400 000 DWT智能礦砂船冗余導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計方案

陳立，朱兵

(上海船舶研究設(shè)計院，上海 201203)

近幾年，隨著我國智能船舶的發(fā)展步伐不斷加快，國內(nèi)多家科研院所及企事業(yè)單位突破多項關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了智能船舶核心設(shè)備國產(chǎn)化。對于新研發(fā)的智能系統(tǒng)，船東公司既希望通過新技術(shù)提升船舶運作能力和營運效率，降低營運成本；又擔(dān)心新系統(tǒng)新設(shè)備帶來的不確定安全風(fēng)險，對船舶營運管理帶來諸多不便。智能導(dǎo)航系統(tǒng)作為智能船舶的核心系統(tǒng)，是影響船舶安全的重要一環(huán)。為了權(quán)衡上述利弊，上海船舶研究設(shè)計院聯(lián)合國內(nèi)外知名導(dǎo)航系統(tǒng)集成商，依托“智能船舶1.0研發(fā)專項——超大型智能礦砂船示范應(yīng)用”項目，對冗余導(dǎo)航系統(tǒng)進行可行性論證和專項研發(fā)，解決了其中多項關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了主要導(dǎo)航設(shè)備“互為備用”的能力，保證智能船舶導(dǎo)航系統(tǒng)的可靠性和安全性，在實船上實現(xiàn)兩個不同架構(gòu)的導(dǎo)航系統(tǒng)共存共用。

1 導(dǎo)航系統(tǒng)冗余設(shè)計思路與流程

1.1 導(dǎo)航系統(tǒng)冗余設(shè)計思路

根據(jù)船東營運需求及公約、規(guī)范對船舶的航行安全要求，梳理需要冗余設(shè)計的導(dǎo)航設(shè)備清單。如遇舊船改造或船舶需要保留原有導(dǎo)航系統(tǒng)的情況，需從系統(tǒng)架構(gòu)、實船布置等角度分析新增冗余導(dǎo)航設(shè)備可能會對原有導(dǎo)航系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。對分析后的冗余設(shè)計方案進行可靠性、安全性評估。對于需要升級更換的產(chǎn)品應(yīng)重新由船級社審核認證。導(dǎo)航系統(tǒng)冗余設(shè)計思路見圖1。

圖1 導(dǎo)航系統(tǒng)冗余設(shè)計思路

智能400 000 DWT VLOC在第二代常規(guī)400 000 DWT VLOC的基礎(chǔ)上通過智能化升級而成，入級挪威船級社(DNV GL)和中國船級社(CCS)，滿足雙船級社一人橋樓規(guī)范要求[1-2]，并同時獲得CCS智能船符號i-Ship(N,M,E,I)和DNV GL智能船符號SmartShip(OE,PE,CME)。

經(jīng)對實船情況充分論證，并考慮到船東營運需求，認為導(dǎo)航系統(tǒng)中的雷達、電子海圖、舵控系統(tǒng)進行冗余化最為必要，也最有價值。主要導(dǎo)航設(shè)備變化對比見表1。

由表1可見，導(dǎo)航系統(tǒng)配置的變化、控制臺布置的設(shè)計，以及冗余導(dǎo)航設(shè)備的切換設(shè)計是整個冗余導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計成功的關(guān)鍵。為滿足一人橋樓所配置的航跡規(guī)劃站及綜合顯示單元則是簡單的品牌變換，下文不再贅述。

表1 常規(guī)400 000 DWT VLOC與智能400 000 DWT VLOC主要導(dǎo)航設(shè)備對比

1.2 導(dǎo)航系統(tǒng)冗余設(shè)計流程與要素

導(dǎo)航系統(tǒng)的冗余設(shè)計并不會破壞2套導(dǎo)航系統(tǒng)各自的連接方式和功能，只是在同類設(shè)備的共用共存上進行設(shè)計研究，保證冗余設(shè)備各自的正常運行與操作，因此，該系統(tǒng)內(nèi)的導(dǎo)航設(shè)備本身無需重新認證，減輕了整個方案認可的工作量。

在制定導(dǎo)航系統(tǒng)冗余設(shè)計方案時，在分系統(tǒng)考慮導(dǎo)航設(shè)備內(nèi)部設(shè)計的基礎(chǔ)上，結(jié)合全船情況綜合考慮駕駛室布置與天線布置等設(shè)計，并形成完整的導(dǎo)航系統(tǒng)冗余設(shè)計方案,導(dǎo)航系統(tǒng)冗余設(shè)計流程與要素見圖2。

圖2 導(dǎo)航系統(tǒng)冗余設(shè)計流程與要素

1.2.1 切換邏輯設(shè)計

冗余導(dǎo)航系統(tǒng)主、備用系統(tǒng)之間的切換邏輯及操作流程，包括切換條件、切換方式、切換順序、應(yīng)急措施等。

1.2.2 切換裝置設(shè)計

完成冗余導(dǎo)航系統(tǒng)主、備用系統(tǒng)切換的關(guān)鍵部件，包含系統(tǒng)與布置設(shè)計，其設(shè)計應(yīng)以安全、可靠為基本原則。

1)簡化內(nèi)部連結(jié)機構(gòu)。

2)縮短切換單元與控制單元的距離。

3)減少可能的故障點。

4)優(yōu)先考慮機械式的切換裝置。

1.2.3 通信接口設(shè)計

統(tǒng)一冗余導(dǎo)航系統(tǒng)之間的通信方式，實現(xiàn)信息共享。傳輸實現(xiàn)系統(tǒng)功能所需信息、互鎖信息、狀態(tài)及報警信息等。通信接口設(shè)計應(yīng)保證通信的完整性、實時性、可靠性。

1.2.4 人機交互設(shè)計

提供安全、便捷的操作方式，在合適的位置通過有效的報警方式提醒操作人員，并且通過適當?shù)慕换シ绞浇档腿藛T誤操作的可能性。

1.2.5 天線布置設(shè)計

綜合布置全船導(dǎo)航設(shè)備的天線，避免因信號干擾、遮擋導(dǎo)致功能缺失或性能降低，保證導(dǎo)航系統(tǒng)的正常運行。天線布置設(shè)計的方法及流程如下。

1)分別確定各天線的性能參數(shù)，包括通信頻率、發(fā)射功率、外形尺寸等。

2)根據(jù)干擾的強弱程度，確定天線布置位置的相互間距。

3)為防止對人體產(chǎn)生輻射影響，對于大功率發(fā)射設(shè)備需標示出安全區(qū)域。

4)為避免交叉造成盲區(qū)和干擾，需根據(jù)雷達發(fā)射波束的形式、角度確定其位置。

5)通過分析天線增益阻抗確定電纜敷設(shè)長度限制。

6)結(jié)合實船雷達桅結(jié)構(gòu)和天線布置，綜合考慮大重量設(shè)備對結(jié)構(gòu)振動及對航行信號燈遮擋等影響，并形成天線布置設(shè)計方案[3]。

1.2.6 駕駛室布置設(shè)計

將導(dǎo)航系統(tǒng)及其他橋樓設(shè)備合理的布置在駕駛室內(nèi)，滿足船級社對于航行安全及一人橋樓等要求。

在確定駕駛室布置及工作站設(shè)置的基礎(chǔ)上，結(jié)合工作場所環(huán)境要求，確定工作站的設(shè)備配置及橋樓設(shè)備的配備要求(包括位置、電源、設(shè)備接口等要求)，形成駕駛室布置設(shè)計方案[4]。

2 冗余算法設(shè)計及實現(xiàn)

2.1 冗余舵控系統(tǒng)

2.1.1 冗余舵控系統(tǒng)的邏輯設(shè)計

冗余舵控系統(tǒng)邏輯設(shè)計思路見圖3。在設(shè)計過程中需注意以下兩點。

圖3 冗余舵控系統(tǒng)邏輯設(shè)計思路

1)完整切換，權(quán)限變更。當某套舵控系統(tǒng)中的任一控制單元出現(xiàn)故障時，只有將所有控制單元的權(quán)限都切換至另一套舵控系統(tǒng)，才能真正實現(xiàn)雙套舵控系統(tǒng)的切換。

2)切換失敗，權(quán)限不變。在切換過程中，如發(fā)生控制單元權(quán)限未完全切換至另一套舵控系統(tǒng)的情況，此時船舶舵控權(quán)限不發(fā)生變動，并且在操舵位置發(fā)出報警，提醒船員檢查，直至符合系統(tǒng)切換要求。

2.1.2 冗余舵控系統(tǒng)的工程實現(xiàn)

400 000 DWT智能礦砂船設(shè)有4套舵機，船舶正常航行時，通過海蘭信提供的主用自動舵控制系統(tǒng)實現(xiàn)操舵；當海蘭信設(shè)備發(fā)生故障時，船員通過TKC提供的備用自動舵控制系統(tǒng)實現(xiàn)操舵。

1)冗余舵控系統(tǒng)的通信接口設(shè)計。本船雙套舵控系統(tǒng)的切換由報警控制單元、報警顯示單元及4個操舵切換單元組成。同時，為了保證操作切換單元時船員能實時觀察舵機泵組及2家舵控系統(tǒng)控制箱的工作狀態(tài)，4個操舵切換單元選擇在舵機艙就地布置。系統(tǒng)架構(gòu)見圖4，通過操舵切換單元，舵機與在用的舵控系統(tǒng)完成包括電源、運行信號、限位信號、液壓閉鎖信號在內(nèi)的通信。

圖4 雙套自動舵切換系統(tǒng)架構(gòu)

2)冗余舵控系統(tǒng)的切換裝置設(shè)計。操舵切換單元通過旋鈕選擇一套在用舵控系統(tǒng)，為防止誤操作，當且僅當4個操舵切換單元同時切換至備用舵控系統(tǒng)時，控制權(quán)限才得以完成切換，操舵切換單元外形見圖5。

圖5 操舵切換單元外形

3)冗余舵控系統(tǒng)的人機交互設(shè)計。報警控制單元與顯示單元布置在駕控臺。當發(fā)生泵組相關(guān)報警或內(nèi)部故障報警時，報警指示燈將閃爍，同時伴有報警聲音。

4)冗余舵控系統(tǒng)的舵機連桿設(shè)計。為了將舵角信號分別送至海蘭信及TKC舵控系統(tǒng)，400 000 DWT智能礦砂船的舵桿分別通過5根舵桿連接至2個海蘭信舵角反饋單元、2個TKC舵角反饋單元，以及1個舵角指示器反饋單元，相比于常規(guī)400 000 DWT礦砂船多出2個連桿及2個舵角反饋單元。舵機連桿安裝示意見圖6。

圖6 舵機連桿安裝示意

2.2 冗余雷達系統(tǒng)

2.2.1 冗余雷達系統(tǒng)的邏輯設(shè)計

為避免因主、備雷達系統(tǒng)的天線同時工作而產(chǎn)生的波束干擾，需要設(shè)計冗余雷達系統(tǒng)的切換邏輯。

當主雷達系統(tǒng)發(fā)生故障或因船舶航行需要切換至備用雷達系統(tǒng)時，船員先按關(guān)機流程關(guān)閉故障雷達系統(tǒng)，隨后旋轉(zhuǎn)切換裝置，通過繼電器斷開主雷達系統(tǒng)的電源，同時閉合備用雷達系統(tǒng)電源，并由船員按照開機流程打開備用雷達系統(tǒng)，實現(xiàn)冗余雷達系統(tǒng)之間的切換。見圖7。

圖7 冗余雷達系統(tǒng)的邏輯設(shè)計

2.2.2 冗余雷達系統(tǒng)的工程實現(xiàn)

1)天線布置設(shè)計。根據(jù)雷達天線的安裝要求，應(yīng)上下錯開安裝，避免天線波束互相影響。同時，根據(jù)IMO法規(guī)要求，在雷達波束范圍內(nèi)應(yīng)避免障礙物遮擋，總盲區(qū)總和不大于20°，被阻擋單個盲區(qū)不得超出5°；并且船艏盲區(qū)不大于2倍船長和500 m中較小者。

400 000 DWT智能礦砂船共配備雙套X波段雷達及雙套S波段雷達。本船長約300 m，由于受到艏部視線限制、雷達桅結(jié)構(gòu)造成的視線限制、雷達天線波束干擾角的限制及船舶其他天線干擾范圍限制，本船在艏部桅桿布置1臺海蘭信X波段雷達，在艉部雷達桅布置1臺海蘭信S波段雷達及JRC的2臺雷達。通過電源互鎖的方式，確保同一時刻下單臺S波段雷達處于運行狀態(tài)，避免2臺S波段雷達因同時運行而造成的波束干擾。艉部雷達布置見圖8。

圖8 智能400 000 DWT VLOC雷達桅雷達布置

2)切換裝置設(shè)計。400 000 DWT智能礦砂船在主駕控臺內(nèi)設(shè)有1套S 波段雷達電源切換裝置，用于互鎖2臺S波段雷達電源，系統(tǒng)架構(gòu)圖見圖9。船用分電箱分別向海蘭信及JRC的S波段雷達供電，通過位于駕控臺的旋轉(zhuǎn)開關(guān)觸發(fā)互鎖信號，當旋轉(zhuǎn)開關(guān)調(diào)至海蘭信S波段雷達，則自動切斷JRC的S波段雷達電源供電，反之亦然。

圖9 S波段雷達互鎖系統(tǒng)架構(gòu)

2.3 冗余電子海圖系統(tǒng)

冗余電子海圖通信設(shè)計的關(guān)鍵在于統(tǒng)一通信協(xié)議和共享航線數(shù)據(jù)。受限于對數(shù)據(jù)安全的保護，TKC電子海圖的航線數(shù)據(jù)尚未對外部系統(tǒng)開放。因此，在400 000 DWT智能礦砂船上采用的是通過移動存儲介質(zhì)拷貝航線數(shù)據(jù)的方式實現(xiàn)信息共享。

2.4 航行數(shù)據(jù)記錄儀

航行數(shù)據(jù)記錄儀(VDR)的設(shè)計關(guān)鍵在于通信接口的數(shù)量、存儲容量及圖像數(shù)據(jù)清晰無失真。根據(jù)船級社規(guī)范要求，船上所有雷達及電子海圖的圖像信號都應(yīng)傳輸至VDR。由于冗余導(dǎo)航系統(tǒng)配置的雷達、電子海圖等設(shè)備數(shù)量比常規(guī)船舶的配置多1倍，因此，VDR的圖像采集接口數(shù)量也需要翻倍，并且所有存儲器容量需要相應(yīng)加大。而對于設(shè)備認證、由于沒有改變原有VDR的功能，僅需要進行硬件升級認證即可。

2.5 駕駛室布置設(shè)計

考慮到主用的海蘭信導(dǎo)航系統(tǒng)需要滿足DNV船級社一人橋樓的相關(guān)要求，尤其是工作站布置要求對駕控臺布置的影響，且雷達、電子海圖、舵控系統(tǒng)等均是大尺寸導(dǎo)航設(shè)備，常規(guī)的單駕控臺難以全部承載，因此,特別在主駕控臺后方增設(shè)一個新的駕控臺作為備用駕控臺來專門承載備用的JRC和TKC導(dǎo)航設(shè)備，這些備用導(dǎo)航系統(tǒng)及控制臺僅須滿足SOLAS第五章關(guān)于航行安全的基本要求。

當主導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)生故障時，船員可按操作程序切換至位于備用駕控臺的備用導(dǎo)航系統(tǒng)。待主導(dǎo)航系統(tǒng)修復(fù)后，可再次切換至前方主駕控臺，恢復(fù)一人橋樓以及智能航行功能。

主要導(dǎo)航設(shè)備布置見表2，駕駛室布置見圖10。

表2 400 000 DWT智能礦砂船主要導(dǎo)航設(shè)備布置位置

圖10 400 000 DWT智能礦砂船駕駛室布置

3 結(jié)論

400 000 DWT智能礦砂船自2018年11月正式交付營運起，其安裝的冗余導(dǎo)航系統(tǒng)運行穩(wěn)定，獲得船東高度評價。通過互為備用的設(shè)計更好地

保障船舶的航行安全；同時，也為船舶營運管理提供便利，提升船舶營運效率，有效平衡智能系統(tǒng)實船應(yīng)用帶來的利弊。

隨著智能化技術(shù)在航運領(lǐng)域的應(yīng)用，將會有更多的船東公司有意向?qū)⑴f船改造成智能船舶。通常會采用保留原有的基礎(chǔ)導(dǎo)航系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上新增1套智能導(dǎo)航系統(tǒng)的新模式。本文提供了2個不同架構(gòu)的導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計方法，可以為智能船舶設(shè)計及改建提供參考，具有一定通用指導(dǎo)性。