船舶自动化系统设计要领 造船委孙国强陈 燕 1 概述 基于信息技术和计算机网络技术迅速发展及其在船舶上的应用，使当代的船舶自动化监控系统技术，由 传统的计算机网系统，发展到超自动化程度的数字化信息平台综合监控系统，这种数字化信息平台综合监控 系统，已被用在国内外某些大型军舰和豪华游轮上，由于该系统采用大容量高速响应的以太网、分布式实时 数据库和虚拟局域网V L A N 技术，其系统结构简单、技术先进、功能完善、操作方便、适用性强。 船舶数字化信息平台综合监控系统，一般由主局域网和子局域网组成，即依据实际需要，把全船计算机 网络分为若干个子局域网，如主机遥控、机舱报警、电站管理、货舱液位测量、阀门遥控、船舶通信导航、视频 监视和船舶管理等子局域网。在各局域网内，均配有双套交换机、服务器和数据库，并采用光缆或通信网络电 缆，连接成双环形结构( 也有连接成星形或环形一星形混合结构) 。通过网络交换机，由主局域网把全船各子 局域网连接在一起，组成一个统一的船舶信息数字化监控平台，各子局域网为下级网络平台，子局域网下属 各被监控设备的计算机监控单元，为最基本的应急数字监控系统，通过区域权限管理和虚拟网V L A N 技术， 进行优先级控制，根据实际需要，由主局域网、子局域网或应急数字监控系统，对每台设备实施有效的三级数 字化实时监控，即在正常航行时，通过主局域网数字化平台，直接对全船被监控设备进行有效实时监控，若主 网控制系统发生故障，可方便地转换至各子局域网，通过其相应的数字化平台，对各子系统设备进行有效的 常规集中监控，万一某些子局域控制系统失灵，可及时转至就地控制单元，通过就地计算机数据库及P L C 逻 辑控制系统进行应急控制，且各监控系统相对独立，互不影响，其数字化信息平台综合监控系统拓扑结构见 图l 。 为保证全船数字化信息综合监控系统高速安全运行，对主网、子网和应急网络的数据传送速率，根据实 际需要进行分级合理配置，一般在主网内部以及在主网和子网之间，其数据传送速率为1 0 0 0 M b p s ( 即千兆 网) 或更高的速率，采用光缆连接，在子局域网内部以及子网和其所属设备之间，其数据传送速率为1 0 0 M b p s ( 即百兆网) ，采用通信网络电缆连接，在用于设备就地控制的应急网络内，其数据传送速率不大于1 0 M b p s ， 采用六类屏蔽通讯电缆连接。 2 实例 尽管船舶数字化信息平台综合监控系统，比传统的计算网络监控系统有其无比的优越性，但在船舶自动 化系统设计时，要根据船舶的实际情况、用户的需求和所选用设备的技术状态，进行具体分析论证，要选取技 术先进、结构简单、工作可靠、经济适用的最佳方案。 通常被检测超过1 0 0 0 0 点的大型舰艇和船舶，其监控系统复杂，要求控制性能高、数据容量大、传送速 率高，一般应选用高速大容量的数字化信息平台综合监控系统，对于中小型船舶，尽管自动化程度也很高，其 监控系统也异常复杂，由于其被测点较少，考虑其系统的经济性和适用性等因素，一般选用传统式计算机监 控系统为宜。 例如，在上海京荣船舶设计有限公司设计的6 0 0 0 吨级化学品船中，其自动化设备要求按照一人桥楼配 孙国强陈燕上海京荣船舶设计有限公司 一1 6 2 图l 船舶数字化信息监控平台网络拓扑图 置，自动化系统入德国G L 周期性无人值班机舱级，在其自动系统设计中，经分析论证后，我们优先选用了传 统式计算机网络监控系统，其系统基本设计思路及特点如下所述： 2 1 基本技术状态 本船主推进装置，是用1 台非逆转中速柴油机作为主机，经齿轮箱变速后，分别驱动C P P 主推进器和 m 轴带发电机运行，轴带发电机又兼作朋用，即在应急工况，用作驱动主推进器的电动机，以取代主柴 油机；电站由3 台主柴油发电机组、l 台轴带发电机组和l 台应急发电机组组成，应急发电机又兼作停泊发 电机用。在正常航行时由轴带发电机对全船供电；进出港时，由2 台主柴油发电机组并联运行对全船供电；在 卸货时，用3 台主柴油发电机组并联运行对全船供电。液货泵和压载水泵采用由液压动力驱动的潜液泵，该 液压动力泵站兼作首侧推器的液压驱动力；所有液货舱、污油舱、压载水舱、淡水舱的阀门均需遥控，且各舱 配有相应的液位、压力、温度测量系统；液货舱、污油舱配有高液位及高高液位报警系统，并配有制氮装置。船 内通信采用多媒体综合通信系统，船外通信，除配有常规的无线电台、海事卫通C 站外，尚配有卫通F 站和 高速宽带的卫通S E v S A T 站；在驾驶室，除配有常规的导航设备外，尚配有双套电子海图仪等；船舶管理局 域网在每个船员房间、及各主要控制站均设有通信终端，以便对船内、外通信。 2 2自动化系统网络拓扑图 综合上述，尽管本船吨位不大，但设备齐全，技术先进，功能完善，为确保船舶航行安全、满足周期性无人 值班机舱与一人桥楼驾驶的要求，并充分考虑经济适用性和“减排”等要求，其自动化系统设计，系根据各系 统对保证船舶安全航行的重要程度，而分级区别配置相应的监控设备，对于有助于船舶“节能”和“减排”的因 素，要合理安排充分利用，同时，要尽量简化计算机网络监控系统，充分利用网络计算机的资源，尽量扩展网 络服务范围，提高网络服务能力，最大限度的满足用户需求，在图2 中，已体现了该船计算机网络的基本功 能和设计理念。 2 3 自动化系统特点 其一，图2 为该船计算机网络拓扑图，是星形结构，通过船舶局域网交换机，把机舱主辅机监控局域网、 阀门遥控和各种油舱、水舱的液位监控局域网、船舶管理局域网、多媒体综合内通、卫星通讯站和船舶导航系 统，联结成一个传统式全船局域网络，其全船网络数据共享，在各个子网之间，通过互连不同网络段的网桥 一1 6 3 ( B “d g e ) 或路由器( R o u t e r ) 进行数据交换，并使各子网相对独立，保护其子网工作安全可靠。与图l 所示的数 字化信息平台监控系统网络拓扑图相比，无论从网络技术、网络结构或网络性能诸方面，均有很大差异。图 1 所示的是大容量、高速双环形局域网，通过虚拟网V L A N 技术，各网络段之间可直接进行数据交换，无需借 助于网桥或路由器转换，可进行三级实时监控。而图2 所示的系统，仅能在部分子局域网中进行实时监控， 在其余局域网内仅能实时监视。 其二，图2 所示的计算机网络拓扑结构，实质上是由单回路子局域网、双回路子局域网、以及单项控制 系统组成了一个混合网络，其结构简单、方法灵活。首先，对能保证船舶安全航行的主推进装置、电站管理单 元、重要辅机监控设备，配置了5 台计算机和2 台打印机，采用双回路冗余子局域网，它是该船一级重要网 络；其次，对阀门遥控、液位测量和配载系统，也同样配置了5 台计算机和2 台打印机，而选用了单回路子局 域网，是该船二级重要网络；再者，对船舶管理、通信及娱乐系统配置1 台交换机和3 0 个终端，分布于各船 员住所和控制站，同时，通过其交换机，把多媒体综合内通、卫星通信站和导航系统连接在一起，构成一个非 重要网络。再看其网络通信方式，该网络既保留了传统计算机网络的特征，即在各个子网之间，是通过网桥或 路由器进行数据交换，并没有使用虚拟网V L A N 技术等；同时，该网也具有数字化信息监视平台的功能，尽 管在数据传送速率和容量远不及图1 所示的网络，但该网是在现有网络设备的基础上，使船舶数据资源达 到最大限度的共享和使用，使计算机网络资源充分利用，这是系统设计所追求的。 图2实船数字化信息监视平台网络拓扑图 其三，从图2 所示的计算机网络拓扑图可看出，该网络为开放型，通过船舶局域网交换机、各子局域网 或监控系统网络集线器，根据用户需要，可随时增加子网或子监控系统。例如：在多媒体综合内通系统，可增 设视频监视设备，可对机舱主辅机、上甲板装卸货工作区，尾排卸货区的工作状态，进行有效视频监视；在导 航系统，充分利用2 套电子海图的技术条件，增配有导航软件，并与自动( 自适应) 操舵仪相协调，可实现自 动导航功能，实施一人桥楼驾驶；在卫星通信系统，增配些管理软件，充分利用s E V S A T 的通信优势，最大限 度的满足船岸通信、视频传输和船员的娱乐享受等。 3 自动化系统设计体会 其一，系统设计理念要更新。船舶自动化系统的设计理念，要随着科学技术的飞速发展而不断更新和完 善。在计算机技术尚未在船上使用之前，船舶自动化系统，只能设计成较简单的，各自独立的检测、控制、报警 1 6 4 和显示系统，其系统功能简单、工作性能较差，各系统资源难以共享和充分利用，即船舶自动化设备的技术状 态，严格制约了船舶自动化系统的发展，逐步形成的根据产品配置系统的传统设计理念，这种理念不突破，就 难以设计出好的监控系统，也不利于老产品的更新换代。随着信息技术和计算机网络技术的迅速发展，数字 化信息平台综合监控系统在国内外大型军舰和豪华游轮上的应用，为船舶自动化系统设计创造了良好条件， 使我们能够摆脱产品的制约，根据实际需要设计出理想的系统，并不断促使相关产品的技术性能的改进和提 高，以满足系统的需要，逐步形成一种新的设计理念。 其二，系统设计要有超前意识。船舶自动化系统是跟据用户要求、相关规范、公约规定进行设计，这是最 基本的，也是最低的要求，况且这些要求和规定均来自于航运业的实践，应予以满足，但仅仅做到这些还不 够，应立足于更高层次，设身处地为用户、为建造者多思考些问题。所谓系统设计的超前意识，即在自动系统 设计中，不仅要追求系统的技术先进性、工作安全可靠性、经济适用性，而且要在开发“高附加值”船型上作些 文章，要使用户和制造者花同样的钱，得更多的效益，逐步以新船犁引导市场，指导消费。例如，目前有些用户 对船舶自动化系统的使用，仍处于深入思考阶段，他们要求主机在驾驶室遥控、电站要自动控制、机舱主要辅 机要实现自动控制，但不入自动化级，这似乎是为了节约用费和保证使用安全，其实不然，因上述设备配置， 已基本满足了无人值班机舱的要求，设计者要对其资源予以合理分配，若对系统精心设计和建造，是能够达 到入自动化级要求的，入级后，不仅仅提高了船舶机舱自动化等级和船舶自身的附加值，而且有效的保证了 用户合理使用这些设备的权益，可避免安全事故中的意外损失。 其三，纵观全局，着眼细节。船舶自动化系统实质上是一种涉及专业范围广、科技含量高、工作难度大的 较复杂的系统工程，该系统包括全船综合监控系统、各区域设备的集中监控系统、各设备自身的监控系统等。 所谓纵观全局，就是在自动化系统设计中，首先要从全局出发，对全船监控系统要进行统筹安排，要根据船 型、用户要求和所选用设备的技术状态等，确定适用于该船的自动化监控系统总方案，并根据各区域监控系 统实际需要，分级合理配置相应的监控设备，制定主控局域网、各区域的子局域网络的拓扑图及其通讯速率 等。所谓着眼细节，就是在总的监控网络拓扑确定基础上，必须针对各区域所隶属的具体监控子系统，进行科 学配置和精心设计，使各子监控系统更加科学化、人性化，以促使该船的“节能”和“减排”。例如，在设计机舱 监测报警系统时，要对机舱各种油舱的温度，予以严格监控，对于需要加热的油舱，均应设有温度检测、报警， 对于保持油温较高的燃油日用舱、燃油沉淀舱等，均应设置温度自动控制装置，严格控制所有被加热油舱的 温度保持在规定值，这不仅仅减少用以加热的能源，即“节能”，而且也有利于使机舱环境温度控制在设定值， 进而使主、付机能稳定在最佳燃烧状态下运行，这有助于改善主、付机的排气质量，即“减排”；又如，在已实现 周期性无人值班机舱的自动化船舶上，且在驾驶室导航系统中，已配有自动( 自适应) 操舵仪和双套电子海图 的基础上，应能使用电子海图进行自动导航，因自动导航不仅节省人员，而且使船舶能自动按照所设定的线 路航行，这样，既能缩短航程，又减少了耗油量，即有利于“节能”；再如，在设计阀门遥控系统和各舱油、水液 位监控系统时，应尽可能使两系统并为一体处理，以便简化系统，降低监控系统自身的