文/尹曉丹

（中船電子科技（三亞）有限公司 北京市 100070）

自哥倫布發(fā)現(xiàn)新大陸以后，海上運(yùn)輸業(yè)不斷發(fā)展，并成為沿海國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要推動(dòng)力量，為推動(dòng)遠(yuǎn)洋運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，造船業(yè)隨之興起，船舶總噸位、數(shù)量成為一個(gè)國(guó)家遠(yuǎn)洋運(yùn)輸能力的象征，然而，受制于技術(shù)等多方面因素的共同影響，遠(yuǎn)洋運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展速度較陸上運(yùn)輸發(fā)展緩慢。隨著電子信息技術(shù)在多行業(yè)中的快速滲透，船舶設(shè)備自動(dòng)化、信息化水平持續(xù)提升，為遠(yuǎn)洋運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展注入了新的動(dòng)力。

1 船舶設(shè)備發(fā)展概述

船舶設(shè)備的發(fā)展經(jīng)歷了手動(dòng)、半自動(dòng)、自動(dòng)三個(gè)階段。首先，船舶設(shè)備手動(dòng)階段是指以人的經(jīng)驗(yàn)為主，船用設(shè)備控制目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)需要人的全程參與，如星象儀、航向舵等，該階段航行安全指數(shù)和效率最低；其次，在人類進(jìn)入到工業(yè)革命階段后，船舶設(shè)備基本實(shí)現(xiàn)了半自動(dòng)控制，利用機(jī)械原理提高船舶航行過(guò)程中的控制效率和精度，大大降低了對(duì)船員數(shù)量依賴性，如輪機(jī)控制系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)等；最后，在電子信息技術(shù)全面普及的情況下，船舶設(shè)備已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化及信息化，自動(dòng)駕控系統(tǒng)、電子海圖、船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了船舶安全航行、智能控制等功能。

2 船舶設(shè)備的自動(dòng)化及信息化現(xiàn)狀

根據(jù)船舶系統(tǒng)功能的劃分情況，船舶設(shè)備的自動(dòng)化及信息化發(fā)展可以通過(guò)駕控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行一個(gè)較為全面的了解。

2.1 船舶駕控系統(tǒng)的自動(dòng)化及信息化

船舶航行過(guò)程中的速度、航向等均通過(guò)駕控系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)代船舶駕控系統(tǒng)的使用代替了傳統(tǒng)控制模式，大大提高了控制效率，減少了人力成本，甚至實(shí)現(xiàn)了在無(wú)人值守的情況下，駕控系統(tǒng)可根據(jù)計(jì)算機(jī)對(duì)多路數(shù)據(jù)的處理結(jié)果進(jìn)行自動(dòng)控制。

以ABB 公司生產(chǎn)的Anew Console 綜合駕控臺(tái)為例，該駕控臺(tái)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，結(jié)合數(shù)據(jù)可視化技術(shù)將多路傳感器信息在顯示器上進(jìn)行顯示，并通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理中心為操作人員提供參考。其中，依托自動(dòng)托管技術(shù)，Anew Console 綜合駕控臺(tái)可通過(guò)航線設(shè)定與自動(dòng)規(guī)劃匹配最佳航速，并根據(jù)周邊海域環(huán)境變化適時(shí)發(fā)出警報(bào)，提醒操作人員及時(shí)介入，避免航行安全事故的發(fā)生。

中國(guó)在船舶駕控系統(tǒng)研究方面起步較晚，但經(jīng)過(guò)近十年的發(fā)展，以VISION2100 型駕控臺(tái)為代表的國(guó)產(chǎn)駕控臺(tái)雖然在自動(dòng)化、信息化水平方面依然落后于發(fā)達(dá)國(guó)家，但是，作為遠(yuǎn)洋運(yùn)輸與船舶建造行業(yè)的后起之秀，中國(guó)船舶駕控系統(tǒng)自動(dòng)化、信息化落后面貌將得到徹底扭轉(zhuǎn)。

2.2 船用智能通信系統(tǒng)

根據(jù)船舶設(shè)備自動(dòng)化、信息化發(fā)展的需要，船用通信系統(tǒng)作為內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾Ｕ?，除需要穩(wěn)定的系統(tǒng)架構(gòu)以外，還需要對(duì)不同數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中的異常情況，并向?qū)?yīng)數(shù)據(jù)來(lái)源部門(mén)進(jìn)行提示，在故障進(jìn)一步擴(kuò)大的情況下進(jìn)行處置，保證各系統(tǒng)工作狀態(tài)正常。不僅如此，船用智能通信系統(tǒng)還承擔(dān)著對(duì)外無(wú)線通信的任務(wù)，受外部復(fù)雜空間電磁環(huán)境的影響，通信質(zhì)量穩(wěn)定性較差，智能通信系統(tǒng)可利用自動(dòng)變頻技術(shù)弱化電磁干擾效果，最大限度保證通信信號(hào)的暢通。

圖1：RF-5000 型短波數(shù)字跳頻電臺(tái)原理框圖

圖2：自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)“橋式”架構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

以RF-5000 型短波數(shù)字跳頻電臺(tái)為例，其原理框圖如圖1 所示。

外部電磁干擾通過(guò)天線耦合至收發(fā)單元，當(dāng)自適應(yīng)控制器判定通信干擾功率超過(guò)閾值后，則由控制單元進(jìn)行快速掃頻操作，并選擇通信質(zhì)量最優(yōu)信道，根據(jù)信道質(zhì)量確定跳頻頻率優(yōu)先級(jí)。當(dāng)跳頻單元確定執(zhí)行跳頻動(dòng)作時(shí)，跳頻控制單元同步發(fā)出跳頻信號(hào)，保證收發(fā)雙方始終在同一信道上。

2.3 船用自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)

遠(yuǎn)洋運(yùn)輸與陸地運(yùn)輸?shù)囊粋€(gè)最大區(qū)別在于導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用，路上行駛可以憑借各種自然或人工參照物進(jìn)行導(dǎo)航，而海洋上缺少固定參照物，極易迷失方向，早期人們通過(guò)星象儀進(jìn)行定位，這是天文導(dǎo)航技術(shù)的雛形，隨著衛(wèi)星定位技術(shù)、慣性導(dǎo)航技術(shù)的不斷發(fā)展，以GPS、北斗為代表的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，以及電羅經(jīng)為遠(yuǎn)洋運(yùn)輸船舶提供了精準(zhǔn)的定位信息。

定位技術(shù)是船用自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)的核心，海上船舶將各自定位信息與航向、航速等數(shù)據(jù)通過(guò)衛(wèi)星通信系統(tǒng)發(fā)送至管控中心，由管控中心對(duì)所有船舶的航行數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)視，一旦出現(xiàn)大概率會(huì)遇幾率的情況，管控中心將向?qū)?yīng)船舶發(fā)出預(yù)警信息，甚至通過(guò)遠(yuǎn)程干預(yù)的方式調(diào)整船舶航向、航速。

表1：自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)系統(tǒng)功能表

除依托岸基管控中心以外，船用自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)還可以利用VHF天線接收周圍船舶共享的數(shù)據(jù)信息，并由綜合導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)時(shí)繪制周圍船舶航跡向與未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)的航行軌跡，同時(shí)與本船航向進(jìn)行比對(duì)，若存在碰撞風(fēng)險(xiǎn)，則自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)將根據(jù)實(shí)際情況重新規(guī)劃多條可行路徑，并將路徑更改計(jì)劃報(bào)導(dǎo)航部門(mén)確認(rèn)。

3 船舶設(shè)備的自動(dòng)化及信息化發(fā)展建議

盡管，船舶設(shè)備的自動(dòng)化及信息化水平已經(jīng)能夠滿足現(xiàn)階段遠(yuǎn)洋運(yùn)輸對(duì)安全性高、成本低的要求，但是，在全球航運(yùn)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的情況下，船舶設(shè)備的自動(dòng)化及信息化水平依然有待提高，對(duì)此，可在以下幾個(gè)方面進(jìn)行努力。

3.1 構(gòu)建自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)系統(tǒng)

船舶設(shè)備的自動(dòng)化、信息化是提高遠(yuǎn)洋運(yùn)輸安全性和高效性的必然要求，傳統(tǒng)內(nèi)部通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的僅僅是網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸橋梁作用，為滿足未來(lái)船用設(shè)備自動(dòng)化、信息化水平的不斷提高，則需要構(gòu)建自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心，其功能如表1 所示。

以自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)冗余架構(gòu)設(shè)計(jì)為例，若該通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)為2 個(gè)，且使用“橋式”架構(gòu)，如圖2 所示。

假設(shè)，AB、AC、AD、BC、BD、CD、A’B’、A’C’、A’D’、B’C’、B’D’、C’D’發(fā)生故障的幾率均為P（0

3.2 智能艦橋控制系統(tǒng)

自動(dòng)駕控系統(tǒng)在一定程度上解決了船舶遠(yuǎn)洋運(yùn)輸過(guò)程中的動(dòng)力、航向等控制功能，大大減輕了駕駛?cè)藛T的工作壓力。但是，根據(jù)未來(lái)智能航運(yùn)發(fā)展規(guī)劃，功能更加豐富、自動(dòng)化水平更高的智能艦橋控制系統(tǒng)將成為船舶設(shè)備自動(dòng)化及信息化發(fā)展的必然趨勢(shì)。

（1）智能艦橋控制系統(tǒng)在繼承傳統(tǒng)控制模式的基礎(chǔ)上，增加語(yǔ)音、視覺(jué)等多種控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)更為豐富的人機(jī)交互，提高控制效率。

（2）智能艦橋控制系統(tǒng)利用人工智能技術(shù)，對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，及時(shí)判定風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)，并能夠在最短時(shí)間內(nèi)做出響應(yīng)。例如，集控室內(nèi)部溫度傳感器反饋主發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室溫度變化異常，曲線擬合結(jié)果存在發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速受損可能，此時(shí)，智能艦橋控制系統(tǒng)將結(jié)合周邊海域情況（船只、風(fēng)向、風(fēng)速、浪高）調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，以避免持續(xù)高轉(zhuǎn)速對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成的傷害。

（3）智能艦橋控制系統(tǒng)能夠通過(guò)無(wú)線通信系統(tǒng)與周邊船只進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)非人因素下的自動(dòng)避碰功能。例如，智能艦橋控制系統(tǒng)將導(dǎo)航雷達(dá)數(shù)據(jù)與AIS 數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，借用AIS 的VHF 甚高頻天線將對(duì)應(yīng)航行數(shù)據(jù)向目標(biāo)船只共享，智能艦橋控制系統(tǒng)對(duì)本船與目標(biāo)船只的會(huì)遇情況進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整各自航向、航速，保證會(huì)遇距離在安全可控范圍。

4 船舶設(shè)備自動(dòng)化及信息化不利因素分析

近年來(lái)，船舶設(shè)備自動(dòng)化及信息化水平不斷提升，有效減輕了船員在遠(yuǎn)洋運(yùn)輸過(guò)程中的工作壓力，然而，以電子信息技術(shù)為核心的船舶設(shè)備同樣存在隱患。

4.1 環(huán)境因素導(dǎo)致設(shè)備故障率較高

電子元器件對(duì)工作環(huán)境有著嚴(yán)格要求，由于船舶內(nèi)外環(huán)境高溫、高濕、振動(dòng)、高腐蝕等特點(diǎn)，導(dǎo)致電子元器件的可靠性明顯降低，進(jìn)而存在設(shè)備故障風(fēng)險(xiǎn)。

針對(duì)這一問(wèn)題，在船舶設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要根據(jù)船用設(shè)備所處的環(huán)境確定相關(guān)設(shè)備參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，配套設(shè)備需提交對(duì)應(yīng)型式試驗(yàn)報(bào)告。同時(shí)，根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，對(duì)故障率較高的設(shè)備加強(qiáng)檢修頻次，增加備品備件攜帶數(shù)量。

4.2 電磁干擾對(duì)設(shè)備工作可靠性的影響

電磁干擾是電子信息設(shè)備故障高發(fā)的又一重要因素，復(fù)雜的電磁信號(hào)通過(guò)輻射傳導(dǎo)和閉合回路傳導(dǎo)兩種方式耦合至電子信息設(shè)備之中，極易導(dǎo)致設(shè)備誤動(dòng)作、功能失效等問(wèn)題，尤其是對(duì)于一些較為敏感的電子設(shè)備，甚至?xí)艿阶陨韮?nèi)部的電磁干擾。

該問(wèn)題的解決可以從兩個(gè)方面出發(fā)：

（1）明確船舶設(shè)備電磁屏蔽設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；

（2）在船舶設(shè)計(jì)過(guò)程中需要考慮各類型船用設(shè)備對(duì)電磁環(huán)境的適應(yīng)性，將強(qiáng)電磁輻射設(shè)備與敏感設(shè)備隔離。

5 總結(jié)

船用設(shè)備的自動(dòng)化及信息化是一把“雙刃劍”，為更好地發(fā)揮船舶設(shè)備自動(dòng)化及信息化在船舶航行安全、成本控制等多方面的作用，除對(duì)船舶設(shè)備研發(fā)進(jìn)行研究以外，還需要結(jié)合實(shí)際情況完善船舶建造設(shè)計(jì)方案。隨著船舶遠(yuǎn)洋運(yùn)輸行業(yè)的快速發(fā)展，船舶設(shè)備自動(dòng)化及信息化水平將持續(xù)提升，類似“無(wú)人汽車”的“無(wú)人遠(yuǎn)洋運(yùn)輸船舶”必然會(huì)出現(xiàn)。