劉世濤

船舶電氣自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)

劉世濤

（福建省馬尾造船股份有限公司，福建 福州 350015）

本文以船舶電氣自動(dòng)化技術(shù)為切入點(diǎn)，重點(diǎn)闡述了我國的自主研發(fā)以及自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀，針對(duì)船舶導(dǎo)航自動(dòng)化、CAN電站測(cè)控技術(shù)、自主航行技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展進(jìn)行研究，介紹船舶電氣自動(dòng)化技術(shù)未來發(fā)展趨勢(shì)，我國的船舶發(fā)展正在向著電氣自動(dòng)化的方向發(fā)展。

電氣自動(dòng)化技術(shù)；主要技術(shù)；應(yīng)用現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢(shì)

0 引言

海運(yùn)是我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱，是領(lǐng)海安全以及航海能力的重要保證。近年來電子技術(shù)不斷深入發(fā)展，很大程度提高了船舶電氣自動(dòng)化程度、性能和技術(shù)水平，配套系統(tǒng)的電氣自動(dòng)化管理技術(shù)呈現(xiàn)出更高速的發(fā)展態(tài)勢(shì)，能夠提高航運(yùn)快速躲避海上風(fēng)暴的襲擊和方向的準(zhǔn)確性。電磁干擾問題、設(shè)備故障率高和控制線路單一，是船舶電氣自動(dòng)化的潛在問題。為了提高船舶自動(dòng)化的穩(wěn)定性和安全性，電磁屏蔽技術(shù)、重要設(shè)備監(jiān)測(cè)單元的冗余設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)網(wǎng)格化與綜合化陸續(xù)應(yīng)用在船舶領(lǐng)域。電氣自動(dòng)化技術(shù)是船舶內(nèi)機(jī)械設(shè)備穩(wěn)定持續(xù)運(yùn)行的核心點(diǎn)，在集成系統(tǒng)的支持下，發(fā)展電氣自動(dòng)化技術(shù)成為船舶智能航行的新契機(jī)。

1 船舶電氣自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

我國有漫長的海岸線和四通八達(dá)的河流,船舶運(yùn)輸業(yè)是我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱，船舶是水上航運(yùn)和貨物運(yùn)輸?shù)闹饕ぞ?，推?dòng)我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展具有重要作用。隨著造船行業(yè)的迅速發(fā)展，電氣自動(dòng)化技術(shù)成為船舶運(yùn)行的核心技術(shù)之一，船舶運(yùn)輸業(yè)是我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱,國內(nèi)外研究者開始對(duì)海洋電氣自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)行深入研究，船舶智能化方興未艾，涌現(xiàn)故障預(yù)警、智能決策、航行控制等科技成果。自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用于船舶的行駛和管理工作，通過融合船舶自動(dòng)化技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸、通信技術(shù)等，控制操作界面并發(fā)送指令、模塊之間的靈活組合，構(gòu)建集自主可控、航行自動(dòng)化、設(shè)備故障預(yù)警和信息感知等于一體的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)船舶的自動(dòng)駕駛和系統(tǒng)的內(nèi)部自動(dòng)控制，從而提高船舶自動(dòng)化水平和使用效率。

電氣自動(dòng)化技術(shù)是智能船舶的重要技術(shù)，結(jié)合先進(jìn)高速的信號(hào)傳輸技術(shù)，建設(shè)主機(jī)與機(jī)艙監(jiān)控警報(bào)系統(tǒng)、自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)傳輸或電子郵件的方式實(shí)現(xiàn)與其它船只、岸基的信息交互。自動(dòng)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)是DCS原理和人工智能的典型應(yīng)用，可以二十四小時(shí)對(duì)船舶的主要設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控監(jiān)測(cè)以及自動(dòng)報(bào)警,保證船舶在行駛過程中的安全性、可靠性。GPS全球定位系統(tǒng)應(yīng)用于船舶中，通過航位推算、地圖匹配、衛(wèi)星定位及多方式組合，可以將定位精確到幾米的范圍之內(nèi)，對(duì)于保障船舶的行駛安全和在發(fā)生意外時(shí)做好搜救工作具有重要作用。通信導(dǎo)航技術(shù)實(shí)現(xiàn)船、岸、船與船之間聯(lián)系，精確定位船舶的衛(wèi)星位置，實(shí)現(xiàn)船舶與岸站、船舶與航標(biāo)之間的信息交互，我國的大部分船舶上安裝了GPS導(dǎo)航系統(tǒng)?；谥悄艽澳K的功能，利用自動(dòng)化裝置來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工進(jìn)行船舶的管理以及操控工作，通過聯(lián)合應(yīng)用信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)和電氣自動(dòng)化技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)船舶的自動(dòng)駕駛和系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備的自動(dòng)控制，極大地促進(jìn)了我國的船舶技術(shù)發(fā)展和船舶交通行業(yè)的發(fā)展。

2 現(xiàn)代船舶電氣自動(dòng)化應(yīng)用的主要技術(shù)

1）電力電子技術(shù)

隨著各種新型電力電子開關(guān)器件和變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不斷涌現(xiàn)，發(fā)電機(jī)組變流器成為船舶電力系統(tǒng)自動(dòng)化控制的典型應(yīng)用，在提高供電靈活性、可控性方面具有重要作用。傳統(tǒng)的船舶發(fā)電使用獨(dú)立的輔助發(fā)電機(jī)組或通過軸帶發(fā)電機(jī)連接到主機(jī)上進(jìn)行發(fā)電，而在使用電力電子技術(shù)以后，電力電子器件能對(duì)電能進(jìn)行變換和控制，把交流電轉(zhuǎn)換成為直流，通過電壓和電流的控制使發(fā)電機(jī)組更加穩(wěn)定地運(yùn)行，避免短路和故障情況出現(xiàn)。

2）CAN電站測(cè)控相關(guān)技術(shù)

CAN電站測(cè)控系統(tǒng)主要包括發(fā)電機(jī)組、控制臺(tái)和相關(guān)的檢測(cè)儀器等，應(yīng)用CAN電廠計(jì)量控制技術(shù)和電力自動(dòng)化控制，通過相關(guān)節(jié)點(diǎn)的整合，建立有效的自動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)和控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組的遠(yuǎn)程控制。采用CAN現(xiàn)場總線技術(shù)，通過 A/D 轉(zhuǎn)換將轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后發(fā)送至監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，將船舶上的其他部件連接到控制網(wǎng)絡(luò)上，完成測(cè)量和確?？刂婆_(tái)能夠及時(shí)接收特定傳感器節(jié)點(diǎn)的傳輸測(cè)量結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn)船舶的電氣自動(dòng)化控制并保證航行的安全性。

3）可靠性保障相關(guān)技術(shù)

近年來船舶行業(yè)快速發(fā)展，拉動(dòng)我國的對(duì)外發(fā)展和交通運(yùn)輸行業(yè)。發(fā)達(dá)國家在保障船舶可靠性領(lǐng)域開展技術(shù)研究，如電磁干擾技術(shù)、儲(chǔ)藏冗余處理技術(shù)和容錯(cuò)技術(shù)設(shè)計(jì)等。由于船舶內(nèi)部電子類設(shè)備眾多，智能硬件和嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成智能航行的元器件，為保障各零部件的協(xié)同運(yùn)行，通常采用電磁兼容保障技術(shù)，融合感知識(shí)別算法、避障算法、控制算法等前沿技術(shù)，建立以自動(dòng)化技術(shù)為載體的抗干擾系統(tǒng)，對(duì)干擾信號(hào)源進(jìn)行過濾與屏蔽，令精密設(shè)備具備持續(xù)性、精準(zhǔn)性的運(yùn)行特點(diǎn)，提高船舶電氣的抗干擾性能，從而維持船舶自動(dòng)化信息數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。容錯(cuò)技術(shù)是指采用硬軟件對(duì)船舶運(yùn)行發(fā)展安全故障的容忍保障，若電氣自動(dòng)化系統(tǒng)出現(xiàn)運(yùn)行故障，容錯(cuò)技術(shù)對(duì)船舶電氣設(shè)備系統(tǒng)發(fā)生的故障采用控制和應(yīng)對(duì)措施，在最短的時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確定位故障的位置、識(shí)別故障性質(zhì)，實(shí)時(shí)對(duì)船舶所有設(shè)備及系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，預(yù)測(cè)狀態(tài)劣化的趨勢(shì)。結(jié)合輔助決策系統(tǒng)提高船體和設(shè)備安全性，降低運(yùn)行電氣機(jī)組的負(fù)荷并快速確定故障位置，以有效規(guī)避故障交變電磁場、靜電場以及傳輸線路等對(duì)電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的安全運(yùn)行的影響，實(shí)現(xiàn)全生命周期對(duì)船體、主機(jī)等關(guān)鍵配套的監(jiān)控，保證船舶電氣系統(tǒng)的可靠性。

4）自主航行技術(shù)

智能航行系指利用計(jì)算機(jī)、智能感知、自動(dòng)化等技術(shù)對(duì)船舶航路和航速進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，船舶電氣自動(dòng)化設(shè)備結(jié)合數(shù)字技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)可控技術(shù)、總線技術(shù)，運(yùn)用虛擬測(cè)試及虛實(shí)融合測(cè)試技術(shù)，在航行、操縱、機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)、風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控等多個(gè)方面實(shí)現(xiàn)自主可控，解決海事規(guī)則和復(fù)雜態(tài)勢(shì)量化、環(huán)境等問題。自主航行技術(shù)是智能船舶實(shí)現(xiàn)無人駕駛的關(guān)鍵所在，采用態(tài)勢(shì)感知、運(yùn)動(dòng)控制和智能決策核心技術(shù)，在開闊水域、狹窄水道、復(fù)雜環(huán)境條件下自動(dòng)避碰。通過雷達(dá)、船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（AIS）、信息感知技術(shù)、全球定位系統(tǒng)，在船舶管理項(xiàng)目中讓電氣自動(dòng)化技術(shù)得以持續(xù)發(fā)展，利用環(huán)境感知傳感器對(duì)航行態(tài)勢(shì)進(jìn)行識(shí)別，自動(dòng)感知和獲得船舶自身、海洋環(huán)境、物流、港口等的信息和數(shù)據(jù)，根據(jù)航行水域交通流控制信息、前方航道船舶密度情況，實(shí)現(xiàn)航線計(jì)劃、航線監(jiān)控、自動(dòng)避碰等功能，智能實(shí)時(shí)選擇船舶在航道內(nèi)的位置和航道，自主完成離泊、出港、航線優(yōu)化、錨泊、進(jìn)港、靠泊等過程，為我國船舶電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的運(yùn)行提供可靠保障。

3 船舶電氣自動(dòng)化發(fā)展趨勢(shì)

當(dāng)前信息技術(shù)、通信技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用的行業(yè)領(lǐng)域越來越廣泛，智能船舶是未來船舶發(fā)展的必然方向。船舶電氣自動(dòng)化技術(shù)屬于綜合性、程序性強(qiáng)的技術(shù)類型，機(jī)艙自動(dòng)化、導(dǎo)航自動(dòng)化、機(jī)械自動(dòng)化、裝卸自動(dòng)化等多用途系統(tǒng)應(yīng)用已日趨成熟，未來智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化是船舶的重要發(fā)展方向。船舶作為聯(lián)系外界的網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)，新一代大功率半導(dǎo)體電力電子器件的研究開發(fā)和信息技術(shù)的應(yīng)用，智能船舶是未來世界船舶工業(yè)領(lǐng)域競爭的焦點(diǎn)，通過將現(xiàn)代信息技術(shù)、人工智能技術(shù)等新技術(shù)與傳統(tǒng)船舶技術(shù)進(jìn)行融合，滿足機(jī)電集成科學(xué)管理與控制戰(zhàn)略，使船舶工業(yè)向著衛(wèi)星通信導(dǎo)航、智能控制、船岸信息直接交流和全球定位系統(tǒng)領(lǐng)域延伸得更深入。船舶自動(dòng)化技術(shù)將不斷向全船綜合自動(dòng)化層次發(fā)展，形成集機(jī)艙自動(dòng)化、航行自動(dòng)化、機(jī)械自動(dòng)化、裝載自動(dòng)化等于一體的多功能綜合系統(tǒng)，進(jìn)行各種信息采集分析、設(shè)備維護(hù)、故障診斷、船舶管理等業(yè)務(wù)活動(dòng)，供航行中心進(jìn)行大數(shù)據(jù)處理、計(jì)算機(jī)分析和自動(dòng)控制，為智能船舶的正常運(yùn)行提供有力保障。船舶節(jié)能一直是世界各國造船界和航運(yùn)界研究的重要課題，未來通過信息感知和通信導(dǎo)航技術(shù)傳遞的航行狀態(tài)、耗能狀況，監(jiān)測(cè)和報(bào)警、動(dòng)力管理、燃油系統(tǒng)、壓艙系統(tǒng)等的泵和閥的控制，指導(dǎo)船舶能效因素（航線設(shè)計(jì)、航速、船舶浮態(tài)、動(dòng)力設(shè)備），對(duì)能效指標(biāo)進(jìn)行分析和匯總整理，達(dá)到減少排放、提高能效的目的。

隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的更新升級(jí)，在艦船上應(yīng)用先進(jìn)電氣自動(dòng)化技術(shù)，已是一項(xiàng)大勢(shì)所趨的新型技術(shù)手段。電氣設(shè)備的各個(gè)部件之間通過信號(hào)通道互相交換信息，新建船舶配套船舶綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，連接各個(gè)控制系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)，并根據(jù)指令完成工作步驟，提高船舶自動(dòng)化程度。隨著智慧船舶技術(shù)集成化、智能化、數(shù)字化的迭代升級(jí)，未來船舶電氣自動(dòng)化將以設(shè)備的高度模塊和智能化為集成，船舶供配電、電力拖動(dòng)、電氣系統(tǒng)自動(dòng)控制程度顯著提高，機(jī)艙重要?jiǎng)恿υO(shè)備（主機(jī)、側(cè)推設(shè)備、舵機(jī)等）的控制系統(tǒng)及預(yù)警報(bào)警延伸至駕控臺(tái)進(jìn)行遙感和可視化監(jiān)控，實(shí)時(shí)采集有關(guān)電氣的參數(shù)和動(dòng)作信息自動(dòng)監(jiān)測(cè)、報(bào)警，提高測(cè)量測(cè)試的準(zhǔn)確性和信息傳遞的實(shí)時(shí)性，現(xiàn)代船舶電氣基本能實(shí)現(xiàn)駕駛室的遠(yuǎn)程操縱，推進(jìn)智能技術(shù)應(yīng)用將成為智能船舶發(fā)展的關(guān)鍵，為全面智能化管理工作的落實(shí)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

4 結(jié)束語

船舶是航運(yùn)經(jīng)濟(jì)、航運(yùn)安全的重要因素，促進(jìn)中國同他國家之間的經(jīng)濟(jì)交流。在信息化浪潮席卷全球的時(shí)代背景下，電氣自動(dòng)化技術(shù)作為船舶內(nèi)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行的內(nèi)驅(qū)點(diǎn)，推動(dòng)我國船舶海運(yùn)業(yè)的快速發(fā)展，已成為國際海事界研發(fā)和關(guān)注的新熱點(diǎn)。依托數(shù)據(jù)傳輸、電子郵件等各種通信手段與電氣自動(dòng)化科學(xué)技術(shù)的有效集成，可以使船舶系統(tǒng)高效、持續(xù)運(yùn)作，為遠(yuǎn)洋運(yùn)輸船舶、工程船等提供船舶航行狀態(tài)及作業(yè)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，很大程度地提高船舶航行的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性，使我國的船舶向著電氣自動(dòng)化的方向發(fā)展。

[1]胡麗. 船舶電氣自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)研討[J]. 工程技術(shù)研究, 2018(1): 82-83.

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Marine electrical automation technology application and development trend

Liu Shitao

(Fujian Mawei Shipbuilding LTD., Fuzhou 350015, Fujian, China)

TM76

A

1003-4862（2024）03-0040-03

2023-09-08

劉世濤（1983-），男，工程師，研究方向：船舶電氣設(shè)計(jì)。E-mail:St2002.L@163.com