港口工程船舶航行信號燈改造

李 勃，楊昆永，李洪博

（渤海大學，遼寧錦州 121000）

0 引言

船舶航行信號燈又稱為號燈，分為紅、綠、白3 色，垂直安裝在船舶桅桿的兩舷側。航行信號燈包括舷燈、桅燈、錨燈、尾燈、拖帶燈、閃光燈、莫氏燈、失控燈、受限燈等，其他船可以根據航行燈和信號燈的顏色、位置、明暗等識別本船的位置、狀態、航行意圖，從而避免碰撞。正確配置航行信號燈對船舶安全航行至關重要，其需要以《1972 年國際海上避碰規則》及其修正案為基礎進行設計，并遵循我國海事局頒布的《船舶與海上設施法定檢驗規則》中關于航行信號燈的要求與解釋[1]。

船舶航行信號燈是船舶正常航行的重要保證，特別是在船舶類別、航行動態、船舶避碰等方面具有重要作用。然而，大部分老舊船舶的航行信號燈控制系統采用開關控制，不但占用較大的駕駛臺空間，而且成本較高，性能不穩定。采用集成電路板控制技術取代開關控制，在降低故障發生頻率的同時，能有效提高系統運行的穩定性和可靠性。

隨著港口工程船舶使用年限的增長，船舶部分設備進入疲勞老化狀態。特別是航行信號燈工作環境惡劣，電氣設備及其組件時常出現不同程度的老化現象，這將對設備運行的穩定性和可靠性產生巨大隱患，如果不及時解決，將影響船舶的通航安全。

1 航行信號燈的設計要求

以港口工程船舶為例，由于船齡長達26 年，加之設備維護不佳，造成部分零部件難以購買、控制系統維修困難等問題。根據國際與國內相關規則與規范的要求，參照航行信號燈控制系統設計原理和使用方式的新趨勢，對航行信號燈控制系統進行了重新設計和改造。

通過對收集的相關資料進行分析與論證，改造方案為航行燈和信號燈控制箱內部控制系統采用集成電路板控制，控制系統由兩路電源單獨供電，一路為主配電板和應急電源提供，另一路由駕駛臺照明配電箱供電（例如：錨燈、白晝信號燈），各供電電路均配有控制按鈕及熔斷器。當航行燈故障時，應發出聲光報警并且相應的故障指示燈閃亮。控制系統的核心是單片機，還需要外圍驅動，從而能夠按照控制系統的要求對指示燈和蜂鳴器進行控制。

外部控制面板使用按鈕開關式LED 指示燈，同時在外部控制面板上增加了一般功能指示燈，便于操作員使用和觀察。通過對航行信號燈改造項目的可行性分析，不斷修改和改進設計原理，并對系統進行仿真分析，理論設計完成后進入現場進行改造階段。

2 航行信號燈的系統設計

控制器的核心是以單片機（AT89C51）為主控芯片，該芯片是一種低功耗、高性能微控制器。參照單片機工作原理，采用C 語言對系統進行編程，實現主程序邏輯精準判斷。系統主程序是系統運行時的主要循環程序，能夠執行各種控制信息；I/O 口子程序用于接收/輸出開關量信號，控制各種使能端[2]。信號存儲、處理子程序負責數據存儲、記錄、運算、計時等功能。

控制系統由輸入設備、收發器驅動器、輸出設備、通信接口等模塊組成。輸入設備硬件接口和軟件接口可以高效、快速地執行按鍵信息輸入功能任務。用戶操作信號燈時，開燈時的按鈕操作、電源系統的供電情況都是通過信號燈控制器的輸入設備輸入系統。輸入單元由檢測裝置、輸入單片機接口電路和隔離裝置組成，檢測裝置通過運算放大器實現[3]。燈亮時，將檢測電壓與可調基準電壓輸入運算放大器進行比較，如果負載燈電路正常，則運算輸出邏輯為“1”，否則輸出邏輯為“0”。隔離裝置通過光耦合器實現。輸入接口電路由總線隔離器和濾波電容器組成[4]。輸入設備的軟、硬件濾波技術與控制器輸入部分的濾波技術相同。為了保護驅動電路，將保險絲連接到電路上，保護負載燈和驅動電路板。同時，輸出設備通過單片機接口線路控制繼電器動作，使負載燈通電或斷電。使用Proteus 搭建仿真系統，并對電路板繪制，實現復雜環境下設備優化。航行信號燈Proteus 仿真如圖1 所示。

圖1 航行燈和信號燈Proteus 仿真

根據船舶電力系統的特點，其航行信號燈控制系統采用多路電源供電，并且在多路電源中可以實現故障自動切換，航行信號燈控制器供電電路如圖2 所示。供電優先級是主配電板的AC 220 V電源優于充放電板的DC 24 V 電源。正常情況下，航信信號燈的電源由AC 220 V 主配電板經整流后變為DC 24 V 供控制器使用。同時，控制屏還設有調光、試驗、消聲、蜂鳴器等，起散熱作用的風扇安裝在控制器外殼上。

圖2 航行和信號燈控制器供電電路

船舶航行信號燈屬于船舶外部的信號燈。其視覺信號直接關系到船舶的航行與安全。以本工程船舶為例，羅列出航行燈和信號燈的名稱、電壓等級、燈的顏色、規格等信息。船舶的航行燈和信號燈信息見表1。

表1 航行信號燈信息

在駕駛臺航行信號燈的控制面板上，通信接口發送和接收所有照明控制信號和燈亮成功與否的反饋信號。航行信號燈控制面板如圖3 所示，主要功能有：

圖3 航行信號燈控制面板

（1）電源：當控制系統的AC 220 V 控制電源接通后，“主電源”指示燈亮；當控制系統的AC 220 V 控制電源斷電后，“主電失電”指示燈亮，同時“應急電源”指示燈亮。電源電路的直流工作電壓由穩壓電源模塊提供。

（2）蜂鳴器：如果航行信號燈一盞電燈壞后，控制器面板上的指示燈會閃爍，蜂鳴器發出警報，指示駕駛人員及時查找故障并處理。

（3）調光：可以在控制器面板上調節各指示燈的亮度，防止船舶夜間航行時燈光減弱，影響駕駛員的視線。調光電路通過零檢測電路的光耦驅動雙向晶閘管，實現燈具的調光控制[5]。

（4）試燈：按下測試燈按鈕后，控制器面板上的所有指示燈都將亮起，方便駕駛人員測試各指示燈線是否正常、各燈是否損壞。

（5）消聲：如果一盞燈的線路出現故障，控制器面板上的相應指示燈將閃爍，蜂鳴器將發出報警，若按下“消聲”按鈕，則將警報消除。

3 主要改造要點

（1）航行信號燈控制系統的控制單元將繼電器控制改為集成電路板控制，減少故障發生頻率，提高系統運行的穩定性和可靠性。

（2）增加航行信號燈控制系統電力線路上的熔斷器。在改造過程中，將現有線路連接到新的控制系統接線后，將在此接線上增加熔斷器。能在線檢測燈具的斷線、短路狀態。每個燈的控制電路有兩個保險絲，提高系統電路的安全性。

（3）航行信號燈控制系統的控制面板將撥碼開關改為按鈕開關，在充當開關的同時還能讓駕駛員直觀地看到當前控制系統各燈的工作狀態。

（4）這次改造補充航行信號燈控制系統的功能，使用ZP-50 A/50 V 散熱片式二極管，降低了二極管的損壞概率；將原來AC 110 V系統，改為DC 24 V 系統，使系統更安全與穩定。

4 結語

船舶航行信號燈是與船舶運輸、安全直接相關的一種視覺信號，保障船舶正常運行和船員財產的生命安全是船舶航運業內人士共同關注的問題，性能好的航行信號燈控制系統能夠準確地反映船舶的位置、種類、方向和情況。基于港口工程船舶，對航行信號燈系統進行實船改造，以低功耗的集成模塊替代原系統，實現故障檢測、自診斷、切換電源、故障報警等多個功能，有效解決傳統航行信號燈存在布置難、接線多、不穩定等問題，使駕駛員能更加直觀地了解航行信號燈的運行情況，為船舶的安全性提供重要保障。