船舶自動化系統(tǒng)若干關(guān)鍵問題研究

馬善偉，臧 軍，劉 赟

（711研究所，上海 201108）

0 概 述

船舶自動化設(shè)備是為船舶配套的核心裝備之一，包括機(jī)艙自動化、航行自動化、船岸信息一體化、裝載自動化、液位遙測、閥門遙控、姿態(tài)平衡等子系統(tǒng)，涉及的技術(shù)門類眾多，且具有顯著的多學(xué)科交叉特征，本文擬就近來國際上關(guān)注度較大的船舶自動化系統(tǒng)若干關(guān)鍵問題，如船舶動力裝置故障診斷[1～3]、船舶機(jī)艙無線傳感網(wǎng)絡(luò)、標(biāo)準(zhǔn)模塊自動配置進(jìn)行闡述。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 船舶動力裝置故障論斷

Kongsberg Maritime公司的發(fā)動機(jī)軸承磨損監(jiān)控系統(tǒng)（BWM）[4]通過CAN網(wǎng)絡(luò)與AutoCheif C20自動控制系統(tǒng)連接，采用模擬圖顯示磨損量和測量數(shù)據(jù)變化趨勢。該系統(tǒng)將安裝在由韓國現(xiàn)代Samho重工為挪威船東Kristian Gerhard Jebsen Skipsrederi（KGJS）公司建造的8艘12萬dwt成品油船上的、由現(xiàn)代集團(tuán)制造的MAN B&W 6缸S70ME-C8低速柴油機(jī)上，一旦3個曲柄系軸承（十字頭軸承、曲柄銷軸承和主軸承）任何一個出現(xiàn)突發(fā)故障的跡象，就會提前報警并采取預(yù)防措施可避免計劃外的保養(yǎng)和船舶停運(yùn)的損失。KGJS將BWM看作是向?qū)嵤┣罢靶员ｐB(yǎng)邁進(jìn)了一大步，這將有助于實現(xiàn)發(fā)動機(jī)大修的最佳間隔時間。

Kittiwake Developments的新型LinerSCAN發(fā)動機(jī)缸套磨損系統(tǒng)將用于德國 Flaeisz 公司運(yùn)營的17艘船舶上，該系統(tǒng)可優(yōu)化氣缸潤滑油供應(yīng)量，及時向船員提供可能出現(xiàn)的發(fā)動機(jī)嚴(yán)重磨損、發(fā)動機(jī)潛在損壞和故障等重要信息；采用磁測量儀，測量使用過的氣缸潤滑油中的含鐵量，報告磨損所導(dǎo)致的變化，清楚顯示高機(jī)械應(yīng)力與熱應(yīng)力時間長度。使船上的輪機(jī)人員能預(yù)知磨損趨勢，采取相應(yīng)的預(yù)防措施以避免巨大的停船損失；并采用適當(dāng)?shù)木S護(hù)計劃，減少取樣和實驗費(fèi)用，使缸套磨損最小化，且能探測催化顆粒的侵入。

荷蘭挖泥船專業(yè)公司 IHC Merwede與Pruftechnik Nederland NV合作開發(fā)的振動狀態(tài)監(jiān)控程序是挖泥船全壽命支持方案的一部分，測量數(shù)據(jù)取自主要旋轉(zhuǎn)部件如泵和齒輪箱，以監(jiān)測零件配合公差可能存在的反常狀況，保證早期探測、分析并預(yù)報更換關(guān)鍵部件的最佳時間，或確定何時必須進(jìn)行維修。Pruftechnik Russia公司將Vibrotip EX型數(shù)據(jù)收集儀應(yīng)用于Novoship所經(jīng)營的60艘液貨船，監(jiān)控旋轉(zhuǎn)機(jī)械如泵、風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)，特別注意其振動的嚴(yán)重程度、軸承狀態(tài)、空蝕、旋轉(zhuǎn)速度和溫度。

Marine Software公司對振動監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了升級，并用于P&O Ferries公司的16條船上，輪機(jī)人員把例行計劃保養(yǎng)的一部分紀(jì)錄的振動讀數(shù)，下載到RCM軟件中，該軟件可向設(shè)備操作人員提供機(jī)械狀態(tài)簡單的紅綠燈式判斷，并可查閱歷史。

國內(nèi)各大學(xué)、研究所對于船舶動力裝置的故障診斷系統(tǒng)相關(guān)研究很多[5]，國內(nèi)研究成果大多局限于實驗室階段，鮮見獲得實船應(yīng)用成果。

1.2 船舶機(jī)艙無線傳感網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)本身源自軍事上的需求，現(xiàn)代信息化戰(zhàn)場上，需要一種無中心、分布式控制、可快速臨時組網(wǎng)、多跳的無線移動通信系統(tǒng)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有高容錯、抗毀性，而且隱蔽性強(qiáng)，是數(shù)字戰(zhàn)場無線數(shù)據(jù)通信的首選技術(shù)，是軍隊在敵對區(qū)域中獲取情報的重要技術(shù)手段，非常適合軍事上的應(yīng)用，已經(jīng)受到了軍事發(fā)達(dá)國家的重視[6]。美軍近來連續(xù)啟動了一系列研究計劃，探索傳感器網(wǎng)絡(luò)在未來戰(zhàn)爭中的應(yīng)用。另外，美國海軍開發(fā)的網(wǎng)狀傳感器系統(tǒng)CEC（Cooperative Engagement Capability）適用于艦船或飛機(jī)戰(zhàn)斗群攜帶的電腦進(jìn)行感知數(shù)據(jù)的處理。每艘戰(zhàn)船不但可依賴于自己的雷達(dá)，還可依靠其他戰(zhàn)船或者裝載CEC的戰(zhàn)機(jī)來獲取感知數(shù)據(jù)。未來無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將會成為C4ISRT（Command,Control, Communication, Computing, Intelligence,Surveillance, Reconnaissance and Targeting）系統(tǒng)不可或缺的部分。

此外英國、日本、意大利等國家的一些大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)也紛紛開展了該領(lǐng)域的研究工作，取得了一些初步研究結(jié)果。在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，2003年ABB公司就將無線網(wǎng)絡(luò)運(yùn)用于開環(huán)控制和閉環(huán)控制的工廠試驗；2004年BP公司在大型運(yùn)油船引擎的振動溫度等參數(shù)的監(jiān)控、油氣管線的腐蝕檢測及煉油過程的無線測量平臺等多個不同應(yīng)用場合進(jìn)行了許多工業(yè)實驗。Emerson Process Management已經(jīng)采用Dust Networks的海上平臺無線傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，但節(jié)點數(shù)量不超過20個，且節(jié)點之間距離較短。

近年來，國內(nèi)中科院、清華大學(xué)、北京交通大學(xué)等單位在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面也進(jìn)行了大量的工作,主要從事通信協(xié)議的分層和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計、無線通信協(xié)議棧、同步和定位中間件、數(shù)據(jù)融合、低功耗與高安全性設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)管理、質(zhì)量保證技術(shù)以及特定行業(yè)的應(yīng)用研究。同時寧波中科、北京鑫諾金傳感與控制技術(shù)有限公司、成都無線龍科技等公司也開始推出針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及ZIGBEE（美國電氣及電子工程師學(xué)會802.158.4協(xié)議）的解決方案，以及面向一定產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的系統(tǒng)方案，但大部分工作停留在理論仿真層面，試驗驗證不多，產(chǎn)品的可用性差。

國際著名公司如挪威KONGSBERG公司等認(rèn)為，基于無線網(wǎng)絡(luò)的智能化分布式系統(tǒng)是未來船舶機(jī)艙自動化系統(tǒng)的發(fā)展方向，而無線網(wǎng)絡(luò)又以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為突破口，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有無需外界配置管理的自組織特性，使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)易于快速部署, 且網(wǎng)絡(luò)冗余度高，非常適合在惡劣的環(huán)境和船艙這種空間小的場所使用，具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢和發(fā)展前景?？梢灶A(yù)計，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用是一種必然趨勢。

1.3 標(biāo)準(zhǔn)模塊自動配置

挪威Auto-Maksin公司最近推出了基于標(biāo)準(zhǔn)模塊的新型Marine Pro系列船用柴油機(jī)監(jiān)測和控制產(chǎn)品，利用模塊化的程序可以實現(xiàn)保護(hù)操作、數(shù)據(jù)監(jiān)測可靠并提高決策能力?；贒CU（分布式控制單元）305單元系列設(shè)計的獨(dú)立模塊可以互聯(lián)構(gòu)成單獨(dú)或網(wǎng)絡(luò)配置，形成簡單或復(fù)雜的系統(tǒng)。且系統(tǒng)界面具有自動配置、密碼保護(hù)等功能，內(nèi)置 10種語言，船員不需要專門的經(jīng)驗和培訓(xùn)。模塊化系統(tǒng)可用于多種用途；可以提供船舶操作、報警集成、船員培訓(xùn)和信息報告的一種通用方法。不管是在船上多個地點安裝多個控制面板，以當(dāng)?shù)氐恼Z言顯示文字，還是利用同一個系統(tǒng)監(jiān)視所有的發(fā)動機(jī)、生活服務(wù)或者其他諸如艙底水報警，系統(tǒng)都可以通過簡單的配置完成，不需要任何專門的工具和軟件。系統(tǒng)模塊和 DCU的基本核心模塊不同，包括交流發(fā)電機(jī)接口、專用停機(jī)保護(hù)裝置、遠(yuǎn)程遙控遙測的接口。每個模塊可以自動配置，如有必要，還可以通過人工利用筆記本電腦和網(wǎng)頁瀏覽器配置。系統(tǒng)的可擴(kuò)展性使得系統(tǒng)隨著需求的改變可以采用與之相應(yīng)的模塊。Marine Pro在設(shè)計時為了便于非專業(yè)人士使用，還配置了簡單的啟動向?qū)?，使得基本的DCU410單元可以根據(jù)當(dāng)?shù)氐囊笞詣优渲茫蛘叽瑬|也可以在系統(tǒng)安裝之前或者安裝過程中利用auto-Maksin進(jìn)行專門的配置。任何其他的模塊與基礎(chǔ)單元通信，可以自動配置，而不需要用戶參與，也不需要專門的工具和軟件。如果需要，操作員還可以利用標(biāo)準(zhǔn)瀏覽器的下拉菜單進(jìn)行一些基本設(shè)置，在每個模塊內(nèi)設(shè)置自己的網(wǎng)頁服務(wù)程序，可獨(dú)立使用。

近年來國內(nèi)在模塊標(biāo)準(zhǔn)化方面做了不少工作，如711研究所開發(fā)了一系列“三化”模塊，并研發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的軟件自生成平臺，通過對軟硬件模塊的簡單配置即可形成機(jī)艙自動化 3大系統(tǒng)，且具有較強(qiáng)擴(kuò)展功能。

2 需要突破的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 船舶動力裝置故障診斷

船舶動力裝置是船舶的核心裝備，其運(yùn)行的可靠性、穩(wěn)定性非常重要。一旦出現(xiàn)故障，輕則運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性下降，重則出現(xiàn)船舶運(yùn)行癱瘓，因此國際上先進(jìn)航運(yùn)國家非常重視船舶動力裝置狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的研制工作。當(dāng)前，故障診斷已由以前的定時維修發(fā)展為視情維修，無論采用發(fā)動機(jī)軸承磨損、缸套磨損還是振動監(jiān)測，其最終目的均是預(yù)知故障發(fā)展趨勢，實施前瞻性保養(yǎng)。但是，對于如何預(yù)知故障趨勢，采用何種判斷手段和技術(shù)方法沒有涉及，這就成為解決船舶動力裝置故障診斷問題所必須突破的技術(shù)關(guān)鍵：鑒于船舶動力裝置故障的發(fā)生可簡單劃分為漸進(jìn)性緩變故障和突發(fā)性故障兩類，因此時間序列分析模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的融合將會對預(yù)測監(jiān)測參數(shù)動態(tài)發(fā)展趨勢、實施前瞻性保養(yǎng)起到很好的效果。

2.2 船舶機(jī)艙無線傳感網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)有路由協(xié)議、MAC（介質(zhì)訪問控制）協(xié)議、拓?fù)淇刂啤⒍ㄎ患夹g(shù)、時間同步、安全技術(shù)、能量供應(yīng)與管理等[6,7]。

1)路由協(xié)議。路由協(xié)議負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)分組，從源節(jié)點通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點。主要包括兩方面的功能：尋找源節(jié)點和目的節(jié)點間的優(yōu)化路徑，將數(shù)據(jù)分組沿著優(yōu)化路徑正確轉(zhuǎn)發(fā)。路由協(xié)議可有不同的分類方法，包括平面路由和層次路由；主動路由、按需路由和混合路由；是否基于位置的路由；是否基于Qos（服務(wù)質(zhì)量）的路由；是否基于數(shù)據(jù)融合的路由等。

2)MAC協(xié)議。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，MAC 協(xié)議決定無線信道的使用方式，在傳感器節(jié)點之間分配有限的無線通信資源，用來構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的底層基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，對傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能有較大影響，是保證無線傳感器網(wǎng)絡(luò)高效通信的關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之一。

3)拓?fù)淇刂?。在滿足網(wǎng)絡(luò)覆蓋度和連通度的前提下，通過功率控制和骨干網(wǎng)節(jié)點選擇，剔除節(jié)點之間不必要的通信鏈路，形成一個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。具體地講，傳感器網(wǎng)絡(luò)中的拓?fù)淇刂瓢凑昭芯糠较蚩梢苑譃閮深悾汗?jié)點功率控制和層次型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組織。

4)定位技術(shù)。對于大多數(shù)應(yīng)用，不知道傳感器位置而感知的數(shù)據(jù)是沒有意義的。傳感器節(jié)點必須明確自身位置才能詳細(xì)說明“在什么位置或區(qū)域發(fā)生了特定事件”，實現(xiàn)對外部目標(biāo)的定位和追蹤；了解傳感器節(jié)點位置信息還可以提高路由效率，向部署者報告網(wǎng)絡(luò)的覆蓋質(zhì)量，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖耘渲谩?/p>

5)時間同步技術(shù)。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，單個節(jié)點的能力非常有限，整個系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能需要網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點相互配合共同完成。時間同步在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中起著非常重要的作用，國內(nèi)外的研究者已經(jīng)提出了多種時間同步算法。

6)安全技術(shù)。與其他無線網(wǎng)絡(luò)一樣，安全問題是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個重要問題。由于采用的是無線傳輸信道，傳感器網(wǎng)絡(luò)存在竊聽、惡意路由、消息篡改等安全問題；同時，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的有限能量和有限處理、存儲能力兩個特點使安全問題的解決更加復(fù)雜化了。

7)能量供應(yīng)與管理技術(shù)。研究熱點是能量供應(yīng)與管理,能量供應(yīng)包括無線供電、生物能供電、高能電池、太陽能電池等具體研究；而能量管理則傾向于研究休眠、喚醒,以及采用發(fā)送功率低的 RF（射頻）等。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)模塊自動配置

標(biāo)準(zhǔn)模塊自動配置需要解決模塊地址主動配置、尋址模式優(yōu)化、沖突消解、冗余容錯、熱插拔、軟硬件接口協(xié)調(diào)等相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)。最終標(biāo)準(zhǔn)模塊自動配置將實現(xiàn)以下兩個基本功能：

1)通過連接線將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和硬件標(biāo)準(zhǔn)模塊（I/O模塊、基本控制模塊、輔助控制模塊）以及計算機(jī)連接，系統(tǒng)配置軟件啟動后可以實現(xiàn)各模塊和設(shè)備IP地址等的主動配置，并形成一個可以穩(wěn)定運(yùn)行的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，即系統(tǒng)配置軟件在不需要人員參與的情況下可以主動按照設(shè)定的規(guī)則和生成策略配置系統(tǒng)，且具有故障自診斷、故障報警與簡單的故障隔離功能。

2)在系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時，如果插入一個新的標(biāo)準(zhǔn)模塊，該系統(tǒng)將根據(jù)新加入模塊的位置和系統(tǒng)與其他模塊之間的邏輯關(guān)系具備主動接納該模塊并配置形成新的系統(tǒng)的能力，如果該模塊的功能或地址與在用系統(tǒng)出現(xiàn)沖突則根據(jù)預(yù)先設(shè)定的沖突消解策略和冗余容錯設(shè)置進(jìn)行相應(yīng)的處理。

3 結(jié) 語

本文針對船舶自動化系統(tǒng)中的船舶動力故障診斷、船舶機(jī)艙無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和標(biāo)準(zhǔn)模塊自動配置3個熱點問題進(jìn)行了分析和研究，提出了解決上述問題需要突破的關(guān)鍵技術(shù)，為后續(xù)的研究明確了方向。這些研究熱點在當(dāng)今船舶領(lǐng)域中的先進(jìn)國家也處于起步階段，因此必須奮起直追，把握機(jī)會，縮小與國外產(chǎn)品的差距，為我國真正成為國際造船強(qiáng)國奠定基礎(chǔ)。

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