有用于状态监测、健康评估、辅助决策的相关系统及设备。

结合某旧船现有技术状态和功能与规范对比分析，智能机舱的首要条件是实现AUT-0附加标志的要求。《智能船舶规范》第4章對智能机舱第（1）、（4）和（5）项基本功能与申请《钢制海船入级规范》第7篇自动化系统一致；第（2）和（3）项基本功能是实现基于状态监测进行辅助决策。如果说AUT-0的机舱自动化要求实现船舶机舱无人值守，那么i-Ship M则是在无人机舱的基础上赋予船舶机舱自我感知和自我思考的能力，是船舶智能化的重要一环，即由机舱无人化向全船智能化迈出的一大步。

4    改造可行性分析

经对某旧船主推进柴油机、推进器、齿轮箱、轴系、柴油发电机组和电站构造和系统组成的评估分析，发现主推进柴油机在设计时预留有部分传感器接口，新增传感器均能在机体和基座上找到安装位置，可借助原有传感器和新增传感器对主推进柴油机的状态进行监测，可根据历史运行数据比较分析，结合相关算法进行主推进柴油机故障诊断[13-15]；推进器、齿轮箱、轴系和柴油发电机组本体上未预留传感器的接口，在机体上新增传感器在技术和施工上存在难度，但在基座和相应管路上增加传感器在技术和施工上具备可行性；配电板上主开关、负载开关和半自动并车装置改造或配电板整体更换均具备可行性。新增的主推进监控单元、推进器监控、柴油发电机组监控单元和驾驶室综合控制柜，均能在相应舱室内找到安装位置，控制电缆和动力电缆的敷设施工难度不大。因此，该旧船主推进装置、柴油发电机组和电站智能化改造方案可行，不存在较大的技术风险，但毕竟是旧船改造，对于设备加装传感器等改造内容在规范适用和检验方面，仍存在船检对改装方案的认可、对规范的理解等方面问题，需要提前和中国船级社进一步沟通。

5   初步改造方案

5.1  主推进装置

5.1.1主推进柴油机改造

某旧船每台主推进柴油机上设有燃油进口压力、泄漏传感器，滑油温度、压力、滤器压差传感器、冷却淡水出口温度传感器、膨胀水箱液位传感器、海水出口压力传感器和增压器前排气温度、转速传感器，通过上述传感器将主推进柴油机的主要运行参数传输给机旁控制系统和驾驶室控制系统。

现有主推进柴油机监控、报警项目无法满足CCS智能机舱规范的要求，需增加部分传感器、主推进柴油机监测单元和驾驶室综合控制柜，并对主推进柴油机的机旁控制系统进行升级改造，对主推进柴油机各缸燃烧性能与燃烧室相关部件、摩擦部件、曲轴箱防爆性能和增压器性能进行监测。新增传感器类型及用途，见表1。

机旁控制系统在保留原有主推进柴油机运行参数监测的基础上，增加对新增传感器信号的收集、传输的功能；主推进柴油机监控单元接收、储存主推进柴油机机旁控制系统的信号，当主推进柴油机运行参数异常时发出声光报警，并对主推进柴油机实施安全保护。驾驶室综合控制柜，可对主推进柴油机监控单元的信息实现远程传输。

5.1.2 齿轮箱改造

每台齿轮箱上设有齿轮箱润滑油温度传感器、齿轮箱工作油压力传感器和齿轮箱润滑油压力传感口，能在机旁和驾驶室驾控台对齿轮箱运行状态实施监测，当运行参数异常时发出声光报警。现有齿轮箱监控项目无法满足CCS智能机舱规范的要求，需增加部分传感器和监测项目。考虑齿轮箱箱体上没有预留接口的事实，在齿轮箱安装基座的前、后端各设2个振动传感器，将振动传感器和机旁监测、报警的信号接入主推进柴油机监控单元和驾驶室综合控制柜，可在机舱或驾驶室对齿轮箱的状态进行监测和记录。

5.1.3推进器改造

每套推进器及其液压泵站上设有液压油温度传感器、液压油压力传感器、滑油压力传感器、滑油流量传感器、液压油液位传感器、舵角反馈传感器和倒航斗角度反馈传感器，可在机旁和驾驶室对推进器的状态进行监测和操作，但推进器的监控报警项目仍较CCS智能机舱的要求有一定差异，需在每套推进器上增加1个轴转速传感器、2个振动传感器和1套推进器监测单元。轴转速传感器和振动传感器结合一起使用时，可判断推进器内是否有小木块、水瓶等异物进入，且能对喷水推进器的空化状态进行实时有效的监测[16]。推进器及液压泵站的机旁监测、报警信号及新增传感器的信号接入推进器监测单元，并将相关信号传输至驾驶室的综合控制柜。

改造后的主推進装置及其监控系统，主要由表2所列设备组成。

5.2   柴油机发电机组改造

某旧船柴油发电机组的起、停控制点为机旁，机旁控制箱上设有可显示柴油发电机组的转速、滑油温度、冷却水温度、滑油压力、淡水压力、电流、电压等参数，驾驶室设有发电机组综合报警板，可在柴油发电机组故障时发出声光报警信号，无法显示具体报警项目。现有柴油发电机组的配置无法满足CCS智能机舱的要求，需增加部分传感器，并对机旁控制系统进行升级改造，以实现对发电柴油机各缸燃烧性能与燃烧室相关部件、摩擦部件、曲轴箱防爆性能和增压器性能的监测，并增加遥控起、停功能。

考虑到该旧船柴油发电机组构造和系统的实际情况，在机体上增加监测各缸燃烧性能与燃烧室相关部件、摩擦部件、曲轴箱防爆性能和增压器性能的传感器存在较大的技术风险，施工难度较大。为此，在综合考虑机体构造及其配套系统管路的情况下，提出柴油发电机组及其监控系统改造方案如下：在每台柴油发电机组的排气管上增设1个温度传感器；海水管上增设1个压力传感器；安装基座上增设4个振动传感器；根据新增传感器信号传输要求，升级改造柴油发电机组机旁控制系统，在机舱设柴油发电机组监测单元；结合电站自动改造，对柴油发电机组的燃油、冷却水、排气系统进行升级改造，以实现电站和柴油发电机组自动切换；新增的振动传感器、排气温度传感器和海水压力传感器及柴油发电机组的原配传感器，可对柴油发电机组的运行状态进行监测，并将信号传输至机旁控制箱和柴油发电机组监测单元，柴油发电机组监测单元接收、储存机旁控制箱传输来机组运行信号，同时将信号传输至设在驾驶室的综合控制柜。驾驶室的综合控制柜接收来自柴油发电机组监测单元的信号，并与储存在综合控制柜内发电机组的历史运行数据比较，发现异常时发出声光报警，并将报警信号传输至柴油发电机组监测单元和柴油发电机组机旁控制箱，控制柴油发电机组进行降速、停机或柴油发电机组的切换，以实现柴油发电机组的安全保护。

5.3   配电板改造

现有配电板为手动分合闸形式，配电板内设有半自动电站控制装置，无法满足AUT-0附加标志的相关要求：在失电情况下，备用发电机组应能自动起动，并自动连接至主配电板，因此需对配电板进行改造，达到自动电站的功能。

具体改造项目如下：原船配电板整体换装或部分换装，主开关更换为电动操作型；原船半自动并车装置更换为自动并车装置，同时结合柴油发电机组智能化改造对机组机旁控制系统及相应管路系统进行智能改造，实现柴油发电机组自动并车和切换。

6    结论

综合以上对比分析，对于某旧船舶，由于主机、齿轮箱、轴系等重要设备规范要求的监测项目受制于建造时的设备制造水平及设计要求，未安装相关传感器，改造难度较大。对于控制系统可通过改造满足规范的要求。由于监测范围无法全部满足规范的全部要求，对机械设备的运行状态和健康状态分析评估结果将产生一定影响。

参考文献

[1] 严新平.智能船舶的研究现状与发展趋势[J].  交通与港航， 2016， 3（1）.

[2] 陈琳，杨龙霞.世界主要造船国家智能船舶发展现状[J].船舶标准化工程师， 2019， 52（4）.

[3] 张笛，赵银祥，崔一帆，等.智能船舶的研究现状可视化分析与发展趋势[J].交通信息与安全， 2021， 39（01）.

[4] 王璐璐.大数据时代的智能船舶水动力性能优化[J].科技视界， 2016（15）.

[5] 贺辞. CCS《智能船舶规范》六大功能模块要求[J]. 中国船检， 2016（3）.

[6] 桂傲然. 智能船舶七大关键技术[J]. 中国船检， 2019（4）.

[7] 张宝晨， 耿雄飞， 李亚斌，等. 船舶智能航行技术研发进展[J]. 科技导报， 2022， 40（14）.

[8] Li J H， Guo H， Zhang S C， et al. Optimum design of ship cabin equipment  layout based on SLP method and genetic algorithm[J]. Mathematical Problems  in Engineering， 2019.

[9] 庞路，何沁园.《智能船舶规范》下的机舱智能化探究[J].船舶，  2018， 29（01） .

[10] 余永华，杨建国，胡闹.智能机舱关键部件状态监测诊断技术研究[J].船舶， 2018， 29（A01） .

[11] 张雪芳，夏雯婷.智能机舱监测和健康诊断的设计与实现[J].网络新媒体技术， 2021， 10（04）.

[12] 周天雄.船舶智能机舱系统解决方案研究[J].信息系统工程，2022（07）.

[13] 马腾飞. 基于数据驱动的商用车柴油机空气系统故障诊断[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学， 2020.

[14] 祁正阳. 船用柴油机故障诊断与预测[D].江苏科技大学， 2021.

[15] 陈童，颜鹏.基于多传感器信息融合的柴油机故障诊断系统[J].科技风， 2014（04）.

[16] 李江柏，段向阳，黄本润，等.基于LabVIEW的喷水推进泵空化在线监测系统[J].舰船科学技术， 2013， 35（01）.

基金项目：国家自然科学基金委员会联合基金项目（U214120082）。

作者简介：杨海婷（1985-），女，工程师，主要从事装备合同监管工作。

陈顺洪（1984-），男，高级工程师。主要从事船舶总体设计工作。

收稿日期：2023-04-04