某型船舶智能管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)

某型船舶智能管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)【摘要】本論文闡述了某型船舶智能管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)過程，包括系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，功能模塊，以及操作步驟。重點(diǎn)是人工智能（AI）模型，專家系統(tǒng)，工單模塊，維護(hù)模塊等重要模塊的介紹?！娟P(guān)鍵詞】船舶智能管理系統(tǒng)，人工智能（AI）模型，專家系統(tǒng)，工單模塊,維護(hù)模塊，西門子PCS7平臺(tái)，船舶自動(dòng)化系統(tǒng)。1.1.第1章船舶智能管理系統(tǒng)概述船舶行業(yè)越來越向數(shù)字化和智能化方向發(fā)展，特別是一些綜合電力推進(jìn)船舶，其自動(dòng)化水平本身就很高，如何進(jìn)一步提高船舶運(yùn)營效率，提升船舶操控的實(shí)時(shí)性以及船員工作的舒適性，數(shù)字化和智能化是必然方向。1.1.1.船舶數(shù)字化智能化現(xiàn)狀船舶數(shù)字化和智能化的動(dòng)力來源于內(nèi)在和外在幾個(gè)因素，第一，國際和國內(nèi)海洋保護(hù)法律法規(guī)的健全需要船舶運(yùn)行更加環(huán)保；第二，全球性經(jīng)濟(jì)增長緩慢需要船舶運(yùn)營更加經(jīng)濟(jì)；第三，科技的發(fā)展特別是互聯(lián)網(wǎng)，大數(shù)據(jù)，人工智能等新興學(xué)科向傳統(tǒng)行業(yè)滲透，為船舶行業(yè)的數(shù)字化和智能化提供了內(nèi)在動(dòng)力。根據(jù)一些科研機(jī)構(gòu)和業(yè)內(nèi)領(lǐng)先公司的研究分類，船舶的智能化發(fā)展周期一般分為5個(gè)階段，第一階段，船舶實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，船員能夠在船舶集中控制處所監(jiān)視運(yùn)行狀態(tài)，操作船舶。第二階段，自動(dòng)化基礎(chǔ)上的決策支持。第三階段，岸基運(yùn)營中心半自動(dòng)控制。第四階段，狀態(tài)感知，自動(dòng)控制。第五階段，全船自治。我國在船舶數(shù)字化和智能化方面進(jìn)行了大膽嘗試并取得了較大進(jìn)展，比如2017年底，中船集團(tuán)自主研制的全球第一艘智能散貨船“大智號(hào)”在上海交付；2018年，外高橋船廠為招商局建造的40萬噸智能超大型礦砂船（VLOC）“明遠(yuǎn)號(hào)”在上海交付。1.1.1.船級(jí)社對(duì)智能船舶入籍規(guī)范的定義船級(jí)社作為船舶檢驗(yàn)第三方機(jī)構(gòu)，也非常重視智能船舶相關(guān)入籍規(guī)范的研究和制定，目前中國船級(jí)社（簡稱CCS）和挪威船級(jí)社（簡稱DNV-GL）都對(duì)智能船舶做出了較為詳細(xì)的規(guī)定。中國船級(jí)社將智能船舶加i-Ship符號(hào)并細(xì)分為8個(gè)方面，Ai-自主操作；Ri-遠(yuǎn)程控制；Nx-智能航行；Hx-智能船體；Mx-智能機(jī)艙；Ex-智能能效管理；Cx-智能貨物管理；I-智能集成平臺(tái)。挪威船級(jí)社將智能船舶加SmartShip符號(hào)，表示4個(gè)方面的增強(qiáng)，OE-操作性增強(qiáng)；PE-性能增強(qiáng)；RSE-可靠性和安全性增強(qiáng)；CME-狀態(tài)監(jiān)視能力增強(qiáng)。1.1.1.船舶數(shù)字化智能化的技術(shù)關(guān)鍵船舶數(shù)字化和智能化是在工業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)上，引入互聯(lián)網(wǎng)，大數(shù)據(jù)，人工智能等新興技術(shù)，充分融合發(fā)展起來的。由于涉及的學(xué)科和范圍很廣，技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)也較多。第一，傳感器技術(shù)是基礎(chǔ)。作為船舶外殼及各系統(tǒng)的終端感知和執(zhí)行單元，傳感器需要監(jiān)視生產(chǎn)過程的各個(gè)參數(shù)并執(zhí)行控制器發(fā)出的相關(guān)指令。傳感器既有普通的監(jiān)視溫度，壓力，流量等的傳感器，也有監(jiān)視軸承高頻震動(dòng)信號(hào)的加速度電壓信號(hào)傳感器等特殊傳感器。第二，可編程控制器（PLC）和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸是關(guān)鍵。目前PLC性能有了很大提升，特別是歐美一些主流產(chǎn)品都能用高級(jí)語言編寫復(fù)雜的邏輯功能；而現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)發(fā)面，隨著Profibus，Profinet，Modbus等總線協(xié)議的應(yīng)用，使大量現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸成為了可能。第三，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是契機(jī)?；ヂ?lián)網(wǎng)技術(shù)為船舶與岸基管理中心大帶寬互聯(lián)提供了解決方案。第四，大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)是引領(lǐng)。大數(shù)據(jù)分析能夠從海量船舶運(yùn)行數(shù)據(jù)中提煉出有價(jià)值的信息，人工智能在此基礎(chǔ)上給出預(yù)測(cè)結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn)船舶的智能化?？傊?，處理好以上技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)才能設(shè)計(jì)開發(fā)出實(shí)用的船舶數(shù)字化和智能化系統(tǒng)。1.1.第2章某型船舶智能管理系統(tǒng)的構(gòu)架和功能本型船舶智能管理系統(tǒng)著眼于整體解決方案，包含了人工智能（AI）模塊，數(shù)學(xué)分析算法模塊，專家系統(tǒng)，遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)，工單以及維護(hù)系統(tǒng)等子模塊。如下是系統(tǒng)框圖。在系統(tǒng)框圖的基礎(chǔ)上，接下來我們介紹本型船舶智能管理系統(tǒng)的重要模塊。1.1.1.2.1人工智能（AI）模塊本型船舶智能管理系統(tǒng)的人工智能（AI）模塊使用了支持向量機(jī)（SVM）和高斯混合（GMM）等算法，人工智能模塊一般用于非高頻采樣信號(hào)如溫度，壓力,電壓等。SVM主要應(yīng)用于能夠清楚劃分輸入測(cè)點(diǎn)和輸出測(cè)點(diǎn)并且理解測(cè)點(diǎn)之間相互關(guān)系的情況，比如我們比較清楚的了解船舶主發(fā)電機(jī)三相繞組溫度和功率正相關(guān)并且功率信號(hào)是輸入測(cè)點(diǎn)而繞組溫度是輸出測(cè)點(diǎn)，那么這個(gè)模型應(yīng)該使用SVM。GMM主要應(yīng)用于模型中測(cè)點(diǎn)信號(hào)關(guān)系不明確的情況，比如對(duì)于養(yǎng)魚工船項(xiàng)目中的養(yǎng)魚模型，我們只是大體知道魚苗的生長與海域水文特征，飼料投放，天氣情況等因素有關(guān)系，并且還需要在模型運(yùn)行過程中不斷優(yōu)化，那么這個(gè)模型應(yīng)該使用GMM。以發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承溫度模型為例，其預(yù)測(cè)報(bào)警曲線如下，第一，紅線為實(shí)際值，藍(lán)線為預(yù)測(cè)值，黃線為殘差值。第二，在區(qū)域＜1＞已經(jīng)出現(xiàn)實(shí)際值和預(yù)測(cè)值的偏離趨勢(shì)；在區(qū)域＜2＞出現(xiàn)了較為明顯的實(shí)際值和預(yù)測(cè)值的偏離，預(yù)測(cè)報(bào)警持續(xù)出現(xiàn)；區(qū)域＜3＞實(shí)際值和預(yù)測(cè)值的偏離持續(xù)擴(kuò)大，后期實(shí)際值飆升后甚至?xí)|發(fā)自動(dòng)化系統(tǒng)的高溫報(bào)警。第三，圖中箭頭覆蓋區(qū)域即是主動(dòng)維護(hù)窗口期，在此區(qū)域內(nèi)自動(dòng)化系統(tǒng)尚未觸發(fā)高限報(bào)警，預(yù)測(cè)模型已經(jīng)給出了預(yù)測(cè)報(bào)警。1.1.1.2.2數(shù)學(xué)分析（旋轉(zhuǎn)設(shè)備震動(dòng)頻譜）模塊對(duì)于一些重要旋轉(zhuǎn)設(shè)備，如推進(jìn)電機(jī)，柴油機(jī)，壓載泵等需要監(jiān)測(cè)軸承震動(dòng)并精確預(yù)估旋轉(zhuǎn)部件壽命的情況，這就需要軸承震動(dòng)頻譜分析模塊了。軸承震動(dòng)頻譜分析的原理是在旋轉(zhuǎn)設(shè)備上安裝加速度電壓型震動(dòng)傳感器，由于震動(dòng)信號(hào)需要高頻采集，需要就近部署高頻采集模塊來采集并緩存帶時(shí)間戳的震動(dòng)信號(hào)，采集模塊通過以太網(wǎng)（遠(yuǎn)距離可以轉(zhuǎn)換為光纖）將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器服務(wù)器上的震動(dòng)分析軟件會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行變換（如傅里葉數(shù)學(xué)變換等）和分析從而得到軸承震動(dòng)的時(shí)域圖，頻譜圖等，然后就可以較為精確的判斷軸承的當(dāng)前狀態(tài)及其使用周期等情況。1.1.專家數(shù)據(jù)庫模塊船舶在操作運(yùn)營過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)預(yù)警，警報(bào)等提示，這些提示經(jīng)常是來自不同子系統(tǒng)，船舶的子系統(tǒng)和分設(shè)備非常多并且通常由不同的供應(yīng)商提供，這就需要船員查詢不同供應(yīng)商的圖紙，手冊(cè)來查找問題，費(fèi)時(shí)費(fèi)力但效果不佳。專家數(shù)據(jù)庫模塊是預(yù)先根據(jù)行業(yè)專家經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，列出可能的故障情況，并完善如下信息，第一，賦予診斷編號(hào)，這是專家數(shù)據(jù)庫條目與報(bào)警關(guān)聯(lián)的關(guān)鍵字。第二，簡述報(bào)警原因，并估計(jì)報(bào)警嚴(yán)重程度和影響范圍。第三，選擇報(bào)警類型，是預(yù)測(cè)報(bào)警，故障報(bào)警，規(guī)則報(bào)警還是變頻器故障代碼報(bào)警。第四，需要詳細(xì)并且逐條描述處理的操作步驟，這一步需要行業(yè)專家根據(jù)產(chǎn)品手冊(cè)和設(shè)計(jì)調(diào)試經(jīng)驗(yàn)給出，需要花費(fèi)大量的人力和時(shí)間。1.1.1.遠(yuǎn)程診斷以及網(wǎng)絡(luò)安全模塊隨著船舶網(wǎng)絡(luò)帶寬提速以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展，船舶航行過程中遠(yuǎn)程診斷軟硬件故障也具有了可行性。本型船舶智能管理系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程診斷模塊，并且能夠嚴(yán)格保證網(wǎng)絡(luò)安全。其原理是在得到客戶遠(yuǎn)程診斷需求并且得到遠(yuǎn)程訪問允許的情況下，船上的維護(hù)站通過防火墻以虛擬專用網(wǎng)絡(luò)（VPN）信道的方式連接到我方辦公室服務(wù)器,工程師使用客戶端訪問服務(wù)器，從而在線船上控制系統(tǒng)檢查故障。下圖是遠(yuǎn)程診斷模塊運(yùn)行界面，1.1.1.工單模塊和維護(hù)模塊工單模塊和維護(hù)模塊都是為了方便船員操作和維護(hù)系統(tǒng)設(shè)備，并有序安排和記錄相關(guān)信息。工單模塊的原理如下，系統(tǒng)出現(xiàn)了報(bào)警，操作員選擇處理報(bào)警并指定負(fù)責(zé)人由于船上操作人員實(shí)行輪班制度，負(fù)責(zé)人可能是操作員自己或下一個(gè)班次同事。工單模塊會(huì)根據(jù)專家數(shù)據(jù)庫內(nèi)容鏈接到診斷信息，同時(shí)給出影響范圍，嚴(yán)重程度等信息，還會(huì)顯示專家數(shù)據(jù)庫中錄入好的操作步驟，操作員就不必查閱大量手冊(cè)等信息而直接能夠得到簡潔明了的操作步驟。同時(shí)操作員也可根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)對(duì)已有的操作步驟等決策支持信息進(jìn)行完善，完善后的信息會(huì)同步到專家數(shù)據(jù)庫中如果操作員本班次沒有處理完畢某個(gè)工單，則這條工單會(huì)繼續(xù)顯示給下一個(gè)班次的同事，這樣也減輕了操作人員班次交接的工作負(fù)荷。下圖是工單列表示意圖，船舶設(shè)備系統(tǒng)種類繁多，數(shù)量龐大，通常由不同供應(yīng)商提供，這些設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)周期和操作步驟各不相同，給操作人員造成了很大工作負(fù)擔(dān)。維護(hù)模塊的原理是，將各個(gè)設(shè)備的維護(hù)周期和操作步驟預(yù)先錄入到專家數(shù)據(jù)庫中，維護(hù)模塊按照一定的時(shí)間段（比如1周，1個(gè)月等）顯示需要做的維護(hù)工作，并且在維護(hù)工作詳情中顯示操作步驟和注意事項(xiàng)等信息。1.1.第3章某型船舶智能管理系統(tǒng)的配置步驟

本型船舶智能管理系統(tǒng)是模塊化設(shè)計(jì)，即將各個(gè)功能模塊化，即互相獨(dú)立又有機(jī)融合，這樣有利于系統(tǒng)敏捷開發(fā)和功能擴(kuò)展。本章節(jié)我們主要講解系統(tǒng)的配置步驟，1.1.1.3.1設(shè)備和信號(hào)點(diǎn)的導(dǎo)入數(shù)據(jù)是數(shù)字化的基礎(chǔ)，本型船舶智能管理系統(tǒng)是通過單元化和層級(jí)來管理數(shù)據(jù)的，即每一個(gè)信號(hào)點(diǎn)都屬于一個(gè)設(shè)備單元，比如“1號(hào)發(fā)電機(jī)U相繞組溫度”“1號(hào)發(fā)電機(jī)軸承驅(qū)動(dòng)端溫度”，“1號(hào)發(fā)電機(jī)冷卻水進(jìn)口壓力”等信號(hào)點(diǎn)都是屬于“1號(hào)發(fā)電機(jī)”設(shè)備單元的；同時(shí)每一個(gè)層級(jí)又包含若干設(shè)備單元，比如“配電系統(tǒng)”層級(jí)包含“1號(hào)發(fā)電機(jī)”，“2號(hào)發(fā)電機(jī)”，“左舷日用變壓器”等設(shè)備單元。通過這樣的數(shù)據(jù)管理，非常方便操作人員查找報(bào)警，信號(hào)等信息，也方便后臺(tái)管理數(shù)據(jù)。設(shè)備和信號(hào)點(diǎn)導(dǎo)入是本系統(tǒng)配置的第一步，下圖分別是設(shè)備和信號(hào)的導(dǎo)入列表示意圖，F(xiàn)rm"一“一"rFrm"一“一"r一蘭三三迂-二爭(zhēng)=J如上圖所示，在設(shè)備和信號(hào)點(diǎn)的導(dǎo)入階段，已經(jīng)充分考慮到數(shù)據(jù)之間的相互關(guān)聯(lián)。1.1.1.3.2錄入專家數(shù)據(jù)專家數(shù)據(jù)是行業(yè)專家和行業(yè)公司的技術(shù)，經(jīng)驗(yàn)等核心知識(shí)的積累，也是本型船舶智能管理系統(tǒng)的核心知識(shí)產(chǎn)權(quán)。專家數(shù)據(jù)首先導(dǎo)入到系統(tǒng)之中，下圖是專家數(shù)據(jù)導(dǎo)入的示意圖，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，操作人員以及服務(wù)工程師都是可以不斷優(yōu)化和添加專家數(shù)據(jù)庫內(nèi)容，并且經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行系統(tǒng)中的專家數(shù)據(jù)庫也是可以導(dǎo)出固化的這也是本型船舶智能管理系統(tǒng)不斷優(yōu)化和發(fā)展的方向之一。1.1.1.3.3建立和訓(xùn)練人工智能（AI）模型首先我們需要根據(jù)設(shè)備單元的特性（包括電氣方面，機(jī)械方面或者工藝方面）來決定建立何種模型，比如對(duì)于船舶發(fā)電機(jī)，我們建立了“3相繞組溫度和功率的模型”，“”軸承雙側(cè)溫度和轉(zhuǎn)速的模型，“冷熱空氣溫度和功率的模型”等幾個(gè)模型。然后我們需要選擇正常的數(shù)據(jù)給模型進(jìn)行學(xué)習(xí)，注意在這個(gè)過程中要仔細(xì)剔除非正常時(shí)間段的數(shù)據(jù)，比如故障階段，報(bào)警階段的數(shù)據(jù)都不能要。模型訓(xùn)練的的示意圖如下圖，之后我們就可以運(yùn)行模型，人工智能（AI）模型會(huì)根據(jù)之前的訓(xùn)練結(jié)果對(duì)當(dāng)前值進(jìn)行預(yù)測(cè)并在實(shí)際值和預(yù)測(cè)值偏差過大的時(shí)候報(bào)警。如果出現(xiàn)預(yù)測(cè)不準(zhǔn)確的情況，我們可以使用新的數(shù)據(jù)繼續(xù)訓(xùn)練模型，這也是一個(gè)持續(xù)學(xué)習(xí)的過程。模型的運(yùn)行圖請(qǐng)見2.1章節(jié)。1.1.1.3.4配置系統(tǒng)第一步，在設(shè)備單元和信號(hào)點(diǎn)導(dǎo)入的基礎(chǔ)上，配置系統(tǒng)的層級(jí)，并將設(shè)備和信號(hào)分配給各個(gè)層級(jí)。比如可以分為“驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)”，“配電系統(tǒng)”，“壓載系統(tǒng)”等層級(jí)。第二步，配置系統(tǒng)需要啟用的模塊，注意這個(gè)過程由客戶按需要購買相應(yīng)授權(quán)，啟用模塊的數(shù)量也是決定系統(tǒng)價(jià)格的重要因素。另外，還可以在這個(gè)界面設(shè)置概覽面板中顯示的儀表盤數(shù)量和連接的信號(hào)等內(nèi)容。第三步，分別進(jìn)行預(yù)測(cè)報(bào)警，故障報(bào)警，規(guī)則報(bào)警，故障代碼報(bào)警的信號(hào)綁定到專家數(shù)據(jù)。第4章某型船舶智能管理系統(tǒng)的總結(jié)和展望本型船舶智能管理系統(tǒng)的特點(diǎn)總結(jié)如下，第一，引入人工智能（AI）模型，具有自學(xué)習(xí)，預(yù)診斷功能。第二，具有專家系統(tǒng)，并且會(huì)不斷優(yōu)化升級(jí)專家數(shù)據(jù)。第三，包括遠(yuǎn)程診斷（RDS）模塊，在得到船東允許的情況下，能夠在線診斷船上軟硬件系統(tǒng)。第四，與本公司的機(jī)艙監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)能夠有機(jī)結(jié)合，減少客戶集成不同系統(tǒng)的挑戰(zhàn)和風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，本船舶智能管理系統(tǒng)還在不斷更新，優(yōu)化和增加功能模塊，目前二期開發(fā)計(jì)劃如下，第一，繼續(xù)完善能耗管理模塊。第二，增加船舶航行航線優(yōu)化模塊。第三，優(yōu)化軟件，降低