浅析船舶自动化技术现状

刘 擘

（海军驻七一二所军事代表室，武汉 430064）

0 引言

船舶自动化利用自动化装置代替机械操纵，利用可编程控制器、现场总线技术对船舶部分或全船进行集中监控，并将网络技术、人工智能等最新技术应用到故障诊断、避碰等方面。

船舶自动化使得船舶的可靠性和经济性得到显著提高。通过自动化监控技术，船员能够迅速获取船舶设备或全船信息，从而快速地判断和决策，及时发出指令，完成船舶的操作；通过人工智能、可编程控制器等技术，在船舶出现故障时，能自动的、迅速的排除故障，将损失降到最低。船舶自动化技术减少了船舶设备体积、元器件的数量以及船员人数，船舶的营运成本降低。

船舶自动化应用主要包括三个方面：轮机自动化、航行自动化以及装卸自动化。轮机自动化又称机舱自动化，是船舶自动化的重要组成部分，包括机舱监测报警系统、主机遥控系统、船舶电站自动化等方面。 雷达、气象传真等技术提高了航行自动化水平，现在航行自动化研究主要集中在避碰等方面。装卸自动化是指通过自动化装置和监控系统来完成船舶进港后的货物装卸作业以及相关事项。

近年来，人工智能、自动控制、网络技术、数据库等迅猛发展促使船舶自动化取得巨大进展，逐步成为一个集轮机自动化、航行自动化、装载自动化等于一体的多功能综合系统。

1 船舶自动化历史

船舶自动化发展历史分为三个阶段：单元装置自动化、机舱自动化以及全船综合自动化。

1.1 单元装置自动化时期

单元装置自动化时期处于船舶自动化萌芽时期，这个时期的主要特点体现在部分现场级设备的单项自动化，即通过安装在船用设备现场、具备简单测控功能的仪表，监测单个船用设备。单元装置自动化虽使当时的船舶自动化程度得到一定的提高，但仪表之间一般不通信，仪表与外部系统之间也不存在通信，因此各个测控点是封闭的，信息管理松散且不能有效分析，船员需要巡视各个船用设备获取设备信息并进行手动操作。

1.2 机舱自动化时期

机舱自动化始于50年代末60年代初，随着自动化技术，特别是电子技术的迅速发展，一些船舶技术先进国家率先研发出集中监控系统，并实现了机舱夜间无人值班，船舶自动化开始迅猛发展。机舱自动化主要包括主机遥控、电站管理、动力装置的监测报警、辅机监控、柴油机的工控监测与趋势分析和故障预诊断等方面。

机舱自动化监控系统是机舱自动化重要组成部分，其发展对机舱自动化产生着重大影响。最初的机舱自动化监控系统采用的是集中监控的方式，其特征是全船采用单台计算机进行集中控制和管理。集中监控系统使控制系统的硬件设备简化，信息集中管理并能进行一定程度的分析处理。但这种系统风险集中，一旦计算机出现故障，会导致系统瘫痪。针对集中监控系统的缺点，70年代中后期，分散监控逐步替代集中式监控系统。分散监控系统采用多台计算机对船舶各个部分分开监控。分散监控系统由于各个系统之间相互独立、封闭，系统间不存在通信，因此，缺乏针对全船的有效管理和控制。

1.3 全船综合自动化时期

随着信息技术，尤其是计算机网络技术的发展，逐步实现船岸信息共享、网络一体化，对船舶航行、装卸、机舱等方面进行全面的、多级的管理、监控.进入了全船综合自动化时期。

图1 全船综合自动化系统的体系结构

图1 是全船综合自动化系统的体系结构，采用分级结构，不同子系统采用独立的计算机监控，各个子系统之间通过网络连接进行通信，从而实现信息共享、船舶集中管理和控制。集散式监控系统大致可以分为三层：现场设备层、监控层以及管理层。现场设备层由现场总线仪表、智能I/O与可编程控制器组成，之间通过现场总线（FCS）或 I/O（DCS）连线进行连接；现场设备层通过总线、网关、中间件等技术与监控层计算机进行连接并交互信息，监控层对各个子系统进行监控；监控层通过网络将信息上传给管理层，管理层对信息进行集中管理，并作进一步的分析处理。

2 船舶自动化应用现状

随着船舶自动化技术的发展，在大量现代化船舶上采用了如下的典型应用：

a) 主机遥控系统

主机遥控技术始于60年代，是船舶自动化的重要组成部分。在主机遥控方面系统，由于PLC可靠性强、可扩展性、通信功能强大、安装使用方便等特点，被大量应用到该系统中。

b) 机舱监控系统

机舱监控系统研究主要集中在网络技术、现场总线技术两方面。文献[1]分析了 CAN总线的特点和优势，并将 CAN总线应用到机舱自动化系统中。文献[2][3]均对用无线通信技术实现对机舱的远程监控进行了研究，前者采用GPRS无线通信技术，运用.NET技术，实现基于Web方式的远程监控，并采用SHA512加密算法保证数据传输的安全性，后者采用无线以太网技术。

c) 电站管理系统

现代船舶日益大型化、高速化，船舶电站变得越来越复杂，船舶电站自动化管理在维持电站供电的连续性和可靠性，提高电站供电的品质等方面起着重要的作用。文献[4]将数据融合技术应用在船舶电站故障诊断系统，并通过仿真来分析诊断效果。文献[5][6]分别对 CAN总线和PROFIBUS总线在船舶电站监控中应用进行了研究。

d) 自动避碰

避碰通常是指避免船舶间碰撞。在碰撞的事故原因调查中发现 80%以上是由于人为因素造成 ，自动避碰系统能降低人为因素在碰撞事件中的影响。1996年，国际海上避碰会议指出船舶自动避碰是今后10～20年航海技术的主攻方向。

e) 装卸自动化

以液货船的装卸最为复杂，因此液货船的装卸自动化程度代表装卸自动化的水平。目前绝大部分液货船设有由人工操作的货油控制台，操作人员必须对管路和各个系统十分熟悉，否则容易发生人为操作失误。液货船的装卸自动化涉及的系统很多，以大型油船为例，有货油压载泵系统、液位遥测系统、报警系统、阀门遥控系统、可燃气体探测系统、油气回收系统、污油排放系统等。

3 船舶自动化关键技术

3.1 现场总线技术

现场总线是安装在制造或过程区域的现场装置与控制室的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通讯的数据总线。采用现场总线技术的系统具有开放性、互操作性、互用性及高度分散性的特点，而现场设备一般拥有智能化程度较高、功能自治性好、及对工业现场环境适应性强等优点，能充分体现“分散控制、集中管理”的分布式监控理念。

国际上，总线和总线标准有几百种，其中应用较多的总线有 CAN、Profibus、LonWorks、WorldFIP等。它们的性能各不相同，如表1所示。

3.2 协议转换技术

PLC和上位机软件进行通信的协议转换技术主要有五种方式：驱动程序包、OPC、Modbus、Modbus/TCP以及总线桥。

利用现场设备厂家提供的驱动程序包，例如西门子公司的PRODAVE软件包，其特点是使用简单方便，编程人员不需熟悉复杂的通信协议。

OPC（OLE for process control）规范是一个工业标准，以 COM（组件对象模型）和 DCOM（分布式组件对象模型）技术为基础。OPC定义了一套标准接口，在监控软件和现场设备之间增加一个抽象层，监控软件降低监控软件和现场设备之间的耦合，增强监控软件和现场设备的独立性，同时向监控软件屏蔽了设备细节。

Modbus协议是另一个通用工业标准，与OPC不同的是, Modbus协议是一个公开协议，它定义了通信双方采用的帧格式、寻址方式等，通过Modbus协议，控制器之间、控制器和其它设备之间可以相互通信。Modbus协议现已成为一种通用工业标准。MODBUS采用主从的方式进行通信，即主设备发出询问请求，从设备应答响应。Modbus协议定义了两种传输模式：ASCII和RTU，两者最主要的区别是前者每个字节作为两个ASCII字符，而后者将每个字节作为两个4bit的十六进制数值，前者可靠性更好（字符发送时间间隔1秒不产生错误），后者在相同波特率下传送数据更多。

Modbus/TCP协议是以Modbus协议为基础定义的TCP/IP应用层协议，描述了Modbus消息如何通过Internet进行译码传输。和Modbus协议相比，其主要区别是Modbus/TCP协议是一种面向连接的通信方式，数据的完整性、同步等由TCP/IP协议中数据链路层、网络层和传输层保证。

总线桥是将第三方通信协议或异型总线协议转换到系统标准的总线协议，总线桥解决传统仪表及现场设备接入现场总线系统、或异型总线设备互连问题。

以上几种通信方式中，采用驱动程序包进行通信的通信速率最快，可达197.5kbps，其次是总线桥，可达57.6kbps。Modbus以及Modbus/TCP协议的开放性、可扩展性最好，监控软件和现场设备之间的耦合最小，采用 Modbus或 Modbus/TCP协议通信，某些条件下，现场设备发生更新，监控软件甚至无需任何修改。驱动程序包、OPC、Modbus、Modbus/TCP开发难度均比较小，总线桥开发难度最大，往往需要熟悉两个协议，有时还需要自定义协议。从经济性上来讲，采用Modbus或 Modbus/TCP协议进行通信基本上不需产生额外费用，而其它几种通信方式均需一定的购买费用。

3.3 人工智能

人工智能是研究使机器具备人所具有的智能功能的一门高新技术学科，其目的是模拟、延伸和扩展人的智能，以实现某些脑力劳动的自动化。人工智是适应信息时代需求的关键技术之一。人工智能在避碰、故障诊断等方法有着广泛的应用。

文献[8]利用神经网络的方法对自动避碰系统进行了初步的研究，但是神经网络需要大量学习之后自动避碰才具备一定的有效性，文献[13]采用专家系统对ARPA雷达、AIS系统、电子海图信息与显示系统（ECDIS）、全球定位系统（GPS）等航海仪器收集的本船及相遇船舶的实时信息进行综合分析推理，做出避碰决策，并通过仿真的方法对系统进行验证，但是单纯采用专家系统的避碰辅助决策系统不具备自学习能力。文献[9]通过建立多元分层知识库，应用模糊理论建立碰撞危险度模型，结合定性推理和定量计算给出水下会遇态势分类模型，从而提供避让方案，该专家系统虽避免了传统专家系统“窄台阶”问题，但仍未能具备自学习能力。文献[10]结合神经网络和专家系统各自的优点设计避碰系统，不仅解决了避碰专家系统构建过程中的知识获取“瓶颈”问题，而且还解决了神经网络避碰决策过程的“黑箱”现象。

文献[11][12]均采用模糊控制对柴油机的故障进行诊断，文献[13]提出一种结合模糊控制和神经网络各自优点的故障诊断方法，使得诊断系统具有自学习能力。文献[14]则将小波分析和神经网络相结合，利用小波变换的视频局域化和BP网络的自学习能力而避免神经网络结构设计上的盲目性。文献[15]描述了基于专家系统的船舶辅机系统体系结构、知识形成的过程，采用PROLOG语言实现基于专家系统的SHIPAMT系统，并通过场景实例来分析和验证SHIPAMT系统。

4 结语

综上所述，现场总线技术的逐步成熟、通信技术迅速发展使得船舶设备更加模块化和网络化，同时也促进船舶监控技术快速发展；人工智能的引入使得船舶更加智能化，减少安全事故中人为因素的影响，迅速定位并排除故障，从而使得船舶安全性和可靠性大幅提升、船员进一步减少，并最终实现一人船舶。

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