船舶智能控制系統(tǒng)技術(shù)運(yùn)用

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摘要：隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等前沿科技與船舶制造的深度融合，船舶控制系統(tǒng)也逐步實(shí)現(xiàn)從自動(dòng)控制到智能控制的轉(zhuǎn)變。智能控制系統(tǒng)是未來(lái)數(shù)字船舶運(yùn)營(yíng)的重要技術(shù)支撐，是下一代數(shù)字船舶必不可少的核心系統(tǒng)。要保證船舶智能控制系統(tǒng)工作的可靠性，要做好對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)以及運(yùn)行維護(hù)工作。如何在船舶智能控制系統(tǒng)應(yīng)用的設(shè)計(jì)出發(fā)，提升系統(tǒng)性能，保障系統(tǒng)的良好運(yùn)行，有著十分重要的意義。本文簡(jiǎn)要闡述船舶智能控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，分析了系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)、系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)、遠(yuǎn)程維保、電磁兼容等問(wèn)題，以供參考。

關(guān)鍵詞：船舶智能控制系統(tǒng)；相關(guān)技術(shù)；數(shù)字船舶

0引言

船舶智能控制系統(tǒng)是下一代智能船舶的重要系統(tǒng)，該系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性直接影響著船舶航行的可靠性與安全性。為此重點(diǎn)研究相關(guān)技術(shù)的具體應(yīng)用，讓船舶智能控制系統(tǒng)集成化、數(shù)字化、信息化，更好地實(shí)現(xiàn)船舶制造、船舶運(yùn)營(yíng)的低成本、高效率，這對(duì)我國(guó)船舶業(yè)發(fā)展有著十分重要的意義[1]。

1船舶智能控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)

船舶智能控制系統(tǒng)是在船舶自動(dòng)化系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展的一門新興交叉技術(shù)，其充分借鑒了自動(dòng)化控制的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，呈現(xiàn)出獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，是對(duì)傳統(tǒng)電氣自動(dòng)化技術(shù)的融合與顛覆。隨著現(xiàn)代船舶內(nèi)部數(shù)字化、智能化設(shè)備數(shù)量的不斷增加，現(xiàn)代船舶的整體操縱性能得到了提升。傳統(tǒng)的自動(dòng)化系統(tǒng)是在船員的監(jiān)管操作下，實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶的控制和管理。而智能控制系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是接入人工智能，依靠其學(xué)習(xí)能力，結(jié)合外部輸入條件及系統(tǒng)運(yùn)行采樣數(shù)據(jù)，生成相應(yīng)的操作指令，保證船舶內(nèi)部各類設(shè)備的操作穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶內(nèi)部關(guān)鍵重點(diǎn)設(shè)備的全面在線監(jiān)測(cè)與自動(dòng)控制。船舶智能控制系統(tǒng)的構(gòu)建更高效地響應(yīng)船舶運(yùn)行時(shí)發(fā)生的突發(fā)事件或誤操作行為，并根據(jù)具體問(wèn)題給予妥善的應(yīng)對(duì)措施，進(jìn)而保證船舶行駛過(guò)程中通導(dǎo)設(shè)備、航行設(shè)備、推進(jìn)裝置的安全性與穩(wěn)定性。船舶智能控制系統(tǒng)具有網(wǎng)絡(luò)可控化與遠(yuǎn)程監(jiān)控的技術(shù)特點(diǎn)，其通過(guò)數(shù)字技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用，能夠?yàn)榇爸悄芸刂葡到y(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化控制提供良好基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，船舶智能控制系統(tǒng)還應(yīng)用了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，為船舶與岸上、船舶內(nèi)部各設(shè)備模塊之間提供了可靠的信息傳輸通道，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種信號(hào)的有效集合，提升系統(tǒng)組態(tài)的靈活性，進(jìn)而讓船舶智能控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性得到了保障。在數(shù)字化信息技術(shù)的支持下，船舶智能控制系統(tǒng)所具備的功能更加豐富，再融合不斷發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，船舶控制系統(tǒng)操作將更便捷，降低對(duì)操作者的專業(yè)水平要求[2]。

2船舶智能控制系統(tǒng)應(yīng)用的思考

2.1船舶智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

船舶智能控制系統(tǒng)，其應(yīng)用范圍已經(jīng)從原來(lái)單一的船舶設(shè)備自動(dòng)化管理功能，提升為包含船舶遠(yuǎn)程視頻監(jiān)督、航行動(dòng)態(tài)能效、船舶油耗、排放監(jiān)控平臺(tái)的物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景，包含航運(yùn)物流、碼頭、生活補(bǔ)給以及船員調(diào)配在內(nèi)的供應(yīng)管理系統(tǒng)，是典型的船-岸互動(dòng)應(yīng)用場(chǎng)景。為實(shí)現(xiàn)這些功能，船舶系統(tǒng)將大量采用數(shù)字傳感器技術(shù)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)與故障診斷技術(shù)(AMS)、預(yù)警并自動(dòng)修復(fù)技術(shù)、以及自動(dòng)駕駛（AUTO-PILOT）和自主航行線路規(guī)劃(ECDIS)技術(shù)、高帶寬衛(wèi)星通信技術(shù)。船舶智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不要求大求全，但兼顧未來(lái)發(fā)展與實(shí)際需要。近年為減少發(fā)電機(jī)組在船舶靠岸后的排放，很多船舶配置了高壓岸電系統(tǒng)，但實(shí)際上很多港口沒(méi)有對(duì)應(yīng)接口，反而造成浪費(fèi)。目前相關(guān)國(guó)際機(jī)構(gòu)雖然完成了智能船舶的初步分級(jí)，但對(duì)于智能船舶及其系統(tǒng)的技術(shù)難度等級(jí)劃分、量化評(píng)價(jià)尚未完全達(dá)成共識(shí)。如羅-羅分級(jí)方案，LR分級(jí)方案及BV分級(jí)方案就存在標(biāo)準(zhǔn)不同的情況。但不可忽略的是，無(wú)論哪種分級(jí)方式，都把遙控操作和船舶自主航行作為了重點(diǎn)研究方向。而要實(shí)現(xiàn)這兩大功能，充分考慮電磁兼容，確保船舶內(nèi)部設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)，外部通訊穩(wěn)定顯得十分重要[3]。

2.2智能控制系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)

冗余處理技術(shù)是通過(guò)在船舶智能控制系統(tǒng)中通過(guò)硬件冗余或者軟件冗余的方式，讓智能控制系統(tǒng)的安全性得到提升。如在化學(xué)品船液貨系統(tǒng)中，可以采用多聯(lián)驅(qū)動(dòng)變頻液貨泵，實(shí)現(xiàn)各機(jī)組之間獨(dú)立工作、交叉互補(bǔ)。當(dāng)1個(gè)機(jī)組出現(xiàn)故障問(wèn)題時(shí)，另外幾個(gè)機(jī)組可以分擔(dān)故障機(jī)組的工作任務(wù)，進(jìn)而達(dá)到相互備用的效果。而對(duì)于自動(dòng)化主系統(tǒng)等關(guān)鍵設(shè)備的供電，則可采用多聯(lián)UPS不間斷電源供電等方式，確保智能控制系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定，對(duì)系統(tǒng)故障的容錯(cuò)能力更強(qiáng)。而對(duì)于軟件部分，可以通過(guò)采用不同的算法、不同的編程指令、增加數(shù)據(jù)位等方式，確保系統(tǒng)能夠?qū)p壞的文件或者數(shù)據(jù)恢復(fù)到故障之前的狀態(tài)，整個(gè)智能控制系統(tǒng)在重啟后能迅速正常工作[4]。

2.3船舶智能控制維護(hù)及遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)

系統(tǒng)智能控制維護(hù)是為了系統(tǒng)在發(fā)生非致命故障時(shí)，能夠自動(dòng)發(fā)現(xiàn)故障的位置，確定故障的性質(zhì)，自動(dòng)采取隔離替換措施或者給出處理建議及方案，讓系統(tǒng)的主要功能保持正常。而智能管理在船舶智能控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，可以不依賴于船員而發(fā)出合理的運(yùn)行指令，如船舶NOx出現(xiàn)排放超標(biāo)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)采樣對(duì)故障位置及故障原因做出分析，給出針對(duì)性的處理措施。遠(yuǎn)程監(jiān)控則是在采集導(dǎo)航助航數(shù)據(jù)（AIS，VDR，SSAS、計(jì)程儀、風(fēng)速風(fēng)向儀等），把機(jī)艙自動(dòng)化數(shù)據(jù)（油耗、船體性能、能效、自動(dòng)化控制、自動(dòng)監(jiān)測(cè)等）通過(guò)v-sat衛(wèi)星傳送至岸基公司安全監(jiān)控平臺(tái)，并實(shí)時(shí)分享給各終端部門，能將故障影響降至最低，為后續(xù)船舶運(yùn)行提供建議方案[5]。

2.4智能控制系統(tǒng)與電磁兼容

船舶智能控制系統(tǒng)因其復(fù)雜的信號(hào)源、交叉的信號(hào)傳輸路徑，大量低信號(hào)電壓數(shù)字設(shè)備的同時(shí)使用，導(dǎo)致不同的設(shè)備在各種工況下都會(huì)受到傳導(dǎo)干擾或輻射干擾，影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。如果系統(tǒng)的運(yùn)行自然環(huán)境較惡劣，需要通過(guò)電磁兼容保障技術(shù)來(lái)提高系統(tǒng)的抗干擾能力，確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行。智能控制系統(tǒng)的抗干擾主要通過(guò)隔離干擾、改變傳輸介質(zhì)等方法實(shí)現(xiàn)，幾種抗干擾方法技術(shù)特點(diǎn)如下：1）信號(hào)隔離，是指通過(guò)隔離干擾的方式實(shí)現(xiàn)電磁兼容。在船舶智能控制系統(tǒng)的交流電源出現(xiàn)電磁干擾時(shí)，系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性會(huì)受到影響。為了保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，可在其交流電源輸出線路上安裝隔離變壓器，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立供電，將存在電磁干擾的供電線路進(jìn)行隔離。另外，通過(guò)將電力電路與通訊電路分開布置的方式，能實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁干擾的有效隔離，進(jìn)而降低電磁干擾對(duì)船舶智能控制系統(tǒng)的影響。為了加強(qiáng)船舶智能控制系統(tǒng)的抗干擾能力，除了加裝隔離變壓器以外，還可以在交流電源輸出線路上加裝電源濾波器，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)高頻信號(hào)的阻隔，讓電磁干擾進(jìn)一步降低。2）改變傳輸介質(zhì)，在船舶智能控制系統(tǒng)中，可以通過(guò)改變其信號(hào)傳輸介質(zhì)的方法來(lái)減少電磁干擾。如對(duì)于各類PT100傳感器、壓力變送器的模擬信號(hào)，可以通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)干擾信號(hào)與控制系統(tǒng)的隔離。3）系統(tǒng)接地，通信電纜（CAN總線和RS485）要采用屏蔽電纜，并實(shí)施單端接地，距離較遠(yuǎn)時(shí)盡量采用光纖通訊。變頻設(shè)備必須要使用變頻專用電纜，末端屏蔽采用360度環(huán)繞接地，確保接地連續(xù)可靠[6-8]。

3結(jié)語(yǔ)

隨著云計(jì)算、人工智能等科學(xué)技術(shù)的不斷突破，人類對(duì)船舶航行安全性、生態(tài)友好性的需求不斷加大。舶舶智能控制系統(tǒng)將在船舶運(yùn)營(yíng)管理、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、自動(dòng)控制中發(fā)揮作用，逐步減少船員配置，最終實(shí)現(xiàn)無(wú)人化運(yùn)行、自動(dòng)靠泊、離港也將變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

作者:謝建宏 單位:中船澄西船舶修造有限公司