淺析船舶自動化技術(shù)現(xiàn)狀

劉 擘

（海軍駐七一二所軍事代表室，武漢 430064）

0 引言

船舶自動化利用自動化裝置代替機(jī)械操縱，利用可編程控制器、現(xiàn)場總線技術(shù)對船舶部分或全船進(jìn)行集中監(jiān)控，并將網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人工智能等最新技術(shù)應(yīng)用到故障診斷、避碰等方面。

船舶自動化使得船舶的可靠性和經(jīng)濟(jì)性得到顯著提高。通過自動化監(jiān)控技術(shù)，船員能夠迅速獲取船舶設(shè)備或全船信息，從而快速地判斷和決策，及時發(fā)出指令，完成船舶的操作；通過人工智能、可編程控制器等技術(shù)，在船舶出現(xiàn)故障時，能自動的、迅速的排除故障，將損失降到最低。船舶自動化技術(shù)減少了船舶設(shè)備體積、元器件的數(shù)量以及船員人數(shù)，船舶的營運(yùn)成本降低。

船舶自動化應(yīng)用主要包括三個方面：輪機(jī)自動化、航行自動化以及裝卸自動化。輪機(jī)自動化又稱機(jī)艙自動化，是船舶自動化的重要組成部分，包括機(jī)艙監(jiān)測報警系統(tǒng)、主機(jī)遙控系統(tǒng)、船舶電站自動化等方面。 雷達(dá)、氣象傳真等技術(shù)提高了航行自動化水平，現(xiàn)在航行自動化研究主要集中在避碰等方面。裝卸自動化是指通過自動化裝置和監(jiān)控系統(tǒng)來完成船舶進(jìn)港后的貨物裝卸作業(yè)以及相關(guān)事項(xiàng)。

近年來，人工智能、自動控制、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫等迅猛發(fā)展促使船舶自動化取得巨大進(jìn)展，逐步成為一個集輪機(jī)自動化、航行自動化、裝載自動化等于一體的多功能綜合系統(tǒng)。

1 船舶自動化歷史

船舶自動化發(fā)展歷史分為三個階段：單元裝置自動化、機(jī)艙自動化以及全船綜合自動化。

1.1 單元裝置自動化時期

單元裝置自動化時期處于船舶自動化萌芽時期，這個時期的主要特點(diǎn)體現(xiàn)在部分現(xiàn)場級設(shè)備的單項(xiàng)自動化，即通過安裝在船用設(shè)備現(xiàn)場、具備簡單測控功能的儀表，監(jiān)測單個船用設(shè)備。單元裝置自動化雖使當(dāng)時的船舶自動化程度得到一定的提高，但儀表之間一般不通信，儀表與外部系統(tǒng)之間也不存在通信，因此各個測控點(diǎn)是封閉的，信息管理松散且不能有效分析，船員需要巡視各個船用設(shè)備獲取設(shè)備信息并進(jìn)行手動操作。

1.2 機(jī)艙自動化時期

機(jī)艙自動化始于50年代末60年代初，隨著自動化技術(shù)，特別是電子技術(shù)的迅速發(fā)展，一些船舶技術(shù)先進(jìn)國家率先研發(fā)出集中監(jiān)控系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)了機(jī)艙夜間無人值班，船舶自動化開始迅猛發(fā)展。機(jī)艙自動化主要包括主機(jī)遙控、電站管理、動力裝置的監(jiān)測報警、輔機(jī)監(jiān)控、柴油機(jī)的工控監(jiān)測與趨勢分析和故障預(yù)診斷等方面。

機(jī)艙自動化監(jiān)控系統(tǒng)是機(jī)艙自動化重要組成部分，其發(fā)展對機(jī)艙自動化產(chǎn)生著重大影響。最初的機(jī)艙自動化監(jiān)控系統(tǒng)采用的是集中監(jiān)控的方式，其特征是全船采用單臺計(jì)算機(jī)進(jìn)行集中控制和管理。集中監(jiān)控系統(tǒng)使控制系統(tǒng)的硬件設(shè)備簡化，信息集中管理并能進(jìn)行一定程度的分析處理。但這種系統(tǒng)風(fēng)險集中，一旦計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，會導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓。針對集中監(jiān)控系統(tǒng)的缺點(diǎn)，70年代中后期，分散監(jiān)控逐步替代集中式監(jiān)控系統(tǒng)。分散監(jiān)控系統(tǒng)采用多臺計(jì)算機(jī)對船舶各個部分分開監(jiān)控。分散監(jiān)控系統(tǒng)由于各個系統(tǒng)之間相互獨(dú)立、封閉，系統(tǒng)間不存在通信，因此，缺乏針對全船的有效管理和控制。

1.3 全船綜合自動化時期

隨著信息技術(shù)，尤其是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，逐步實(shí)現(xiàn)船岸信息共享、網(wǎng)絡(luò)一體化，對船舶航行、裝卸、機(jī)艙等方面進(jìn)行全面的、多級的管理、監(jiān)控.進(jìn)入了全船綜合自動化時期。

圖1 全船綜合自動化系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

圖1 是全船綜合自動化系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，采用分級結(jié)構(gòu)，不同子系統(tǒng)采用獨(dú)立的計(jì)算機(jī)監(jiān)控，各個子系統(tǒng)之間通過網(wǎng)絡(luò)連接進(jìn)行通信，從而實(shí)現(xiàn)信息共享、船舶集中管理和控制。集散式監(jiān)控系統(tǒng)大致可以分為三層：現(xiàn)場設(shè)備層、監(jiān)控層以及管理層。現(xiàn)場設(shè)備層由現(xiàn)場總線儀表、智能I/O與可編程控制器組成，之間通過現(xiàn)場總線（FCS）或 I/O（DCS）連線進(jìn)行連接；現(xiàn)場設(shè)備層通過總線、網(wǎng)關(guān)、中間件等技術(shù)與監(jiān)控層計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接并交互信息，監(jiān)控層對各個子系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控；監(jiān)控層通過網(wǎng)絡(luò)將信息上傳給管理層，管理層對信息進(jìn)行集中管理，并作進(jìn)一步的分析處理。

2 船舶自動化應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著船舶自動化技術(shù)的發(fā)展，在大量現(xiàn)代化船舶上采用了如下的典型應(yīng)用：

a) 主機(jī)遙控系統(tǒng)

主機(jī)遙控技術(shù)始于60年代，是船舶自動化的重要組成部分。在主機(jī)遙控方面系統(tǒng)，由于PLC可靠性強(qiáng)、可擴(kuò)展性、通信功能強(qiáng)大、安裝使用方便等特點(diǎn)，被大量應(yīng)用到該系統(tǒng)中。

b) 機(jī)艙監(jiān)控系統(tǒng)

機(jī)艙監(jiān)控系統(tǒng)研究主要集中在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)兩方面。文獻(xiàn)[1]分析了 CAN總線的特點(diǎn)和優(yōu)勢，并將 CAN總線應(yīng)用到機(jī)艙自動化系統(tǒng)中。文獻(xiàn)[2][3]均對用無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)對機(jī)艙的遠(yuǎn)程監(jiān)控進(jìn)行了研究，前者采用GPRS無線通信技術(shù)，運(yùn)用.NET技術(shù)，實(shí)現(xiàn)基于Web方式的遠(yuǎn)程監(jiān)控，并采用SHA512加密算法保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩裕笳卟捎脽o線以太網(wǎng)技術(shù)。

c) 電站管理系統(tǒng)

現(xiàn)代船舶日益大型化、高速化，船舶電站變得越來越復(fù)雜，船舶電站自動化管理在維持電站供電的連續(xù)性和可靠性，提高電站供電的品質(zhì)等方面起著重要的作用。文獻(xiàn)[4]將數(shù)據(jù)融合技術(shù)應(yīng)用在船舶電站故障診斷系統(tǒng)，并通過仿真來分析診斷效果。文獻(xiàn)[5][6]分別對 CAN總線和PROFIBUS總線在船舶電站監(jiān)控中應(yīng)用進(jìn)行了研究。

d) 自動避碰

避碰通常是指避免船舶間碰撞。在碰撞的事故原因調(diào)查中發(fā)現(xiàn) 80%以上是由于人為因素造成 ，自動避碰系統(tǒng)能降低人為因素在碰撞事件中的影響。1996年，國際海上避碰會議指出船舶自動避碰是今后10～20年航海技術(shù)的主攻方向。

e) 裝卸自動化

以液貨船的裝卸最為復(fù)雜，因此液貨船的裝卸自動化程度代表裝卸自動化的水平。目前絕大部分液貨船設(shè)有由人工操作的貨油控制臺，操作人員必須對管路和各個系統(tǒng)十分熟悉，否則容易發(fā)生人為操作失誤。液貨船的裝卸自動化涉及的系統(tǒng)很多，以大型油船為例，有貨油壓載泵系統(tǒng)、液位遙測系統(tǒng)、報警系統(tǒng)、閥門遙控系統(tǒng)、可燃?xì)怏w探測系統(tǒng)、油氣回收系統(tǒng)、污油排放系統(tǒng)等。

3 船舶自動化關(guān)鍵技術(shù)

3.1 現(xiàn)場總線技術(shù)

現(xiàn)場總線是安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室的自動控制裝置之間的數(shù)字式、串行、多點(diǎn)通訊的數(shù)據(jù)總線。采用現(xiàn)場總線技術(shù)的系統(tǒng)具有開放性、互操作性、互用性及高度分散性的特點(diǎn)，而現(xiàn)場設(shè)備一般擁有智能化程度較高、功能自治性好、及對工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能充分體現(xiàn)“分散控制、集中管理”的分布式監(jiān)控理念。

國際上，總線和總線標(biāo)準(zhǔn)有幾百種，其中應(yīng)用較多的總線有 CAN、Profibus、LonWorks、WorldFIP等。它們的性能各不相同，如表1所示。

3.2 協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù)

PLC和上位機(jī)軟件進(jìn)行通信的協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù)主要有五種方式：驅(qū)動程序包、OPC、Modbus、Modbus/TCP以及總線橋。

利用現(xiàn)場設(shè)備廠家提供的驅(qū)動程序包，例如西門子公司的PRODAVE軟件包，其特點(diǎn)是使用簡單方便，編程人員不需熟悉復(fù)雜的通信協(xié)議。

OPC（OLE for process control）規(guī)范是一個工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以 COM（組件對象模型）和 DCOM（分布式組件對象模型）技術(shù)為基礎(chǔ)。OPC定義了一套標(biāo)準(zhǔn)接口，在監(jiān)控軟件和現(xiàn)場設(shè)備之間增加一個抽象層，監(jiān)控軟件降低監(jiān)控軟件和現(xiàn)場設(shè)備之間的耦合，增強(qiáng)監(jiān)控軟件和現(xiàn)場設(shè)備的獨(dú)立性，同時向監(jiān)控軟件屏蔽了設(shè)備細(xì)節(jié)。

Modbus協(xié)議是另一個通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，與OPC不同的是, Modbus協(xié)議是一個公開協(xié)議，它定義了通信雙方采用的幀格式、尋址方式等，通過Modbus協(xié)議，控制器之間、控制器和其它設(shè)備之間可以相互通信。Modbus協(xié)議現(xiàn)已成為一種通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。MODBUS采用主從的方式進(jìn)行通信，即主設(shè)備發(fā)出詢問請求，從設(shè)備應(yīng)答響應(yīng)。Modbus協(xié)議定義了兩種傳輸模式：ASCII和RTU，兩者最主要的區(qū)別是前者每個字節(jié)作為兩個ASCII字符，而后者將每個字節(jié)作為兩個4bit的十六進(jìn)制數(shù)值，前者可靠性更好（字符發(fā)送時間間隔1秒不產(chǎn)生錯誤），后者在相同波特率下傳送數(shù)據(jù)更多。

Modbus/TCP協(xié)議是以Modbus協(xié)議為基礎(chǔ)定義的TCP/IP應(yīng)用層協(xié)議，描述了Modbus消息如何通過Internet進(jìn)行譯碼傳輸。和Modbus協(xié)議相比，其主要區(qū)別是Modbus/TCP協(xié)議是一種面向連接的通信方式，數(shù)據(jù)的完整性、同步等由TCP/IP協(xié)議中數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層保證。

總線橋是將第三方通信協(xié)議或異型總線協(xié)議轉(zhuǎn)換到系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的總線協(xié)議，總線橋解決傳統(tǒng)儀表及現(xiàn)場設(shè)備接入現(xiàn)場總線系統(tǒng)、或異型總線設(shè)備互連問題。

以上幾種通信方式中，采用驅(qū)動程序包進(jìn)行通信的通信速率最快，可達(dá)197.5kbps，其次是總線橋，可達(dá)57.6kbps。Modbus以及Modbus/TCP協(xié)議的開放性、可擴(kuò)展性最好，監(jiān)控軟件和現(xiàn)場設(shè)備之間的耦合最小，采用 Modbus或 Modbus/TCP協(xié)議通信，某些條件下，現(xiàn)場設(shè)備發(fā)生更新，監(jiān)控軟件甚至無需任何修改。驅(qū)動程序包、OPC、Modbus、Modbus/TCP開發(fā)難度均比較小，總線橋開發(fā)難度最大，往往需要熟悉兩個協(xié)議，有時還需要自定義協(xié)議。從經(jīng)濟(jì)性上來講，采用Modbus或 Modbus/TCP協(xié)議進(jìn)行通信基本上不需產(chǎn)生額外費(fèi)用，而其它幾種通信方式均需一定的購買費(fèi)用。

3.3 人工智能

人工智能是研究使機(jī)器具備人所具有的智能功能的一門高新技術(shù)學(xué)科，其目的是模擬、延伸和擴(kuò)展人的智能，以實(shí)現(xiàn)某些腦力勞動的自動化。人工智是適應(yīng)信息時代需求的關(guān)鍵技術(shù)之一。人工智能在避碰、故障診斷等方法有著廣泛的應(yīng)用。

文獻(xiàn)[8]利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法對自動避碰系統(tǒng)進(jìn)行了初步的研究，但是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)需要大量學(xué)習(xí)之后自動避碰才具備一定的有效性，文獻(xiàn)[13]采用專家系統(tǒng)對ARPA雷達(dá)、AIS系統(tǒng)、電子海圖信息與顯示系統(tǒng)（ECDIS）、全球定位系統(tǒng)（GPS）等航海儀器收集的本船及相遇船舶的實(shí)時信息進(jìn)行綜合分析推理，做出避碰決策，并通過仿真的方法對系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，但是單純采用專家系統(tǒng)的避碰輔助決策系統(tǒng)不具備自學(xué)習(xí)能力。文獻(xiàn)[9]通過建立多元分層知識庫，應(yīng)用模糊理論建立碰撞危險度模型，結(jié)合定性推理和定量計(jì)算給出水下會遇態(tài)勢分類模型，從而提供避讓方案，該專家系統(tǒng)雖避免了傳統(tǒng)專家系統(tǒng)“窄臺階”問題，但仍未能具備自學(xué)習(xí)能力。文獻(xiàn)[10]結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專家系統(tǒng)各自的優(yōu)點(diǎn)設(shè)計(jì)避碰系統(tǒng)，不僅解決了避碰專家系統(tǒng)構(gòu)建過程中的知識獲取“瓶頸”問題，而且還解決了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)避碰決策過程的“黑箱”現(xiàn)象。

文獻(xiàn)[11][12]均采用模糊控制對柴油機(jī)的故障進(jìn)行診斷，文獻(xiàn)[13]提出一種結(jié)合模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)各自優(yōu)點(diǎn)的故障診斷方法，使得診斷系統(tǒng)具有自學(xué)習(xí)能力。文獻(xiàn)[14]則將小波分析和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，利用小波變換的視頻局域化和BP網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)能力而避免神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的盲目性。文獻(xiàn)[15]描述了基于專家系統(tǒng)的船舶輔機(jī)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)、知識形成的過程，采用PROLOG語言實(shí)現(xiàn)基于專家系統(tǒng)的SHIPAMT系統(tǒng)，并通過場景實(shí)例來分析和驗(yàn)證SHIPAMT系統(tǒng)。

4 結(jié)語

綜上所述，現(xiàn)場總線技術(shù)的逐步成熟、通信技術(shù)迅速發(fā)展使得船舶設(shè)備更加模塊化和網(wǎng)絡(luò)化，同時也促進(jìn)船舶監(jiān)控技術(shù)快速發(fā)展；人工智能的引入使得船舶更加智能化，減少安全事故中人為因素的影響，迅速定位并排除故障，從而使得船舶安全性和可靠性大幅提升、船員進(jìn)一步減少，并最終實(shí)現(xiàn)一人船舶。

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