某散货船智能机舱的设计与研究

李娜 向辉 李泉 陆佳 陈列峰

摘 要：本文主要介绍了中国船级社智能规范对于智能机舱的要求，重点探讨了智能机舱主辅机等重大设备的智能设计及实施方案，并对智能机舱监测评估系统与视情维护系统进行了研究。

关键词：智能机舱；设计；研究

中图分类号：U664.121 文献标识码：A

Abstract： This paper introduces the CCSs intelligent rule requirements for intelligent engine room， focuses on the intelligent design proposals for important equipment in E/R， indicates the intelligent engine room design scheme and researches the intelligent engine room monitoring and evaluation system.

Key words： Intelligent engine room； Design； research

1 概述

智能船舶属于《中国制造2025》中重点发展的高技术船舶，代表了未来船舶发展的方向。其以大数据为基础，运用实时数据传输和汇集、远程遥控等先进的信息化技术，实现船舶智能化感知、判断分析以及辅助决策，从而更好地保证船舶航行安全性及效率[1]。

2 智能机舱规范要求

目前各国船级社对于智能船舶入级规范要求尚处于不断探索研究中，有些船级社如中国船级社（CCS）已经出台了智能船舶规范。本文主要针对CCS智能船舶规范对于智能机舱的入级标志要求进行研究探讨。

中国船级社智能船舶规范于2016年3月1日生效[2]，该规范适用于申请CCS智能船舶附加标志的船舶。根据申请，经CCS 审图与检验，确认船舶在智能航行、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方面已符合本规范要求，可授予如下智能船舶附加标志：i-Ship （Nx， Hx， Mx， Ex， Cx， Ix）。其中，括号内的字母是智能船舶的功能标志，可根据船舶实际具有的功能授予。

智能船舶的功能标志的含义如下：

N--智能航行功能标志；

H--智能船体功能标志；

M--智能机舱功能标志；

E--智能能效管理功能标志；

C--智能货物管理功能标志；

I--智能集成平台功能标志；

x--可选功能补充标志，一个小写字母表示一个功能补充标志，一个功能标志可有多个功能补充标志；

i-Ship （Mx）--智能机舱入级附加标志。

智能机舱应具有如下基本功能：

（1）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；

（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和评估；

（3）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。

除具有上述规定的基本功能外，智能机舱还可根据机械设备运行状态和健康状况的分析和评估结果，制定相应的视情维护计划，作为智能机舱的补充功能。对于机舱内关键设备主机、辅机和推进轴系的状态监测，有如下的規范要求：

（1）主推进发动机及其部件实施状态监测，至少应包括如下部件/性能：

各缸燃烧性能；

燃烧室相关部件，如气缸套、活塞头（含活塞环）、气缸盖（含进、排气阀）、燃料喷嘴/阀；

摩擦部件，如主轴承、曲柄销轴承、十字头轴承、凸轮轴轴承；

曲轴箱防爆；

增压器性能。

（2）辅助发电用发动机及其部件实施状态监测，至少应包括如下部件/性能：

燃烧室相关部件，如气缸盖（含进、排气阀）、气缸套、燃料喷嘴/阀；

摩擦部件，如主轴承、曲柄销轴承、凸轮轴轴承；

增压器性能。

（3）推进轴系实施状态监测，至少应包括如下部件/性能：

齿轮箱；

轴和轴承；

轴瓦、密封性能。

如果状态监测与故障诊断系统能根据监测数据对机械设备及其部件的工作状况进行健康评估，证明通过状态监测确定的状态可等效于直接检验确定的状态，则CCS 可批准实施视情维护。

已实施视情维护的机械设备及其部件的拆检项目可按视情维护计划执行，未纳入视情维护系统的设备及其部件仍应按PMS 实施维护及检验。

状态监测系统在船上安装完成后，应按CCS规范要求进行初次检验，验证船舶可按批准的程序和计划实施机械设备及系统的状态监测，监测系统可按设计有效运行。

3 智能机舱设计研究

3.1 主机智能机舱设计方案

CCS智能机舱规范要求推进主柴油机需要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、增压器性能。根据主柴油机选用品牌不同，智能设计方案存在差异。本文以某散货船船型为例，主机选用WINGD低速二冲程电喷柴油机，为了满足主机监测要求，前期策划时主柴油机可采用配置智能燃烧控制与监测系统ICC+ICM模块、活塞可靠性运行Mapex-PR模块、摩擦部件轴承温度与磨损监测系统、主滑油水份监测系统等方案。

（1）主机智能燃烧控制与监测系统ICC+ICM模块

主要通过气缸压力传感器与飞轮端角度传感器来实现。这些传感器接至信号处理单元，通过BUS总线接至ICC控制器，控制器编程数据处理后接至PC机，输出PV示功图及主机输出功率等重要参数，同时还可通过连接打印机打印出各缸燃烧状态参数及图表。主机智能燃烧控制模块设计方案，如图1所示。

（2）活塞可靠性运行Mapex-PR模块

通过各缸缸套前温度传感器与缸套后温度传感器、缸套冷却水总管进出口温度传感器与扫气温度传感器实现状态监测，这些传感器接至放大器后再连接至Mapex-PR控制箱进行数据处理分析，监测结果通过PC机显示器显示或打印输出监测结果。主机Mapex-PR模块设计方案如图2所示。

（3）主机摩擦部件轴承温度与磨损监测系统

轴承温度监测系统，通过设置在主轴承、推力轴承、曲柄销、十字头轴承各轴承处的温度传感器实现温度监测；轴承磨损监测系统，通过设置在主轴承、曲柄销、十字头轴承处每缸前后距离传感器实现磨损监测，通过控制器数据自动处理计算差值参数，以此监测轴承的磨损状态。

（4）主滑油水份监测系统

通过在主滑油管路进口处安装一个油中水传感器，通过设置预报警及高报警来间接监测轴承运行状态。

（5）主机曲轴箱防爆状态监测

通过设置油雾探测器，即可满足智能规范要求。

（6）主机增压器性能监测

通过增压器的滑油、废气温度传感器与转速传感器以及扫气压力，进行状态监测。

3.2 辅机智能设计方案

CCS智能机舱规范要求辅机需要监测柴油机侧各缸燃烧室相关部件、摩擦部件、增压器性能。为了满足辅机监测要求，前期策划与订货时辅机可采用配置温度传感器、压力传感器和转速传感器等实现燃烧摩擦等部件状态检测。

辅机气缸盖，通过缸套冷却水进口压力传感器与出口温度传感器、各缸排烟出口温度传感器间接实现燃烧室状态监测；辅机主轴承、曲柄销轴承、凸轮轴轴承等各摩擦部件的温度监测，可通过温度传感器直接或间接实现。轴承位置适宜时，可直接安装温度传感器进行状态监测，也可通过主滑油管路进口安装压力、温度或颗粒度传感器间接实现轴承润滑状态监测；增压器性能，通过增压器转速传感器与增压器废气出口温度传感器进行状态监测。

3.3 推进轴系智能设计方案

CCS智能机舱规范要求推进轴系实施状态监测，监测齿轮箱、推进轴及轴承的运行状态。推进轴系上可以安装轴功率仪实时监测主机输出功率，用于计算主机实时油耗及智能系统分析，同时也可以用于主机的综合状态分析评估。为满足智能集成系统检验要求，需要在轴承基座上安装振动传感器，从而监测轴系的磨损、裂纹、变形以及轴瓦及润滑等各种异常情况，保证轴系的安全。

3.4 其他设备的智能设计方案

CCS智能机舱规范虽然只对主机、发电机、推进轴系提出了明确要求，但根据CCS《船舶智能机舱检验指南》[3]文件要求，对于重要的辅助机械如空压机、机舱风机、重要的油水泵组及电动机、空气瓶等机舱辅助设备的运行状态进行监测检验，尤其提出振动检验要求。为满足振动检验要求，可以采用在设备上安装振动传感器的方案，或者采用离线的振动传感器由人定时检测输入系统的方案。

在智能机舱的监测点中还要求对很多设备的运动部件进行监测，有些设备运动部件因位置限制很难安装相应的传感器进行直接监测的，对于此类情况可通过间接手段进行监测，如通过对滑油内的固态颗粒进行监测，由软件分析得出相关运动部件的磨损情况。

3.5 智能机舱监测评估系统

智能机舱评估系统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，并能用于机械设备操作决策和维护保养计划的制定，主要包括以下几方面：

（1）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；

（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和评估；

（3）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。

智能机舱监测评估系统是如何实现其评估功能的呢？

（1）对于常规船舶：对机舱的监测主要是通过机舱监测报警系统（AMS）来实现的，其功能主要是在线的监测设备的各个信号点，通过信号与报警设定值的比对得出设备单点状态结论，而这个结论只存在好和不好两个等级。同时其监测数据保存的时间不长（不超过一个月），且通常只保存报警事件这些数据，对于机舱内各设备的状态评估是由有经验的船员来完成的。

（2）對于智能机舱：除了有AMS系统的功能外，还具有更强的数据分析功能。智能机舱监测系统对于数据的分析并不局限在单个信号点的比对，它对于每个信号点都会关联上其他数据一起来分析。比如主机轴承温度，智能机舱监测系统能将其同主机转速关联起来分析，在不同转速情况下正常主机轴承的温度应处于一个适当的范围内，智能机舱监测系统能通过数据的积累，给出这个范围的数据。而对于主机轴承温度这个点，其评估结论是良好/亚健康/故障这三级加上评估分数。同时，对于系统内采集的信号点，它可以通过大数据分析技术将各个信号点之间的联系找出来，并能通过这些数据的变化分析出故障产生的原因。举例来说，机舱主海水管路破裂---海水压力降低---机舱污水井高位报警，在这一系列的时间中，AMS系统只能看到冷却海水压力低报警和机舱污水井高位报警这两个单点故障，而智能机舱则可以通过两个报警产生的数据分析，得到两者之间的关联，并提醒船员问题产生的根源。

智能机舱评估系统除了对主机、发电机和轴系及机舱辅助设备进行监测，还可实现船岸信息传输等功能。与常规的机舱自动化系统数据只能短期存储相比，智能机舱采集的数据采样时间更长，并且数据还会通过V-SAT系统传输到岸上，由岸站进行储存分析。 智能机舱评估系统还能根据现有的信号采集对其他设备进行监测，同时还有学习功能，可以通过数据/故障模式积累，为后续相似故障提供参考。

4 视情维护计划系统

根据CCS智能船舶入级规范要求，智能机舱除了满足基本功能外，还可根据机械设备运行状态和健康状况的分析和评估结果，制定相应的视情维护计划，作为智能机舱的补充功能。

智能机舱的视情维护计划主要通过未来研发的智能机舱视情维护系统实现，智能机舱视情维护系统与智能机舱评估系统应该是相互关联、两者相辅相成的：智能机舱评估系统为智能机舱维护系统提供设备故障分析与辅助决策建议，智能机舱维护系统根据评估系统的故障分析报告，结合设备运行时数与自身所需的维护保养需求，通过软件的数据积累分析后提供机舱设备的维护方案。

常规船舶的设备维护通常存在定时维护和故障维护两种情况。某些有经验的船员能根据船上的数据判断出设备的状况，可以在设备故障前提前维护，但这不存在普遍性；而智能船舶的视情维护系统，是根据对数据进行长期的跟踪分析，得到数据的变化趋势函数，推理出设备可能发生故障的时间而提前通知船员维护。

5 结语

本文以中国船级社智能船舶规范中智能机舱入级符号的相关要求，探讨了机舱主辅机等重大设备智能监测设计方案与智能机舱监测评估系统。随着科学技术的迅猛发展，大数据时代船舶智能化正在不断地升级，从而更好地保证了船舶航行安全性与经济性。同时，更高级的智能化的无人船也正在积极研究和实施中。

参考文献

[1] 中证.中国造世界首艘智能船舶呼之欲出[J]船艇，2016 （1）.

[2] 中国船级社.智能船舶规范[S]. 2016.

[3] 中国船级社.船舶智能机舱检验指南[S]. 2017.