船舶電氣自動化技術應用及發展趨勢

劉世濤

船舶電氣自動化技術應用及發展趨勢

劉世濤

（福建省馬尾造船股份有限公司，福建 福州 350015）

本文以船舶電氣自動化技術為切入點，重點闡述了我國的自主研發以及自動化技術應用現狀，針對船舶導航自動化、CAN電站測控技術、自主航行技術的應用和發展進行研究，介紹船舶電氣自動化技術未來發展趨勢，我國的船舶發展正在向著電氣自動化的方向發展。

電氣自動化技術；主要技術；應用現狀；發展趨勢

0 引言

海運是我國經濟發展的重要支柱，是領海安全以及航海能力的重要保證。近年來電子技術不斷深入發展，很大程度提高了船舶電氣自動化程度、性能和技術水平，配套系統的電氣自動化管理技術呈現出更高速的發展態勢，能夠提高航運快速躲避海上風暴的襲擊和方向的準確性。電磁干擾問題、設備故障率高和控制線路單一，是船舶電氣自動化的潛在問題。為了提高船舶自動化的穩定性和安全性，電磁屏蔽技術、重要設備監測單元的冗余設計和數據網格化與綜合化陸續應用在船舶領域。電氣自動化技術是船舶內機械設備穩定持續運行的核心點，在集成系統的支持下，發展電氣自動化技術成為船舶智能航行的新契機。

1 船舶電氣自動化技術的應用現狀

我國有漫長的海岸線和四通八達的河流,船舶運輸業是我國經濟發展的重要支柱，船舶是水上航運和貨物運輸的主要工具，推動我國經濟社會發展具有重要作用。隨著造船行業的迅速發展，電氣自動化技術成為船舶運行的核心技術之一，船舶運輸業是我國經濟發展的重要支柱,國內外研究者開始對海洋電氣自動化技術進行深入研究，船舶智能化方興未艾，涌現故障預警、智能決策、航行控制等科技成果。自動化技術應用于船舶的行駛和管理工作，通過融合船舶自動化技術、數據傳輸、通信技術等，控制操作界面并發送指令、模塊之間的靈活組合，構建集自主可控、航行自動化、設備故障預警和信息感知等于一體的自動化控制系統，實現船舶的自動駕駛和系統的內部自動控制，從而提高船舶自動化水平和使用效率。

電氣自動化技術是智能船舶的重要技術，結合先進高速的信號傳輸技術，建設主機與機艙監控警報系統、自動導航系統，通過數據傳輸或電子郵件的方式實現與其它船只、岸基的信息交互。自動監測報警系統是DCS原理和人工智能的典型應用，可以二十四小時對船舶的主要設備進行監控監測以及自動報警,保證船舶在行駛過程中的安全性、可靠性。GPS全球定位系統應用于船舶中，通過航位推算、地圖匹配、衛星定位及多方式組合，可以將定位精確到幾米的范圍之內，對于保障船舶的行駛安全和在發生意外時做好搜救工作具有重要作用。通信導航技術實現船、岸、船與船之間聯系，精確定位船舶的衛星位置，實現船舶與岸站、船舶與航標之間的信息交互，我國的大部分船舶上安裝了GPS導航系統。基于智能船舶模塊的功能，利用自動化裝置來代替傳統的人工進行船舶的管理以及操控工作，通過聯合應用信息網絡技術、通信技術和電氣自動化技術等，實現船舶的自動駕駛和系統內部設備的自動控制，極大地促進了我國的船舶技術發展和船舶交通行業的發展。

2 現代船舶電氣自動化應用的主要技術

1）電力電子技術

隨著各種新型電力電子開關器件和變換器拓撲結構的不斷涌現，發電機組變流器成為船舶電力系統自動化控制的典型應用，在提高供電靈活性、可控性方面具有重要作用。傳統的船舶發電使用獨立的輔助發電機組或通過軸帶發電機連接到主機上進行發電，而在使用電力電子技術以后，電力電子器件能對電能進行變換和控制，把交流電轉換成為直流，通過電壓和電流的控制使發電機組更加穩定地運行，避免短路和故障情況出現。

2）CAN電站測控相關技術

CAN電站測控系統主要包括發電機組、控制臺和相關的檢測儀器等，應用CAN電廠計量控制技術和電力自動化控制，通過相關節點的整合，建立有效的自動控制網絡和控制網絡系統，實現發電機組的遠程控制。采用CAN現場總線技術，通過 A/D 轉換將轉換為數字信號后發送至監測網絡，將船舶上的其他部件連接到控制網絡上，完成測量和確保控制臺能夠及時接收特定傳感器節點的傳輸測量結果，從而實現船舶的電氣自動化控制并保證航行的安全性。

3）可靠性保障相關技術

近年來船舶行業快速發展，拉動我國的對外發展和交通運輸行業。發達國家在保障船舶可靠性領域開展技術研究，如電磁干擾技術、儲藏冗余處理技術和容錯技術設計等。由于船舶內部電子類設備眾多，智能硬件和嵌入式系統構成智能航行的元器件，為保障各零部件的協同運行，通常采用電磁兼容保障技術，融合感知識別算法、避障算法、控制算法等前沿技術，建立以自動化技術為載體的抗干擾系統，對干擾信號源進行過濾與屏蔽，令精密設備具備持續性、精準性的運行特點，提高船舶電氣的抗干擾性能，從而維持船舶自動化信息數據的穩定性。容錯技術是指采用硬軟件對船舶運行發展安全故障的容忍保障，若電氣自動化系統出現運行故障，容錯技術對船舶電氣設備系統發生的故障采用控制和應對措施，在最短的時間內準確定位故障的位置、識別故障性質，實時對船舶所有設備及系統運行進行監測和控制，預測狀態劣化的趨勢。結合輔助決策系統提高船體和設備安全性，降低運行電氣機組的負荷并快速確定故障位置，以有效規避故障交變電磁場、靜電場以及傳輸線路等對電氣自動化系統的安全運行的影響，實現全生命周期對船體、主機等關鍵配套的監控，保證船舶電氣系統的可靠性。

4）自主航行技術

智能航行系指利用計算機、智能感知、自動化等技術對船舶航路和航速進行設計和優化，船舶電氣自動化設備結合數字技術、網絡可控技術、總線技術，運用虛擬測試及虛實融合測試技術，在航行、操縱、機器運轉、風險監控等多個方面實現自主可控，解決海事規則和復雜態勢量化、環境等問題。自主航行技術是智能船舶實現無人駕駛的關鍵所在，采用態勢感知、運動控制和智能決策核心技術，在開闊水域、狹窄水道、復雜環境條件下自動避碰。通過雷達、船舶自動識別系統（AIS）、信息感知技術、全球定位系統，在船舶管理項目中讓電氣自動化技術得以持續發展，利用環境感知傳感器對航行態勢進行識別，自動感知和獲得船舶自身、海洋環境、物流、港口等的信息和數據，根據航行水域交通流控制信息、前方航道船舶密度情況，實現航線計劃、航線監控、自動避碰等功能，智能實時選擇船舶在航道內的位置和航道，自主完成離泊、出港、航線優化、錨泊、進港、靠泊等過程，為我國船舶電氣自動化系統的運行提供可靠保障。

3 船舶電氣自動化發展趨勢

當前信息技術、通信技術、自動化技術應用的行業領域越來越廣泛，智能船舶是未來船舶發展的必然方向。船舶電氣自動化技術屬于綜合性、程序性強的技術類型，機艙自動化、導航自動化、機械自動化、裝卸自動化等多用途系統應用已日趨成熟，未來智能化、數字化、網絡化是船舶的重要發展方向。船舶作為聯系外界的網絡通訊系統，新一代大功率半導體電力電子器件的研究開發和信息技術的應用，智能船舶是未來世界船舶工業領域競爭的焦點，通過將現代信息技術、人工智能技術等新技術與傳統船舶技術進行融合，滿足機電集成科學管理與控制戰略，使船舶工業向著衛星通信導航、智能控制、船岸信息直接交流和全球定位系統領域延伸得更深入。船舶自動化技術將不斷向全船綜合自動化層次發展，形成集機艙自動化、航行自動化、機械自動化、裝載自動化等于一體的多功能綜合系統，進行各種信息采集分析、設備維護、故障診斷、船舶管理等業務活動，供航行中心進行大數據處理、計算機分析和自動控制，為智能船舶的正常運行提供有力保障。船舶節能一直是世界各國造船界和航運界研究的重要課題，未來通過信息感知和通信導航技術傳遞的航行狀態、耗能狀況，監測和報警、動力管理、燃油系統、壓艙系統等的泵和閥的控制，指導船舶能效因素（航線設計、航速、船舶浮態、動力設備），對能效指標進行分析和匯總整理，達到減少排放、提高能效的目的。

隨著計算機應用技術的更新升級，在艦船上應用先進電氣自動化技術，已是一項大勢所趨的新型技術手段。電氣設備的各個部件之間通過信號通道互相交換信息，新建船舶配套船舶綜合自動化系統，連接各個控制系統和執行系統，并根據指令完成工作步驟，提高船舶自動化程度。隨著智慧船舶技術集成化、智能化、數字化的迭代升級，未來船舶電氣自動化將以設備的高度模塊和智能化為集成，船舶供配電、電力拖動、電氣系統自動控制程度顯著提高，機艙重要動力設備（主機、側推設備、舵機等）的控制系統及預警報警延伸至駕控臺進行遙感和可視化監控，實時采集有關電氣的參數和動作信息自動監測、報警，提高測量測試的準確性和信息傳遞的實時性，現代船舶電氣基本能實現駕駛室的遠程操縱，推進智能技術應用將成為智能船舶發展的關鍵，為全面智能化管理工作的落實奠定堅實基礎。

4 結束語

船舶是航運經濟、航運安全的重要因素，促進中國同他國家之間的經濟交流。在信息化浪潮席卷全球的時代背景下，電氣自動化技術作為船舶內機械設備運行的內驅點，推動我國船舶海運業的快速發展，已成為國際海事界研發和關注的新熱點。依托數據傳輸、電子郵件等各種通信手段與電氣自動化科學技術的有效集成，可以使船舶系統高效、持續運作，為遠洋運輸船舶、工程船等提供船舶航行狀態及作業的實時監控，很大程度地提高船舶航行的安全性、可靠性和經濟性，使我國的船舶向著電氣自動化的方向發展。

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Marine electrical automation technology application and development trend

Liu Shitao

(Fujian Mawei Shipbuilding LTD., Fuzhou 350015, Fujian, China)

TM76

A

1003-4862（2024）03-0040-03

2023-09-08

劉世濤（1983-），男，工程師，研究方向：船舶電氣設計。E-mail:St2002.L@163.com