電力推進(jìn)船舶信息化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

顧雪晨

（海軍駐上海地區(qū)艦艇設(shè)計(jì)研究軍事代表室，上海 200011）

0 引言

電力推進(jìn)系統(tǒng)以其卓越的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)成為當(dāng)今世界船舶動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)展的一種主流趨勢(shì)，在軍用和民用領(lǐng)域已取得了成功應(yīng)用[1]。電力推進(jìn)系統(tǒng)可統(tǒng)籌全船動(dòng)力，滿足未來(lái)船舶對(duì)電力供應(yīng)及推進(jìn)動(dòng)力的需求，提高船舶運(yùn)行的操縱性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性，并可在電力推進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的信息管理、顯示、故障診斷等，提高了電力推進(jìn)系統(tǒng)的智能化、自動(dòng)化水平。但對(duì)于船舶來(lái)說(shuō)，船上除了電力推進(jìn)系統(tǒng)外，還有其它系統(tǒng)，如輔助機(jī)械監(jiān)控系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、消防監(jiān)控系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)與電力推進(jìn)系統(tǒng)之間互相獨(dú)立，信息分散，不便于信息的集中管理與顯示。

全船信息化是指以通信、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)為基礎(chǔ)，把全船各設(shè)備參數(shù)匯總至數(shù)據(jù)庫(kù)，供特定人員工作、學(xué)習(xí)、輔助決策的一種技術(shù)[2]。對(duì)于電力推進(jìn)船舶來(lái)說(shuō)，全船信息化就是將電力推進(jìn)船舶的電力推進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)和船舶其它系統(tǒng)應(yīng)用通信設(shè)備連接成一個(gè)整體通信網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)信息的集中管理，提高船舶運(yùn)行的自動(dòng)化水平。本文即對(duì)電力推進(jìn)船舶的全船信息化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行研究。

1 信息化系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.1 信息化系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

電力推進(jìn)系統(tǒng)船舶采用全船信息化系統(tǒng)后，將具有如下優(yōu)勢(shì)：

1)提高運(yùn)行效率，便于綜合分析

采用全船信息化系統(tǒng)后，全船數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)集中管理，克服了各設(shè)備之間數(shù)據(jù)不能共享、不便于綜合分析的缺點(diǎn)，能提高運(yùn)行效率，減輕操作人員的重復(fù)性勞動(dòng)。

2)節(jié)省人力資源

采用全船信息化系統(tǒng)后，在機(jī)艙集控室就可實(shí)現(xiàn)電力推進(jìn)系統(tǒng)各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的顯示及控制，可以減少操作人員的數(shù)量，節(jié)省人力資源。

3)提高船舶運(yùn)行穩(wěn)定性、安全性

一方面，電力推進(jìn)系統(tǒng)、輔助機(jī)械系統(tǒng)各設(shè)備運(yùn)行參數(shù)集中管理后，可方便實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)評(píng)估、故障診斷等，從而可以有效的排除系統(tǒng)故障，提高船舶運(yùn)行穩(wěn)定性；另一方面，視頻監(jiān)控系統(tǒng)、消防監(jiān)控系統(tǒng)等數(shù)據(jù)共享后，可更有效的發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情，便于快速采取措施，提高船舶運(yùn)行安全性。

4)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制

帶有遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)的全船信息化系統(tǒng)可將船舶的位置、速度、航向等航行數(shù)據(jù)、電力推進(jìn)系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)等通過(guò)遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)傳送至岸基監(jiān)控臺(tái)，并在監(jiān)控臺(tái)顯示，專(zhuān)家可通過(guò)顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行指導(dǎo)或故障診斷，方便岸上人員實(shí)時(shí)掌握船舶航行情況，實(shí)現(xiàn)了船舶的遠(yuǎn)程控制。

1.2 信息化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

目前應(yīng)用最多的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)是信息層-控制層-設(shè)備層結(jié)構(gòu)[3]，如圖1所示。

圖1 工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

在設(shè)備層，基于各種現(xiàn)場(chǎng)總線的設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)單一纜線將不同廠家的底層設(shè)備與控制器連接，網(wǎng)絡(luò)具體極大的開(kāi)放性；在控制層，連接PLC處理器、輸入輸出設(shè)備、工控機(jī)、操作器接口和其它智能設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備層數(shù)據(jù)的顯示、處理及具體設(shè)備的控制；在信息層，通過(guò)采用TCP/IP協(xié)議的信息層網(wǎng)絡(luò)，高層的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可以直接獲取底層數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)如數(shù)據(jù)獲取、控制管理、編程管理、維護(hù)管理等功能。

因?yàn)楣I(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是目前應(yīng)用最多、技術(shù)最成熟的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，所以，全船信息化系統(tǒng)采用相同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；為了減少不同網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行匹配和轉(zhuǎn)換帶來(lái)的不可靠性，使網(wǎng)絡(luò)具有良好的可擴(kuò)展性，除設(shè)備層的現(xiàn)場(chǎng)總線外，其它網(wǎng)絡(luò)層統(tǒng)一采用工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；考慮信息化系統(tǒng)冗余性的要求，系統(tǒng)采用雙總線冗余網(wǎng)絡(luò)。綜上，全船信息化系統(tǒng)采用三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的雙總線冗余以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。

2 電力推進(jìn)船舶的全船信息化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

全船信息化系統(tǒng)框圖如圖2所示。

由圖可知，全船信息化系統(tǒng)由電力推進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、其它系統(tǒng)、綜合信息管理臺(tái)、延伸終端、岸基監(jiān)控臺(tái)等部分組成。

電力推進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的監(jiān)視與控制，其主要由推進(jìn)控制系統(tǒng)、功率管理系統(tǒng)、機(jī)艙監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)組成，主要設(shè)備分布在設(shè)備層和控制層。

視頻監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)船舶重要部位的視頻監(jiān)控。

其它系統(tǒng)包括輔機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、消防監(jiān)控系統(tǒng)等。

電力推進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)是兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的由各自設(shè)備層、控制層構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，這兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在信息層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)匯合。

綜合信息管理臺(tái)是信息化系統(tǒng)的核心，其負(fù)責(zé)收集全船重要設(shè)備的信息，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的綜合管理，包括存儲(chǔ)、傳輸（包括遠(yuǎn)程傳輸）等，同時(shí)，可以執(zhí)行船舶信息管理、船務(wù)管理等。

延伸終端是將相關(guān)數(shù)據(jù)顯示在船舶的某些重要位置，如船長(zhǎng)室、輪機(jī)長(zhǎng)室等位置，便于相關(guān)人員及時(shí)掌握船舶運(yùn)行數(shù)據(jù)。

岸基監(jiān)控臺(tái)通過(guò)遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)接收船上發(fā)送的數(shù)據(jù)，方便岸上人員實(shí)時(shí)掌握船舶航行情況。

2.2 詳細(xì)配置

全船信息化系統(tǒng)詳細(xì)配置圖見(jiàn)圖3。

其中，電力推進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)由集控室監(jiān)控臺(tái)、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集站、就地控制柜、功率管理系統(tǒng)（PMS）、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備等組成，信息在集控室監(jiān)控臺(tái)實(shí)現(xiàn)集中管理，并傳輸?shù)叫畔印?/p>

視頻監(jiān)控系統(tǒng)由若干攝像頭、視頻監(jiān)控臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備組成，視頻監(jiān)控臺(tái)實(shí)現(xiàn)信息集中管理，并傳輸?shù)叫畔印?/p>

綜合信息管理臺(tái)除了信息的綜合管理及遠(yuǎn)程通信外，還提供與動(dòng)力定位系統(tǒng)和航行記錄儀的接口。

2.3 系統(tǒng)的擴(kuò)展性

圖3所示的全船信息化系統(tǒng)由于采用標(biāo)準(zhǔn)的三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)而具有良好的擴(kuò)展性，可根據(jù)需要在任意一層上增加信息點(diǎn)，如以某科學(xué)考察船為例，將全船實(shí)驗(yàn)儀器系統(tǒng)作為一個(gè)信息點(diǎn)增加到信息層，并增加一個(gè)實(shí)驗(yàn)負(fù)責(zé)人延伸終端，也可以將視頻監(jiān)控系統(tǒng)作為電力推進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)的一部分而增加到電力推進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)的控制層，如圖4所示。由此可見(jiàn)，全船信息化系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展性，擴(kuò)展方式可根據(jù)需要靈活選擇。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文以電力推進(jìn)船舶為研究對(duì)象，研究了電力推進(jìn)船舶全船信息化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)，提出了全船信息化系統(tǒng)的總體方案、詳細(xì)配置，并討論了全船信息化系統(tǒng)的擴(kuò)展性。通過(guò)研究可知，電力推進(jìn)船舶采用全船信息化系統(tǒng)后，具有運(yùn)行穩(wěn)定、節(jié)省人力、運(yùn)行效率高等優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)的全船信息化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、擴(kuò)展性高，對(duì)全船信息化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。下一步應(yīng)討論信息化系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)方法，包括各設(shè)備的選型、具體的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等。

圖2 全船信息化系統(tǒng)框圖

圖3 全船信息化系統(tǒng)詳細(xì)配置

圖4 擴(kuò)展的全船信息化系統(tǒng)方案二

[1]尚安利，張達(dá)寬等.電力推進(jìn)船舶功率管理系統(tǒng)綜述[J].船電技術(shù)，2011，31(10):1-5.

[2]常健，母繼元.信息化建設(shè)中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)構(gòu)建分析[J].電子世界，2014，18:5-6.

[3]李卓.分布式計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的分析與優(yōu)化[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2017，7:214-214.