智能機(jī)艙技術(shù)陸上驗(yàn)證平臺(tái)構(gòu)建初探

張 平，王五桂，金 頎，邱 誠

智能機(jī)艙技術(shù)陸上驗(yàn)證平臺(tái)構(gòu)建初探

張 平1，王五桂2，金 頎2，邱 誠2

（1. 海裝駐上海地區(qū)第八軍事代表室，上海 200011；2. 中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064）

本文通過分析智能機(jī)艙技術(shù)的內(nèi)涵和功能需求，并在艦船電力技術(shù)試驗(yàn)室已有平臺(tái)和已形成能力的基礎(chǔ)上，提出智能機(jī)艙技術(shù)陸上驗(yàn)證平臺(tái)硬件和軟件構(gòu)建方案，為后續(xù)新增智能化模擬與控制的相關(guān)設(shè)備，為智能化船舶電力系統(tǒng)物理模擬試驗(yàn)?zāi)芰μ峁┘夹g(shù)支撐。

智能機(jī)艙 陸上驗(yàn)證平臺(tái) 硬件平臺(tái)和軟件平臺(tái) 管理

0 引言

隨著船舶噸位的增加，船舶機(jī)電設(shè)備也變得復(fù)雜。機(jī)電設(shè)備的使用、維護(hù)、保障成本，機(jī)電系統(tǒng)的安全性、可靠性要求都隨之提高。傳統(tǒng)的機(jī)電設(shè)備監(jiān)測(cè)主要包括主機(jī)監(jiān)測(cè)、發(fā)電機(jī)組監(jiān)測(cè)等，每個(gè)系統(tǒng)比較獨(dú)立，且采集的信息量、參數(shù)種類都較少，邏輯簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確性低，甚至?xí)霈F(xiàn)漏檢和誤判。因此，對(duì)機(jī)電設(shè)備及系統(tǒng)的信息化、智能化、集成化的需求也越來越強(qiáng)烈[1]。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)分析、人工智能等新興技術(shù)在各行各業(yè)中都得到了廣泛的應(yīng)用。這些先進(jìn)技術(shù)都可以過渡到船舶行業(yè)，輔助人工來優(yōu)化對(duì)船舶的運(yùn)營(yíng)和管理[2]。

目前船舶機(jī)電設(shè)備智能化相關(guān)技術(shù)的發(fā)展還在處在初期階段，尤其是在國內(nèi)，中國船級(jí)社CCS在2015年底推出智能船舶規(guī)范，其中涉及機(jī)電設(shè)備的智能機(jī)艙部分只涉及到了主、輔機(jī)和軸系、齒輪箱等傳統(tǒng)設(shè)備。隨著船舶智能化的發(fā)展和新一代信息物理系統(tǒng)以及大數(shù)據(jù)技術(shù)的優(yōu)化升級(jí)，機(jī)艙智能化所涉及的范圍肯定會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大，電氣化設(shè)備也將會(huì)成為智能化機(jī)艙的重要組成部分，相關(guān)的如機(jī)艙綜合監(jiān)控、智能電機(jī)管理、以及綜合電力推進(jìn)等系統(tǒng)也會(huì)被納入到相關(guān)的規(guī)范系統(tǒng)中[3]。通過研究智能機(jī)電監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)，為船舶機(jī)電設(shè)備智能化方面積累相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，盡早進(jìn)入智能船舶領(lǐng)域，提升自身競(jìng)爭(zhēng)能力。

1 智能機(jī)艙技術(shù)的內(nèi)涵

傳統(tǒng)船舶機(jī)艙自動(dòng)化系統(tǒng)是集機(jī)艙動(dòng)力系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)自動(dòng)控制、監(jiān)測(cè)、報(bào)警等于一體化的監(jiān)控系統(tǒng)，主要由主機(jī)遙控、機(jī)艙監(jiān)測(cè)報(bào)警、電站管理、泵組控制等組成。各系統(tǒng)一般是單獨(dú)設(shè)計(jì)，維護(hù)管理相對(duì)獨(dú)立。

智能機(jī)艙是在原有自動(dòng)化機(jī)艙發(fā)展的基礎(chǔ)上演變而來[4]。根據(jù)《智能船舶規(guī)范》中的定義，智能機(jī)艙是綜合利用狀態(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。基本功能包括對(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)；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；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。

目前智能機(jī)艙技術(shù)在原有自動(dòng)化機(jī)艙基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，還在處在發(fā)展的初期階段。隨著船舶智能化的發(fā)展和新一代信息物理系統(tǒng)以及大數(shù)據(jù)技術(shù)的優(yōu)化升級(jí)，智能機(jī)艙技術(shù)將打破傳統(tǒng)各系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行模式，實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)設(shè)備之間有限互通，所涉及的范圍肯定會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大，電氣化設(shè)備也肯定會(huì)成為智能機(jī)艙的重要組成部分，相關(guān)的如機(jī)艙綜合監(jiān)控、智能電機(jī)管理、以及綜合電力推進(jìn)等系統(tǒng)也會(huì)被納入到智能機(jī)艙的規(guī)范系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)整體智能化管理。未來智能機(jī)艙技術(shù)也將融合綜合導(dǎo)航和環(huán)境感知系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)航行過程中自動(dòng)診斷存在的故障，并能夠有效監(jiān)控船舶周圍及自身狀態(tài)，有效保障船舶的航行安全，還能夠有效節(jié)省經(jīng)營(yíng)成本[5]。智能機(jī)艙技術(shù)融合智能能效管理技術(shù)和智能航行操縱控制技術(shù)又將推動(dòng)船舶無人駕駛的發(fā)展[6]。

2 智能機(jī)艙技術(shù)的功能需求

智能機(jī)艙由四個(gè)模塊，分別為：主機(jī)故障診斷分系統(tǒng)、電力系統(tǒng)故障診斷分系統(tǒng)、輔助設(shè)備故障診斷分系統(tǒng)、智能機(jī)艙管控分系統(tǒng)。

智能機(jī)艙內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用以太網(wǎng)，主機(jī)故障診斷分系統(tǒng)、電力系統(tǒng)故障診斷分系統(tǒng)、輔助設(shè)備故障診斷分系統(tǒng)、智能機(jī)艙管控分系統(tǒng)通過以太網(wǎng)接入，有效提高網(wǎng)絡(luò)可靠性。

主機(jī)故障診斷主要包括滑油油液在線監(jiān)測(cè)、主機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)、主機(jī)主要輔助設(shè)備監(jiān)控、主機(jī)健康管理及輔助決策和提出主機(jī)的特征參數(shù)及決策建議等功能。

圖1 智能機(jī)艙總體構(gòu)架

電力系統(tǒng)故障診斷主要包括推進(jìn)鏈診斷、配電板診斷、旋轉(zhuǎn)設(shè)備診斷和綜合故障診斷等功能。

輔助設(shè)備模塊故障診斷主要包括輔助模塊及設(shè)備監(jiān)控、典型電機(jī)（泵組）故障預(yù)警及定位、模塊關(guān)聯(lián)性設(shè)備故障影響提示及輔助決策和故障預(yù)警、故障報(bào)警原因分析及故障排除建議等功能。

融合分析：智能機(jī)艙健康管理模塊根據(jù)采集到的主機(jī)診斷模塊、電力系統(tǒng)診斷模塊、輔助設(shè)備診斷模塊的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，結(jié)合模塊間的相互關(guān)系，通過圖表形式聯(lián)合診斷設(shè)備故障。

工況設(shè)置：智能機(jī)艙軟件配置工況設(shè)置功能，用戶可根據(jù)實(shí)際工況選擇一般工況和特殊工況（鉆探時(shí)），特殊工況下軟件屏蔽健康管理功能，但仍然保留數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)功能，為后續(xù)特殊工況時(shí)的設(shè)備健康分析積累必要的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)管理：提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)接口，智能機(jī)艙健康管理模塊獲取主機(jī)診斷模塊、電力系統(tǒng)診斷模塊、輔助設(shè)備診斷模塊的特征參數(shù)、故障信息、輔助決策建議，將數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲(chǔ)至智能機(jī)艙健康管理模塊數(shù)據(jù)庫中，方便模塊對(duì)歷史數(shù)據(jù)的有效保存和追溯。

用戶擴(kuò)展：外部計(jì)算機(jī)可靈活擴(kuò)展，用戶根據(jù)需求接入環(huán)網(wǎng)中，通過數(shù)據(jù)中心建立虛擬化服務(wù)，完成物理機(jī)擴(kuò)展，所需物理機(jī)無任何配置要求，均可訪問智能機(jī)艙管理軟件。

3 智能機(jī)艙技術(shù)陸上驗(yàn)證平臺(tái)構(gòu)建

智能機(jī)艙技術(shù)是在柴油機(jī)、電力推進(jìn)系統(tǒng)、機(jī)艙輔助設(shè)備常規(guī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，通過新增相應(yīng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)傳感器，信號(hào)采集裝置、軟件故障算法等手段擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)監(jiān)測(cè)的廣度和深度，實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)、電力推進(jìn)系統(tǒng)、機(jī)艙輔助設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷、健康評(píng)估，并為船舶操作提供決策建議。各部分通過感知平臺(tái)建設(shè)、數(shù)據(jù)分析實(shí)現(xiàn)智能化機(jī)艙，為船員提供機(jī)艙狀態(tài)、健康情況、輔助決策，降低船員勞動(dòng)強(qiáng)度，一定程度上提高本船運(yùn)營(yíng)效能。本文在船舶電力技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)上構(gòu)建智能機(jī)艙技術(shù)陸上驗(yàn)證平臺(tái)。船舶電力技術(shù)實(shí)驗(yàn)室已具備電力系統(tǒng)及關(guān)鍵設(shè)備研究及設(shè)計(jì)驗(yàn)證能力，形成了較為完善的艦船電力系統(tǒng)仿真研究平臺(tái)、極端工況下艦船電力系統(tǒng)特性仿真研究平臺(tái)。在現(xiàn)有平臺(tái)能力的技術(shù)上，通過拓展智能機(jī)艙技術(shù)陸上驗(yàn)證平臺(tái)的硬件和軟件平臺(tái)，可依托新一代智能船舶，新增智能化模擬與控制的相關(guān)設(shè)備，為智能化船舶電力系統(tǒng)物理模擬試驗(yàn)?zāi)芰μ峁┘夹g(shù)支撐。

3.1 陸上驗(yàn)證平臺(tái)硬件總體構(gòu)架

1）云平臺(tái)內(nèi)部采用兩臺(tái)光纖交換機(jī)，采用雙冗余，物理服務(wù)器之間通過交換機(jī)連接；

2）外部交換機(jī)采用四臺(tái)交換機(jī)部署全連接方式，外部設(shè)備通過外部交換機(jī)連接；

3）NAT路由器，機(jī)架式10G；

4）匯聚層網(wǎng)絡(luò)交換節(jié)點(diǎn)：萬兆智能網(wǎng)管三層交換機(jī)，至少16個(gè)10G SFP+光口，16個(gè)電口。支持IPv4 / IPv6路由，適合虛擬化、高可靠、高速度。2臺(tái)堆疊連接；

5）接入層網(wǎng)絡(luò)交換節(jié)點(diǎn)：千兆智能網(wǎng)管交換機(jī)（含萬兆上聯(lián)光模塊接口），至少24個(gè)1G電口；

6）數(shù)據(jù)終端：網(wǎng)絡(luò)支持100臺(tái)及以上的終端，終端由其他項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)。

圖2 演示驗(yàn)證系統(tǒng)硬件總體拓?fù)鋱D

3.2 陸上驗(yàn)證平臺(tái)軟件總體構(gòu)架

智能船舶集成平臺(tái)的總體軟件架構(gòu)圖如圖3所示，圖4是集成平臺(tái)軟件的運(yùn)行示意圖，各軟件通常運(yùn)行在云平臺(tái)的不同的虛擬機(jī)中。其中數(shù)據(jù)庫是系統(tǒng)的核心節(jié)點(diǎn)，采用數(shù)據(jù)庫集群技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效可靠的存儲(chǔ)和管理。除系統(tǒng)軟件和數(shù)據(jù)庫以外，集成平臺(tái)軟件可以分為如下三類：

1）應(yīng)用軟件。包括設(shè)備監(jiān)控及系統(tǒng)管理軟件。構(gòu)建基于B/S架構(gòu)的智能船舶監(jiān)控管理系統(tǒng)，接收數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中各種設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)，并以多種展現(xiàn)形式將船舶的各項(xiàng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在監(jiān)控界面上，以實(shí)現(xiàn)船舶運(yùn)行狀況的監(jiān)測(cè)功能，并向用戶提供人機(jī)交互界面。

對(duì)于報(bào)警信息等安全級(jí)別較高的數(shù)據(jù)，通過WebSocket協(xié)議服務(wù)端與客戶端全雙工通信的機(jī)制實(shí)時(shí)地向監(jiān)控軟件推送，實(shí)現(xiàn)信息的及時(shí)顯示；對(duì)于需要遠(yuǎn)程控制的部分設(shè)備，通OPCUAClient端實(shí)時(shí)與OPCUA Server端進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)指定設(shè)備的控制功能。從而構(gòu)成基于Web的、具有參數(shù)監(jiān)測(cè)和指令下發(fā)等功能的船舶信息集成管理系統(tǒng)。

軟件系統(tǒng)通過接口模塊將各類數(shù)據(jù)采集并處理后，形成統(tǒng)一的信息管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)船舶監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集、顯示和船務(wù)管理等業(yè)務(wù)應(yīng)用的綜合集成，并以B/S方式進(jìn)行綜合信息發(fā)布。凡是接入船舶網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)設(shè)備或計(jì)算機(jī)，只需使用瀏覽器即可實(shí)現(xiàn)基于Web的船舶信息管理。

圖3 系統(tǒng)軟件總體架構(gòu)

2）數(shù)據(jù)采集傳輸與入庫軟件。包括數(shù)據(jù)終端軟件和數(shù)據(jù)接口軟件。數(shù)據(jù)接口軟件作為OPCUAClient連接作為OPCUA Server的數(shù)據(jù)終端軟件，通過可靠的加密手段實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，數(shù)據(jù)接口軟件可進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和入庫、歷史數(shù)據(jù)訪問、即時(shí)報(bào)警信息接收、設(shè)備控制等功能。運(yùn)行在嵌入式PAC設(shè)備中的數(shù)據(jù)終端軟件對(duì)應(yīng)各類不同的設(shè)備或傳感器，在現(xiàn)場(chǎng)采集各類參數(shù)和數(shù)據(jù)，將不同的數(shù)據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)成標(biāo)準(zhǔn)的OPCUA協(xié)議，向多個(gè)Client端實(shí)時(shí)可靠地發(fā)送數(shù)據(jù)。

3）服務(wù)中間件。提供上層應(yīng)用的各種服務(wù)組件，包括統(tǒng)一用戶認(rèn)證、系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交互、數(shù)據(jù)庫中間件、大數(shù)據(jù)分析等軟件。這些軟件通常以RESTful接口或程序庫的形式提供給上層軟件。

圖4 系統(tǒng)軟件示意圖

云計(jì)算平臺(tái)通過軟件手段將服務(wù)器集群池化，并進(jìn)行統(tǒng)一管理和調(diào)度，對(duì)外提供具有可彈性伸縮、高可用、高安全等特性的服務(wù)。應(yīng)用、Web、數(shù)據(jù)庫等服務(wù)器均可構(gòu)建在不同的虛擬云服務(wù)器中，基于資源需求和業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)的靈活部署，以提高資源利用率，降低硬件采購成本，節(jié)能和節(jié)省空間。

4 結(jié)語

智能化是船舶發(fā)展的趨勢(shì)所在，目前已有數(shù)艘船舶根據(jù)CCS相關(guān)規(guī)范開展了機(jī)艙機(jī)電設(shè)備的智能化工作。隨著機(jī)艙機(jī)電設(shè)備高精度在線感知、實(shí)時(shí)健康狀態(tài)評(píng)估、專有系統(tǒng)知識(shí)庫、視情維護(hù)、故障預(yù)診斷技術(shù)研究越加深入，并在智能機(jī)艙技術(shù)陸上驗(yàn)證平臺(tái)進(jìn)行充分的驗(yàn)證和迭代，將進(jìn)一步構(gòu)建機(jī)艙設(shè)備智能監(jiān)測(cè)及預(yù)診斷維護(hù)體系，未來可解決機(jī)艙設(shè)備壽命周期長(zhǎng)、人工管理需求高等問題，將在更多型號(hào)中得到更深入的應(yīng)用。

隨著科技的進(jìn)步科學(xué)的發(fā)展，新的科學(xué)技術(shù)不斷涌現(xiàn)，艦船機(jī)艙的智能控制系統(tǒng)也在不斷完善。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用在自動(dòng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程在線監(jiān)控，可以實(shí)時(shí)確定機(jī)艙設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并且能夠在技術(shù)成熟的前提下，將所采集到的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)至終端，為后續(xù)應(yīng)用夯實(shí)基礎(chǔ)。

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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

張平（1981-），男，工程師。研究方向：船舶電氣。E-mail: jq649875791@foxmail.com