某舊船機艙智能化改造方案研究

楊海婷 陳順洪 陳萬宏 李興宇

摘? ? 要：智能船舶是未來發展方向，智能機艙是智能船舶的重要組成部分。對于較早設計建造的船舶，機艙自動化水平較低，針對《智能船舶規范》對智能機艙的要求，分析某舊船機艙智能化改造的技術可行性，并給出初步智能化改造方案，可為現有船舶機艙智能化改造提供參考。改造后智能機艙能夠為管理人員提供更多的信息和數據，為設備與系統的使用、操作和控制等提供支持。

關鍵詞：智能船舶；智能機艙；智能化改造；狀態監測

中圖分類號：U664.82 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：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

隨著科學技術的不斷發展，信息化、智能化技術已在越來越多領域得到發展和應用。智能船舶的發展呈加速趨勢，逐漸成為世界各個造船強國的主要研究方向。韓國、日本、歐洲等傳統船舶制造強國都在積極發展智能船舶技術[1-3]，這一趨勢的發展也導致船舶設計制造領域的技術革命[4]。

中國船級社基于近年來的研究成果和充分借鑒國內外有關智能船舶的應用經驗，并考慮未來船舶智能化發展方向的基礎上，于2015年12月1日首次對外公布了《智能船舶規范》。該規范將智能船舶分為6大功能模塊：智能航行、智能船體、智能機艙、智能能效管理、智能貨物管理和智能集成平臺[5]。2020年3月1日，發布了《智能船舶規范（2020年版）》，相比于2015年版，新版本增加了遠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臺等多項功能[6]。其中：智能航行是智能船舶面向外部功能，是依靠智能技術解決航行過程中船舶與外部環境的矛盾關系，即船舶運動的控制；而智能船體、智能機艙、智能能效管理、智能貨物管理及集成平臺等，主要是面向內部的功能，是船舶內部運行控制[7]。作為船舶主輔機的主要布置場所，機艙堪稱船舶心臟[8]，機艙智能化是實現船舶智能化的核心與關鍵[9，10]。

本文參照《智能船舶規范》（2020）對于智能機艙的要求，重點解決智能船舶內部功能問題。結合某舊船機艙內系統和設備配置情況，對其機艙智能化改造技術方案及可行性進行探討，為舊船機艙智能化改造提供參考。

2? ? 某舊船機艙現狀

某舊船采用雙機、雙噴水推進裝置，推進系統由船用高速柴油機、齒輪箱、軸系及噴水推進裝置組成，配有2臺柴油發電機組。該船建造時間較早，全船自動化水平低，機艙未設置監控室，未設置集中監控系統，采取有人值班方式。

動力監控系統設有機旁和駕駛室2個控制站，可在機旁和駕駛室顯示主推進裝置（主推進柴油機、齒輪箱、推進器及軸系）的轉速、燃油壓力、滑油溫度等主要運行參數，當燃油壓力、滑油溫度等參數異常時發出聲光報警；在駕駛室遠程遙控實現主推進機組起停、齒輪箱離合、緊急停車、安全保護等功能，實現對推進器的舵角和倒航斗位置，以及主機轉速進行遙控。

電站為半自動電站。柴油發電機組監測報警系統，主要包含機旁控制儀表箱和駕駛室綜合報警板組成，柴油發電機組的起、停部位為機旁，并能在機旁控制儀表箱顯示報警信號和項目，駕駛室綜合報警板僅能在駕駛室發出綜合報警信號，無法顯示報警項目；配電板設半自動并車裝置；其他輔助設備（泵、閥）等，均為手動本地控制。

3? ? ?改造目標

《智能船舶規范》第4章對智能機艙的功能要求為：“智能機艙能夠綜合利用狀態監測系統所獲得的各種信息和數據，對機艙內機械設備的運行狀態、健康狀況進行分析和評估，用于機械設備操作決策和維護保養計劃的制定：

（1）對機艙內主推進裝置、柴油發電機組及其相關的設備與系統運行狀態進行監測；

（2）根據狀態監測系統收集的數據，對機械設備的運行狀態和健康狀況進行分析評估；

（3）根據分析與評估結果，提出合理建議，為設備與系統的使用、操作和控制、檢修、管理等方面的決策提供支持；

（4）主推進裝置應能由駕駛室控制站遠程控制，機器處所包括機艙集控站（室）周期無人值班；

（5）無人值班周期內，機艙內的設備及系統能連續正常運行。

除具備以上基本功能外，智能機艙還可基于設備與系統運行狀態和健康狀況的分析和評估結果，制定相應的維護保養計劃[11]，有效降低重大設備故障及惡性事件的發生，為船舶營運降本增效[12]。

同時，根據中國船級社《智能船舶規范》的要求，申請智能機艙功能標志M的船舶，應符合如下條件：

（1）滿足CCS《鋼質海船入級規范》第7篇AUT-0附加標志的相關要求；

（2）設有用于狀態監測、健康評估、輔助決策的相關系統及設備。

結合某舊船現有技術狀態和功能與規范對比分析，智能機艙的首要條件是實現AUT-0附加標志的要求?！吨悄艽耙幏丁返?章對智能機艙第（1）、（4）和（5）項基本功能與申請《鋼制海船入級規范》第7篇自動化系統一致；第（2）和（3）項基本功能是實現基于狀態監測進行輔助決策。如果說AUT-0的機艙自動化要求實現船舶機艙無人值守，那么i-Ship M則是在無人機艙的基礎上賦予船舶機艙自我感知和自我思考的能力，是船舶智能化的重要一環，即由機艙無人化向全船智能化邁出的一大步。

4? ? 改造可行性分析

經對某舊船主推進柴油機、推進器、齒輪箱、軸系、柴油發電機組和電站構造和系統組成的評估分析，發現主推進柴油機在設計時預留有部分傳感器接口，新增傳感器均能在機體和基座上找到安裝位置，可借助原有傳感器和新增傳感器對主推進柴油機的狀態進行監測，可根據歷史運行數據比較分析，結合相關算法進行主推進柴油機故障診斷[13-15]；推進器、齒輪箱、軸系和柴油發電機組本體上未預留傳感器的接口，在機體上新增傳感器在技術和施工上存在難度，但在基座和相應管路上增加傳感器在技術和施工上具備可行性；配電板上主開關、負載開關和半自動并車裝置改造或配電板整體更換均具備可行性。新增的主推進監控單元、推進器監控、柴油發電機組監控單元和駕駛室綜合控制柜，均能在相應艙室內找到安裝位置，控制電纜和動力電纜的敷設施工難度不大。因此，該舊船主推進裝置、柴油發電機組和電站智能化改造方案可行，不存在較大的技術風險，但畢竟是舊船改造，對于設備加裝傳感器等改造內容在規范適用和檢驗方面，仍存在船檢對改裝方案的認可、對規范的理解等方面問題，需要提前和中國船級社進一步溝通。

5? ?初步改造方案

5.1? 主推進裝置

5.1.1主推進柴油機改造

某舊船每臺主推進柴油機上設有燃油進口壓力、泄漏傳感器，滑油溫度、壓力、濾器壓差傳感器、冷卻淡水出口溫度傳感器、膨脹水箱液位傳感器、海水出口壓力傳感器和增壓器前排氣溫度、轉速傳感器，通過上述傳感器將主推進柴油機的主要運行參數傳輸給機旁控制系統和駕駛室控制系統。

現有主推進柴油機監控、報警項目無法滿足CCS智能機艙規范的要求，需增加部分傳感器、主推進柴油機監測單元和駕駛室綜合控制柜，并對主推進柴油機的機旁控制系統進行升級改造，對主推進柴油機各缸燃燒性能與燃燒室相關部件、摩擦部件、曲軸箱防爆性能和增壓器性能進行監測。新增傳感器類型及用途，見表1。

機旁控制系統在保留原有主推進柴油機運行參數監測的基礎上，增加對新增傳感器信號的收集、傳輸的功能；主推進柴油機監控單元接收、儲存主推進柴油機機旁控制系統的信號，當主推進柴油機運行參數異常時發出聲光報警，并對主推進柴油機實施安全保護。駕駛室綜合控制柜，可對主推進柴油機監控單元的信息實現遠程傳輸。

5.1.2 齒輪箱改造

每臺齒輪箱上設有齒輪箱潤滑油溫度傳感器、齒輪箱工作油壓力傳感器和齒輪箱潤滑油壓力傳感口，能在機旁和駕駛室駕控臺對齒輪箱運行狀態實施監測，當運行參數異常時發出聲光報警?，F有齒輪箱監控項目無法滿足CCS智能機艙規范的要求，需增加部分傳感器和監測項目?？紤]齒輪箱箱體上沒有預留接口的事實，在齒輪箱安裝基座的前、后端各設2個振動傳感器，將振動傳感器和機旁監測、報警的信號接入主推進柴油機監控單元和駕駛室綜合控制柜，可在機艙或駕駛室對齒輪箱的狀態進行監測和記錄。

5.1.3推進器改造

每套推進器及其液壓泵站上設有液壓油溫度傳感器、液壓油壓力傳感器、滑油壓力傳感器、滑油流量傳感器、液壓油液位傳感器、舵角反饋傳感器和倒航斗角度反饋傳感器，可在機旁和駕駛室對推進器的狀態進行監測和操作，但推進器的監控報警項目仍較CCS智能機艙的要求有一定差異，需在每套推進器上增加1個軸轉速傳感器、2個振動傳感器和1套推進器監測單元。軸轉速傳感器和振動傳感器結合一起使用時，可判斷推進器內是否有小木塊、水瓶等異物進入，且能對噴水推進器的空化狀態進行實時有效的監測[16]。推進器及液壓泵站的機旁監測、報警信號及新增傳感器的信號接入推進器監測單元，并將相關信號傳輸至駕駛室的綜合控制柜。

改造后的主推進裝置及其監控系統，主要由表2所列設備組成。

5.2? ?柴油機發電機組改造

某舊船柴油發電機組的起、?？刂泣c為機旁，機旁控制箱上設有可顯示柴油發電機組的轉速、滑油溫度、冷卻水溫度、滑油壓力、淡水壓力、電流、電壓等參數，駕駛室設有發電機組綜合報警板，可在柴油發電機組故障時發出聲光報警信號，無法顯示具體報警項目?，F有柴油發電機組的配置無法滿足CCS智能機艙的要求，需增加部分傳感器，并對機旁控制系統進行升級改造，以實現對發電柴油機各缸燃燒性能與燃燒室相關部件、摩擦部件、曲軸箱防爆性能和增壓器性能的監測，并增加遙控起、停功能。

考慮到該舊船柴油發電機組構造和系統的實際情況，在機體上增加監測各缸燃燒性能與燃燒室相關部件、摩擦部件、曲軸箱防爆性能和增壓器性能的傳感器存在較大的技術風險，施工難度較大。為此，在綜合考慮機體構造及其配套系統管路的情況下，提出柴油發電機組及其監控系統改造方案如下：在每臺柴油發電機組的排氣管上增設1個溫度傳感器；海水管上增設1個壓力傳感器；安裝基座上增設4個振動傳感器；根據新增傳感器信號傳輸要求，升級改造柴油發電機組機旁控制系統，在機艙設柴油發電機組監測單元；結合電站自動改造，對柴油發電機組的燃油、冷卻水、排氣系統進行升級改造，以實現電站和柴油發電機組自動切換；新增的振動傳感器、排氣溫度傳感器和海水壓力傳感器及柴油發電機組的原配傳感器，可對柴油發電機組的運行狀態進行監測，并將信號傳輸至機旁控制箱和柴油發電機組監測單元，柴油發電機組監測單元接收、儲存機旁控制箱傳輸來機組運行信號，同時將信號傳輸至設在駕駛室的綜合控制柜。駕駛室的綜合控制柜接收來自柴油發電機組監測單元的信號，并與儲存在綜合控制柜內發電機組的歷史運行數據比較，發現異常時發出聲光報警，并將報警信號傳輸至柴油發電機組監測單元和柴油發電機組機旁控制箱，控制柴油發電機組進行降速、停機或柴油發電機組的切換，以實現柴油發電機組的安全保護。

5.3? ?配電板改造

現有配電板為手動分合閘形式，配電板內設有半自動電站控制裝置，無法滿足AUT-0附加標志的相關要求：在失電情況下，備用發電機組應能自動起動，并自動連接至主配電板，因此需對配電板進行改造，達到自動電站的功能。

具體改造項目如下：原船配電板整體換裝或部分換裝，主開關更換為電動操作型；原船半自動并車裝置更換為自動并車裝置，同時結合柴油發電機組智能化改造對機組機旁控制系統及相應管路系統進行智能改造，實現柴油發電機組自動并車和切換。

6? ? 結論

綜合以上對比分析，對于某舊船舶，由于主機、齒輪箱、軸系等重要設備規范要求的監測項目受制于建造時的設備制造水平及設計要求，未安裝相關傳感器，改造難度較大。對于控制系統可通過改造滿足規范的要求。由于監測范圍無法全部滿足規范的全部要求，對機械設備的運行狀態和健康狀態分析評估結果將產生一定影響。

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基金項目：國家自然科學基金委員會聯合基金項目（U214120082）。

作者簡介：楊海婷（1985-），女，工程師，主要從事裝備合同監管工作。

陳順洪（1984-），男，高級工程師。主要從事船舶總體設計工作。

收稿日期：2023-04-04