一种极地航行智能船舶的制作方法

本发明属于船舶设计技术领域，特别是涉及一种适用于极地航行的智能船舶。

背景技术：

随着全球气候变暖，北冰洋海冰正快速消融。北极航道连接北美、欧亚经济区，相比传统通过苏伊士运河的航道，航程明显缩短，燃油等航运成本明显降低。因此北极航道具有潜在巨大的航运、经济、战略价值，特别是随着能源的日渐短缺和国际海上运输安全问题的日渐突出，使得北极航道的重要性更加突出。

但是北极通航环境也较为恶劣，北冰洋上局部海域除夏季外仍常伴有浮冰或碎冰，北极温度常年较低，且北极天气变化较复杂，北冰洋上频发的海雾、冬季的飘雪、冰雹及强风等都会对船舶安全航行产生威胁。

同时极地航行船舶的安全与环境法规越来越严格。为了应对越来越严格的环境法案和不断增长的运营成本，极地航行船舶及其操作正变得越来越复杂。对高素质人员的需求和要求也越来越多，目前却是船员或相关运营人员的能力已逐渐满足不了极地航行的要求，从而就造成了合格人员的缺口。

目前船员对于船舶状况、航行状态等的判断主要还是依靠经验和理论知识，难免会出现不恰当的决策，造成不必要的人力、物力或财力损失。对于极地航行船舶，由于北极复杂的通航环境，不恰当的决策会造成更为严重的损失。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的是为了解决现有技术中的不足，提供一种极地航行智能船舶，该船舶以“大数据”为基础，运用先进的信息化技术，实时数据传输和汇集、大计算容量、数字建模能力、远程控制、传感器等，实现船舶智能化的感知、判断分析，以及决策和控制，从而更好地保证船舶极地航行时的安全和效率，减少对北极环境的污染，大幅度减少甚至杜绝人为因素造成的事故。

技术方案：本发明所述的一种极地航行智能船舶，包括船载航行数据记录仪，报警管理系统，冰载荷监控系统，应力监控系统，纵倾优化和航速优化系统，冰层厚度和冰清监控系统，存储系统，噪音和振动监控系统和智能管理系统，所述报警管理系统，冰载荷监控系统，应力监控系统，冰层厚度和冰清监控系统，存储系统，噪音和振动监控系统均与所述智能管理系统连接；所述船载航行数据记录仪包括波浪仪、风速风向仪、转速仪、船首尾吃水计、卫星定位接收仪，所述报警管理系统包括燃油温度计、燃油质量流量计和轴功率计检测报警系统；所述燃油质量流量计测量燃油消耗，所述波浪仪实时测量波浪方向和波高，所述风速风向仪实时测量船舶航行时外界的风速风向，所述转速仪实时测量主机转速，所述船首尾吃水计实时测量船舶首尾的吃水，所述卫星定位接收仪接收船舶的经纬度信息，所述应力监控系统实时测量船舶首部的结构应力水平，所述噪音和振动传感器实时测量船上居住区等区域的噪音和振动，所述冰层厚度和冰情监控系统实时接收极地冰情，所述存储系统实时存储各系统收集和测量的数据，所述智能管理系统对收集和测量的数据进行管理。

进一步的，所述船载航行数据记录仪实时监测主推进发动机、辅助发电用发动机、轴系的运行状态，并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，并给出分析和评估结果。

进一步的，通过所述卫星定位接收仪接收岸上海洋气象监测中心发布的海洋气象预报，包括海浪、潮汐、潮流、风暴潮、水温、海水盐度、海水密度、海冰、海流、大风、海雾，还接收各港口等主要地区的天气预报，包括温度、湿度、风级、气压、云层、降雨；船员还可通过智能管理系统根据需要显示当前及未来一段时间内各地区的天气状况、云层、海冰分布、海流信息。

进一步的，所述应力监控系统在极地冰区航行时采集、存储及显示结构的应力，当应力水平超过预设的临界值时，系统发出警报并给出调整航向建议，同时还能够分析结构应力的长期统计平均值，并能对易受浮冰破坏的结构给出维护与加强的建议。

进一步的，所述纵倾优化和航速优化系统中的纵倾优化系统，能够收集并分析船舶在少量碎冰或无冰的敞水海域航行时在不同吃水、航速时各种纵倾浮态下转速、风速风向等航行状态数据及功率、油耗数据，建立无冰海域下的纵倾性能数据库，得到不同吃水、航速对应的最佳纵倾，并根据用户输入的或通过传感器采集的吃水、航速状态信息分析，并提供船舶在少量碎冰或无冰海域航行时浮态调整的建议；所述纵倾优化系统，还能够收集并分析船舶在浮冰、碎冰海域航行时在不同吃水、航速、纵倾浮态下的转速、风速风向等航行状态数据及功率、油耗数据，建立浮冰海域下的纵倾性能数据库，根据用户输入的或通过传感器采集的吃水、航速信息给出该吃水对应的最佳纵倾，并根据分析结果提供船舶在浮冰、碎冰海域航行时浮态调整的建议；所述纵倾优化系统还与装载计算机系统相连，最佳纵倾信息传递到装载计算机系统，装载计算机系统基于该最佳纵倾，对装载方案进行寻优计算，找到最接近目标纵倾的装载方案，该最佳装载方案，不仅符合最佳节能航态目标，同时满足船体强度、完整稳性、谷物稳性、破舱稳性等安全指标要求；航速优化系统根据航次计划，包括船舶的出发港、目的港、出发时间，燃料消耗、综合经济效益分析等，提供基于燃油消耗最低并在预定时间内到达目的港为目标的航速优化方案。

进一步的，所述智能管理系统提取任意所需时间段内的数据并生成各种数据图表，并根据已有数据生成其它数据；绘制不同数据之间的关系曲线，并根据选定的时间段或航次计算平均油耗；所述智能管理系统对收集的功率、航速、风速风向、波浪等数据进行分析，将实际运营中的速度、功率数据进行修正得到无风浪的理想海洋环境下的速度功率曲线，并将该速度功率曲线与设计状态时的速度功率曲线进行对比，给出船体清洁计划的建议。

进一步的，该船舶在极地航行时，智能管理系统根据接收的冰情数据、风速风向及海况等信息，给出最佳的参考航行路线，船舶航行中不会遇到大量浮冰，保证船舶安全，同时船舶所受阻力较小、油耗较低，所述智能管理系统还可根据更新的冰情数据、天气与海况预报，不断对航线进行调整和优化。

进一步的，该船舶在普通海域或浮冰较少的海域航行时，智能管理系统根据接收的天气及海况预报，设计最佳的航行路线使油耗较低，并能根据最新的预报信息优化航线；在普通海域航行时，监测船舶运动与加速度以及首部砰击压力等参数，当这些参数高于预设值时发生报警，系统能根据当时的海况、航向、航速，对船体载荷进行总体计算分析与评估，并作出是否需要改变航向、改变航速以及船舶姿态等建议性操作指令。

进一步的，所述冰载荷监控系统根据监测的冰载荷，计算船体结构在冰载荷作用下的应力，评估船体结构是否能够承受冰载荷，并给出建议。

进一步的，所述冰层厚度和冰情监控系统是通过电阻式冰厚传感器实现对各检测点冰层厚度的自动监测，通过系统内嵌的GPS卫星定位系统实现对各冰情检测点的定位，所述电阻式冰厚传感器是利用冰、水和空气的电阻率特性差异实现对冰层内部与冰下水位自动检测的，包含有导电离子的自然水在常温下是导电的，随着温度的降低水的电阻值会逐渐升高，其电阻值在几十至几百KΩ范围，达到冰冻状态后电阻值在几MΩ至几百MΩ范围变化，冰具有弱电特性，被看作电阻值较大的弱导体，空气则被看作绝缘体；冰情监控系统通过在船首部和舷侧部安装摄像系统，对航线附近的冰情信息实时采集、存储、传输。

有益效果：本发明的船舶上安装燃油温度计、燃油质量流量计、风速风向仪、转速仪、船首尾液位计、卫星定位接收仪、应力监控系统、纵倾优化和航速优化系统、噪音和振动传感器，冰层厚度和冰情监控系统，船舶航行信息的存储系统。其中经纬度、风速风向、航速航向、水深、舵角等信号汇总至船载航行数据记录仪（VDR），主机燃油消耗、轴功率、燃油温度等由报警管理系统（AMS）采集，并通过无线连接输出至船用计算机内的智能船舶系统。计算机中装有数据分析软件，分析数据并生成图表，并给出一些船舶操纵建议，供船舶管理人员参考。船员根据智能系统提供的数据和信息对船舶浮态、航速、航向进行调整，极地航行时避开冰山或冰层较厚的危险海域，保障航行安全；在无冰或少冰海域减少航行阻力，降低油耗。同时根据监测的机器设备运行状况，及时调整主机、辅机等设备的维护与修理计划；根据监测的功率和油耗水平，调整船体坞修清洁及计划；根据船体首部耐冰结构的应力水平，对首部结构的维护与加强计划进行调整。该发明能够保障极地航行船舶的安全航行，减少极地航行的油耗和产生的环境污染，提高能源利用率。

本发明提供一种极地航行智能船舶，该船舶以“大数据”为基础，运用先进的信息化技术，实时数据传输和汇集、大计算容量、数字建模能力、远程控制、传感器等，实现船舶智能化的感知、判断分析，以及决策和控制，从而更好地保证船舶极地航行时的安全和效率，减少对北极环境的污染，大幅度减少甚至杜绝人为因素造成的事故。

附图说明

图1为本发明极地智能船舶的管理系统原理框图；

图2为本发明极地智能船舶的船载航行数据记录仪的系统框图；

图3为本发明极地智能船舶的报警管理系统的系统框图；

图4 为本发明中电阻式冰厚传感器原理示意图；

图5 为本发明中冰厚测量和冰情监测系统操作方法示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示的一种极地航行智能船舶，包括船载航行数据记录仪，报警管理系统，冰载荷监控系统，应力监控系统，冰层厚度和冰清监控系统，存储系统，噪音和振动监控系统和智能管理系统，所述报警管理系统，冰载荷监控系统，应力监控系统，冰层厚度和冰清监控系统，存储系统，噪音和振动监控系统均与所述智能管理系统连接；如图2所示，所述船载航行数据记录仪包括波浪仪、风速风向仪、转速仪、船首尾吃水计、卫星定位接收仪，如图3所示，所述报警管理系统包括燃油温度计、燃油质量流量计和轴功率计检测报警系统。

燃油温度计实时测量燃油温度，燃油质量流量计测量燃油流量；波浪仪实时测量波浪方向和波高；风速风向仪实时测量外界的风速风向；转速仪实时测量主机转速；吃水计实时测量船舶首尾的吃水；卫星定位接收仪接收船舶的经纬度信息；冰载荷监控系统实时测量船舶首部冰载荷；结构应力监控系统实时测量结构应力水平，如首部结构，噪音和振动传感器实时测量船上机舱、居住区等区域的噪音和振动；冰层厚度和冰情监控系统实时监控极地航线周边的冰情；船舶航行信息的存储系统实时存储各系统收集和测量的数据，智能管理软件对收集和测量的数据进行管理。

船舶经纬度、风速风向、航速航向、水深、舵角等信号汇总至船载航行数据记录仪，主机、辅机等设备的燃油消耗量、轴功率、燃油温度等由报警管理系统采集，冰载荷由冰载荷传感器采集并存储于冰载荷监控系统，结构应力由应力传感器采集并存储于结构应力监控系统，以上数据输出至船上计算机内的智能船舶管理系统。

智能船舶管理系统，船员输入起始和结束时间，系统提取该时间段内的数据并生成各种数据图表，包括船舶经纬度、航速航向、风速风向、舵角、水深、主机和辅机油耗、功率等实时的数据图表。根据已有数据生成其它数据，如由液位计测量的吃水通过所述船舶的静水力数据表计算得到排水量。也可以绘制不同数据之间的关系曲线，包括功率随航速、排水量的关系曲线，航速随风速风向、水深的关系曲线，油耗量与风速风向、功率的关系曲线。还能根据选定的时间段或航次计算平均油耗，包括总油耗、主机油耗、发电机油耗、各类辅机油耗。

机舱内主要设备安装有温度、压力等传感器，传感器采集的数据传输至报警管理系统，再传输给智能管理系统以监测主推进发动机、辅助发电用发动机、轴系的运行状态。根据状态监测系统收集的数据，智能管理系统对机械设备的运行状态和健康状况进行分析和评估，并给出分析和评估结果。

通过卫星接收岸上海洋气象监测中心发布的海洋气象预报，包括海浪、潮汐、潮流、风暴潮、水温、海水盐度、海水密度、海冰、海流、大风、海雾等。还能接收各港口等主要地区的天气预报，包括温度、湿度、风级、气压、云层、降雨等。所述智能管理系统内，船员可以根据需要显示当前及未来一段时间内各地区的天气状况、云层、海冰分布、海流等信息。

极地航行时，智能管理系统根据接收的冰情数据、风速风向及海况等信息，给出最佳的参考航行路线，船舶航行中不会遇到大量浮冰，保证船舶安全，同时船舶所受阻力较小、油耗较低。所述智能管理系统还可以根据更新的冰情数据、天气与海况预报，不断对航线进行调整和优化。

在普通海域或浮冰较少的海域航行时，智能管理系统根据接收的天气及海况预报，设计最佳的航行路线使油耗较低，并能根据最新的预报信息优化航线。

如图4所示，船上安装的冰层厚度和冰情监控系统是通过电阻式冰厚传感器实现对各检测点冰层厚度的自动监测，通过船舶自带的GPS卫星定位系统实现对各冰情检测点的定位。如图2所述电阻式冰厚传感器是利用冰、水和空气的电阻率特性差异实现对冰层内部与冰下水位自动检测的。包含有导电离子的自然水在常温下是导电的，随着温度的降低水的电阻值会逐渐升高，其电阻值在几十至几百KΩ范围，达到冰冻状态后电阻值在几MΩ至几百MΩ范围变化，冰具有弱电特性，被看作电阻值较大的弱导体，空气则被看作绝缘体。所述电阻式冰厚传感器传感器垂向每隔1cm布置一对水平距离2cm的触点对。

如图5所示，所述冰厚传感器通过船首开口放下到冰层表面，工作时首先在冰情检测数据处理设备的程序指令控制下由开关选择控制电路从上到下依次循环接通左边的触点，电压信号便通过触点对之间的气、冰或水介质，再由右边的触点将电压信号送回冰情检测数据处理设备。由于气、冰或水介质的随机等效电阻不同，经单片机对返回的被测介质等效电阻两端电压值的分析处理后，可判断出各个触点对是处于冰上空气、冰层还是冰下水体内，从而达到了测量冰厚的目的。系统检测终端通过电阻式冰厚传感器和船上的GPS接收机分别采集到此检测点的冰层厚度信息和坐标信息，然后由处理设备对数据进行分析、处理，整理成有用的冰厚数据和地理信息，并将数据存储在内部的存储单元中。终端通过通信模块将数据实时传送到监测中心。同时在船首部和舷侧部安装摄像系统，对航线附近的冰情信息实时采集、存储、传输。

所述纵倾优化系统，能够收集并分析船舶在少量碎冰或无冰的敞水海域航行时在不同吃水、航速时各种纵倾浮态下转速、风速风向等航行状态数据及功率、油耗数据，建立无冰海域下的纵倾性能数据库，得到不同吃水、航速对应的最佳纵倾，并根据用户输入的或通过传感器采集的吃水、航速状态信息分析，并提供船舶在少量碎冰或无冰海域航行时浮态调整的建议。所述纵倾优化系统，还能够收集并分析船舶在浮冰、碎冰海域航行时在不同吃水、航速、纵倾浮态下的转速、风速风向等航行状态数据及功率、油耗数据，建立浮冰海域下的纵倾性能数据库，根据用户输入的或通过传感器采集的吃水、航速信息给出该吃水对应的最佳纵倾，并根据分析结果提供船舶在浮冰、碎冰海域航行时浮态调整的建议。所述纵倾优化系统还与装载计算机系统相连，最佳纵倾信息传递到装载计算机系统，装载计算机系统基于该最佳纵倾，对装载方案进行寻优计算，找到最接近目标纵倾的装载方案。所述最佳装载方案，不仅符合最佳节能航态目标，同时满足船体强度、完整稳性、谷物稳性、破舱稳性等安全指标要求。所述航速优化系统根据航次计划（包括船舶的出发港、目的港、出发时间等）、燃料消耗、综合经济效益分析等，提供基于燃油消耗最低并在预定时间内到达目的港为目标的航速优化方案。

船上安装有冰载荷监控系统，智能管理系统根据监测的冰载荷，计算船体结构在冰载荷作用下的应力，评估船体结构是否能够承受冰载荷，并给出建议。

船体安装有结构应力监测系统，极地冰区航行时采集、存储及显示结构的应力，当应力水平超过预设的临界值时，系统发出警报并给出调整航向建议。还能够分析结构应力的长期统计平均值，并能对易受浮冰破坏的结构（如首部结构）给出维护与加强的建议。还能够收集并分析船舶在浮冰、碎冰海域航行时在不同吃水、纵倾浮态下的功率与油耗，得到不同吃水对应的最佳纵倾，或较合适的吃水，并根据分析提供船舶在浮冰、碎冰海域航行时浮态调整的建议。还能够收集并分析船舶在少量碎冰或无冰海域航行时在不同吃水、排水量时纵倾浮态下功率与油耗，得到不同吃水、排水量对应的最佳纵倾，并根据分析提供船舶在少量碎冰或无冰海域航行时浮态调整的建议。

船体安装有船体结构监测系统，普通海域航行时，监测船舶运动与加速度以及首部砰击压力等参数。当这些参数高于预设值时发生报警，系统根据当时的海况、航向、航速，对船体载荷进行总体计算分析与评估，并作出是否需要改变航向、改变航速以及船舶姿态等建议性操作指令。

对收集的功率、航速、风速风向、波浪等数据进行分析，将实际运营中的速度、功率数据进行修正得到无风浪的理想海洋环境下的速度功率曲线。所述速度功率曲线与设计状态时的速度功率曲线进行对比，给出船体清洁计划的建议。

机舱、居住区等区域安装有噪音和振动传感器，监控船上的噪音和振动。当噪音和振动超过预设值时，给出报警。

本发明的技术内容及技术特征已揭示如上，然而熟悉本领域的技术人员仍可能基于本发明的教示及揭示而作种种不背离本发明精神的替换及修饰，因此，本发明保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为本专利申请权利要求所涵盖。