一种基于数智融合的船舶赛博机舱

摘要

本发明公开了一种基于数智融合的船舶赛博机舱，包括设备层、感知层、网络层、中枢层、服务层、应用层；利用智能物联网、智能体、数字主线等技术手段形成感知层，自动感知机舱设备、舱室环境、海况等信息数据，通过区块链安全网络层实现全系统数据的安全交互共享，基于海量数据和数字孪生模型混合驱动机舱智能控制系统，构建赛博机舱的中枢层，具备实船机舱的本地和远程自动控制，采用智能运维系统，保障在值更、备航、巡守、维护和培训等任务下实船的智能伴航。本发明解决船舶机舱数智化水平低、运维便捷性低等难题，提升船舶机电系统智能化、数字化智能化水平，提升机舱设备使用效能、减员增效及降低全寿期费用。

说明书

技术领域

本发明涉及船舶动力系统设计领域，尤其涉及一种基于数智融合的船舶赛博机舱。

背景技术

机舱是船舶航行的“心脏”，包含动力、电力、损管等多专业系统，涉及到人员指挥、控制、操作、维护等全过程，是人-机-环耦合度较高的巨系统。传统机舱多采用机械控制和人员战位操作，造成机舱整体自动化水平较低。随着海军从近海到深远海的战略转型以及海军装备的快速发展，已朝向多海域、多层链、多时域、无人集群联合体系，新形势下任务多、复杂度高的态势，对船舶机舱的数字化、信息化、智能化水平提出了更高的要求。

在复杂的系统运行任务下，需要大幅提升机舱设备的数字化水平，将传统的基于系统和设备的机械监控方式转变为面向任务的数字化感知监控方式，以提升多系统运行效能。针对机舱系统技术复杂耦合度高，任务强度大的情况，利用智能技术实时进行系统设备的状态评估、故障诊断、视情维护，从而降低船员工作量，提升系统可靠性及在航率。在瞬息变幻的海洋环境，利用人工智能技术，实时地将机动性、续航力、动力电力可用效能等信息迅速融合并传递给船舶指挥系统，同时辅助决策系统将依据任务及系统状态协助指挥员及时进行决策以满足机舱毁伤情况下船舶最大任务贡献率。

随着大数据、数字孪生、云计算等先进信息通讯技术的高速发展，赛博-物理空间(Cyber Physical Space，CPS)方法成为提升船舶数字化、智能化水平的使能技术。该技术是通过赛博-物理空间的融合，将物理世界和信息世界所有的实体多维度集成和实时交互，利用计算、通信、控制等信息化手段，提供实时传感、信息反馈及动态控制等支持，达到以数字和模型驱动的人工智能方式监控物理空间实体。通过赛博机舱技术可以实现船舶机舱远程试验和运维、智能试验和运维到无人试验和运维的跨越发展。

因此，亟需提出一种基于数智融合的船舶赛博机舱，提升船舶机电系统智能化、数字化智能化水平，提高船舶机电系统和设备在复杂环境下的运行可靠性、操纵便捷性，大幅度减少船员工作量，使机舱设备使用效能、减员增效、降低全寿期费用等能力跨越提升。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种基于数智融合的船舶赛博机舱。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种基于数智融合的船舶赛博机舱，船舶赛博机舱的顶层框架体系包括由下至上依次设置的：设备层、感知层、网络层、中枢层、服务层、应用层；其中：

设备层，为船舶的硬件设备，包括主涡轮、燃气轮机、动力辅机、机舱损管系统、主汽轮机、油水汽气系统、反应堆、柴油机、主减速器、浆轴系统；

感知层，包括：机舱物联网、机舱智能体、数字主线；用于自动感知机舱设备、舱室环境、海况的信息数据；

网络层，包括：机舱互联网、机舱资源中心、机舱云平台、机舱区块链安全网络；通过机舱区块链安全网络实现全系统数据的安全交互共享；

中枢层，包括：机舱数字孪生体、机舱智能控制系统；基于海量数据和机舱数字孪生体混合驱动机舱智能控制系统，构建赛博机舱的中枢层；

服务层，包括：智能运维管理、智能指控管理、智能信道管理、智能资源管理、智能健康管理、智能培训管理；具备实船机舱的本地和远程自动控制，实现智能运维功能；

应用层，包括：智能伴航、值更、备航、巡守、维护、培训；保障实船船员对值更、备航、巡守、维护和培训的任务能智能化运行和管控，通过数字化赛博机舱实现实船的智能伴航。

进一步地，本发明的所述船舶赛博机舱的感知层中：

以实现“泛在感知、信息自举”为船舶赛博机舱感知层的目标，通过微波、激光、光谱、射频的智能传感设备，构建机舱系统和设备的物联网，结合机舱环境、位置、资源的机舱智能体感知系统，机电舱中设备与设备、人与人、人与设备、机舱与海洋环境之间实时泛在感知，实现信息交互、实时反馈及自动控制能力，再利用数字主线建立标准化通信协议、接口及结构，支持智能传感设备与系统的即插即用和信息自主报送能力。

进一步地，本发明的所述船舶赛博机舱的网络层中：

以实现“网源联动、横纵防御”为船舶赛博机舱网络层的目标，构建以机舱动力互联网、电力互联网及损管互联网为数据传输载体的互联互通的高速基础网源，满足跨域大流量信息交互联动需求，采取区块链安全网络技术，横向形成各专业互联网安全隔离运营，纵向形成机舱互联网与云平台的加密信息认证能力，实现安全事件可预警，安全态势可感知，信息通讯可自愈；利用数据中心、超算中心和灾备中心的机舱资源中心，提供分布式存算分离的异构融合计算和海量数据存储、互动和共享；通过云、雾、边平台的相互协同，支撑机舱云端应用的大数据分析和处理。

进一步地，本发明的所述船舶赛博机舱的中枢层中：

以实现“数字驱动、智能融合”为船舶赛博机舱中枢层的目标，基于机器学习、数据挖掘、数字孪生的技术，深度融合多源数据，以实测海量数据为驱动，构建机舱数字孪生模型体，融合机舱智能控制系统，对机舱系统和设备进行分析、评估、决策及执行，本地实现机舱系统“自适应、自学习、自寻优、自修复”的智能控制，同时也具备远程数据存储、远程运试验、远程运维及远程诊断的远程控制能力，并通过虚拟现实显示、视频交互的信息可视化系统向机舱指控人员提供机舱系统、设备、环境及能耗的实时状态。

进一步地，本发明的所述船舶赛博机舱的服务层中：

以实现“无人干预、少人巡守”为船舶赛博机舱服务层的目标，利用智能巡检机器人、主辅机自启停系统、故障自动处理系统，机舱内多机器人联合智能检测、试验、维修，以及主机自启停、辅机一键投切、负荷一键跟踪、控制一键保护、试验一键运行、典型故障一键处理，降低机舱内船员的运行、值更及巡检的操作工作量，最大限度实现机舱设备的无人干预控制和有人无人协同巡守；通过智能智慧决策、信息BOM管理、可视化数据交互及管理的指挥通信系统，实时准确向指挥人员提供有关机舱设备、人员的位置、数量、标识、状况、动态输送的信息，保障各级机电舱指挥员自动化控制和指挥决策；采用智能能耗管控、备品备件管理的资源管控系统，实现物资的正确配置、调遣和利用，降低设备采购、检维修及备品备件成本；通过智能健康管理系统，机电系统设备进行状态评估、故障诊断及辅助决策，实现在系统发生故障之前的适宜时间采取维修措施，再利用智能交互式、模拟式及自学式等培训系统保障机电指挥与运行人员的日常协同训练。

本发明产生的有益效果是：本发明通过全新创建的一种基于数智融合的船舶赛博机舱，解决船舶机舱数智化水平低、运维便捷性低等难题，提升船舶机电系统智能化、数字化智能化水平，提升机舱设备使用效能、减员增效及降低全寿期费用。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明实施例的船舶赛博机舱顶层框架。

图2为本发明实施例的船舶赛博机舱感知层。

图3为本发明实施例的船舶赛博机舱网络层。

图4为本发明实施例的船舶赛博机舱中枢层。

图5为本发明实施例的船舶赛博机舱服务层。

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，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例的基于数智融合的船舶赛博机舱，包括以下部分：

(1)船舶赛博机舱顶层框架；

以实现“数字驱动、智能伴航”为船舶赛博机舱总体目标，顶层框架体系主要包括设备层、感知层、网络层、中枢层、服务层、应用层等。利用智能传感器、物联网、智能体、数字主线等先进技术手段形成的感知层，自动感知和获得机舱内动力、电力及损管系统设备、舱室环境、海况等方面的数字化信息和数据，通过区块链安全网络层实现全系统测试数据的安全传输和存储，并基于海量数据和数字孪生模型混合驱动的机舱智能控制系统，构建赛博机舱的中枢层，达到实船机舱的本地和远程自动控制，利用智能运维、智能指控、智能信通、智能培训及智能健康管理等服务层设施，保障实船船员对值更、备航、巡守、维护和培训等任务可以智能化运行和管控，通过数字化赛博机舱实现实船的智能伴航。

(2)船舶赛博机舱感知层；

以实现“泛在感知、信息自举”为船舶赛博机舱感知层的目标，通过微波、激光、光谱、射频等智能传感设备，构建机舱系统和设备的物联网，结合机舱环境、位置、资源等机舱智能体感知系统，机电舱中设备与设备、人与人、人与设备、机舱与海洋环境之间实时泛在感知，实现信息交互、实时反馈及自动控制能力，再利用数字主线建立标准化通信协议、接口及结构，支持智能传感设备与系统的即插即用和信息自主报送能力。

(3)船舶赛博机舱网络层；

以实现“网源联动、横纵防御”为船舶赛博机舱网络层的目标，构建以机舱动力互联网、电力互联网及损管互联网等为数据传输载体的互联互通的高速基础网源，满足跨域大流量信息交互联动需求，采取区块链安全网络技术，横向形成各专业互联网安全隔离运营，纵向形成机舱互联网与云平台的加密信息认证能力，实现安全事件可预警，安全态势可感知，信息通讯可自愈。利用数据中心、超算中心和灾备中心等机舱资源中心，提供分布式存算分离的异构融合计算和海量数据存储、互动和共享。通过云、雾、边平台的相互协同，支撑机舱云端应用的大数据分析和处理。

(4)船舶赛博机舱中枢层；

以实现“数字驱动、智能融合”为船舶赛博机舱中枢层的目标，基于机器学习、数据挖掘、数字孪生等技术，深度融合多源数据，以实测海量数据为驱动，构建机舱数字孪生模型体，融合机舱智能控制系统，对机舱系统和设备进行分析、评估、决策及执行，本地实现机舱系统“自适应、自学习、自寻优、自修复”等智能控制，同时也具备远程数据存储、远程运试验、远程运维及远程诊断等远程控制能力，并通过虚拟现实显示、视频交互等信息可视化系统向机舱指控人员提供机舱系统、设备、环境及能耗等实时状态。

(5)船舶赛博机舱服务层；

以实现“无人干预、少人巡守”为船舶赛博机舱服务层的目标，利用智能巡检机器人、主辅机自启停系统、故障自动处理系统，机舱内多机器人联合智能检测、试验、维修，以及主机自启停、辅机一键投切、负荷一键跟踪、控制一键保护、试验一键运行、典型故障一键处理，降低机舱内船员的运行、值更及巡检的操作工作量，最大限度实现机舱设备的无人干预控制和有人无人协同巡守。通过智能智慧决策、信息BOM管理、可视化数据交互及管理等指挥通信系统，实时准确向指挥人员提供有关机舱设备、人员等的位置、数量、标识、状况、动态输送等信息，保障各级机电舱指挥员自动化控制和指挥决策。采用智能能耗管控、备品备件管理等资源管控系统，实现物资的正确配置、调遣和利用，降低设备采购、检维修及备品备件成本。通过智能健康管理系统，机电系统设备进行状态评估、故障诊断及辅助决策，实现在系统发生故障之前的适宜时间采取维修措施，再利用智能交互式、模拟式及自学式等培训系统保障机电指挥与运行人员的日常协同训练。

本发明技术可用于船舶机舱总体集成设计，解决船舶机舱数智化水平低、运维便捷性低等难题，提升船舶机电系统智能化、数字化智能化水平，可用于实船动力系统的系泊航行试验和实船运维保障。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。