無人機艙監(jiān)測報警系統(tǒng)方案研究

劉宙鋒　王艷婷

摘要：機艙監(jiān)測報警是對機艙重要設備的安全參數(shù)及運行狀態(tài)進行監(jiān)控，同時對管理人員和值班人員通過聲光等方式提示，以保證設備正常運行或是人員的安全。本文通過對現(xiàn)已實現(xiàn)技術的研究，為進一步的研究相關船舶監(jiān)控系統(tǒng)打下基礎。

關鍵詞：監(jiān)測；報警；自動化

隨著計算機技術、嵌入式技術、通信技術的不斷發(fā)展，船舶的自動化技術也在不斷的提高，發(fā)展的特點更加的綜合、智能，比起以前的系統(tǒng)，也更加的模塊化、網絡化?，F(xiàn)在的船舶監(jiān)控報警的大部分功能是用軟件實現(xiàn)的，通訊方式采用的是總線技術，這樣的方式能夠減少硬件資源的投資、提高軟件的可靠性、增加了工作效率、提高了軟件的性價比。

一、無人機艙的發(fā)展分析

在20世紀60年代，船舶機艙設備自動化的要求被提出來。機艙自動化可以簡化管理工作、減輕工作人員工作負擔、提高工作人員的工作效率，從而解決了船舶噸位與船舶運營成本成正比的問題。而從70年代開始，機艙自動化獲得如下進展：（1） 輪機的自動化裝置實現(xiàn)了對于機船設備實現(xiàn)集中控制并且對每個設備的運行狀態(tài)進行監(jiān)控的。（2）通過輔控制站，工作人員可以在駕駛室遠程控制操作機船設備，降低了工作人員的工作強度，因而也降低了對機艙值班人員的需求量。（3）初步實現(xiàn)了機船內間歇性無人值班[1]。對于無人機船的發(fā)展，世界各大船級社也相應地制定了技術入級標準，為無人機艙以后的發(fā)展與完善指明了道路。目前，船舶機艙監(jiān)視與報警系統(tǒng)大都采用計算機來實現(xiàn)[1]。根據計算機監(jiān)控系統(tǒng)的結構特點，船舶機艙監(jiān)視與報警系統(tǒng)可大致分為三類：集中型系統(tǒng)、集散型系統(tǒng)和全分布式系統(tǒng)[1]。

（1）集中型監(jiān)視系統(tǒng)

集中型系統(tǒng)的特點是通過單臺計算機在集控室對機船中的動力設備及其輔助設備實行集中監(jiān)視和報警采用計算機管理軟件，大大簡化了硬件結構并且使控制功能更加豐富，使監(jiān)測參數(shù)點增加到上百個，并對模擬量和關量信號進行采集監(jiān)控[1]。該類型的典型代表有挪威NORCONTROL公司研發(fā)的DataChief——III系統(tǒng)。

船舶機艙集中型監(jiān)視系統(tǒng)在上世紀70年代初具有一定的代表性，但是由于該系統(tǒng)采用單臺計算機作為處理單元，不僅造價較高、而且可靠性也不好，當計算機出現(xiàn)故障，則整個系統(tǒng)將會崩潰[1]。這給用戶帶來了極大的安全隱患，所以，它的發(fā)展受到了限制[1]。

（2）集散型監(jiān)視系統(tǒng)

集散型監(jiān)視系統(tǒng)釆用集中和分散相結合的系統(tǒng)結構，其特點是整個監(jiān)視任務不再由單臺計算機來完成，而是由多臺計算機組成的子系統(tǒng)來分別完成，再由各個子系統(tǒng)與上位機進行通信，實現(xiàn)信息共享。相較于70年代使用的集中型監(jiān)視系統(tǒng)，其可靠性大大增加，而且相對的造價低，因而集散型監(jiān)視系統(tǒng)取代集中型監(jiān)視系統(tǒng)成為必然趨勢。

在初期的集散型監(jiān)視系統(tǒng)中，由于采用模擬信號傳輸，在長距離傳送的過程中，模擬信號所引起的干擾不可忽視。信息的傳輸?shù)膶﹄娎|的需求很大，增加了成本。此系統(tǒng)的典型代表有西門子公司生產的SIMOS32型集散監(jiān)測報警系統(tǒng)。綜合上述弊端，在之后的系統(tǒng)發(fā)展中，有公司把傳統(tǒng)的網絡控制方式使用到子系統(tǒng)中，即在設備附近放置現(xiàn)場處理單元來進行模擬信號的收發(fā)，而現(xiàn)場處理單元則通過RS-232、RS-485或電流環(huán)等網絡與主控單元進行數(shù)據交換[1]。這種方法雖然對于信號穩(wěn)定性有了一定的改善，但是出于傳統(tǒng)控制網絡的固有缺陷，如傳輸距離短，不能實現(xiàn)全雙工傳輸?shù)鹊龋晕茨軐崿F(xiàn)全分布式結構[1]。該類系統(tǒng)的典型代表有德國西門子公司生產的SIMOS IMA32C系統(tǒng)和挪威NORCONTROL公司生產的DataChief 1000系統(tǒng)[1]。

（3）全分布式系統(tǒng)

全分布式系統(tǒng)將現(xiàn)場總線（CAN總線）作為各個子系統(tǒng)之間的通信網絡，與集散型系統(tǒng)相比，它將監(jiān)控功能進一步釋放，采用模塊化設計，通過具有通信功能的智能化現(xiàn)場處理單元實現(xiàn)控制系統(tǒng)的組態(tài)，提高了系統(tǒng)的可靠性。并且由于采用開放的現(xiàn)場總線通信協(xié)議，設備之間實現(xiàn)了信息互換共享，為船舶機船綜合控制信息系統(tǒng)的建立與發(fā)展打下了堅實的基礎[1]。因此，全分布式監(jiān)視系統(tǒng)結合了集中型和集散型系統(tǒng)的優(yōu)點并且有效的克服了其缺點從而成為了今后船舶機船自動化和機艙設備實時監(jiān)控的主要發(fā)展方向。該系統(tǒng)的典型代表有挪威KONGSBERG公司生產的DataChief C20監(jiān)控系統(tǒng)及其改進型產品K-Chief 600[1]。

無人機艙目前已經成為新造船舶的常規(guī)要求。無人機艙就是把控制儀表、 警報系統(tǒng)以及微機巡回檢測裝置等集中在一起，從駕駛室遙控主機并對全船進行控制[1]。由于機艙無人值守，機艙各種警報器也延伸至駕駛室，有的船舶對冷藏集裝箱的監(jiān)測，對貨艙可燃氣體的監(jiān)測甚至壓載水艙的調傾操作都在駕駛室進行[1]。正常航行中，機艙可以周期無人值班[1]。

二、周期無人值守機艙監(jiān)測報警系統(tǒng)簡介及其使用情況

機艙監(jiān)控系統(tǒng)主要是實現(xiàn)船舶的安全穩(wěn)定運行，對全船重要電氣設備的運行數(shù)據和安全信息進行監(jiān)測，給各設備系統(tǒng)和人員提供安全保障。對于PLC的機艙監(jiān)控系統(tǒng)的設計，首先要了解監(jiān)控系統(tǒng)的基本功能、相關規(guī)范要求、系統(tǒng)特定環(huán)境與技術要求，然后才能根據需要選用合適的主控模塊，圍繞主控模塊進行總體結構的設計[2]。下面通過對挪威NORCONTROL公司K一Chief600系統(tǒng)進行分析，說明目前機艙監(jiān)測報警系統(tǒng)的大致發(fā)展情況以及以后的機艙監(jiān)測報警系統(tǒng)的發(fā)展方向。

K一Chief600系統(tǒng)包含了船舶系統(tǒng)的全部主要功能，包括報警監(jiān)測系統(tǒng)，輔助控制系統(tǒng)，電站管理系統(tǒng)，推進控制，壓載自動化系統(tǒng)，貨物控制和監(jiān)測，HAVC（空氣調節(jié)），管理支持，冷藏監(jiān)測，消防系統(tǒng)等[2]。系統(tǒng)可以通過雙冗余的局域網跟K系列的其他系統(tǒng)（K一Gauge，K一Pos，K一Thrust，K一Brige）進行信息交換，實現(xiàn)系統(tǒng)級的集成。K一Chief600系統(tǒng)采用了模塊化設計，可以按照不同船只的具體要求進行裁剪，既可配置為低復雜度的小型報警系統(tǒng)，也可配置為高集成度的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)滿足包括軍用標準在內的最嚴格的安全性和可靠性要求：系統(tǒng)提供了包括通信、過程處理、串行線和電源在內的所有層次的冗余；內建的系統(tǒng)自檢功能可以監(jiān)測整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)[2]；軟件和硬件設備通過了主要船級社的類型認證[2]。

K一Chief600系統(tǒng)由帶有顯示器和專用操作鍵盤的操作站來提供人機交互界面，圖形化的界面友好直觀，保證了系統(tǒng)操作的高效率和安全[2]。操作員可以在任意操作站上完成所有的監(jiān)控報警功能[2]。

K一Chief600系統(tǒng)采用通用硬件模塊，便于系統(tǒng)的安裝和日常的維護修理。當DPU模塊出現(xiàn)故障時，不需要關閉系統(tǒng)即可完成模塊更換[3]。系統(tǒng)的高可維護性降低了備件要求，同時也降低了系統(tǒng)的全生命周期成本。K一Chief600系統(tǒng)由分布式處理單元DPU、本地操作站LOS、迷你操作站MOS、遙控操作站ROS和值班呼叫系統(tǒng)WCS等部分組成，集中體現(xiàn)了當前監(jiān)控報警系統(tǒng)的先進水平[3]。

三、結語

經濟的發(fā)展，對船舶的各種需求會隨之增加，而伴隨著計算機技術的發(fā)展，對于船舶相關軟件的要求也會隨之增加。加大機艙監(jiān)測報警系統(tǒng)的研究是至關重要的。這就要求開發(fā)人員不僅要了解已實現(xiàn)并投入使用的機艙監(jiān)測報警知識，同時也要了解網絡通信、嵌入式開發(fā)技術。想要獲得適合的機艙監(jiān)測報警系統(tǒng)，需要投入更多的開發(fā)人員，并保證軟件的及時升級換代。

參考文獻

[1]王恒.基于CAN總線的機艙監(jiān)視與報警系統(tǒng)設計與實現(xiàn).大連海事大學.2013.

[2]戰(zhàn)興群，翟傳潤，張炎華，許廷良.周期無人值守機艙監(jiān)測報警系統(tǒng)方案研究.中國造船.2002，（3）：75-80.

[3]李為.船舶機艙監(jiān)控報警系統(tǒng)設計與實現(xiàn)（碩士學位論文）.南京理工大學.2010.