淺談船舶電氣自動化

1、淺談船舶電氣自動化現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 劉承民 都基盛 高 飛 劉 昆 （大連船舶重工集團有限公司） 前言：船舶電氣自動化（以下簡稱船舶自動化）就是通過采用計算機微處理裝置，解決船舶手工操作所不能達到安全可靠的精細管理為目的，幫助船員頻繁巡回檢測機械設(shè)備運行狀況和航行工況，并早期發(fā)現(xiàn)故障，避免船員在惡劣工作環(huán)境條件下的疲勞，使船舶安全、高效、可靠的營運。 關(guān)鍵詞：船舶 自動化 發(fā)展趨勢 概述 船舶自動化的明顯標志就是把自動控制技術(shù)、微電子技術(shù)、信號處理技術(shù)、電子計算機技術(shù)及其網(wǎng)路接口技術(shù)用于船舶通訊導(dǎo)航自動化、機艙自動化、干/液貨裝卸載自動化等系統(tǒng)的監(jiān)測與控制。通訊導(dǎo)航自動化是指雷達、衛(wèi)星定位、自動

2、舵、航跡跟蹤等實現(xiàn)自動駕駛。機艙自動化是指主機和發(fā)電機各種參數(shù)和工況的自動監(jiān)測、報警、控制，以及各種輔機的集中自動控制、自動調(diào)節(jié)，火警探測及自動滅火，實現(xiàn)“機艙周期無人值班”。干/液貨裝卸載自動化是指輔鍋爐、惰氣、貨油泵、壓寨泵、閥門、液位、船舶強度和浮態(tài)等自動監(jiān)控系統(tǒng)。 1、船舶自動化的構(gòu)成 船舶自動電站（船舶饋電中樞系統(tǒng)PMS）。 機艙集中報警監(jiān)測裝置（對主機及輔機的運行狀態(tài)進行集中監(jiān)控）。 主機遙控裝置（對主機進行遠距離控制，如在駕駛室、機艙集控室控制主機）。 船體應(yīng)力監(jiān)測（船舶貨艙的剪力、彎矩力安全監(jiān)測系統(tǒng)）。 干/液貨裝卸載自動化（液位測量、閥門控制、貨油泵、壓載泵、惰氣系統(tǒng)、裝載計

3、算）。 通訊導(dǎo)航系統(tǒng)（雷達系統(tǒng)、電子海圖、自動舵、電羅經(jīng)、航行記錄儀、GPS(DGPS)、自動識別系統(tǒng)等。通訊系統(tǒng)：衛(wèi)通、VHF電話、橋摟值班報警系統(tǒng)、GMDSS等。按照DNV入級符號分為：NAUT-OC（大洋一人駕駛）、NAUT-AW（所有海域一人駕駛）、NAUT-OSV 海洋工程船一人駕駛） 冷藏集裝箱監(jiān)測報警（冷藏集裝箱監(jiān)測采用傳統(tǒng)的四極監(jiān)測系統(tǒng)或電力載波系統(tǒng)(PCT)）。 2、船舶自動化的作用 船舶自動化能夠幫助船員在海上航行過程中,對機械場所的設(shè)備、航行設(shè)備的監(jiān)測與控制，以及船舶實施裝卸載過程中的監(jiān)測管理與控制。船舶航運界在實踐中不斷認識到，船舶自動化能夠幫助實現(xiàn)節(jié)能、降低成本、提高

4、工作效率和保障船舶安全航行。另外，船舶自動化程度越高，越能使船舶的主要機電設(shè)備處于最佳運行狀態(tài)，在機電設(shè)備出現(xiàn)異常時能及時發(fā)現(xiàn)預(yù)警并及時排除險情，而且船舶自動化系統(tǒng)能夠根據(jù)險情的嚴重程度，控制船舶推進器降速、停車，控制船舶航行，從而降低船員的勞動強度和保障了船舶海上航行的人命安全，而且維修費用也大幅度下降。因此，提高船舶的自動化水平一直倍受航運界的關(guān)注和青睞。 3、船舶自動化的發(fā)展概況 自二十世紀30年代初至今，控制理論發(fā)展約有80年歷程，專家學(xué)者認為“前30年歷程為經(jīng)典控制理論發(fā)展和成熟階段，中間30年為現(xiàn)代控制理論形成與發(fā)展階段”，后20年為智能控制理論的發(fā)展與成熟階段。預(yù)測再經(jīng)20年后是

5、未來智能控制理論的行成與發(fā)展階段。 4、船舶自動化的現(xiàn)狀 4.1隨著數(shù)字化技術(shù)和總線技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，船舶各設(shè)備、各系統(tǒng)的自動監(jiān)測控制從單一的設(shè)備和單一的系統(tǒng)自動化已經(jīng)成熟的發(fā)展成高度集成化、高度綜合集成化自動監(jiān)測與控制。目前的船舶自動化還是以有線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為主，普遍應(yīng)用的是現(xiàn)場總線和以太網(wǎng)并存的網(wǎng)格技術(shù)。不論是哪種技術(shù)，在中國，船舶自動化技術(shù)的現(xiàn)狀凸顯無力，不能滿足本土船舶工業(yè)發(fā)展的需求。 4.2我國的船舶自動化配套企業(yè)技術(shù)實力相當薄弱，在船舶制造企業(yè)中備嘗辛酸地開拓船舶市場的準入，不能使船舶自動化產(chǎn)品快速有效獲得市場實踐經(jīng)驗的積累，來促進產(chǎn)品技術(shù)水平與質(zhì)量的淺談船舶電氣自動化現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 劉

6、承民 都基盛 高 飛 劉 昆 （大連船舶重工集團有限公司） 前言：船舶電氣自動化（以下簡稱船舶自動化）就是通過采用計算機微處理裝置，解決船舶手工操作所不能達到安全可靠的精細管理為目的，幫助船員頻繁巡回檢測機械設(shè)備運行狀況和航行工況，并早期發(fā)現(xiàn)故障，避免船員在惡劣工作環(huán)境條件下的疲勞，使船舶安全、高效、可靠的營運。 關(guān)鍵詞：船舶 自動化 發(fā)展趨勢 概述 船舶自動化的明顯標志就是把自動控制技術(shù)、微電子技術(shù)、信號處理技術(shù)、電子計算機技術(shù)及其網(wǎng)路接口技術(shù)用于船舶通訊導(dǎo)航自動化、機艙自動化、干/液貨裝卸載自動化等系統(tǒng)的監(jiān)測與控制。通訊導(dǎo)航自動化是指雷達、衛(wèi)星定位、自動舵、航跡跟蹤等實現(xiàn)自動駕駛。機艙自動

7、化是指主機和發(fā)電機各種參數(shù)和工況的自動監(jiān)測、報警、控制，以及各種輔機的集中自動控制、自動調(diào)節(jié)，火警探測及自動滅火，實現(xiàn)“機艙周期無人值班”。干/液貨裝卸載自動化是指輔鍋爐、惰氣、貨油泵、壓寨泵、閥門、液位、船舶強度和浮態(tài)等自動監(jiān)控系統(tǒng)。 1、船舶自動化的構(gòu)成 船舶自動電站（船舶饋電中樞系統(tǒng)PMS）。 機艙集中報警監(jiān)測裝置（對主機及輔機的運行狀態(tài)進行集中監(jiān)控）。 主機遙控裝置（對主機進行遠距離控制，如在駕駛室、機艙集控室控制主機）。 船體應(yīng)力監(jiān)測（船舶貨艙的剪力、彎矩力安全監(jiān)測系統(tǒng)）。 干/液貨裝卸載自動化（液位測量、閥門控制、貨油泵、壓載泵、惰氣系統(tǒng)、裝載計算）。 通訊導(dǎo)航系統(tǒng)（雷達系統(tǒng)、電子

8、海圖、自動舵、電羅經(jīng)、航行記錄儀、GPS(DGPS)、自動識別系統(tǒng)等。通訊系統(tǒng)：衛(wèi)通、VHF電話、橋摟值班報警系統(tǒng)、GMDSS等。按照DNV入級符號分為：NAUT-OC（大洋一人駕駛）、NAUT-AW（所有海域一人駕駛）、NAUT-OSV 海洋工程船一人駕駛） 冷藏集裝箱監(jiān)測報警（冷藏集裝箱監(jiān)測采用傳統(tǒng)的四極監(jiān)測系統(tǒng)或電力載波系統(tǒng)(PCT)）。 2、船舶自動化的作用 船舶自動化能夠幫助船員在海上航行過程中,對機械場所的設(shè)備、航行設(shè)備的監(jiān)測與控制，以及船舶實施裝卸載過程中的監(jiān)測管理與控制。船舶航運界在實踐中不斷認識到，船舶自動化能夠幫助實現(xiàn)節(jié)能、降低成本、提高工作效率和保障船舶安全航行。另外，船

9、舶自動化程度越高，越能使船舶的主要機電設(shè)備處于最佳運行狀態(tài)，在機電設(shè)備出現(xiàn)異常時能及時發(fā)現(xiàn)預(yù)警并及時排除險情，而且船舶自動化系統(tǒng)能夠根據(jù)險情的嚴重程度，控制船舶推進器降速、停車，控制船舶航行，從而降低船員的勞動強度和保障了船舶海上航行的人命安全，而且維修費用也大幅度下降。因此，提高船舶的自動化水平一直倍受航運界的關(guān)注和青睞。 3、船舶自動化的發(fā)展概況 自二十世紀30年代初至今，控制理論發(fā)展約有80年歷程，專家學(xué)者認為“前30年歷程為經(jīng)典控制理論發(fā)展和成熟階段，中間30年為現(xiàn)代控制理論形成與發(fā)展階段”，后20年為智能控制理論的發(fā)展與成熟階段。預(yù)測再經(jīng)20年后是未來智能控制理論的行成與發(fā)展階段。

10、4、船舶自動化的現(xiàn)狀 4.1隨著數(shù)字化技術(shù)和總線技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，船舶各設(shè)備、各系統(tǒng)的自動監(jiān)測控制從單一的設(shè)備和單一的系統(tǒng)自動化已經(jīng)成熟的發(fā)展成高度集成化、高度綜合集成化自動監(jiān)測與控制。目前的船舶自動化還是以有線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為主，普遍應(yīng)用的是現(xiàn)場總線和以太網(wǎng)并存的網(wǎng)格技術(shù)。不論是哪種技術(shù)，在中國，船舶自動化技術(shù)的現(xiàn)狀凸顯無力，不能滿足本土船舶工業(yè)發(fā)展的需求。 4.2我國的船舶自動化配套企業(yè)技術(shù)實力相當薄弱，在船舶制造企業(yè)中備嘗辛酸地開拓船舶市場的準入，不能使船舶自動化產(chǎn)品快速有效獲得市場實踐經(jīng)驗的積累，來促進產(chǎn)品技術(shù)水平與質(zhì)量的4.8我們自問，在中國能不能有船舶自動化配套企業(yè)自信地站出來，告訴船廠和

11、航運界人士：“我國的船舶自動化設(shè)備不需從國外進口，國內(nèi)的船舶設(shè)備配套企業(yè)完全有能力提供具有自主知識產(chǎn)權(quán)、高質(zhì)量的船舶自動化產(chǎn)品，并且能夠提供全球范圍內(nèi)的營銷、技術(shù)服務(wù)從而代替進口船舶自動化產(chǎn)品”。就目前的現(xiàn)狀可以肯定地回答“沒有”。所以，中國的船舶配套業(yè)需要加快雄起的步伐。5、船舶自動化的發(fā)展趨勢 5.1應(yīng)該清楚地看到各種類型的計算機被廣泛應(yīng)用到各個控制系統(tǒng)中，船舶自動化水平日益提高，使船舶自動化向規(guī)模集成化、高速化、和高新技術(shù)化方向發(fā)展的速度迅猛。通過信號處理技術(shù)進行控制、管理和數(shù)據(jù)通訊處理，在完成系統(tǒng)監(jiān)控功能外，還能夠按不同需求，不斷升級，提供友好的人機界面。系統(tǒng)操作簡單明了，使船舶控制、

12、監(jiān)測系統(tǒng)的傳輸數(shù)據(jù)技術(shù)不斷更新，致使控制、監(jiān)測系統(tǒng)的布線成本降低，大大簡化船舶的日常維護工作，提高船舶管理水平，從而敦促船舶自動化設(shè)備的必然發(fā)展。 5.2船舶自動化向規(guī)模集成化、高速化的發(fā)展，人機交換界面將不斷的升級優(yōu)化，在監(jiān)測預(yù)報警、監(jiān)測與控制、監(jiān)測與管理、控制與管理的監(jiān)測信號的采集、數(shù)據(jù)處理、存儲、網(wǎng)格通訊接口簡捷等大型集成化界面設(shè)計是船舶自動化廣為普及和發(fā)展的方向。 5.3根據(jù)照船舶自動化現(xiàn)狀分析，未來的船舶自動化設(shè)備的發(fā)展趨勢，必將會朝著智能控制與智能管理方向發(fā)展，必將成為船舶配套業(yè)中一門新興的研究領(lǐng)域?！爸悄芸刂埔辉~，讀者千萬不要認為智能控制技術(shù)是門新型技術(shù)或?qū)W科，其實早在20世紀6

13、0年代，計算機技術(shù)和人工智能技術(shù)跨越式發(fā)展中，控制學(xué)者已經(jīng)將人工智能控制應(yīng)用于控制系統(tǒng)。在70年代初，傅京孫等學(xué)者就提出了智能控制就是“人工智能與控制理論”的交叉思想。再到80年代，計算機技術(shù)到了飛速發(fā)展的階段，促成智能控制取得較好的發(fā)展。 5.4船舶智能控制與管理一個重要發(fā)展領(lǐng)域，就是無需在人的干預(yù)下能夠自主地模擬操作者智能驅(qū)動機器實現(xiàn)其目標的自動控制。對于我國船舶行業(yè)來說，對“智能控制”一詞，也并不陌生，已在21世紀初，在結(jié)構(gòu)化或非結(jié)構(gòu)化的，熟悉或陌生的環(huán)境條件下，自主地或與人交互執(zhí)行人類規(guī)定的任務(wù)的一種智能機器“智能主機”悄然誕生，并在船舶市場中不斷地推廣應(yīng)用， 5.5智能控制是在系統(tǒng)工

14、程學(xué)、運籌學(xué)、信息學(xué)等學(xué)科相結(jié)合條件下，建立的適用于各種復(fù)雜系統(tǒng)控制理論和技術(shù)，也就是模擬人類的智能實施自動控制的研究范疇，是建立在傳統(tǒng)的自動控制無法解決的問題和模型嚴重不確定性研究對象。也可以說基于模型傳統(tǒng)自動控制很難解決的問題，現(xiàn)在得以實現(xiàn)，但必須具備足夠的關(guān)于船舶操縱者的控制策略、受控對象和船舶環(huán)境條件及有關(guān)知識運用的能力。 5.6船舶智能化控制與管理就是在傳統(tǒng)自動化控制框架下，結(jié)合船員對船舶航行控制與管理的策略，實現(xiàn)運籌船舶航行和進出港所采取的對復(fù)雜任務(wù)自動模擬規(guī)劃和決策能力控制。諸如：船員在進出港，船舶操縱者利用虛擬仿真技術(shù)，依據(jù)進出港口的環(huán)境條件，虛擬仿真規(guī)劃進出港口的數(shù)據(jù)信息輸入

15、計算機中，演示船舶進出港控制狀態(tài)，確立虛擬仿真成立基礎(chǔ)上，采用一鍵控制方式，向智能機器（推進器、舵漿發(fā)出前進、倒車，左舵、右舵、左右滿舵等）發(fā)出指令，實現(xiàn)船舶進出港智能化控與管理；系統(tǒng)還可以通過船長的語音命令、手寫命令實施船舶進出港智能控制。 5.7當今的船舶自動化綜合集成控制技術(shù)基礎(chǔ)非常雄厚，無線電通訊技術(shù)在船舶自動化應(yīng)用領(lǐng)域也非常廣泛，專業(yè)人士已認識到無線電網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到船舶運營管理的重要性和可行性，國際上已有諸多企業(yè)已經(jīng)將“船岸”無線電網(wǎng)絡(luò)技術(shù)走向成熟階段（簡稱船岸信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)）。船岸信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的功能主要是以船舶綜合監(jiān)測控制、管理決策為基礎(chǔ)，建立船舶岸站管理信息數(shù)據(jù)庫。將船舶的航行工況

16、、營運管理自動模擬決策者智能及所有信息與岸站數(shù)據(jù)庫共享，使船舶航行規(guī)劃、裝卸貨規(guī)劃，預(yù)警船舶性能（浮態(tài)、穩(wěn)性）模擬與高效管理集成，實現(xiàn)“一鍵功能”。最終構(gòu)成航運船舶、航運公司、港口監(jiān)理一體化的“船岸信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)”戰(zhàn)略合作式的船舶管理發(fā)展前景，著眼本世紀實現(xiàn)全球一體化的船舶航運智能化管理。 5.8船舶自動化設(shè)備已經(jīng)歷昨天和今天，明天將伴隨新概念船型的開發(fā)和船舶自動化科學(xué)技術(shù)的進步，以及全球性的節(jié)能環(huán)保技術(shù)的要求不斷提高，使船舶自動化、集成化、智能化技術(shù)不斷升級，船舶推進系統(tǒng)和自動導(dǎo)航系統(tǒng)的集成和智能化控制與管理，來實現(xiàn)自動修正船舶偏離規(guī)劃航線，減少機、漿、舵頻繁啟停和船舶盡最大限難度縮短航程和航

17、行時間，實現(xiàn)船舶燃油低消耗、低排放（兩D）環(huán)保船型的目的已不是再夢想。 6、綜述6.1據(jù)統(tǒng)計2010年某一船廠全年交工船舶32艘，在交工的船中，船舶自動化系統(tǒng)的設(shè)備100%進口。這些設(shè)備的合同總額最低約合美元60萬元/每船，一年總計32*60=1920萬美元。保守換算統(tǒng)計，中國每年有約有4050億美元用于購買進口的船舶自動化設(shè)備。如果拿出全年購買進口船舶自動化設(shè)備總費用的10%來扶持國內(nèi)船舶配套企業(yè)，研發(fā)生產(chǎn)具有競爭力的船舶自動化產(chǎn)品，打入國際市場，那將會帶來多大的經(jīng)濟效益，更重要的是會產(chǎn)生巨大牽引力來拉動內(nèi)需。 6.2據(jù)分析，中國的船舶自動化設(shè)備配套業(yè)發(fā)展比較慢的原因有三：一是配套產(chǎn)業(yè)對產(chǎn)品

18、開發(fā)缺少按照科學(xué)發(fā)展觀的認識，不能有效組織起產(chǎn)、學(xué)、研信息共享的機制。二是每年的投入相對比較散亂，偏激性過強，資源不能有效的共享，不規(guī)范化的投入過大，有效的資源被占用，而船舶配套業(yè)的專業(yè)人才培養(yǎng)和扶持資金缺乏，使船舶自動化產(chǎn)業(yè)不能平衡的發(fā)展，不能使現(xiàn)有產(chǎn)、學(xué)、研及職能部門有效形成合力。三是缺少有組織，有計劃走自主創(chuàng)新技術(shù)研發(fā)激勵政策。 6.3中國的船舶自動化行業(yè)發(fā)展?jié)摿艽?，對拉動中國的?nèi)需效益非常豐厚。急需有能夠組織協(xié)調(diào)中國船舶工業(yè)南北兩大集團的職能部門牽頭，并取得中國船級社的服務(wù)支撐，共同規(guī)范掌控船舶配套設(shè)備的研發(fā)與制造和質(zhì)量控制，同時均衡船舶配套業(yè)的分布和配套能力的培育，把握協(xié)調(diào)好有限資源，以市場為導(dǎo)向，產(chǎn)品技術(shù)開發(fā)以支撐國內(nèi)船舶工業(yè)為綱要，面向世界創(chuàng)新發(fā)展，解決好產(chǎn)品研發(fā)的技術(shù)、設(shè)計和管理的問題，通過創(chuàng)新思路開發(fā)的新技術(shù)、新工藝、新應(yīng)用不斷促進船舶自動化配套業(yè)健康的發(fā)展。 6.4從中國現(xiàn)有的船舶自動化產(chǎn)品看，其已具備一定的能力和條件，該是進入規(guī)范和加強船舶工業(yè)全方位的組織與管理的關(guān)鍵時期，機遇永遠是留給有準備的企業(yè)，抓住機遇堅持可持續(xù)發(fā)展，前途無限風(fēng)光。另外，加大船舶自動化設(shè)備的發(fā)展戰(zhàn)略意義輿論的導(dǎo)向，使國內(nèi)業(yè)界充分認識到，發(fā)展船舶自動化系統(tǒng)技術(shù)不僅是降低船員的勞動強度、船舶維修費用和保障船舶海上航行的人命安全，而且能