船舶儀表板智能化改造技術(shù)及應(yīng)用

肖智烜，余勇林，蔡皓鵬，段世由，劉蘇粵

（中船黃埔文沖船舶有限公司，廣州 510715）

1 前言

近年來，信息技術(shù)已逐步融入工業(yè)經(jīng)濟，驅(qū)動和引領(lǐng)著各行各業(yè)的未來發(fā)展趨勢。其中，智能化是實現(xiàn)行業(yè)技術(shù)進步的主要途徑。隨著船舶行業(yè)的發(fā)展,在大數(shù)據(jù)時代背景下,相關(guān)的智能化技術(shù)在船上的應(yīng)用已逐漸增多,船舶智能化已成為船舶制造發(fā)展的必然趨勢[1]。船舶儀表作為船舶航行依賴的工具，勢必隨著技術(shù)發(fā)展迎來新的變革。儀表在形式上的多樣化，尺寸上的差異化，同時布置在駕駛室這種重要艙室，對儀表板整體的美觀性就顯得尤為突出了，如何將智能化技術(shù)應(yīng)用于儀表板，是智能化船舶研究中的一個重要課題。

2 傳統(tǒng)形式儀表板組成

2.1 儀表板組成

以某大型巡邏救助船為例。初始設(shè)計時，前儀表板包含1 個數(shù)字分羅經(jīng)、1 個子鐘、2 個主機轉(zhuǎn)速表、2 個主機螺距表、2 個軸轉(zhuǎn)速表、3 個側(cè)推轉(zhuǎn)速表，總計11 塊儀表。上述儀表分別由4 個不同的生產(chǎn)商負責(zé)供貨，在外形尺寸上也有所區(qū)別，見表1。

表1 某大型巡邏救助船儀表明細表

2.2 儀表箱外形

初始設(shè)計為儀表組裝箱，由另外的生產(chǎn)廠商提供，其余4 個廠商提供儀表，發(fā)貨至箱體制作廠家，由制作廠家負責(zé)儀表組裝箱的整體設(shè)計及施工。原儀表箱的初始外觀圖，見圖1。

圖1 儀表箱外形圖

3 智能液晶顯示儀表板的組成

3.1 智能液晶儀表板組成

根據(jù)船東要求，該船修改為通過液晶顯示的方式，顯示所需的數(shù)據(jù)及其它功能要求。具體設(shè)計方案，由如下幾方面組成：顯示框架及安裝設(shè)計；信號采集轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設(shè)計；圖像界面功能分區(qū)設(shè)計。修改后的儀表板，由表2 中的材料組成。

表2 液晶儀表板組成明細表

45 吋一體機作為儀表板的顯示分區(qū)，進行數(shù)據(jù)信息展示；采集分區(qū)則是依靠各數(shù)據(jù)采集模塊等，獲取需要進行展示的信息流；利用動態(tài)軟件搭建數(shù)據(jù)展示平臺，將數(shù)據(jù)更好地進行呈現(xiàn)。

3.2 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

整套系統(tǒng)搭建的體系框架，如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)整體框架圖

由三塊45 吋一體機組成前儀表板的顯示單元，用來顯示采集到的數(shù)據(jù)，如水深、航速、時間、羅經(jīng)方位角、風(fēng)速風(fēng)向、溫度濕度、位置信號、左右主機轉(zhuǎn)速、左右主機螺距、左右尾軸轉(zhuǎn)速、3 個側(cè)推轉(zhuǎn)速信號等；另外，增加機艙監(jiān)測報警信號及信息化系統(tǒng)信號，作為系統(tǒng)的冗余、備用信號。

表2 中所列的信號采集單元、調(diào)光單元及供電單元，考慮到檢修及控制方便，將它們統(tǒng)一布置在前駕控臺：一方面所需的信號和供電，在駕控臺內(nèi)可以就近獲取；另一方面在夜航要求下，將調(diào)光單元布置在駕控臺面也方便駕駛?cè)藛T操作。

4 智能化改造技術(shù)

儀表板助航功能保留原有設(shè)計，并進行功能擴充，顯示區(qū)域的內(nèi)容確定為通導(dǎo)和機艙數(shù)據(jù)顯示界面；基礎(chǔ)部分確定后，適當(dāng)增加其它信號來源，如增加了機艙監(jiān)測信號和信息化信號，其包含的信號內(nèi)容可以根據(jù)船東要求做適當(dāng)調(diào)整，并不局限于某一特定的信號內(nèi)容；在確定整體需要的功能后，一方面是構(gòu)建顯示系統(tǒng)的框架，其中包含顯示器的選擇、顯示界面的設(shè)計；另一方面是搭建數(shù)據(jù)平臺，包含采集信號、轉(zhuǎn)換信號、傳輸信號。

4.1 顯示屏選型和界面設(shè)計

顯示屏的數(shù)量及尺寸，應(yīng)在參考計程儀復(fù)示器、測深儀復(fù)示器、數(shù)字分羅經(jīng)、主推進儀表、側(cè)推儀表、子鐘、氣象儀顯示器等儀器的顯示界面后，由專業(yè)人員統(tǒng)一設(shè)計成風(fēng)格一致的顯示界面，并根據(jù)船員的觀察和使用習(xí)慣，確定顯示界面的表盤樣式及字體大小，以方便觀察和讀數(shù)；再根據(jù)初步確定的顯示界面，確定所需顯示屏的數(shù)量及尺寸。參考《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》第8 篇第4 章中關(guān)于儀表布置及顯示要求，所有儀表均應(yīng)在工作站上按功能合理地設(shè)置，其位置應(yīng)考慮操作人員的身體能力，并應(yīng)符合公認的人體工程學(xué)原理[2]，因此在實際選擇時，我們選用了單臺尺寸為1 092 mmx353 mm 的45 吋顯示一體機，共計3 臺；從設(shè)備的寬度方向來看，與原儀表箱的面板寬度尺寸相差較小，即滿足布置在駕駛室前頂?shù)囊?，又能保證使用人員的觀察；從設(shè)備的數(shù)量和長度來看，在增加計程儀、測深儀、氣象儀等信號后，如果按原儀表箱2 m 長度已不能滿足信號顯示的需求，即便在同等的長度下想要布置如此多的顯示儀表，必然會使得顯示界面樣式和大小得到同步縮小，操作人員想要讀取數(shù)據(jù)就不再方便了，因此選用3 臺一體機，在顯示和互動上將有更多的發(fā)揮空間。

4.2 液晶顯示屏安裝

根據(jù)用戶要求，在液晶顯示儀表板的兩側(cè)布置視頻會議顯示器和信息發(fā)布顯示器，為保證整體的協(xié)調(diào)美觀性，將液晶顯示儀表板和2 個顯示器并排安裝，采用原傳統(tǒng)儀表箱的箱體形式，將儀表板和顯示器都安裝在箱體之上，顯示屏與箱體外框用螺栓連接固定。

4.3 信號采集平臺搭建

信號采集平臺設(shè)計，從需要采集的信號類型來看，需要采集的時間、氣象、水深、航速、羅經(jīng)信號，屬于遵循通訊協(xié)議NMEA0 183 的串口信號；需要采集的主機轉(zhuǎn)速、主機螺距、尾軸轉(zhuǎn)速、側(cè)推轉(zhuǎn)速信號，屬于模擬量信號。

信號采集表見表3，可分為通導(dǎo)串口信號、機艙模擬量信號：可選用2 個采集模塊進行采集，方便信號區(qū)分及調(diào)試。

表3 信號接口表

信號采集后，就要考慮顯示器終端對數(shù)據(jù)進行接收的問題了，兩組不同的信號源，需要整合成什么類型，顯示器終端才能更方便、更快捷地讀取。在市面上購買的顯示器，多數(shù)都已設(shè)置網(wǎng)口，網(wǎng)口的便利性和通用性已得到廣泛認可，因此本船將采集的信號統(tǒng)一用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)打包發(fā)送至顯示器終端。

機艙模擬量采集模塊，選用了市面上常用的模擬量采集模塊，型號為DAM-3158A，能夠?qū)⒉杉碾妷弘娏餍盘栟D(zhuǎn)換成RS485 信號輸出；選用的通導(dǎo)串口服務(wù)器，型號為NDC-9P1L，能夠?qū)⒌玫降腞S485 信號轉(zhuǎn)成網(wǎng)絡(luò)信號輸出至網(wǎng)絡(luò)交換機，在交換機內(nèi)完成信號的復(fù)制工作，將最后得到的3 個信號分別輸入3 臺一體機顯示器；在一體機上通過預(yù)裝的動態(tài)軟件讀取數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)進行呈現(xiàn)展示；另外，機艙監(jiān)測和信息化的網(wǎng)絡(luò)信號，則作為信號的擴容冗余，數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)打包發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)交換機，再送入顯示器中。

4.4 系統(tǒng)功能驗證

通過系泊及航行試驗，已驗證其航速、水深等船舶狀態(tài)數(shù)據(jù)顯示正常，無明顯延遲。驗證工作期間，用戶對顯示界面的樣式、顯示內(nèi)容、顯示主題等提出了相應(yīng)的修改意見，通過軟件改寫重新植入，其顯示樣式及內(nèi)容都能夠按照要求很快修改到位，并設(shè)置了多種顯示主題供船東切換選擇，如白天、黑夜、自定義模式主題等，更多的選擇及修改空間，賦予了儀表板更完善的使用功能；在設(shè)備安裝維修層面，采集模塊系統(tǒng)布置在前駕控臺，打開檢修門即可對模塊進行接線及維修；顯示器和儀表箱體通過螺栓連接，安裝牢固，拆卸簡單便利；整套系統(tǒng)通過顯示采集分區(qū)設(shè)計，大大提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性干涉在維護保養(yǎng)方面，簡單實用，便于操作；在顯示及切換功能上也更加靈活，在駕駛室使用液晶顯示儀表，其美觀性也得到極大的提升。

通過上述屏幕選型、采集信號轉(zhuǎn)化、實踐驗證，已完成了智能化儀表箱整體的框架設(shè)計，其供電及調(diào)光系統(tǒng)設(shè)計相對難點較低，在此不展開闡述；電源單元及調(diào)光開關(guān)等都集中布置在前駕控臺上，在船舶夜航情況下，顯示屏上的數(shù)據(jù)仍然清晰可見，且畫面亮度可調(diào)，能夠保證夜航安全。

5 結(jié)束語

文中介紹了本船的儀表箱改造情況。傳統(tǒng)的儀表板尺寸相對較小，能夠容納的儀表有限；智能液晶顯示儀表尺寸相比前者大了不少，能夠容納更多顯示信息，其功能靈活實用、分區(qū)明確、安全可靠，在美觀性上也為船舶增光添彩，賦予了儀表板新的活力。但在看到其優(yōu)點的同時，目前階段其較大的體型是不容忽視的問題，同時在駕控臺上只集成了采集模塊，如果可以增加控制單元，對顯示內(nèi)容進行切換選擇顯示，將能夠獲得更優(yōu)的使用體驗。