某62m三用工作船智能系统设计

朱月平

摘    要：本文介绍某62m 三用工作船（AHTS）的智能系统设计。该智能系统满足美国船级社（ABS）的数据基础设施、结构健康监测、机械健康监测等智能功能要求。开展了针对AHTS的智能系统架构设计和智能系统功能设计。数字化、智能化是智能船舶的发展趋势，本文为后期相似船舶的设计和建造提供了可供参考的实例。

关键词：AHTS；智能系统；数据基础；结构监测；机械监测

中图分类号：U674.98                            文献标识码：A

Design of Intelligent System for 62 m AHTS

Zhu Yueping

（ Jiangmen Hangtong Shipbuilding CO.， LTD of CCCC Fourth Harbor Engineering Co.， Ltd.， Jiangmen 529145 ）

Abstract： This paper briefly introduces the intelligent system of the 62 m AHTS . The intelligent system meets the requirements of the ABS Classification Society for data infrastructure， structural health monitoring and mechanical health monitoring functions. The intelligent system architecture design and intelligent system function design for the AHTS are carried out. Digitization and intelligence are the development trend of intelligent ships. The paper gives out an example for future similar vessels digital design and ship building.

Key words： AHTS; Intelligent system; Data basis; Structural monitoring; Mechanical monitoring

1     前言

近年来，随着人工智能技术的快速发展，智能船舶也越来越引起业界的关注。三用工作船（AHTS）能对海洋平台等大型结构物进行远洋拖航、起抛锚作业、对外消防、动力定位和供应物资，在特定情况下还能用作紧急救援[3] 。本文参照美国船级社（ABS）发布的《船舶与海工设施智能功能指南》2022版的相关要求，完成对某62 m三用工作（AHTS）船的智能化设计，用以指导以后的AHTS智能化工程的具体实施。

2    船舶基本情况

三用工作船（AHTS）的三个主要功能：拖带、起抛锚和供应物资。AHTS是一种现代化、多用途、功能全、效果好的工作船舶类型，能有力地配合海上作业尤其是油气平台工作。为了响应国家船舶数字化、智能化的发展战略，提高AHTS的安全性和高效性，降低船员的劳动强度，方便船舶管理公司对船舶的实时监控管理，结合对AHTS的营运经验以及大数据分析等人工智能技术，初步研究并形成AHTS的智能化设计方案。

某62 m三用工作船（AHTS），依据美国船级社（ABS）智能规范有关要求进行设计，船舶基本参数如下：

总长62 m

型宽16 m

型深6.2 m

吃水4.9 m

载重量1 500 t

航速12 kn

甲板装货能力500 t

推进功率2X2750 HP

系柱拉力不少于75 t

该船满足美国船级社（ABS）的AMS、DPS-2、ACCU等符号要求，并具有良好的操纵性能，适应恶劣天气作业；配有大功率和大尺寸的拖缆机，适合深海作业；具有大面积的尾甲板，在拖轮连续拖航和抛起锚作业中能将锚、浮筒及其他设备存放于甲板，并进行相关操作；还存贮大量的淡水和燃油。

面对AHTS的拖航、抛起锚、主甲板运输杂货等作业要求，需要对船体结构和机械设备的健康状态进行监测，从而保障船舶运行的安全性、可靠性，而针对这些需求的智能化系统是一种有效方案。

3    ABS智能功能要求

根据美国船级社（ABS）发布的《船舶与海工设施智能功能指南》（2022版本），智能功能可为船员和工作人员提供關键信息以辅助决策，其在船舶和海工设施上的应用越来越普遍。智能功能用于支持船舶运营，通常包括船体结构和机械健康监视、资产效率监测、操作绩效管理以及船员协助等。按照该指南对安装智能功能的船舶和海工设施提出的技术和检验要求，船舶可申请智能符号，分别是数据基础设施符号SMART INF、结构健康监测符号SMART SHM、以及机械健康监测符号SMART MHM。

3.1   数据基础设施SMART （INF）

数据基础设施的目标，是通过预装的硬件和软件建立数据处理功能，以支持当前和未来可能的智能功能实现。具体包括：智能功能传感器接口、船舶系统数据接口、数据网络和通信、数据管理、数据处理和分享、人机界面功能，其中数据处理和分析以及人机界面功能的功能特定于某些智能功能（如SHM和MHM），因此，数据基础设施符号不包含这些部分。

3.2   结构健康监测SMART （SHM）

结构健康监测的目的，是为船舶所有人提供结构健康评估，评估和预测结构损伤，并为更安全和优化的船舶操作、检查和维修以及资产完整性管理提供决策支持。其特点是根据船舶特定环境、载荷、操作和最新的结构数据，能够评估结构健康状态及预测结构损伤。基于结构健康评估和预测方法的准确性和可靠性水平，分为4级SMART （SHM Tier 1/2/3/4），逐级增强。

3.3   机械健康监测SMART （MHM）

机械健康监测智能功能的目标，是为船东提供更好的船载机械和系统的健康状态和运行条件评估。MHM用于支持船东的决策，以实现更安全、更可靠的操作、维护计划和完整性管理。根据MHM功能的能力，这种决策支持的范围可能从基本趋势和异常检测到故障模式诊断，甚至包括健康预测。其特点是：机械系统的数据收集和健康监测能力、安装传感器获得数据和实时健康监测、利用环境和海洋气象数据支持运营数据分析、基于数据驱动模型和算法来支持更好的决策。

MHM可以使用复杂的算法、机器学习和设备数据知识，以确定可持续服务的程度或维护要求。MHM按照其能力划分为3级SMART （MHM Tier 1/2/3），分别是异常监测、诊断和预测能力。

4    智能系统设计方案

船舶智能系统，可以采用人工智能技术自动监测设备乃至船舶状态，提供故障预警和辅助决策建议，从而保障设备、船舶、货物和人员的安全。本船按照美国ABS的SMART （INF，SHM （TIER 1）， MHM（TIER 1）） 要求进行设计，分别建立全船的数据基础设施，对特殊载荷和操作的结构健康监测，对机械系统和设备的异常情况监测。

4.1   智能系统架构设计

船舶智能系统按照平台+应用的架构进行设计，分为4个层级：设备层、感知层、平台层、应用层。设备层是构建船舶正常运行所需配置的设备系统及运行数据；感知层通过在船上部署传感器，实现对船舶内外部环境的充分感知；平台层是智能系统的数据中心，实现船端数据的采集、处理、存储、计算、分发和船岸通信，为智能应用提供基础模型库和数据库；应用层对船舶数据进行数据分析与挖掘，通过算法服务和智能分析，对业务应用及辅助决策提供信息支撑。

（1）设备层

设备层是智能系统的船舶数据源，设备系统运行会产生原始数据，这些数据表征了设备的运行状态，并通过感知层与智能系统建立连接，将数据反馈给智能系统。

（2）感知层

感知层是智能系统的基础，支撑着整个智能系统的基本框架。通过传感器对船舶所在的海洋环境、船舶周边的物体状况、船体自身状况、机舱系统状况、货物及人员状况形成感知数据。

（3）平台层

平台层是智能系统的数据层，实现全船数据的融合与转发、平台运用消息引擎和标准化的封装手段，实现船端应用系统的互联互通，通过异构系统、异构数据、异构协议之间的信息集成和数据交换实现信息共享，从而形成全船级的应用平台。

（4）应用层

应用层主要提供的各种智能应用，根据采集到的关键运行数据，通过数据分析和挖掘，对业务应用形成各类智能应用软件。ABS的智能功能SHM/MHM都与船舶功能、系统相对应，如表1所示。

表1  智能功能系统对应表

4.2   智能系统功能设计

（1）数据基础设施SMART （INF）

数据接口包括智能功能传感器接口、船舶系统数据接口、数据网络和通信、数据管理等。

① 智能功能传感器接口

包括：主机、发电机、轴系等主要机械系统的壓力、温度、振动等传感器数据采集；特殊载荷结构的应力检测传感器数据采集。

② 船舶系统数据接口

提供特定数量和类型的I/O接口，并与局域网和卫星通信网络连接。船舶系统包括：自动舵、电罗经、雷达、测深仪、计程仪、风速风向仪等航行系统，AMS、液位遥测等机舱自动化系统；甲板机械系统等。

③ 数据网络和通信

外部网络采用卫星通信网络，通过VSAT实现基于数据轻量化的船岸双向通信功能，采用MQTT通信协议进行数据通信；内部网络采用有线网络传输，通过船内局域网系统实现数据传输、共享和分发，采用TCP/IP协议进行数据通信。

④ 数据管理

提供数据治理、数据存储和数据同步来管理数据。数据存储按数据类别、数据归属系统等依据进行分库存储，满足6 000个信号点12个月存储要求，建立支持决策、管理过程的数据集合，对数据库进行安全、评估管理。

（2）结构健康监测SMART （SHM  TIER 1）

船体监测及辅助决策系统，对船体结构应力、船舶运动状态、船舶装载以及海况、航向、航速等数据进行采集、存储、分析、显示，当这些数据的变化超过预设临界值时，该系统发出警告，并提供船舶操作的辅助决策。

① 系统状态监测

根据本船特点选择船舶安全相关的监测参数，通常包括：总纵强度、结构关键区域、船舶运动、船舶运动加速度、海况数据等；运用结构强度分析技术，识别结构关键区及重点监测区，优化传感器测点布置及数量，以最优布置方案保障系统的辅助决策准确高效。

② 辅助决策技术

根据船的拖航、抛起锚作业场景下的船体监测参数需求，包括船舶运动、结构应力、航行参数等，提出不同场景模式下的船体总纵强度和局部强度的安全阈值设定标准，最终形成基于船体感知大数据下的辅助决策技术。

（3）机械健康监测SMART （MHM  TIER 1）

健康监测系统是基于智能信息集成平台的智能应用，实现主机、柴油发电机组、轴系及辅助系统等设备的状态监测，评估设备的健康状况，并为船舶操作提供辅助决策建议。

健康状态评估提供对于主机、发电机、全回转舵桨、推进轴、燃油滑油系统、冷却水系统的健康评估功能，直观展示当前运行工况下的健康状态以及偏离程度，并在发现异常情况时发出预警提醒。系统内设置了报警等级、筛选、查询和管理报警工况等功能。

基于船舶全面状态信息的智能感知（操控、机舱设备状态、油料消耗等），利用机舱设备运行的数据挖掘与分析，实时评估设备当前状态、提前发现故障隐患。

4.3   智能系统工程设计

按照设备层、传感器感知层、数据平台层和交互应用层，完成智能系統工程设计。

（1）基础设施部署

将采集模块、服务器、不间断电源、网络交换机、防火墙等设备安装在一个机柜内，并部署在船上设备间内。

（2）结构监测部署

应力传感器感知船体应力变化信息，部署在关键结构部位；按照应力传感器的分布区域配置信号采集模块，汇集数据后发送给工作服务器进行数据处理。

（3）机械监测部署

除了必要的温度、压力等传感器外，在关键旋转设备上安装振动传感器，并通过振动分析软件实现设备的全天候状态监测。

5    结论

综上所述，本船智能系统采用感知、平台和应用的架构设计，满足ABS的SMART （INF，SHM （TIER 1）、MHM（TIER 1）） 的相关要求，建立了全船数据收集、存储、传输的基础设施；通过对拖航、抛起锚等作业工况的船体结构进行监测，实现船体结构安全监测和健康评估；通过对推进系统、辅助系统、电力系统、操舵系统、系泊系统等船舶系统的状态监测和健康状态评估，确保设备运行安全、可靠；实现船舶作业场景的数据感知、结构和设备安全监测，提高了AHTS的作业能力、运行效率和安全保障技术水平。同时，作为油公司也能更好地了解为其服务的船舶的性能和状态，更好地做好船舶的调配和管理。

参考文献

[1] 船舶与海工设施智能功能指南 [S]，美国： 美国船级社（ABS），2022.

[2] 罗文忠.LNG运输船智能化升级方案总体架构设计[J].机电工程技

术.2022（01）.

[3] 胡 鹏.中大型AHTS推进及电站系统的配置分析.船舶与海洋工

程[J]. 2017（01）.

[4] 封 波.智能船舶设计方法体系研究[J].船舶工程.2020，42（S1）.