上海船舶智能运维与能效监控工程技术研究中心
Shanghai Engineering Research Center of Ship Intelligent Maintenance and Energy Efficiency Control （20DZ2252300）
1. 成立背景
随着信息技术和网络技术的发展，智能船舶已成为未来船舶业和航运业发展的必然趋势。目前国内外对智能船舶技术的研究主要集中在智能航行和小型无人船方面，还缺少智能船体、智能机舱和智能能效技术的研究机构。本中心由必赢bwin官网登录入口2023和中国船舶第702研究所共建，依托我们在船体状态监测与结构修复、机舱状态监测与健康管理、船舶能效监测与能耗控制三个方面的研究基础和技术优势，利用现代检测技术和人工智能等方法开展船舶智能运维与能效监控技术的系统性研究，并以“育明”轮为示范船开展实船验证，解决工程技术产业化中的技术难题，也弥补国内外在这方面研究机构的空白。
2. 研究方向
（1） 船体状态监测与结构维护：开展船体总纵强度监测测点节点形式、船体结构监测的阈值优化、基于船体监测的航行辅助决策，以及船体结构修复技术研究。
（2） 机舱状态监测与健康管理：开展机舱热工参数分析、设备振动监测与分析、油液样本的特征值提取和分析研究，以及机舱设备健康状态评价方法研究，对主、副机及轴系进行状态监测，开发船舶维修辅助决策支持软件。
（3） 船舶能效监测与能耗控制：监测和分析船舶主副机、锅炉、变频及配电控制系统等设备运行参数与船舶环境、航行参数、耗油量的内在联系，综合分析风、浪、流、污底、纵倾、航速等多因素的航行绩效参数，开发船舶太阳能、风能、LNG冷能、生物柴油等清洁能源的应用技术，进一步降低船舶能耗。
3. 组织架构
本工程中心是上海市科技创新体系的重要组成部分，设中心主任1人，副主任2人，固定科研人员35人，由上海市科委和必赢bwin官网登录入口2023协调，在技术委员会的指导下开展工作。建设期间，中心主任胡以怀教授，副主任汪雪良高工、曾向明教授，办公室主任李精明副教授。
图1 工程中心组织架构图
4. 主要任务
（1）围绕船舶智能船体、智能机舱和智能能效开展重大共性与关键技术的工程化研发，为产业化提供成熟、配套的技术、标准和新产品，提升船舶行业的技术创新能力。
（2）实行开放服务，接受委托的船舶工程技术研究、设计、试验和成套技术服务，并提供技术咨询等服务。
（3）培养和集聚高层次工程技术人才和管理人才，提供工程技术人才培训。
（4）加强与国内重点实验室等其他类型研发基地的协同联动，开展国际、国内科技合作与交流。
5. 现有成果
（1）船舶结构应力监测系统：由应力传感器、加速度传感器、应变采集器、接线箱、监测主机和结构应力监测评估软件组成，系统为分布式架构，可实现传感测点大规模布置，底层传感数据总线传输，上层信息通过以太网与监控平台无缝连接，可对船舶结构应力进行实时监测和评估分析。当评估结果超出标准时发出预警信息，监测数据和预警信息可长期存储。
图2 船舶结构应力监测系统传感器及监测软件
（2）海洋平台船岸一体化智能运维系统
基于安全可控的振动、压力、温度等传感器硬件，对海洋平台主发电机、压载、泥浆、顶驱、钻井绞车等16大系统的主要设备采集实时海量数据，利用大数据分析全面掌握海洋平台运维中整体健康动态，并基于微服务架构开发出“智慧船长”APP，实现海洋平台的船、岸实时健康状态分析，实现智能化的远程运维、自主学习和专家决策，已获得法国船级社的AIP认证和挪威船级社的Smart(EEN)智能船级符号。首次通过深远海恶劣环境作业深水半潜式钻井平台的实船安装、测试和应用示范，实现了大型海洋工程装备的船岸一体智能化的管理与维护。
图3 中车汉格半潜船智能运维系统
图4 招商重工中深水半潜式钻井平台
（3）船舶机电设备振动检测仪
机舱机电设备振动监测全覆盖，可进行机舱回转机械和往复机械设备的状态监测，包括二冲程柴油主机、四冲程发电柴油机、大型发电机组、辅机泵浦、往复式空压机、风机等设备的状态监测，可进行振动数据采集、数据滤波，时域和频谱分析，自动存储振动测点号、测试时间、振动特征参数或波形数据，并可上传到上位机实现机电设备的磨损状态监测和趋势预报。
采用这套振动检测仪，每两周巡回检测一次，帮助轮机人员及时了解机舱设备的机械状态，避免重大机损事故的发生。一个传感器，就可以覆盖机舱所有机电设备的振动监测，硬件投资少、仪器操作简便，非常实用。
图5 船舶机舱设备的现场振动监测
（4）船舶能效数据记录与分析软件
船舶能效数据记录与分析软件主要分为船舶管理、数据记录、能效分析和报表管理四个大的模块，可以为单船记录日常能耗数据，也可以供船舶管理公司对船队进行营运碳强度管理。
船舶使用本系统，可将船员每天的能耗数据收集由纸质存储升级为数字化管理；将日、航次数据累计与营运能效强度计算由人工转换为计算机自动计算；将航运公司特别关注的船舶年度营运碳强度指标(CII) 评级变成可监控，可自评，可预测、可修正；自动生成标准化或自定义数据报告；支持中英文切换，适用于国内外所有船舶。
使用本系统，可实时了解管理船舶的能效和碳强度评级情况，及时对船舶经营计划进行调整，以满足CII评级要求。同时降低船员工作负担、减少数据计算错误，防止船舶被海事主管机关因错报、漏报而被处罚。当前，燃料费用约占船舶全部经营成本的一半，航运公司可以借助本系统，开展内部节能管理，降低燃料成本，合理安排航线，尽可能避免船舶被评为能效较差等级而影响船舶的正常营运。
图6 船舶能效数据记录与分析软件界面
（5）船舶能效管理系统
满足《智能船舶规范》中智能能效管理的所有功能要求，对船舶航行状态、能效及耗能状况进行在线监测和数据采集；对船舶能效及能耗状况进行评估、报告和报警；根据分析评估结果，为能效管理提供包括航速优化、吃水优化、主辅机油耗优化等辅助决策建议。此外，该软件包含了基于机器学习的能耗预测功能，能够实时计算和预测船舶CII评级的趋势，为船舶管理者提供营运参考。
图7 能效管理系统框架
图8 能效管理系统界面
（6）船舶机舱应急处置辅助决策软件
可查询船舶机损案例500多例，包括事故发生经过、分析与处理过程以及从中获得的经验和教训，可对事故的故障部件、故障类型、事故原因、故障机型、发生时间、发生区域、主要责任人等方面进行自动排序和查询。必要时，还可以输入本船发生的机损案例，以不断丰富案例库。
可进行船舶柴油机功率发不出、突然停车、转速不稳定、振动剧烈、排烟不正常、排温不正常、示功图不正常故障，辅机系统滑油温压不正常、气缸油供应不足、滑油消耗量大、冷却水温不正常、泵浦异常，遥控系统主机不能换向、不能启动、不能调速故障和船舶电站中发电机、主开关、用电设备共529个机舱典型故障的故障树分析。
可进行船舶柴油机、辅机系统、电站、锅炉、舵机的典型机损事故处理，柴油机、锅炉、舵机、电气设备的预防性检查，防火、防爆、防冻、中毒、触电的防范，近海和港口防污染，以及弃船、战区、冰区、海损的应急措施的查询提示，帮助船员及时应对船舶航行中遇到的各种突发事件。
图9 船舶机损事故数据库查询界面
图10 船舶机舱故障树分析及船舶机舱应急事件处理查询界面
6. 研究基地
1) 船舶机舱综合实验室
投资4000多万元建成的国内第一个以大型二冲程柴油机为动力的船舶自动化机舱实验室，包括一栋主楼和一栋辅楼，主楼高17m，占地2100平方米。机舱中央放置一台电控二冲程船用低速柴油机以及四大辅助系统：压缩空气系统、冷却水系统、滑油系统和燃油系统。实验设备包括主机水力测功器测试机组、柴油机性能试验机组、舵机试验机组、船舶辅助锅炉、海水淡化装置、液压系统、制冷系统、空调系统、分油机及系统、油水分离器及系统、泵特性试验系统等，总台套数为 572 件，设备的完好率达98％。与水力测功设备直接连接，能够实时测量各种参数，为船舶机舱状态监测、故障诊断、效能分析和节能减排的研究和试验验证提供试验平台。
图 11 船舶机舱综合实验室集控台
图12 船舶机舱综合实验室主机
2) 油品检测实验室
占地150 平方米，总投资1000多万元，有美国超谱公司SPECTROIL-M型油料光谱分析仪、美国西马力公司ALL-test-IV型电机故障测试仪、铜片腐蚀测试仪、抗乳化测试仪、傅立叶红外光谱仪、金属成分分析仪等大型昂贵仪器设备，还有内燃机燃烧分析仪、透光式烟度仪、内燃机废气排放分析仪、内燃机颗粒排放分析仪、铁谱分析与图像采集系统，具备润滑油与燃料油常规理化性能、直读发射光谱元素、铁谱、污染度的检测与分析、零件失效分析、柴油机零件无损检验、摩擦、磨损、润滑试验等实验条件。配备有磨粒表面形貌分析系统ContourGT-K，SPECTRO 的 LaserNet Fines 磨粒形貌分析仪器和标准分析式铁谱仪以及多功能摩擦磨损试验机 UMT-TriboLab，可用于磨粒的收集和分析，为基于油液监测技术的设备故障诊断及预测预警、船用大型机械摩擦副摩擦磨损研究和智能磨粒分类系统的开发提供保证。
图13 油品检测实验室
图14 油品检测实验室
3) 电力推进实验室（含LNG-柴油双燃料发动机）
占地100多平方米，总投资809万元，用钢结构平台隔成上下两层。底层为主要动力设备，包括发电机组、模拟轴带发电机组、电力推进系统、变频控制设备，还有配套的应急和岸电系统。上层为控制室，有配电和控制系统包括一套报警监视系统和PMS控制系统，另外还配有一套高压配电系统，室外有950kW的电锅炉负载。 船舶电力综合节能系统包括双燃料机组自动控制系统、轴带发电机控制、电力推进和船舶多模式电力系统等。轴带发电机控制试验平台包括使用岸电提供电源，使用变频器驱动模拟发电机，通过具有稳压稳频装置的轴带同步发电机配电屏向电力系统供电；船舶多模式电力系统试验平台包括模拟各种原动机的电动机调速系统、模拟发电机及相应变频器、配套的各种配电屏、负载屏、模拟岸电变频供电的逆变装置、模拟电力负载的电力推进变频器、电力推进电动机、电力推进控制装置以及配套的控制站，为船舶电力推进系统的状态监测、故障诊断、效能控制研究和试验验证提供试验平台。
图15 电力推进实验室
图16 LNG双燃料发电机组
4) 船舶可靠性实验室
占地100多平方米，总投资400多万元，主要有大气等离子喷涂系统、等离子堆焊机、冷（热）压机、涂料制备与检测设备、涂料涂装设备、显微硬度计、材料试验机、电化学工作站、加热炉、盐雾试验箱、氙灯老化试验箱等，可进行智能仿生船体减阻涂层、超疏水自抛光纳米复合涂层、高固体份绿色船舶重防腐涂层能自修复涂层、轮机舱室吸声减噪涂层、新型深海浮力复合材料、船舶关键零部件表面强化、船舶零部件智能再制造、船舶维修激光智能清洗和热障涂层技术等研究，为保障船舶动力设备的运行可靠性提供试验条件。
图17 船舶可靠性实验室
图18 等离子喷涂设备
5) 组合式液货模拟船
投资4000多万元建成的国内第一艘集油船、化学品船、LPG船、LNG船四种船型为一体的组合式钢质液货船，主船体长60.8米，宽10米，占地1600平方米。船体包括船艏（内设有膜分离制氮装置和压力吸附制氮装置）、LPG货舱、LNG货舱、化学品货舱、原油货舱、油船泵舱（含污油水舱和隔离空舱）、机舱及船尾构成的主船体。上层包含油船货控室、化学品货控室、LPG货控室、LNG货控室、驾驶台、船员舱室等。下层设机舱、集控室、大型泡沫灭火间、干粉灭火间、水基灭火间、油船主锅炉、燃烧式惰性气体发生器、可燃气体探测系统等。主甲板上有液货装卸阀门管系及测量设备、货物装卸集管、液货船消防系统、LPG压缩机间、甲板水雾系统、软管吊等。设备总台套数200多，设备完好率达98％，为进行液货船的液位遥测、阀门遥控、消防灭火和气体探测系统的状态监测、故障诊断和效能控制试验研究及试验验证提供试验平台。
图19 液货模拟船
图20 液货模拟船机舱
6) 风洞实验室
大型低速回流风洞试验装置，占地面积约220平方米，总资产400多万元。风洞总长22m，宽7m，高3.5m，由稳定段、收缩段、试验段三部分组成。试验段长6m，宽1.4m，高1.8m，测控室有微机综合控制系统、动力控制系统、测量系统、监控系统等组成。安装有一台84kW大型风机，风速可达40m/s，气流稳定性:＜±0.4%，气流偏角：<±0.5°，紊流度：＜0.5%，不均匀性：＜±0.4%，设备的完好率到达98％，可为船舶风动力系统和风帆助航的试验研究和论证提供试验条件。
图21 风洞洞体
图22 风洞测控室
另外，我校将投资1303.0万元建造一座超音速风洞实验室，主要由气源、进气系统、压气机和涡轮实验及校准风洞平台、排气系统和消声塔、抽吸系统、次流系统、冷却水系统和工艺装备及三维粒子图像测速仪（3D -PIV）、纹影仪等组成，具备纹影和高速粒子图像速度场测量能力等，可开展船舶多电系统、燃气轮机动力系统、气动流场平面叶栅亚跨超声速常规雷诺数测试、平面叶栅吸附流动控制、涡轮平面叶栅冷却气流掺混和压力探针校准试验。
7) 远洋实习船
图23 “育明轮”远洋实习船
图24 “育明轮”远洋实习船主机
船舶总长 189.90 m，型宽 32.26 m，型深 15.70 m，设计吃水 10.30 m，服务航速14.2节，主机燃油日油耗约28.1吨/天，续航力大于10000海里。安装有MAN B&W 6S50ME-C7- TII 型低速船用柴油主机，全电控喷油系统，最大持续功率9480kW。全船布配备有计算机网络教学系统、多媒体教学设施、图书阅览室、标准篮球场、室内操场、健身房。此外，配备了全船电视监视系统（CCTV）、北斗卫星接收设备、液位遥测、船舶应力应变检测、船舶姿态检测仪、主轴扭力仪、主机气缸和曲轴工作状态自动检测装置等科研设备，可记录分析机舱主要设备的运行参数，全船计算机网络可进行人机实时数据交换，也可通过卫星与陆地进行计算机实时通讯，为机舱智能运维与效能控制的实船应用提供实船验证条件。
