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

陳立，朱兵

(上海船舶研究設(shè)計(jì)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(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了智能船舶核心設(shè)備國產(chǎn)化。對(duì)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(yùn)作能力和營運(yùn)效率，降低營運(yùn)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(xiǎn)，對(duì)船舶營運(yùn)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(jì)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(xiàng)——超大型智能礦砂船示范應(yīng)用”項(xiàng)目，對(duì)冗余導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行可行性論證和專項(xiàng)研發(fā)，解決了其中多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)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(shí)船上實(shí)現(xiàn)兩個(gè)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(jì)思路與流程

1.1 導(dǎo)航系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)思路

根據(jù)船東營運(yùn)需求及公約、規(guī)范對(duì)船舶的航行安全要求，梳理需要冗余設(shè)計(jì)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(shí)船布置等角度分析新增冗余導(dǎo)航設(shè)備可能會(huì)對(duì)原有導(dǎo)航系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。對(duì)分析后的冗余設(shè)計(jì)方案進(jìn)行可靠性、安全性評(píng)估。對(duì)于需要升級(jí)更換的產(chǎn)品應(yīng)重新由船級(jí)社審核認(rèn)證。導(dǎo)航系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)思路見圖1。

圖1 導(dǎo)航系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)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(jí)而成，入級(jí)挪威船級(jí)社(DNV GL)和中國船級(jí)社(CCS)，滿足雙船級(jí)社一人橋樓規(guī)范要求[1-2]，并同時(shí)獲得CCS智能船符號(hào)i-Ship(N,M,E,I)和DNV GL智能船符號(hào)SmartShip(OE,PE,CME)。

經(jīng)對(duì)實(shí)船情況充分論證，并考慮到船東營運(yùn)需求，認(rèn)為導(dǎo)航系統(tǒng)中的雷達(dá)、電子海圖、舵控系統(tǒng)進(jìn)行冗余化最為必要，也最有價(jià)值。主要導(dǎo)航設(shè)備變化對(duì)比見表1。

由表1可見，導(dǎo)航系統(tǒng)配置的變化、控制臺(tái)布置的設(shè)計(jì)，以及冗余導(dǎo)航設(shè)備的切換設(shè)計(jì)是整個(gè)冗余導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)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?jiǎng)t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(duì)比

1.2 導(dǎo)航系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)流程與要素

導(dǎo)航系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)并不會(huì)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(jìn)行設(shè)計(jì)研究，保證冗余設(shè)備各自的正常運(yùn)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(rèn)證，減輕了整個(gè)方案認(rèn)可的工作量。

在制定導(dǎo)航系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)方案時(shí)，在分系統(tǒng)考慮導(dǎo)航設(shè)備內(nèi)部設(shè)計(jì)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(jì)，并形成完整的導(dǎo)航系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)方案,導(dǎo)航系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)流程與要素見圖2。

圖2 導(dǎo)航系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)流程與要素

1.2.1 切換邏輯設(shè)計(jì)

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(jì)

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(jì)，其設(shè)計(jì)應(yīng)以安全、可靠為基本原則。

1)簡化內(nèi)部連結(jié)機(jī)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(diǎn)。

4)優(yōu)先考慮機(jī)械式的切換裝置。

1.2.3 通信接口設(shè)計(jì)

統(tǒng)一冗余導(dǎo)航系統(tǒng)之間的通信方式，實(shí)現(xiàn)信息共享。傳輸實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能所需信息、互鎖信息、狀態(tài)及報(bào)警信息等。通信接口設(shè)計(jì)應(yīng)保證通信的完整性、實(shí)時(shí)性、可靠性。

1.2.4 人機(jī)交互設(shè)計(jì)

提供安全、便捷的操作方式，在合適的位置通過有效的報(bào)警方式提醒操作人員，并且通過適當(dāng)?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(jì)

綜合布置全船導(dǎo)航設(shè)備的天線，避免因信號(hào)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(yùn)行。天線布置設(shè)計(jì)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(qiáng)弱程度，確定天線布置位置的相互間距。

3)為防止對(duì)人體產(chǎn)生輻射影響，對(duì)于大功率發(fā)射設(shè)備需標(biāo)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(dá)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(shí)船雷達(dá)桅結(jié)構(gòu)和天線布置，綜合考慮大重量設(shè)備對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)及對(duì)航行信號(hào)燈遮擋等影響，并形成天線布置設(shè)計(jì)方案[3]。

1.2.6 駕駛室布置設(shè)計(jì)

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(jí)社對(duì)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(jì)方案[4]。

2 冗余算法設(shè)計(jì)及實(shí)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(jì)

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

圖3 冗余舵控系統(tǒng)邏輯設(shè)計(jì)思路

1)完整切換，權(quán)限變更。當(dāng)某套舵控系統(tǒng)中的任一控制單元出現(xiàn)故障時(shí)，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(shí)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(shí)船舶舵控權(quán)限不發(fā)生變動(dòng)，并且在操舵位置發(fā)出報(bào)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(shí)現(xiàn)

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

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

圖4 雙套自動(dòng)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(jì)。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(dāng)且僅當(dāng)4個(gè)操舵切換單元同時(shí)切換至備用舵控系統(tǒng)時(shí)，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(jī)交互設(shè)計(jì)。報(bào)警控制單元與顯示單元布置在駕控臺(tái)。當(dāng)發(fā)生泵組相關(guān)報(bào)警或內(nèi)部故障報(bào)警時(shí)，報(bào)警指示燈將閃爍，同時(shí)伴有報(bào)警聲音。

4)冗余舵控系統(tǒng)的舵機(jī)連桿設(shè)計(jì)。為了將舵角信號(hào)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(gè)海蘭信舵角反饋單元、2個(gè)TKC舵角反饋單元，以及1個(gè)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(gè)連桿及2個(gè)舵角反饋單元。舵機(jī)連桿安裝示意見圖6。

圖6 舵機(jī)連桿安裝示意

2.2 冗余雷達(dá)系統(tǒng)

2.2.1 冗余雷達(dá)系統(tǒng)的邏輯設(shè)計(jì)

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

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

圖7 冗余雷達(dá)系統(tǒng)的邏輯設(shè)計(jì)

2.2.2 冗余雷達(dá)系統(tǒng)的工程實(shí)現(xiàn)

1)天線布置設(shè)計(jì)。根據(jù)雷達(dá)天線的安裝要求，應(yīng)上下錯(cuò)開安裝，避免天線波束互相影響。同時(shí)，根據(jù)IMO法規(guī)要求，在雷達(dá)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(gè)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(dá)及雙套S波段雷達(dá)。本船長約300 m，由于受到艏部視線限制、雷達(dá)桅結(jié)構(gòu)造成的視線限制、雷達(dá)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(tái)海蘭信X波段雷達(dá)，在艉部雷達(dá)桅布置1臺(tái)海蘭信S波段雷達(dá)及JRC的2臺(tái)雷達(dá)。通過電源互鎖的方式，確保同一時(shí)刻下單臺(tái)S波段雷達(dá)處于運(yùn)行狀態(tài)，避免2臺(tái)S波段雷達(dá)因同時(shí)運(yùn)行而造成的波束干擾。艉部雷達(dá)布置見圖8。

圖8 智能400 000 DWT VLOC雷達(dá)桅雷達(dá)布置

2)切換裝置設(shè)計(jì)。400 000 DWT智能礦砂船在主駕控臺(tái)內(nèi)設(shè)有1套S 波段雷達(dá)電源切換裝置，用于互鎖2臺(tái)S波段雷達(dá)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(dá)供電，通過位于駕控臺(tái)的旋轉(zhuǎn)開關(guān)觸發(fā)互鎖信號(hào)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)開關(guān)調(diào)至海蘭信S波段雷達(dá)，則自動(dòng)切斷JRC的S波段雷達(dá)電源供電，反之亦然。

圖9 S波段雷達(dá)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(jì)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(duì)數(shù)據(jù)安全的保護(hù)，TKC電子海圖的航線數(shù)據(jù)尚未對(duì)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(dòng)存儲(chǔ)介質(zhì)拷貝航線數(shù)據(jù)的方式實(shí)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(jì)關(guān)鍵在于通信接口的數(shù)量、存儲(chǔ)容量及圖像數(shù)據(jù)清晰無失真。根據(jù)船級(jí)社規(guī)范要求，船上所有雷達(dá)及電子海圖的圖像信號(hào)都應(yīng)傳輸至VDR。由于冗余導(dǎo)航系統(tǒng)配置的雷達(dá)、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(chǔ)器容量需要相應(yīng)加大。而對(duì)于設(shè)備認(rèn)證、由于沒有改變原有VDR的功能，僅需要進(jìn)行硬件升級(jí)認(rèn)證即可。

2.5 駕駛室布置設(shè)計(jì)

考慮到主用的海蘭信導(dǎo)航系統(tǒng)需要滿足DNV船級(jí)社一人橋樓的相關(guān)要求，尤其是工作站布置要求對(duì)駕控臺(tái)布置的影響，且雷達(dá)、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(tái)難以全部承載，因此,特別在主駕控臺(tái)后方增設(shè)一個(gè)新的駕控臺(tái)作為備用駕控臺(tái)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(tái)僅須滿足SOLAS第五章關(guān)于航行安全的基本要求。

當(dāng)主導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，船員可按操作程序切換至位于備用駕控臺(tái)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(tái)，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(yùn)起，其安裝的冗余導(dǎo)航系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，獲得船東高度評(píng)價(jià)。通過互為備用的設(shè)計(jì)更好地

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

隨著智能化技術(shù)在航運(yùn)領(lǐng)域的應(yīng)用，將會(huì)有更多的船東公司有意向?qū)⑴f船改造成智能船舶。通常會(huì)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(gè)不同架構(gòu)的導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，可以為智能船舶設(shè)計(jì)及改建提供參考，具有一定通用指導(dǎo)性。