光纖通信在船舶上的應用

應 勝 陶繼林

光纖具有信息傳輸容量大、抗干擾能力強、體積小、費用低、可靠性好等優點。光纖的應用為全球“信息化”的發展，奠定了堅實的基礎。近年來，隨著船舶工業的飛速發展，越來越多的高技術、高附加值船舶，陸續被開發出來。但由于種種原因，光纖通信僅局限在少數特種船舶上使用，在普通民船上幾乎為零。隨著信息化技術的發展，光纖在船舶上的廣泛應用將是大勢所趨。

光纖通信的特點

光纖通信比起普通電纜通信有許多優點，主要有以下幾個方面：

首先，光纖通信容量大。理論上直徑只有一條頭發絲這么細的光纖，可以同時傳輸大約1000億路語音通信，在實際應用中已經可以達到24萬路。通常一根光纖中都含有幾十甚至幾百根小的光纖，其通信容量大的驚人。

其次，光纖的抗干擾能力強。我們知道，光纖在傳輸信號時，光信號只在纖芯內部進行，不同的光纖芯線之間幾乎不會相互串擾。由于光纖中傳輸的是光信號，所以不會出現電磁干擾等情況，而且光纖還具有耐腐蝕、可撓性強的優點。

另外，光纖還具有：成本低、體積小、重量輕、施工和維修方便等特點。光纖的這些優點非常適合長期在潮濕、高鹽霧等海洋環境中船舶使用的要求。

目前，光纖光纜在各行各業的應用十分廣泛。陸上通信、航空業及跨洋通信都在大力推廣使用光纖。船舶和海洋工業歷來被認為是高技術、高附加值的行業。大力發展高技術、高附加值的船舶及高端海洋裝備業，也是國家加大船舶工業轉型的戰略需要。目前，光纖在船舶上還遠遠沒有達到很好的應用，據了解，目前僅僅在科學考察船、軍艦、潛艇和豪華郵輪等特種船舶上有少量的應用，在民用商船上的應用幾乎還是空白。船舶光纜的結構如圖1所示。

光纖通信在船上的主要應用

圖1 船用光纜的內部結構示意圖

由于光纖通信的諸多優點，在船舶和海洋裝備工業中應用光纖通信的前景是非常光明的。目前光纖通信在船舶上的應用主要有以下幾個方面。光纖陀螺儀（FOG），這是一種基于薩格納克效應（Sagnac）實現載體相對于慣性空間角速度測量光纖傳感器件。光纖傳感器、光柵傳感器。應用光纖傳感器的船舶系統主要有：機艙監測控制、主機機械故障診斷、貨艙液位監測、通風加熱空調、破損控制等系統。此外，光纖通信在船舶衛星通信、船舶局域網、船舶綜合駕駛臺系統（IBS）、綜合航行系統（INS）以及船舶航行閉路電視系統（NCCTV）等也有少量的應用。船用光纖在眾多的危險品運輸船舶、油船和化學品船、LPG和LNG船舶等的應用有得天獨厚的優勢。我們知道上述船舶對電氣設備防爆的要求非常高，常常要求船舶采用本質安全型電路或防爆的電氣設備，由于光纖中傳輸的是光信號，而不像普通電纜傳送的是電信號。所以不存在普通電纜在使用過程中會發熱等缺點。光纜本身就是本安型的電路。在油船、化學品液貨船上，還可以利用光纖傳遞的冷光源給危險區域提供照明。

光纖通信應用實例

如圖2所示，某電力推進船的主要參數如下：

總長：78.25m，型寬：17.20m，型深：87.8m，發電機組功率：1200kWx4臺， 載重噸：～3600dwt，設計航速：13knots，吊艙式Z型推進裝置：1650kWx2臺。

圖2 某電力推進船舶總布置圖

本船推進系統采用2臺吊艙式Z型電力推進系統（1650kWx2）。其電動機與固定螺距螺旋槳軸直接相連，并安裝在一個浸沒于水中的可旋轉吊艙中，這對提高船舶的流體動力效率和機動性有很大的好處。

根據中國船級社審批的圖紙，該輪舵機控制箱以及舵角反饋裝置與推進器控制單元之間，采用設備制造商提供的光纖通信。由于電力推進系統變頻器、電機等工作過程中會產生大量的電磁干擾信息，如果采用普通的船用電纜通信，有可能會造成電磁干擾，而采用光纖通信則不受這方面的影響。光纖通信可以獲得更加穩定的舵角反饋信號，從而實現駕駛室對轉舵推進系統的精確控制。比起普通的電纜通信，其優越性是顯而易見的。

船用光纖產品檢驗認可要求

目前，一些船級社在船用光纖的產品認可時，基本是參照船用電纜的標準進行。采用的標準主要有：《成束電纜垂直燃燒蔓延測試》IEC 60332-3-22（2009） 、《成束電線垂直燃燒蔓延測試》IEC 60332-3-24（2009）、《電纜燃燒產生的氣體測試》IEC 60754-1/2：1994（GB 17650.1）、《光纜》IEC 60794-1-1和《電纜煙密度》IEC 61034-2(GB/T 17651) 等。除了進行常規電纜認可時的項目外，船用光纖在產品認可時，還應該進行如下項目的試驗：

1）干熱試驗：+55℃，儲存：+70℃；

2）濕熱試驗：+40℃，相對濕度：93%±3%，經過3h±0.5h，且應在10h～16h的兩個循環內維持這個狀態；

3）低溫試驗： -20℃，儲存：-30℃；

4）熱沖擊試驗：45K入水，試件應在+70℃±3℃的大氣條件下保持1h，然后沉沒在+25℃±3℃的水中，水沒過試件表面的深度應該在100mm±5mm，保持1h；

5）向平面自由落體試驗：從1m的高度自由降落6次，向硬質的實木表面自由下落。實木的厚度應不小于150mm，其質量應在30kg或以上；

6）向水中自由落體試驗：從20m高度自由降落到水中3次；

7）振動試驗：在3個方向上，處于30Hz，振動試驗2h；

8）淋雨試驗：距離試樣3m，用12.5mm噴嘴以100L/min的流量噴淋；

9）浸水試驗：600kPa壓力下，浸水12h；

10）光輻射試驗：光強1120W/m2， 80h；

11）浸油試驗：ISO NO.1油，溫度為19℃，時間為24h。也可以使用ASTM(美國材料協會) OIL NO.1油。如果是船用耐火光纖，還應進行船級社認可的標準耐火試驗。具體到船用光纖認可時，各船級社可能會根據各自的實際情況，提出不同的試驗項目。

在現場敷設船用光纖時，應特別注意光纖通過防火分隔的要求，在沒有防火要求的電路中應采用普通阻燃型的船用光纖，而像火災報警、通用報警以及穿過有較大失火危險區域時的船用光纖，需要采用專門的船用耐火光纖，當然這種光纖也需要持有船級社認可的產品證書。

進入21世紀以來，智能化、信息化的浪潮“席卷”了全球。“大數據”、“互聯網+”等新概念層出不窮。從某種意義上來講，全球信息化的發展是建立在光纖通信的不斷發展以及不斷普及的基礎之上的。船舶和海洋裝備工作歷來是高技術、高附加值的行業。相信船舶與海洋裝備工作的信息化也是大勢所趨。要實現船舶和海洋裝備工作的信息化，光纖通信在船舶和海洋裝備上的廣泛應用也是大勢所趨。由于光纖在民用商船上的應用非常有限，導致了國際各大船級社在這方面的研究比較少。目前，各大船舶檢驗機構主要是按照國際電工委員會（IEC）中關于電纜的認可標準來進行認可，如：IEC 60332-3-22 、 IEC 60332-3-24 、IEC 60754-1/2 、 IEC 60794-1-1和IEC 61034-2 等標準。對于光纖光纜產品尚無檢驗標準或者相關的檢驗指南。因此，各船級社應加快推進相關工作，以適應船舶行業不斷發展的新技術要求。