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摘要:隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等前沿科技與船舶制造的深度融合,船舶控制系統(tǒng)也逐步實現(xiàn)從自動控制到智能控制的轉(zhuǎn)變。智能控制系統(tǒng)是未來數(shù)字船舶運(yùn)營的重要技術(shù)支撐,是下一代數(shù)字船舶必不可少的核心系統(tǒng)。要保證船舶智能控制系統(tǒng)工作的可靠性,要做好對系統(tǒng)的設(shè)計、生產(chǎn)以及運(yùn)行維護(hù)工作。如何在船舶智能控制系統(tǒng)應(yīng)用的設(shè)計出發(fā),提升系統(tǒng)性能,保障系統(tǒng)的良好運(yùn)行,有著十分重要的意義。本文簡要闡述船舶智能控制系統(tǒng)的特點(diǎn),分析了系統(tǒng)設(shè)計架構(gòu)、系統(tǒng)冗余設(shè)計、遠(yuǎn)程維保、電磁兼容等問題,以供參考。
關(guān)鍵詞:船舶智能控制系統(tǒng);相關(guān)技術(shù);數(shù)字船舶
0引言
船舶智能控制系統(tǒng)是下一代智能船舶的重要系統(tǒng),該系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性直接影響著船舶航行的可靠性與安全性。為此重點(diǎn)研究相關(guān)技術(shù)的具體應(yīng)用,讓船舶智能控制系統(tǒng)集成化、數(shù)字化、信息化,更好地實現(xiàn)船舶制造、船舶運(yùn)營的低成本、高效率,這對我國船舶業(yè)發(fā)展有著十分重要的意義[1]。
1船舶智能控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)
船舶智能控制系統(tǒng)是在船舶自動化系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展的一門新興交叉技術(shù),其充分借鑒了自動化控制的應(yīng)用經(jīng)驗,呈現(xiàn)出獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢,是對傳統(tǒng)電氣自動化技術(shù)的融合與顛覆。隨著現(xiàn)代船舶內(nèi)部數(shù)字化、智能化設(shè)備數(shù)量的不斷增加,現(xiàn)代船舶的整體操縱性能得到了提升。傳統(tǒng)的自動化系統(tǒng)是在船員的監(jiān)管操作下,實現(xiàn)對船舶的控制和管理。而智能控制系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是接入人工智能,依靠其學(xué)習(xí)能力,結(jié)合外部輸入條件及系統(tǒng)運(yùn)行采樣數(shù)據(jù),生成相應(yīng)的操作指令,保證船舶內(nèi)部各類設(shè)備的操作穩(wěn)定性,實現(xiàn)對船舶內(nèi)部關(guān)鍵重點(diǎn)設(shè)備的全面在線監(jiān)測與自動控制。船舶智能控制系統(tǒng)的構(gòu)建更高效地響應(yīng)船舶運(yùn)行時發(fā)生的突發(fā)事件或誤操作行為,并根據(jù)具體問題給予妥善的應(yīng)對措施,進(jìn)而保證船舶行駛過程中通導(dǎo)設(shè)備、航行設(shè)備、推進(jìn)裝置的安全性與穩(wěn)定性。船舶智能控制系統(tǒng)具有網(wǎng)絡(luò)可控化與遠(yuǎn)程監(jiān)控的技術(shù)特點(diǎn),其通過數(shù)字技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用,能夠為船舶智能控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化控制提供良好基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上,船舶智能控制系統(tǒng)還應(yīng)用了現(xiàn)場總線技術(shù),為船舶與岸上、船舶內(nèi)部各設(shè)備模塊之間提供了可靠的信息傳輸通道,實現(xiàn)對各種信號的有效集合,提升系統(tǒng)組態(tài)的靈活性,進(jìn)而讓船舶智能控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性得到了保障。在數(shù)字化信息技術(shù)的支持下,船舶智能控制系統(tǒng)所具備的功能更加豐富,再融合不斷發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),船舶控制系統(tǒng)操作將更便捷,降低對操作者的專業(yè)水平要求[2]。
2船舶智能控制系統(tǒng)應(yīng)用的思考
2.1船舶智能控制系統(tǒng)設(shè)計
船舶智能控制系統(tǒng),其應(yīng)用范圍已經(jīng)從原來單一的船舶設(shè)備自動化管理功能,提升為包含船舶遠(yuǎn)程視頻監(jiān)督、航行動態(tài)能效、船舶油耗、排放監(jiān)控平臺的物聯(lián)網(wǎng)場景,包含航運(yùn)物流、碼頭、生活補(bǔ)給以及船員調(diào)配在內(nèi)的供應(yīng)管理系統(tǒng),是典型的船-岸互動應(yīng)用場景。為實現(xiàn)這些功能,船舶系統(tǒng)將大量采用數(shù)字傳感器技術(shù)、狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)與故障診斷技術(shù)(AMS)、預(yù)警并自動修復(fù)技術(shù)、以及自動駕駛(AUTO-PILOT)和自主航行線路規(guī)劃(ECDIS)技術(shù)、高帶寬衛(wèi)星通信技術(shù)。船舶智能控制系統(tǒng)的設(shè)計不要求大求全,但兼顧未來發(fā)展與實際需要。近年為減少發(fā)電機(jī)組在船舶靠岸后的排放,很多船舶配置了高壓岸電系統(tǒng),但實際上很多港口沒有對應(yīng)接口,反而造成浪費(fèi)。目前相關(guān)國際機(jī)構(gòu)雖然完成了智能船舶的初步分級,但對于智能船舶及其系統(tǒng)的技術(shù)難度等級劃分、量化評價尚未完全達(dá)成共識。如羅-羅分級方案,LR分級方案及BV分級方案就存在標(biāo)準(zhǔn)不同的情況。但不可忽略的是,無論哪種分級方式,都把遙控操作和船舶自主航行作為了重點(diǎn)研究方向。而要實現(xiàn)這兩大功能,充分考慮電磁兼容,確保船舶內(nèi)部設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn),外部通訊穩(wěn)定顯得十分重要[3]。
2.2智能控制系統(tǒng)冗余設(shè)計
冗余處理技術(shù)是通過在船舶智能控制系統(tǒng)中通過硬件冗余或者軟件冗余的方式,讓智能控制系統(tǒng)的安全性得到提升。如在化學(xué)品船液貨系統(tǒng)中,可以采用多聯(lián)驅(qū)動變頻液貨泵,實現(xiàn)各機(jī)組之間獨(dú)立工作、交叉互補(bǔ)。當(dāng)1個機(jī)組出現(xiàn)故障問題時,另外幾個機(jī)組可以分擔(dān)故障機(jī)組的工作任務(wù),進(jìn)而達(dá)到相互備用的效果。而對于自動化主系統(tǒng)等關(guān)鍵設(shè)備的供電,則可采用多聯(lián)UPS不間斷電源供電等方式,確保智能控制系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定,對系統(tǒng)故障的容錯能力更強(qiáng)。而對于軟件部分,可以通過采用不同的算法、不同的編程指令、增加數(shù)據(jù)位等方式,確保系統(tǒng)能夠?qū)p壞的文件或者數(shù)據(jù)恢復(fù)到故障之前的狀態(tài),整個智能控制系統(tǒng)在重啟后能迅速正常工作[4]。
2.3船舶智能控制維護(hù)及遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)
系統(tǒng)智能控制維護(hù)是為了系統(tǒng)在發(fā)生非致命故障時,能夠自動發(fā)現(xiàn)故障的位置,確定故障的性質(zhì),自動采取隔離替換措施或者給出處理建議及方案,讓系統(tǒng)的主要功能保持正常。而智能管理在船舶智能控制系統(tǒng)中的應(yīng)用,可以不依賴于船員而發(fā)出合理的運(yùn)行指令,如船舶NOx出現(xiàn)排放超標(biāo),系統(tǒng)會根據(jù)數(shù)據(jù)采樣對故障位置及故障原因做出分析,給出針對性的處理措施。遠(yuǎn)程監(jiān)控則是在采集導(dǎo)航助航數(shù)據(jù)(AIS,VDR,SSAS、計程儀、風(fēng)速風(fēng)向儀等),把機(jī)艙自動化數(shù)據(jù)(油耗、船體性能、能效、自動化控制、自動監(jiān)測等)通過v-sat衛(wèi)星傳送至岸基公司安全監(jiān)控平臺,并實時分享給各終端部門,能將故障影響降至最低,為后續(xù)船舶運(yùn)行提供建議方案[5]。
2.4智能控制系統(tǒng)與電磁兼容
船舶智能控制系統(tǒng)因其復(fù)雜的信號源、交叉的信號傳輸路徑,大量低信號電壓數(shù)字設(shè)備的同時使用,導(dǎo)致不同的設(shè)備在各種工況下都會受到傳導(dǎo)干擾或輻射干擾,影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。如果系統(tǒng)的運(yùn)行自然環(huán)境較惡劣,需要通過電磁兼容保障技術(shù)來提高系統(tǒng)的抗干擾能力,確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行。智能控制系統(tǒng)的抗干擾主要通過隔離干擾、改變傳輸介質(zhì)等方法實現(xiàn),幾種抗干擾方法技術(shù)特點(diǎn)如下:1)信號隔離,是指通過隔離干擾的方式實現(xiàn)電磁兼容。在船舶智能控制系統(tǒng)的交流電源出現(xiàn)電磁干擾時,系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性會受到影響。為了保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行,可在其交流電源輸出線路上安裝隔離變壓器,實現(xiàn)獨(dú)立供電,將存在電磁干擾的供電線路進(jìn)行隔離。另外,通過將電力電路與通訊電路分開布置的方式,能實現(xiàn)對電磁干擾的有效隔離,進(jìn)而降低電磁干擾對船舶智能控制系統(tǒng)的影響。為了加強(qiáng)船舶智能控制系統(tǒng)的抗干擾能力,除了加裝隔離變壓器以外,還可以在交流電源輸出線路上加裝電源濾波器,以此實現(xiàn)對高頻信號的阻隔,讓電磁干擾進(jìn)一步降低。2)改變傳輸介質(zhì),在船舶智能控制系統(tǒng)中,可以通過改變其信號傳輸介質(zhì)的方法來減少電磁干擾。如對于各類PT100傳感器、壓力變送器的模擬信號,可以通過信號轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)干擾信號與控制系統(tǒng)的隔離。3)系統(tǒng)接地,通信電纜(CAN總線和RS485)要采用屏蔽電纜,并實施單端接地,距離較遠(yuǎn)時盡量采用光纖通訊。變頻設(shè)備必須要使用變頻專用電纜,末端屏蔽采用360度環(huán)繞接地,確保接地連續(xù)可靠[6-8]。
3結(jié)語
隨著云計算、人工智能等科學(xué)技術(shù)的不斷突破,人類對船舶航行安全性、生態(tài)友好性的需求不斷加大。舶舶智能控制系統(tǒng)將在船舶運(yùn)營管理、遠(yuǎn)程監(jiān)測、自動控制中發(fā)揮作用,逐步減少船員配置,最終實現(xiàn)無人化運(yùn)行、自動靠泊、離港也將變?yōu)楝F(xiàn)實。
作者:謝建宏 單位:中船澄西船舶修造有限公司