光纖通信在船舶上的應(yīng)用

應(yīng) 勝 陶繼林

光纖具有信息傳輸容量大、抗干擾能力強(qiáng)、體積小、費(fèi)用低、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)。光纖的應(yīng)用為全球“信息化”的發(fā)展，奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。近年來，隨著船舶工業(yè)的飛速發(fā)展，越來越多的高技術(shù)、高附加值船舶，陸續(xù)被開發(fā)出來。但由于種種原因，光纖通信僅局限在少數(shù)特種船舶上使用，在普通民船上幾乎為零。隨著信息化技術(shù)的發(fā)展，光纖在船舶上的廣泛應(yīng)用將是大勢所趨。

光纖通信的特點(diǎn)

光纖通信比起普通電纜通信有許多優(yōu)點(diǎn)，主要有以下幾個(gè)方面：

首先，光纖通信容量大。理論上直徑只有一條頭發(fā)絲這么細(xì)的光纖，可以同時(shí)傳輸大約1000億路語音通信，在實(shí)際應(yīng)用中已經(jīng)可以達(dá)到24萬路。通常一根光纖中都含有幾十甚至幾百根小的光纖，其通信容量大的驚人。

其次，光纖的抗干擾能力強(qiáng)。我們知道，光纖在傳輸信號(hào)時(shí)，光信號(hào)只在纖芯內(nèi)部進(jìn)行，不同的光纖芯線之間幾乎不會(huì)相互串?dāng)_。由于光纖中傳輸?shù)氖枪庑盘?hào)，所以不會(huì)出現(xiàn)電磁干擾等情況，而且光纖還具有耐腐蝕、可撓性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

另外，光纖還具有：成本低、體積小、重量輕、施工和維修方便等特點(diǎn)。光纖的這些優(yōu)點(diǎn)非常適合長期在潮濕、高鹽霧等海洋環(huán)境中船舶使用的要求。

目前，光纖光纜在各行各業(yè)的應(yīng)用十分廣泛。陸上通信、航空業(yè)及跨洋通信都在大力推廣使用光纖。船舶和海洋工業(yè)歷來被認(rèn)為是高技術(shù)、高附加值的行業(yè)。大力發(fā)展高技術(shù)、高附加值的船舶及高端海洋裝備業(yè)，也是國家加大船舶工業(yè)轉(zhuǎn)型的戰(zhàn)略需要。目前，光纖在船舶上還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到很好的應(yīng)用，據(jù)了解，目前僅僅在科學(xué)考察船、軍艦、潛艇和豪華郵輪等特種船舶上有少量的應(yīng)用，在民用商船上的應(yīng)用幾乎還是空白。船舶光纜的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

光纖通信在船上的主要應(yīng)用

圖1 船用光纜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

由于光纖通信的諸多優(yōu)點(diǎn)，在船舶和海洋裝備工業(yè)中應(yīng)用光纖通信的前景是非常光明的。目前光纖通信在船舶上的應(yīng)用主要有以下幾個(gè)方面。光纖陀螺儀（FOG），這是一種基于薩格納克效應(yīng)（Sagnac）實(shí)現(xiàn)載體相對(duì)于慣性空間角速度測量光纖傳感器件。光纖傳感器、光柵傳感器。應(yīng)用光纖傳感器的船舶系統(tǒng)主要有：機(jī)艙監(jiān)測控制、主機(jī)機(jī)械故障診斷、貨艙液位監(jiān)測、通風(fēng)加熱空調(diào)、破損控制等系統(tǒng)。此外，光纖通信在船舶衛(wèi)星通信、船舶局域網(wǎng)、船舶綜合駕駛臺(tái)系統(tǒng)（IBS）、綜合航行系統(tǒng)（INS）以及船舶航行閉路電視系統(tǒng)（NCCTV）等也有少量的應(yīng)用。船用光纖在眾多的危險(xiǎn)品運(yùn)輸船舶、油船和化學(xué)品船、LPG和LNG船舶等的應(yīng)用有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。我們知道上述船舶對(duì)電氣設(shè)備防爆的要求非常高，常常要求船舶采用本質(zhì)安全型電路或防爆的電氣設(shè)備，由于光纖中傳輸?shù)氖枪庑盘?hào)，而不像普通電纜傳送的是電信號(hào)。所以不存在普通電纜在使用過程中會(huì)發(fā)熱等缺點(diǎn)。光纜本身就是本安型的電路。在油船、化學(xué)品液貨船上，還可以利用光纖傳遞的冷光源給危險(xiǎn)區(qū)域提供照明。

光纖通信應(yīng)用實(shí)例

如圖2所示，某電力推進(jìn)船的主要參數(shù)如下：

總長：78.25m，型寬：17.20m，型深：87.8m，發(fā)電機(jī)組功率：1200kWx4臺(tái)， 載重噸：～3600dwt，設(shè)計(jì)航速：13knots，吊艙式Z型推進(jìn)裝置：1650kWx2臺(tái)。

圖2 某電力推進(jìn)船舶總布置圖

本船推進(jìn)系統(tǒng)采用2臺(tái)吊艙式Z型電力推進(jìn)系統(tǒng)（1650kWx2）。其電動(dòng)機(jī)與固定螺距螺旋槳軸直接相連，并安裝在一個(gè)浸沒于水中的可旋轉(zhuǎn)吊艙中，這對(duì)提高船舶的流體動(dòng)力效率和機(jī)動(dòng)性有很大的好處。

根據(jù)中國船級(jí)社審批的圖紙，該輪舵機(jī)控制箱以及舵角反饋裝置與推進(jìn)器控制單元之間，采用設(shè)備制造商提供的光纖通信。由于電力推進(jìn)系統(tǒng)變頻器、電機(jī)等工作過程中會(huì)產(chǎn)生大量的電磁干擾信息，如果采用普通的船用電纜通信，有可能會(huì)造成電磁干擾，而采用光纖通信則不受這方面的影響。光纖通信可以獲得更加穩(wěn)定的舵角反饋信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)駕駛室對(duì)轉(zhuǎn)舵推進(jìn)系統(tǒng)的精確控制。比起普通的電纜通信，其優(yōu)越性是顯而易見的。

船用光纖產(chǎn)品檢驗(yàn)認(rèn)可要求

目前，一些船級(jí)社在船用光纖的產(chǎn)品認(rèn)可時(shí)，基本是參照船用電纜的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。采用的標(biāo)準(zhǔn)主要有：《成束電纜垂直燃燒蔓延測試》IEC 60332-3-22（2009） 、《成束電線垂直燃燒蔓延測試》IEC 60332-3-24（2009）、《電纜燃燒產(chǎn)生的氣體測試》IEC 60754-1/2：1994（GB 17650.1）、《光纜》IEC 60794-1-1和《電纜煙密度》IEC 61034-2(GB/T 17651) 等。除了進(jìn)行常規(guī)電纜認(rèn)可時(shí)的項(xiàng)目外，船用光纖在產(chǎn)品認(rèn)可時(shí)，還應(yīng)該進(jìn)行如下項(xiàng)目的試驗(yàn)：

1）干熱試驗(yàn)：+55℃，儲(chǔ)存：+70℃；

2）濕熱試驗(yàn)：+40℃，相對(duì)濕度：93%±3%，經(jīng)過3h±0.5h，且應(yīng)在10h～16h的兩個(gè)循環(huán)內(nèi)維持這個(gè)狀態(tài)；

3）低溫試驗(yàn)： -20℃，儲(chǔ)存：-30℃；

4）熱沖擊試驗(yàn)：45K入水，試件應(yīng)在+70℃±3℃的大氣條件下保持1h，然后沉沒在+25℃±3℃的水中，水沒過試件表面的深度應(yīng)該在100mm±5mm，保持1h；

5）向平面自由落體試驗(yàn)：從1m的高度自由降落6次，向硬質(zhì)的實(shí)木表面自由下落。實(shí)木的厚度應(yīng)不小于150mm，其質(zhì)量應(yīng)在30kg或以上；

6）向水中自由落體試驗(yàn)：從20m高度自由降落到水中3次；

7）振動(dòng)試驗(yàn)：在3個(gè)方向上，處于30Hz，振動(dòng)試驗(yàn)2h；

8）淋雨試驗(yàn)：距離試樣3m，用12.5mm噴嘴以100L/min的流量噴淋；

9）浸水試驗(yàn)：600kPa壓力下，浸水12h；

10）光輻射試驗(yàn)：光強(qiáng)1120W/m2， 80h；

11）浸油試驗(yàn)：ISO NO.1油，溫度為19℃，時(shí)間為24h。也可以使用ASTM(美國材料協(xié)會(huì)) OIL NO.1油。如果是船用耐火光纖，還應(yīng)進(jìn)行船級(jí)社認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)耐火試驗(yàn)。具體到船用光纖認(rèn)可時(shí)，各船級(jí)社可能會(huì)根據(jù)各自的實(shí)際情況，提出不同的試驗(yàn)項(xiàng)目。

在現(xiàn)場敷設(shè)船用光纖時(shí)，應(yīng)特別注意光纖通過防火分隔的要求，在沒有防火要求的電路中應(yīng)采用普通阻燃型的船用光纖，而像火災(zāi)報(bào)警、通用報(bào)警以及穿過有較大失火危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)的船用光纖，需要采用專門的船用耐火光纖，當(dāng)然這種光纖也需要持有船級(jí)社認(rèn)可的產(chǎn)品證書。

進(jìn)入21世紀(jì)以來，智能化、信息化的浪潮“席卷”了全球。“大數(shù)據(jù)”、“互聯(lián)網(wǎng)+”等新概念層出不窮。從某種意義上來講，全球信息化的發(fā)展是建立在光纖通信的不斷發(fā)展以及不斷普及的基礎(chǔ)之上的。船舶和海洋裝備工作歷來是高技術(shù)、高附加值的行業(yè)。相信船舶與海洋裝備工作的信息化也是大勢所趨。要實(shí)現(xiàn)船舶和海洋裝備工作的信息化，光纖通信在船舶和海洋裝備上的廣泛應(yīng)用也是大勢所趨。由于光纖在民用商船上的應(yīng)用非常有限，導(dǎo)致了國際各大船級(jí)社在這方面的研究比較少。目前，各大船舶檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)主要是按照國際電工委員會(huì)（IEC）中關(guān)于電纜的認(rèn)可標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行認(rèn)可，如：IEC 60332-3-22 、 IEC 60332-3-24 、IEC 60754-1/2 、 IEC 60794-1-1和IEC 61034-2 等標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于光纖光纜產(chǎn)品尚無檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)或者相關(guān)的檢驗(yàn)指南。因此，各船級(jí)社應(yīng)加快推進(jìn)相關(guān)工作，以適應(yīng)船舶行業(yè)不斷發(fā)展的新技術(shù)要求。