第３８卷 第２期江苏船舶Ｖｏｌ．３８ Ｎｏ．２ ２０２１年４月ＪＩＡＮＧＳＵＳＨＩＰＡｐｒ．２０２１６４０００载重吨智能散货船总体设计研究 李 磊，周 庆，夏讨饭
（中远海运重工有限公司，上海２００１３５）
摘 要：基于船舶绿节能、智能化、安全化的发展要求，以６４０００载重吨智能散货船为研究对象，优化总布置方案，采用型线、桨、节能装置一体化的节能装置设计方法优化船舶水动力性能，配置船舶智能系统。实船应用表明：合理的总体方案布置、优化的节能装置设计和船舶智能系统的配置可以使船舶的营运更经济、更安全。 关键词：智能散货船；总布置；节能装置；智能系统中图分类号：Ｕ６６２文献标志码：Ａ
ＤＯＩ：１０．１９６４６／ｊ．ｃｎｋｉ．３２ １２３０．２０２１．０２．００
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０ 引言
随着大数据、智能终端、感知技术等高端技术的出现，以及航运企业对降低运营成本的迫切需求，船舶智能化已成为新时期船舶制造与航运领域的技术发展的重点方向。
６４０００载重吨散货船是散货船市场上的主流船型，市场需求较大。何新宇等［１］介绍了６５０００载重吨散货船的开发设计概况及主要特点。陈正敏等［２］分析了６１０００载重吨散货船货舱分舱布置对总纵弯矩的影响。张陈等［３］介绍了６７０００载重吨散货船轮机系统的优化设计方法。贾锐等［４］介绍了智能船舶的概念、研究现状和意义，分析了智能船舶应具备的系统配置。刘微等［５］对国内外智能船舶发展现状进行系统分析与比较，为我国智能船舶的发展提出若干建议。张雷等［６］介绍了基于现代网络结构、船舶数据采集、数据共享和船舶数据二次分析的现代船舶智能系统的结构组成、系统分析和设计方法。李娜等［７］根据中国船级社《智能船舶规范》中智能机舱入级符号的相关要求，研究了机舱主辅机等重大设备智能监测设计方案与智能机舱监测评估系统。
目前，智能系统在船舶上的应用已有成功的案例，但是从设计初期就将船舶设计与智能系统进行融合的方案较少。本文结合多艘６４０００载重吨散货船的建造经验，设计初期就融入智能“１＋３”系统，通过优化总体布置、型线和节能装置，开发出了
收稿日期：２０２０ １１ １６
作者简介：李磊（１９８５—），男，硕士，工程师，从事船舶总体方向研究。一艘具有市场竞争力的６４０００载重吨智能散货船。
１ 设计概况
６４０００载重吨智能散货船用于运输散装煤、矿砂、粮食和钢材等货物，适用于无限航区。该船为平甲板、垂直船首、方艉船型，艏部设置艏楼。上甲板以下从艏部至艉部设有７道横向水密舱壁，将全船分隔为艏尖舱、５个货舱、机舱和艉尖舱。货舱区域和机舱为单壳、双层底；３号货舱为风暴压载舱。主机选用低速柴油机，位于艉部。
６４０００载重吨智能散货船主要参数如下：总长１９９．９０ｍ，型宽３２．２６ｍ，型深１８．９０ｍ，结构吃水１３．５０ｍ，载重量（结构吃水）６４０００ｔ，货舱舱容７８０００ｍ３，压载舱舱容１８０００ｍ３，重油舱舱容１６００ｍ３，柴油舱舱容３００ｍ３，淡水舱舱容４５０ｍ３，主机型号ＭＡＮＢ＆Ｗ６Ｇ５０ＭＥ Ｃ９．６（ＴｉｅｒＩＩＩ）ｗｉｔｈＨＰ ＳＣＲ。
２ 总体布置方案设计
研发过程中，利用ＮＡＰＡ软件开展船体建模、舱室容积计算、浮态评估、稳性计算等工作，根据船
舶的主要技术指标对设备和系统的参数进行论证和选型，不断改进设计方案。为确保螺旋桨浸没和驾驶室视域均能满足要求，需要综合调整全船布置。总布置方案进行了如下设计：
（１）降低上层建筑层高。虽然低于市场主流设计层高，不利于满足视域要求，但是有利于减小空船重量，降低成本。
（２）反复验证计算后，确定使视域和螺旋桨浸没能够同时满足要求的最小的艉尖舱和艏尖舱舱容。
２ 江苏船舶第３８卷
（３）取消双层底内的管隧，减轻船体结构重量。
（４）应急消防泵舱和应急海底阀箱布置在艉部，大大减少了管路长度。
（５）调整淡水舱和舵机舱区域的舱室划分，降低满足破舱稳性要求的淡水舱的空气管头高度。
（６）优化舱口盖的设计，减轻舱口盖的重量。
（７）主机和发电机均配置ＳＣＲ装置，满足ＴｉｅｒＩＩＩ的排放控制标准。
（８）为有效控制空船重量和全船成本，主甲板仅设置１个甲板室。
（９）在满足规范要求的前提下减少机舱配置风机的数量，使机舱布置更加灵活。
３ 节能装置设计
船舶的水动力节能装置会改变艉部流场，以减少船舶阻力、提高推进效率。节能装置根据安装位置的不同分为２类：螺旋桨前方的为桨前节能装置，包含前置预旋定子、前置预旋导轮、前置伴流补偿导管等；螺旋桨后方的为桨后节能装置，包含舵球、后置定子、消涡鳍等。
为了提高型线和节能装置的性能及市场竞争力，６４０００载重吨智能散货船采用型线、桨、节能装置一体化设计的技术，充分考虑这三者之间的相互影响。
本项目采用的节能装置为前置伴流补偿导管和舵球。针对开发的型线和节能装置进行了一系列的水池试验，包含不安装节能装置模型试验、安装前置伴流补偿导管模型试验、安装前置伴流补偿导管和舵球模型试验。经过试验验证，航速指标实现了预定的设计目标，证明了采用型线、桨、节能装置一体化设计方法的可靠性。
４ 智能系统设计
通过智能系统，船舶可以在以下方面实现营运船舶的节能效果。
（１）确定合理的航线和航速
根据实时的天气和海况资料，推算出影响船舶航行的强风、高海浪区和低压活动路径，并结合船舶条件和航次要求，使船舶尽量避开大风浪区。合理配置各航段上的航速，充分利用顺风、顺浪、顺流的有利因素，使得航行条件达到最佳。
（２）实时监测机器设备的运营状态
通过监测，工作人员可以及时发现机器运行中存在的问题，使机器保持在最佳的工作状态。醇醚燃料
（３）合理配载
船舶在装载量一定的情况下，若变化其纵倾，则船体水线长度、船体水下几何形状、浮心位置、浸水面积、进水角、去流角，以及船型的方形系数和水线面系数等都将发生变化。这些变化必然导致兴波阻力、摩擦阻力及粘压阻力等各阻力成分的改变，使船舶总阻力发生变化。不同纵倾所引起的船体艉部流场的变化将引起推进效率的改变，从而导致船 机 桨的配合随之改变，并随着船速不同而变化。在排水量及航速一定的情况下，必定存在一个最佳纵倾状态，通过合理配载达到最佳纵倾状态，可降低船舶阻力，实现节能减排。
智能船舶总体方案是基于工业以太网与工业现场总线的网络组合，将目前船上相互独立的通导系统、机舱自动化系统、视频监控系统、船岸交互系统、无线网络系统、配载系统等集中连接到统一的网络环境中，通过全船数据的收集，建立船舶数据中心，实现全船数据集中管理和信息共享。影响力评估
本设计采用的智能“１＋３”系统，包含集成平台系统、智能机舱系统、智能航行系统和智能能效系统。智能航行、智能机舱、智能能效系统等是基于智能集成平台进行分析和处理数据的，提供辅助决策功能。智能系统组成示意图见图１
。
图１ 智能系统示意图
电子管功放制作４．１ 集成平台系统
将智能集成平台网络与原船舶局域网络、功能子系统网络进行整合，形成统一的网络架构，通过以太网络和工业总线网络接口汇集船舶机电数据。上层管理网络采用以太网结构，将监测报警系统、配载系统等相对独立的船舶机电子系统，以及管理终端纳入统一的网络环境中，管理人员通过桌面电脑或移动设备可以查看相关应用软件信息。下层现场总线网由分区域的数据采集单元构成，实现对现场设备的数据监测。
智能集成平台的硬件主要包括防火墙、交换机、服务器和存储设备等。集成平台从物理安全、软件安全、数据安全等多个层次对网络系统的安全进行设
第２期李 磊，等：６４０００载重吨智能散货船总体设计研究３
计，保障船舶网络信息处于安全状态。
４．２ 智能机舱系统
智能机舱系统通过智能集成平台，对机舱监测报警系统发送的主机、辅机和轴系的设备运行数据进行分析处理。此外，还增加了１套轴系的油液和振动监测装置。
智能机舱系统硬件组成主要包括：原船自带传感器设备及装置、轴振动在线监测装置、艉轴滑油在线监测装置等。根据软件的部署及操作部位，智能机舱系统软件可以划分为健康管理系统应用软件、振动在线监测装置软件和油液在线监测装置软件等。振动在线监测装置软件部署在轴振动在线监测装置中的数据采集仪，主要用来监测中间轴承的振动情况。油液在线监测装置软件部署在油液在线监测箱内，在线监测艉轴滑油的质量，包含水分、磨损颗粒、粘度等性能指标。
４．３ 智能航行系统
智能航行系统提供全球气象信息的下载，并借助岸基数据中心的支持，对船舶航路和航速进行设计和优化。船端接收气导服务优化航路和航速推荐报告，进行航路格式转换，气导航路通过航路系统向综合桥楼报警系统（ＩＢＳ）的自动推送，与电子海图（ＥＣＤＩＳ）的信息集成，根据优化设计后的航线、航速，指导船舶的驾驶。
智能航行系统主要设备包括：通导数据采集网关、雷达海图图像采集网关、航路工作站、智能通信网关和船载智能移动气象站。
４．４ 智能能效系统
智能能效管理系统通过智能集成平台对采集的机舱监测报警系统、流量计和通导设备等数据进行分析处理，提供能效管理设备检测及能效优化辅助决策的服务。
二进制并行加法器
智能能效系统软件设计功能主要包括船舶能效智能监测、能耗实时分析与智能评估、关键设备能效状态评估及节能减排辅助决策等，为船舶提供监测、分析、节能等服务，也为船东及船员提供系列管理工具，使船舶以更经济、更环保的方式运营。系统软件配置需要输入船舶主要设计参数，包括主尺度、水动力性能数据和主要耗能设备性能指标等。
５ 结语
目前，世界各主流航运公司纷纷将其未来发展的重点转移到提升其船队运营效率和安全性上，以此在船舶市场低迷与长期运力过剩的情况下求得发展，而船舶智能化能为船舶提供更安全、更经济的解决方案。本文介绍了一型具有市场竞争力的６４０００载重吨智能散货船的总体设计方案，可以为智能散货船的研发提供有益的探索和借鉴。
参考文献：
［１］ 何新宇，杨博．６５０００ＤＷＴ散货船总体设计［Ｊ］．船舶设计通讯，２０１４（１）：１３ １７．
［２］ 陈正敏，刘灿波．散货船的货舱分舱布置对总纵弯矩的影响研究［Ｊ］．江苏船舶，２０１９，３６（５）：８ １１．
［３］ 张陈，罗森怡，刁海兵．６７０００载重吨散货船轮机系统优化设计［Ｊ］．江苏船舶，２０１８，３５（３）：２１ ２３．
［４］ 贾锐，曹凯，徐秀龙，等．浅析智能船舶系统［Ｊ］．船舶标准化与质量，２０１６（１）：３６ ４０．
［５］ 刘微，尚家发．智能船舶发展现状及我国发展策略研究［Ｊ］．舰船科学技术，２０１７，３９（１１）：１８９ １９３．
［６］ 张雷，袁瑞军，李迈新，等．船舶智能系统分析与设计［Ｊ］．广州航海学院学报，２０１８，２６（２）：２２ ２４．
［７］ 李娜，向辉，李泉，等．某散货船智能机舱的设计与研究［Ｊ］．广东造船，２０１８（４）：
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