關于船舶設備的自動化及信息化研究

文/尹曉丹

（中船電子科技（三亞）有限公司 北京市 100070）

自哥倫布發現新大陸以后，海上運輸業不斷發展，并成為沿海國家經濟發展的重要推動力量，為推動遠洋運輸業的發展，造船業隨之興起，船舶總噸位、數量成為一個國家遠洋運輸能力的象征，然而，受制于技術等多方面因素的共同影響，遠洋運輸行業發展速度較陸上運輸發展緩慢。隨著電子信息技術在多行業中的快速滲透，船舶設備自動化、信息化水平持續提升，為遠洋運輸行業發展注入了新的動力。

1 船舶設備發展概述

船舶設備的發展經歷了手動、半自動、自動三個階段。首先，船舶設備手動階段是指以人的經驗為主，船用設備控制目標的實現需要人的全程參與，如星象儀、航向舵等，該階段航行安全指數和效率最低；其次，在人類進入到工業革命階段后，船舶設備基本實現了半自動控制，利用機械原理提高船舶航行過程中的控制效率和精度，大大降低了對船員數量依賴性，如輪機控制系統、導航系統等；最后，在電子信息技術全面普及的情況下，船舶設備已經基本實現了自動化及信息化，自動駕控系統、電子海圖、船舶自動識別系統實現了船舶安全航行、智能控制等功能。

2 船舶設備的自動化及信息化現狀

根據船舶系統功能的劃分情況，船舶設備的自動化及信息化發展可以通過駕控系統、通信系統、導航系統進行一個較為全面的了解。

2.1 船舶駕控系統的自動化及信息化

船舶航行過程中的速度、航向等均通過駕控系統來實現，現代船舶駕控系統的使用代替了傳統控制模式，大大提高了控制效率，減少了人力成本，甚至實現了在無人值守的情況下，駕控系統可根據計算機對多路數據的處理結果進行自動控制。

以ABB 公司生產的Anew Console 綜合駕控臺為例，該駕控臺采用模塊化設計思想，結合數據可視化技術將多路傳感器信息在顯示器上進行顯示，并通過計算機數據處理中心為操作人員提供參考。其中，依托自動托管技術，Anew Console 綜合駕控臺可通過航線設定與自動規劃匹配最佳航速，并根據周邊海域環境變化適時發出警報，提醒操作人員及時介入，避免航行安全事故的發生。

中國在船舶駕控系統研究方面起步較晚，但經過近十年的發展，以VISION2100 型駕控臺為代表的國產駕控臺雖然在自動化、信息化水平方面依然落后于發達國家，但是，作為遠洋運輸與船舶建造行業的后起之秀，中國船舶駕控系統自動化、信息化落后面貌將得到徹底扭轉。

2.2 船用智能通信系統

根據船舶設備自動化、信息化發展的需要，船用通信系統作為內部數據傳輸的重要保障，除需要穩定的系統架構以外，還需要對不同數據進行分析，及時發現數據中的異常情況，并向對應數據來源部門進行提示，在故障進一步擴大的情況下進行處置，保證各系統工作狀態正常。不僅如此，船用智能通信系統還承擔著對外無線通信的任務，受外部復雜空間電磁環境的影響，通信質量穩定性較差，智能通信系統可利用自動變頻技術弱化電磁干擾效果，最大限度保證通信信號的暢通。

圖1：RF-5000 型短波數字跳頻電臺原理框圖

圖2：自適應網絡數據節點“橋式”架構設計示意圖

以RF-5000 型短波數字跳頻電臺為例，其原理框圖如圖1 所示。

外部電磁干擾通過天線耦合至收發單元，當自適應控制器判定通信干擾功率超過閾值后，則由控制單元進行快速掃頻操作，并選擇通信質量最優信道，根據信道質量確定跳頻頻率優先級。當跳頻單元確定執行跳頻動作時，跳頻控制單元同步發出跳頻信號，保證收發雙方始終在同一信道上。

2.3 船用自動導航系統

遠洋運輸與陸地運輸的一個最大區別在于導航技術的應用，路上行駛可以憑借各種自然或人工參照物進行導航，而海洋上缺少固定參照物，極易迷失方向，早期人們通過星象儀進行定位，這是天文導航技術的雛形，隨著衛星定位技術、慣性導航技術的不斷發展，以GPS、北斗為代表的衛星定位系統，以及電羅經為遠洋運輸船舶提供了精準的定位信息。

定位技術是船用自動導航系統的核心，海上船舶將各自定位信息與航向、航速等數據通過衛星通信系統發送至管控中心，由管控中心對所有船舶的航行數據進行監視，一旦出現大概率會遇幾率的情況，管控中心將向對應船舶發出預警信息，甚至通過遠程干預的方式調整船舶航向、航速。

表1：自適應網絡數據系統功能表

除依托岸基管控中心以外，船用自動導航系統還可以利用VHF天線接收周圍船舶共享的數據信息，并由綜合導航系統實時繪制周圍船舶航跡向與未來一段時間內的航行軌跡，同時與本船航向進行比對，若存在碰撞風險，則自動導航系統將根據實際情況重新規劃多條可行路徑，并將路徑更改計劃報導航部門確認。

3 船舶設備的自動化及信息化發展建議

盡管，船舶設備的自動化及信息化水平已經能夠滿足現階段遠洋運輸對安全性高、成本低的要求，但是，在全球航運市場競爭日益激烈的情況下，船舶設備的自動化及信息化水平依然有待提高，對此，可在以下幾個方面進行努力。

3.1 構建自適應網絡數據系統

船舶設備的自動化、信息化是提高遠洋運輸安全性和高效性的必然要求，傳統內部通信網絡實現的僅僅是網絡數據傳輸橋梁作用，為滿足未來船用設備自動化、信息化水平的不斷提高，則需要構建自適應網絡數據中心，其功能如表1 所示。

以自適應網絡數據系統節點冗余架構設計為例，若該通信網絡內部節點設計為2 個，且使用“橋式”架構，如圖2 所示。

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

3.2 智能艦橋控制系統

自動駕控系統在一定程度上解決了船舶遠洋運輸過程中的動力、航向等控制功能，大大減輕了駕駛人員的工作壓力。但是，根據未來智能航運發展規劃，功能更加豐富、自動化水平更高的智能艦橋控制系統將成為船舶設備自動化及信息化發展的必然趨勢。

（1）智能艦橋控制系統在繼承傳統控制模式的基礎上，增加語音、視覺等多種控制技術，實現更為豐富的人機交互，提高控制效率。

（2）智能艦橋控制系統利用人工智能技術，對所有數據進行實時監視，及時判定風險數據，并能夠在最短時間內做出響應。例如，集控室內部溫度傳感器反饋主發動機燃燒室溫度變化異常，曲線擬合結果存在發動機高轉速受損可能，此時，智能艦橋控制系統將結合周邊海域情況（船只、風向、風速、浪高）調整發動機轉速，以避免持續高轉速對發動機造成的傷害。

（3）智能艦橋控制系統能夠通過無線通信系統與周邊船只進行數據共享，進而實現非人因素下的自動避碰功能。例如，智能艦橋控制系統將導航雷達數據與AIS 數據進行融合，借用AIS 的VHF 甚高頻天線將對應航行數據向目標船只共享，智能艦橋控制系統對本船與目標船只的會遇情況進行計算，并根據計算結果調整各自航向、航速，保證會遇距離在安全可控范圍。

4 船舶設備自動化及信息化不利因素分析

近年來，船舶設備自動化及信息化水平不斷提升，有效減輕了船員在遠洋運輸過程中的工作壓力，然而，以電子信息技術為核心的船舶設備同樣存在隱患。

4.1 環境因素導致設備故障率較高

電子元器件對工作環境有著嚴格要求，由于船舶內外環境高溫、高濕、振動、高腐蝕等特點，導致電子元器件的可靠性明顯降低，進而存在設備故障風險。

針對這一問題，在船舶設計過程中，需要根據船用設備所處的環境確定相關設備參數標準，配套設備需提交對應型式試驗報告。同時，根據數據統計結果，對故障率較高的設備加強檢修頻次，增加備品備件攜帶數量。

4.2 電磁干擾對設備工作可靠性的影響

電磁干擾是電子信息設備故障高發的又一重要因素，復雜的電磁信號通過輻射傳導和閉合回路傳導兩種方式耦合至電子信息設備之中，極易導致設備誤動作、功能失效等問題，尤其是對于一些較為敏感的電子設備，甚至會受到自身內部的電磁干擾。

該問題的解決可以從兩個方面出發：

（1）明確船舶設備電磁屏蔽設計標準；

（2）在船舶設計過程中需要考慮各類型船用設備對電磁環境的適應性，將強電磁輻射設備與敏感設備隔離。

5 總結

船用設備的自動化及信息化是一把“雙刃劍”，為更好地發揮船舶設備自動化及信息化在船舶航行安全、成本控制等多方面的作用，除對船舶設備研發進行研究以外，還需要結合實際情況完善船舶建造設計方案。隨著船舶遠洋運輸行業的快速發展，船舶設備自動化及信息化水平將持續提升，類似“無人汽車”的“無人遠洋運輸船舶”必然會出現。