上海船舶智能運維與能效監控工程技術研究中心

Shanghai Engineering Research Center of Ship Intelligent Maintenance and Energy Efficiency Control （20DZ2252300）

1. 成立背景

隨著信息技術和網絡技術的發展，智能船舶已成為未來船舶業和航運業發展的必然趨勢。目前國內外對智能船舶技術的研究主要集中在智能航行和小型無人船方面，還缺少智能船體、智能機艙和智能能效技術的研究機構。本中心由上海海事大學和中國船舶第702研究所共建，依托我們在船體狀態監測與結構修復、機艙狀態監測與健康管理、船舶能效監測與能耗控制三個方面的研究基礎和技術優勢，利用現代檢測技術和人工智能等方法開展船舶智能運維與能效監控技術的系統性研究，并以“育明”輪為示范船開展實船驗證，解決工程技術產業化中的技術難題，也彌補國內外在這方面研究機構的空白。

2. 研究方向

（1） 船體狀態監測與結構維護：開展船體總縱強度監測測點節點形式、船體結構監測的閾值優化、基于船體監測的航行輔助決策，以及船體結構修復技術研究。

（2） 機艙狀態監測與健康管理：開展機艙熱工參數分析、設備振動監測與分析、油液樣本的特征值提取和分析研究，以及機艙設備健康狀態評價方法研究，對主、副機及軸系進行狀態監測，開發船舶維修輔助決策支持軟件。

（3） 船舶能效監測與能耗控制：監測和分析船舶主副機、鍋爐、變頻及配電控制系統等設備運行參數與船舶環境、航行參數、耗油量的內在聯系，綜合分析風、浪、流、污底、縱傾、航速等多因素的航行績效參數，開發船舶太陽能、風能、LNG冷能、生物柴油等清潔能源的應用技術，進一步降低船舶能耗。

3. 組織架構

本工程中心是上海市科技創新體系的重要組成部分，設中心主任1人，副主任2人，固定科研人員35人，由上海市科委和上海海事大學協調，在技術委員會的指導下開展工作。建設期間，中心主任胡以懷教授，副主任汪雪良高工、曾向明教授，辦公室主任李精明副教授。

圖1 ?工程中心組織架構圖

4. 主要任務

（1）圍繞船舶智能船體、智能機艙和智能能效開展重大共性與關鍵技術的工程化研發，為產業化提供成熟、配套的技術、標準和新產品，提升船舶行業的技術創新能力。

（2）實行開放服務，接受委托的船舶工程技術研究、設計、試驗和成套技術服務，并提供技術咨詢等服務。

（3）培養和集聚高層次工程技術人才和管理人才，提供工程技術人才培訓。

（4）加強與國內重點實驗室等其他類型研發基地的協同聯動，開展國際、國內科技合作與交流。

5. 現有成果

（1）船舶結構應力監測系統：由應力傳感器、加速度傳感器、應變采集器、接線箱、監測主機和結構應力監測評估軟件組成，系統為分布式架構，可實現傳感測點大規模布置，底層傳感數據總線傳輸，上層信息通過以太網與監控平臺無縫連接，可對船舶結構應力進行實時監測和評估分析。當評估結果超出標準時發出預警信息，監測數據和預警信息可長期存儲。

圖2???船舶結構應力監測系統傳感器及監測軟件

（2）海洋平臺船岸一體化智能運維系統

基于安全可控的振動、壓力、溫度等傳感器硬件，對海洋平臺主發電機、壓載、泥漿、頂驅、鉆井絞車等16大系統的主要設備采集實時海量數據，利用大數據分析全面掌握海洋平臺運維中整體健康動態，并基于微服務架構開發出“智慧船長”APP，實現海洋平臺的船、岸實時健康狀態分析，實現智能化的遠程運維、自主學習和專家決策，已獲得法國船級社的AIP認證和挪威船級社的Smart(EEN)智能船級符號。首次通過深遠海惡劣環境作業深水半潛式鉆井平臺的實船安裝、測試和應用示范，實現了大型海洋工程裝備的船岸一體智能化的管理與維護。

圖3 ?中車漢格半潛船智能運維系統?

圖4 ?招商重工中深水半潛式鉆井平臺

（3）船舶機電設備振動檢測儀

機艙機電設備振動監測全覆蓋，可進行機艙回轉機械和往復機械設備的狀態監測，包括二沖程柴油主機、四沖程發電柴油機、大型發電機組、輔機泵浦、往復式空壓機、風機等設備的狀態監測，可進行振動數據采集、數據濾波，時域和頻譜分析，自動存儲振動測點號、測試時間、振動特征參數或波形數據，并可上傳到上位機實現機電設備的磨損狀態監測和趨勢預報。

采用這套振動檢測儀，每兩周巡回檢測一次，幫助輪機人員及時了解機艙設備的機械狀態，避免重大機損事故的發生。一個傳感器，就可以覆蓋機艙所有機電設備的振動監測，硬件投資少、儀器操作簡便，非常實用。

圖5 ?船舶機艙設備的現場振動監測

（4）船舶能效數據記錄與分析軟件

船舶能效數據記錄與分析軟件主要分為船舶管理、數據記錄、能效分析和報表管理四個大的模塊，可以為單船記錄日常能耗數據，也可以供船舶管理公司對船隊進行營運碳強度管理。

船舶使用本系統，可將船員每天的能耗數據收集由紙質存儲升級為數字化管理；將日、航次數據累計與營運能效強度計算由人工轉換為計算機自動計算；將航運公司特別關注的船舶年度營運碳強度指標(CII) 評級變成可監控，可自評，可預測、可修正；自動生成標準化或自定義數據報告；支持中英文切換，適用于國內外所有船舶。

使用本系統，可實時了解管理船舶的能效和碳強度評級情況，及時對船舶經營計劃進行調整，以滿足CII評級要求。同時降低船員工作負擔、減少數據計算錯誤，防止船舶被海事主管機關因錯報、漏報而被處罰。當前，燃料費用約占船舶全部經營成本的一半，航運公司可以借助本系統，開展內部節能管理，降低燃料成本，合理安排航線，盡可能避免船舶被評為能效較差等級而影響船舶的正常營運。

圖6 ?船舶能效數據記錄與分析軟件界面

（5）船舶能效管理系統

滿足《智能船舶規范》中智能能效管理的所有功能要求，對船舶航行狀態、能效及耗能狀況進行在線監測和數據采集；對船舶能效及能耗狀況進行評估、報告和報警；根據分析評估結果，為能效管理提供包括航速優化、吃水優化、主輔機油耗優化等輔助決策建議。此外，該軟件包含了基于機器學習的能耗預測功能，能夠實時計算和預測船舶CII評級的趨勢，為船舶管理者提供營運參考。

圖7?能效管理系統框架

圖8?能效管理系統界面

（6）船舶機艙應急處置輔助決策軟件

可查詢船舶機損案例500多例，包括事故發生經過、分析與處理過程以及從中獲得的經驗和教訓，可對事故的故障部件、故障類型、事故原因、故障機型、發生時間、發生區域、主要責任人等方面進行自動排序和查詢。必要時，還可以輸入本船發生的機損案例，以不斷豐富案例庫。

可進行船舶柴油機功率發不出、突然停車、轉速不穩定、振動劇烈、排煙不正常、排溫不正常、示功圖不正常故障，輔機系統滑油溫壓不正常、氣缸油供應不足、滑油消耗量大、冷卻水溫不正常、泵浦異常，遙控系統主機不能換向、不能啟動、不能調速故障和船舶電站中發電機、主開關、用電設備共529個機艙典型故障的故障樹分析。

可進行船舶柴油機、輔機系統、電站、鍋爐、舵機的典型機損事故處理，柴油機、鍋爐、舵機、電氣設備的預防性檢查，防火、防爆、防凍、中毒、觸電的防范，近海和港口防污染，以及棄船、戰區、冰區、海損的應急措施的查詢提示，幫助船員及時應對船舶航行中遇到的各種突發事件。

圖9 船舶機損事故數據庫查詢界面

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圖10?船舶機艙故障樹分析及船舶機艙應急事件處理查詢界面

6. 研究基地

1) 船舶機艙綜合實驗室

投資4000多萬元建成的國內第一個以大型二沖程柴油機為動力的船舶自動化機艙實驗室，包括一棟主樓和一棟輔樓，主樓高17m，占地2100平方米。機艙中央放置一臺電控二沖程船用低速柴油機以及四大輔助系統：壓縮空氣系統、冷卻水系統、滑油系統和燃油系統。實驗設備包括主機水力測功器測試機組、柴油機性能試驗機組、舵機試驗機組、船舶輔助鍋爐、海水淡化裝置、液壓系統、制冷系統、空調系統、分油機及系統、油水分離器及系統、泵特性試驗系統等，總臺套數為 572 件，設備的完好率達98％。與水力測功設備直接連接，能夠實時測量各種參數，為船舶機艙狀態監測、故障診斷、效能分析和節能減排的研究和試驗驗證提供試驗平臺。

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圖 11 ?船舶機艙綜合實驗室集控臺

圖12 ?船舶機艙綜合實驗室主機

2) 油品檢測實驗室

占地150 平方米，總投資1000多萬元，有美國超譜公司SPECTROIL-M型油料光譜分析儀、美國西馬力公司ALL-test-IV型電機故障測試儀、銅片腐蝕測試儀、抗乳化測試儀、傅立葉紅外光譜儀、金屬成分分析儀等大型昂貴儀器設備，還有內燃機燃燒分析儀、透光式煙度儀、內燃機廢氣排放分析儀、內燃機顆粒排放分析儀、鐵譜分析與圖像采集系統，具備潤滑油與燃料油常規理化性能、直讀發射光譜元素、鐵譜、污染度的檢測與分析、零件失效分析、柴油機零件無損檢驗、摩擦、磨損、潤滑試驗等實驗條件。配備有磨粒表面形貌分析系統ContourGT-K，SPECTRO 的 LaserNet Fines 磨粒形貌分析儀器和標準分析式鐵譜儀以及多功能摩擦磨損試驗機 UMT-TriboLab，可用于磨粒的收集和分析，為基于油液監測技術的設備故障診斷及預測預警、船用大型機械摩擦副摩擦磨損研究和智能磨粒分類系統的開發提供保證。

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圖13 ?油品檢測實驗室

圖14 ?油品檢測實驗室

3) 電力推進實驗室（含LNG-柴油雙燃料發動機）

占地100多平方米，總投資809萬元，用鋼結構平臺隔成上下兩層。底層為主要動力設備，包括發電機組、模擬軸帶發電機組、電力推進系統、變頻控制設備，還有配套的應急和岸電系統。上層為控制室，有配電和控制系統包括一套報警監視系統和PMS控制系統，另外還配有一套高壓配電系統，室外有950kW的電鍋爐負載。 船舶電力綜合節能系統包括雙燃料機組自動控制系統、軸帶發電機控制、電力推進和船舶多模式電力系統等。軸帶發電機控制試驗平臺包括使用岸電提供電源，使用變頻器驅動模擬發電機，通過具有穩壓穩頻裝置的軸帶同步發電機配電屏向電力系統供電；船舶多模式電力系統試驗平臺包括模擬各種原動機的電動機調速系統、模擬發電機及相應變頻器、配套的各種配電屏、負載屏、模擬岸電變頻供電的逆變裝置、模擬電力負載的電力推進變頻器、電力推進電動機、電力推進控制裝置以及配套的控制站，為船舶電力推進系統的狀態監測、故障診斷、效能控制研究和試驗驗證提供試驗平臺。

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圖15 ?電力推進實驗室

圖16 ?LNG雙燃料發電機組

4) 船舶可靠性實驗室

占地100多平方米，總投資400多萬元，主要有大氣等離子噴涂系統、等離子堆焊機、冷（熱）壓機、涂料制備與檢測設備、涂料涂裝設備、顯微硬度計、材料試驗機、電化學工作站、加熱爐、鹽霧試驗箱、氙燈老化試驗箱等，可進行智能仿生船體減阻涂層、超疏水自拋光納米復合涂層、高固體份綠色船舶重防腐涂層能自修復涂層、輪機艙室吸聲減噪涂層、新型深海浮力復合材料、船舶關鍵零部件表面強化、船舶零部件智能再制造、船舶維修激光智能清洗和熱障涂層技術等研究，為保障船舶動力設備的運行可靠性提供試驗條件。

圖17 ?船舶可靠性實驗室

圖18 ??等離子噴涂設備

5) 組合式液貨模擬船

投資4000多萬元建成的國內第一艘集油船、化學品船、LPG船、LNG船四種船型為一體的組合式鋼質液貨船，主船體長60.8米，寬10米，占地1600平方米。船體包括船艏（內設有膜分離制氮裝置和壓力吸附制氮裝置）、LPG貨艙、LNG貨艙、化學品貨艙、原油貨艙、油船泵艙（含污油水艙和隔離空艙）、機艙及船尾構成的主船體。上層包含油船貨控室、化學品貨控室、LPG貨控室、LNG貨控室、駕駛臺、船員艙室等。下層設機艙、集控室、大型泡沫滅火間、干粉滅火間、水基滅火間、油船主鍋爐、燃燒式惰性氣體發生器、可燃氣體探測系統等。主甲板上有液貨裝卸閥門管系及測量設備、貨物裝卸集管、液貨船消防系統、LPG壓縮機間、甲板水霧系統、軟管吊等。設備總臺套數200多，設備完好率達98％，為進行液貨船的液位遙測、閥門遙控、消防滅火和氣體探測系統的狀態監測、故障診斷和效能控制試驗研究及試驗驗證提供試驗平臺。

圖19 ??液貨模擬船 ?

圖20 ??液貨模擬船機艙

6) 風洞實驗室

大型低速回流風洞試驗裝置，占地面積約220平方米，總資產400多萬元。風洞總長22m，寬7m，高3.5m，由穩定段、收縮段、試驗段三部分組成。試驗段長6m，寬1.4m，高1.8m，測控室有微機綜合控制系統、動力控制系統、測量系統、監控系統等組成。安裝有一臺84kW大型風機，風速可達40m/s，氣流穩定性:＜±0.4%，氣流偏角：<±0.5°，紊流度：＜0.5%，不均勻性：＜±0.4%，設備的完好率到達98％，可為船舶風動力系統和風帆助航的試驗研究和論證提供試驗條件。

圖21 ?風洞洞體?

圖22 ?風洞測控室

另外，我校將投資1303.0萬元建造一座超音速風洞實驗室，主要由氣源、進氣系統、壓氣機和渦輪實驗及校準風洞平臺、排氣系統和消聲塔、抽吸系統、次流系統、冷卻水系統和工藝裝備及三維粒子圖像測速儀（3D -PIV）、紋影儀等組成，具備紋影和高速粒子圖像速度場測量能力等，可開展船舶多電系統、燃氣輪機動力系統、氣動流場平面葉柵亞跨超聲速常規雷諾數測試、平面葉柵吸附流動控制、渦輪平面葉柵冷卻氣流摻混和壓力探針校準試驗。

7) 遠洋實習船

圖23 ?“育明輪”遠洋實習船

圖24 “育明輪”遠洋實習船主機??

船舶總長 189.90 m，型寬 32.26 m，型深 15.70 m，設計吃水 10.30 m，服務航速14.2節，主機燃油日油耗約28.1噸/天，續航力大于10000海里。安裝有MAN B&W 6S50ME-C7- TII 型低速船用柴油主機，全電控噴油系統，最大持續功率9480kW。全船布配備有計算機網絡教學系統、多媒體教學設施、圖書閱覽室、標準籃球場、室內操場、健身房。此外，配備了全船電視監視系統（CCTV）、北斗衛星接收設備、液位遙測、船舶應力應變檢測、船舶姿態檢測儀、主軸扭力儀、主機氣缸和曲軸工作狀態自動檢測裝置等科研設備，可記錄分析機艙主要設備的運行參數，全船計算機網絡可進行人機實時數據交換，也可通過衛星與陸地進行計算機實時通訊，為機艙智能運維與效能控制的實船應用提供實船驗證條件。