隨著計算機技術(shù)的高度發(fā)展和船舶自動化水平的不斷提高,船舶自動化技術(shù)不斷向全船綜合自動化階段發(fā)展,各類導(dǎo)航、監(jiān)控、管理系統(tǒng)都被運用于船舶中。
在船舶自動化中,機艙自動化尤為重要,其中的主機、發(fā)電機組、舵漿、離合器、空壓機等重要設(shè)備對船舶的正常航行有著非常重要的作用。目前,對船舶自動化的要求已不僅僅局限于局部的、單一的、獨立的監(jiān)控和管理,而是對大范圍、多層次、集中式的監(jiān)控系統(tǒng)提出了更高的要求,其中船舶機艙監(jiān)控系統(tǒng)和電站管理系統(tǒng),視頻監(jiān)控系統(tǒng)以及船、岸通訊系統(tǒng)的融合,是船舶機艙自動化未來發(fā)展的趨勢。
如圖1所示,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由兩部分組成:岸上部分和船上部分。由于船上物理環(huán)境惡劣,震動大、溫度高、濕度高,為保證網(wǎng)絡(luò)的可靠性,需采用有線網(wǎng)絡(luò)連接方式組成一個局域網(wǎng),組網(wǎng)方式為以太網(wǎng)。岸上部分也組成一個網(wǎng)絡(luò),并和互聯(lián)網(wǎng)相連,可供遠端客戶瀏覽查看。
系統(tǒng)處理結(jié)構(gòu)是分布式的,通過基于子系統(tǒng)的平等接入方式進行系統(tǒng)集成。其核心思想是提供一個開放的平臺,在該平臺上可以運行各種應(yīng)用系統(tǒng)。系統(tǒng)由上層的管理網(wǎng)和下層的現(xiàn)場控制網(wǎng)組成。下層現(xiàn)場控制網(wǎng)的各個設(shè)備子系統(tǒng)以平等的方式接入。上層管理網(wǎng)絡(luò)運行高性能的系統(tǒng)集成、數(shù)據(jù)庫和各種應(yīng)用系統(tǒng)。各設(shè)備子系統(tǒng)的實時運行數(shù)據(jù)通過下層現(xiàn)場控制網(wǎng)傳輸?shù)綄?yīng)的網(wǎng)關(guān),由該網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)處理/轉(zhuǎn)換后發(fā)送到上層的管理網(wǎng)絡(luò),然后存儲在系統(tǒng)集成共享數(shù)據(jù)庫中。管理網(wǎng)絡(luò)通過裝有系統(tǒng)核心調(diào)度程序的多功能工作站對各子系統(tǒng)實現(xiàn)統(tǒng)一管理、監(jiān)控及信息交換。應(yīng)用子系統(tǒng)包括對船舶內(nèi)各種設(shè)備機電設(shè)備的自動化監(jiān)控,如火警、消防、液位、閥門狀態(tài)、動力、照明和航行等,同時提供網(wǎng)絡(luò)支持能力,實現(xiàn)對數(shù)據(jù)、語言、圖形、圖像等信息的接收和發(fā)送。
為保證整個監(jiān)控系統(tǒng)的安全性和可靠性,系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)采用實時交互方案。為保證整個系統(tǒng)的可維護性和可擴展性,系統(tǒng)采用如圖2所示的分布式結(jié)構(gòu)。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計包括網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)、通信協(xié)議、網(wǎng)關(guān)的軟硬件設(shè)計等各個方面。在進行系統(tǒng)設(shè)計時,應(yīng)充分考慮各子系統(tǒng)的集成問題,從系統(tǒng)的可擴展性出發(fā),用國際標(biāo)準(zhǔn)化的Ethernet和CAN總線組成雙層網(wǎng)絡(luò),并在這兩種網(wǎng)絡(luò)中分別加入冗余設(shè)計,形成一種雙冗余的網(wǎng)絡(luò)信息平臺。在船舶上設(shè)置網(wǎng)絡(luò)時應(yīng)首先考慮環(huán)境特點,由于船舶具有振動、搖擺等特點,在設(shè)計時要突出可靠性,環(huán)形拓撲結(jié)構(gòu)在網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時仍能自行重構(gòu),保證系統(tǒng)安全可靠。由于光纖傳輸?shù)氖枪庑盘枺瑑啥说碾娫聪鄬Ω綦x,有效地解決了光纖兩端電源和地線對設(shè)備可能造成的嚴重威脅,同時傳輸光纖具有對電磁和射頻干擾抑制能力,信號在傳輸過程中不受電磁和射頻噪聲的影響。
隨著計算機技術(shù)的高度發(fā)展和船舶自動化水平的不斷提高,船舶自動化技術(shù)不斷向全船綜合自動化階段發(fā)展,各類導(dǎo)航、監(jiān)控、管理系統(tǒng)都被運用于船舶中。
在船舶自動化中,機艙自動化尤為重要,其中的主機、發(fā)電機組、舵漿、離合器、空壓機等重要設(shè)備對船舶的正常航行有著非常重要的作用。目前,對船舶自動化的要求已不僅僅局限于局部的、單一的、獨立的監(jiān)控和管理,而是對大范圍、多層次、集中式的監(jiān)控系統(tǒng)提出了更高的要求,其中船舶機艙監(jiān)控系統(tǒng)和電站管理系統(tǒng),視頻監(jiān)控系統(tǒng)以及船、岸通訊系統(tǒng)的融合,是船舶機艙自動化未來發(fā)展的趨勢。
如圖1所示,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由兩部分組成:岸上部分和船上部分。由于船上物理環(huán)境惡劣,震動大、溫度高、濕度高,為保證網(wǎng)絡(luò)的可靠性,需采用有線網(wǎng)絡(luò)連接方式組成一個局域網(wǎng),組網(wǎng)方式為以太網(wǎng)。岸上部分也組成一個網(wǎng)絡(luò),并和互聯(lián)網(wǎng)相連,可供遠端客戶瀏覽查看。
系統(tǒng)處理結(jié)構(gòu)是分布式的,通過基于子系統(tǒng)的平等接入方式進行系統(tǒng)集成。其核心思想是提供一個開放的平臺,在該平臺上可以運行各種應(yīng)用系統(tǒng)。系統(tǒng)由上層的管理網(wǎng)和下層的現(xiàn)場控制網(wǎng)組成。下層現(xiàn)場控制網(wǎng)的各個設(shè)備子系統(tǒng)以平等的方式接入。上層管理網(wǎng)絡(luò)運行高性能的系統(tǒng)集成、數(shù)據(jù)庫和各種應(yīng)用系統(tǒng)。各設(shè)備子系統(tǒng)的實時運行數(shù)據(jù)通過下層現(xiàn)場控制網(wǎng)傳輸?shù)綄?yīng)的網(wǎng)關(guān),由該網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)處理/轉(zhuǎn)換后發(fā)送到上層的管理網(wǎng)絡(luò),然后存儲在系統(tǒng)集成共享數(shù)據(jù)庫中。管理網(wǎng)絡(luò)通過裝有系統(tǒng)核心調(diào)度程序的多功能工作站對各子系統(tǒng)實現(xiàn)統(tǒng)一管理、監(jiān)控及信息交換。應(yīng)用子系統(tǒng)包括對船舶內(nèi)各種設(shè)備機電設(shè)備的自動化監(jiān)控,如火警、消防、液位、閥門狀態(tài)、動力、照明和航行等,同時提供網(wǎng)絡(luò)支持能力,實現(xiàn)對數(shù)據(jù)、語言、圖形、圖像等信息的接收和發(fā)送。
為保證整個監(jiān)控系統(tǒng)的安全性和可靠性,系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)采用實時交互方案。為保證整個系統(tǒng)的可維護性和可擴展性,系統(tǒng)采用如圖2所示的分布式結(jié)構(gòu)。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計包括網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)、通信協(xié)議、網(wǎng)關(guān)的軟硬件設(shè)計等各個方面。在進行系統(tǒng)設(shè)計時,應(yīng)充分考慮各子系統(tǒng)的集成問題,從系統(tǒng)的可擴展性出發(fā),用國際標(biāo)準(zhǔn)化的Ethernet和CAN總線組成雙層網(wǎng)絡(luò),并在這兩種網(wǎng)絡(luò)中分別加入冗余設(shè)計,形成一種雙冗余的網(wǎng)絡(luò)信息平臺。在船舶上設(shè)置網(wǎng)絡(luò)時應(yīng)首先考慮環(huán)境特點,由于船舶具有振動、搖擺等特點,在設(shè)計時要突出可靠性,環(huán)形拓撲結(jié)構(gòu)在網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時仍能自行重構(gòu),保證系統(tǒng)安全可靠。由于光纖傳輸?shù)氖枪庑盘?,兩端的電源相對隔離,有效地解決了光纖兩端電源和地線對設(shè)備可能造成的嚴重威脅,同時傳輸光纖具有對電磁和射頻干擾抑制能力,信號在傳輸過程中不受電磁和射頻噪聲的影響。
系統(tǒng)功能實現(xiàn)
系統(tǒng)要求實現(xiàn):船舶機艙各設(shè)備的實時監(jiān)控及故障報警功能。分布式數(shù)據(jù)庫查詢和存儲。利用數(shù)據(jù)融合技術(shù)實現(xiàn)智能故障診斷。有線網(wǎng)絡(luò)與無線網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合。無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)監(jiān)控數(shù)據(jù)以及視頻圖像和語音的大數(shù)據(jù)量信息傳輸。
根據(jù)系統(tǒng)功能要求,將功能實現(xiàn)分為如圖3所示的多個模塊。各模塊功能如下:
數(shù)據(jù)采集模塊:負責(zé)信號的采集、轉(zhuǎn)換以及信號的輸入/輸出,經(jīng)由局域網(wǎng)與計算機通信,最后經(jīng)過初次處理存入實時數(shù)據(jù)庫。
數(shù)據(jù)查詢模塊:主要根據(jù)查詢項目和查詢時間,動態(tài)提供各重要參數(shù)的歷史值查詢。
實時監(jiān)控模塊:不停地從實時數(shù)據(jù)庫中取得實時數(shù)據(jù),動態(tài)顯示各設(shè)備的運行參數(shù),通過監(jiān)控界面,實時了解各設(shè)備的運行狀況。
管理功能模塊:管理授權(quán)用戶的登錄,高級權(quán)限的用戶擁有一般用戶所沒有的權(quán)限,如進行報警參數(shù)的設(shè)定操作等,從而保證了系統(tǒng)的保密性和安全性。
趨勢圖查看模塊:根據(jù)所選日期和時間段,動態(tài)顯示任意時間內(nèi)的趨勢曲線,使得操作人員對于機艙參數(shù)的變化情況一目了然。
故障診斷模塊:實時檢測機艙各部件發(fā)生的故障,并對故障原因、故障頻率和故障的危害程度進行分析、判斷,并給出必要的解決措施。
其它功能模塊:包括報表的生成和打印、對數(shù)據(jù)庫管理、幫助等信息。
人機交互子系統(tǒng)
系統(tǒng)的人機界面設(shè)計規(guī)范,主菜單設(shè)置方便操作,分畫面操作及轉(zhuǎn)換靈活,所有功能選擇均可通過屏幕軟件按鈕直接完成。系統(tǒng)界面采用亞控king graphics來設(shè)計。其特點是界面美觀,與用戶交互能力強,用戶的瀏覽體驗自然。功能完善,集成已有的性能計算公式和方法,對結(jié)果數(shù)據(jù)的預(yù)測準(zhǔn)確。信息的交互、采集、分析和處理效率高,能夠有效訪問和使用數(shù)據(jù)庫。預(yù)留擴展接口,方便進行升級、整合和擴展。
界面的組成包括:
主界面窗體:如圖4所示,所有子系統(tǒng)在主界面上清晰顯示,便于進入各子系統(tǒng)查看。
機艙設(shè)備監(jiān)控窗體:可快捷搜索查詢需要查看的狀態(tài)參數(shù),內(nèi)置報警系統(tǒng),在設(shè)備出現(xiàn)故障時,自動彈出故障設(shè)備和相應(yīng)的應(yīng)對措施。
歷史曲線查詢窗體:可根據(jù)需求自動設(shè)定時間長度,選取需要的時間片段內(nèi)的數(shù)據(jù),生成實時曲線或歷史曲線,并可生成相應(yīng)的報表。
應(yīng)急事件處理窗體:按船舶系統(tǒng)分類,搜集整理包含應(yīng)急事件概況、分析和處理的船舶應(yīng)急事故處理數(shù)據(jù)庫,便于查找任何系統(tǒng)的應(yīng)急事故資料。
機損事故處理、預(yù)防性檢查、安全防范、環(huán)境保護、應(yīng)急處理,每種情況下又按機艙主要設(shè)備進行劃分。
維修清單窗體:根據(jù)公司和相關(guān)船舶法規(guī)的要求,整理出機艙所有維修內(nèi)容表,只要運行該窗體,就可以自動調(diào)出所有應(yīng)該維修管理的內(nèi)容,可生成報表方便維修處理。當(dāng)完成相應(yīng)維修管理后,可以在系統(tǒng)中進行確認標(biāo)記。
視頻監(jiān)控窗體:實時傳送船上的現(xiàn)場情況并加以監(jiān)視,使用視頻服務(wù)器模塊,將模擬的視頻圖像進行實時壓縮并發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)上,計算機可對其進行圖像的存儲、編輯和報警輸出,并根據(jù)現(xiàn)場的情況來指揮調(diào)度,還可通過網(wǎng)絡(luò)同時傳達到各個相關(guān)職能部門。
船岸一體化子系統(tǒng)
船岸一體化的目標(biāo)是建立一個船岸一體化信息廣域網(wǎng)和船岸一體化的信息交換、監(jiān)控和管理平臺。在此平臺上可以實現(xiàn)船岸信息的實時共享和交互,進而實現(xiàn)對各種船舶(船隊)的實時監(jiān)控,提高管理層的調(diào)度、經(jīng)營和決策能力;同時也可以大幅度提高船舶航運安全性和保障港口海上交通安全,進一步提高港口的運輸能力。因此,船岸一體化是船舶自動化技術(shù)發(fā)展的高級階段,也是船舶運輸技術(shù)和物流電子商務(wù)技術(shù)發(fā)展的方向。
船岸一體化信息平臺著重于對艦船運作過程的有關(guān)信息進行傳輸、接收、存取、變換和反饋,并不斷對有關(guān)過程進行調(diào)整和優(yōu)化。它是一個大范圍、多層次、多變量、結(jié)構(gòu)復(fù)雜和功能綜合的大系統(tǒng)。單船系統(tǒng)通過海事衛(wèi)星通信系統(tǒng),以單船作為一個節(jié)點,進入船岸一體化通信網(wǎng),實現(xiàn)船岸一體化管理。船岸一體化信息平臺的總體管理架構(gòu)采用分級架構(gòu)、集中管理的形式,即實現(xiàn)跨地區(qū)多網(wǎng)域的分級艦船體系架構(gòu)。管理員可在總部對各地分支機構(gòu)所屬的艦船進行集中統(tǒng)一管理,各地分支機構(gòu)也可對所擁有的艦船實施本地化管理。該架構(gòu)具有良好的可擴展性和可伸縮性,能很好地適應(yīng)艦船規(guī)模擴大或新增管理節(jié)點,支持分布式架構(gòu),實現(xiàn)分級管理。系統(tǒng)采用集中監(jiān)控方式,從一個監(jiān)測平臺可同時監(jiān)測多達上千艘艦船設(shè)備及其各種關(guān)鍵參數(shù)。在實現(xiàn)技術(shù)上采用基于Web技術(shù)的B/S架構(gòu),系統(tǒng)的維護和升級都十分方便。
工業(yè)數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)
為確保系統(tǒng)的可靠性及數(shù)據(jù)的不間斷采集(如圖5所示),上位機采用雙機冗余的連接方式。主機和從機通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)連接,正常情況下主機處于工作狀態(tài),從機處于監(jiān)視狀態(tài),從機通過網(wǎng)絡(luò)從主機獲取實時數(shù)據(jù)和報警信息,完成數(shù)據(jù)的熱備份;一旦主機發(fā)生異常,從機會在很短時間內(nèi)取代主機,完全實現(xiàn)主機的功能;當(dāng)主機修復(fù)重啟后,從機又會自動把主機丟失的歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)拷貝給主機,然后重新處于監(jiān)控狀態(tài)。
數(shù)據(jù)庫要求能夠長期存儲機艙監(jiān)控設(shè)備的所有數(shù)據(jù),既可以方便地查看實時數(shù)據(jù),又能隨時調(diào)出歷史數(shù)據(jù),并支持各種查詢?nèi)鏢QL語句查詢。為縮短開發(fā)周期,結(jié)合實際項目需求,本工業(yè)數(shù)據(jù)庫采用亞控KingHistorian并采用雙機熱備的形式,因而具有如下特點。
高效管理數(shù)據(jù):使用計算機、應(yīng)用數(shù)據(jù)庫語言編制數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)對已有資料和檔案進行管理,以取代傳統(tǒng)的人工、手寫管理方式已經(jīng)成為一種趨勢。采用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)對資料進行管理、歸檔、保存可以使日后對資料的查詢、分析變得簡便而快速,大量的節(jié)約人力和物力,并且可以提高準(zhǔn)確性。動力裝置監(jiān)測分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的建立,對船艇設(shè)備的檢測、維修能起到方便、快捷的作用,尤其是對船艇設(shè)備應(yīng)急搶修能節(jié)約時間、提高效率,從而減少損失和人力浪費。
預(yù)測船艇運行趨勢:數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)是從數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)趨勢或模式的高級過程,它的應(yīng)用提高了數(shù)據(jù)分析的效率和深度,為故障預(yù)測提供了有力的手段。對于船艇裝置的檢測和維修有很好的輔助作用。將數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)應(yīng)用在船艇裝置狀態(tài)監(jiān)測與分析系統(tǒng)上,有利于用戶直觀地查看系統(tǒng)參數(shù)狀態(tài)及其相關(guān)信息,方便檢測和維修。
支持多種文件格式:船艇裝置狀態(tài)監(jiān)測與分析系統(tǒng)支持多種文件格式,例如常用辦公文件格式:MS Word、Excel、Powerpoint、Adobe pdf格式等。用戶可以將這些格式的文件存入數(shù)據(jù)庫中,也可以從數(shù)據(jù)庫中讀取存到硬盤上。
可擴充性:預(yù)留擴充功能的接口,方便以后擴展功能。
良好的顯示界面:用戶可以在屏幕提示下很快熟悉系統(tǒng)組成及功能,并可以輕松、直觀、簡便地完成對數(shù)據(jù)庫的訪問。
支持視頻播放:KingHistorian數(shù)據(jù)庫內(nèi)置視頻編碼,接受現(xiàn)場層的視頻數(shù)據(jù),播放視頻,可根據(jù)成本和實際需求隨時添加。
機艙設(shè)備和監(jiān)測點
船舶機艙綜合監(jiān)控系統(tǒng)近年來不斷地進行著數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的改造。船舶不同于其他系統(tǒng) ,它長期遠離陸地,需要高效率地完成任務(wù),而對它的監(jiān)控具有監(jiān)控點多、被控量形式多、特定時間數(shù)據(jù)量大、工作條件惡劣(潮濕、高溫、震動、噪聲、電磁干擾)等特點,這就給設(shè)備的可靠性提出了較高要求。機艙各子系統(tǒng)可分類歸納如下:
推進系統(tǒng):是船舶動力裝置中最主要的部分,是船舶的推進核心,其中包括主機、傳動設(shè)備、軸系和推進器,主機發(fā)出動力,通過傳動設(shè)備及軸系驅(qū)動推進器產(chǎn)生推力,從而克服船舶航行阻力使之以某一航速航行。
啟動系統(tǒng):在柴油機動力裝置中,壓縮空氣系統(tǒng)是保證船舶正常運行的不可缺少的動力源。
電站系統(tǒng):包括副機、發(fā)電機與輸配電設(shè)備等,擔(dān)負著全船電力供應(yīng)的任務(wù),如果發(fā)電柴油機發(fā)生故障就會造成全船失電,危及船舶安全。
燃油系統(tǒng):如圖6所示,它是為主、副柴油機、鍋爐等供應(yīng)足夠數(shù)量和一定品質(zhì)的燃油,以確保船舶動力機械的正常運轉(zhuǎn)。燃油系統(tǒng)一般由注入、儲存、駁運、凈化、供給和計量六個部分組成。但隨著船舶尺度、類型和柴油機機型、所用燃油品種等不同,燃油系統(tǒng)的組成也有所差別。
潤滑系統(tǒng):用以供給柴油機動力裝置運動部件的潤滑和冷卻所需的潤滑油?;拖到y(tǒng)一般由滑油儲存艙(柜)、滑油循環(huán)艙(柜)、滑油泵、凈油設(shè)備(濾器、分油機)及滑油冷卻器等組成,其組成形式依柴油機結(jié)構(gòu)不同分為濕油底殼式和干油底殼式滑油系統(tǒng)。
冷卻系統(tǒng):為使受高溫燃氣和摩擦作用的柴油機部件保持穩(wěn)定工作,必須對這些部件進行冷卻。冷卻系統(tǒng)的作用就是把冷卻介質(zhì)送到受熱部件,將其多余的熱量帶走。船舶動力裝置中使用的冷卻介質(zhì)主要有海水、淡水、滑油、燃油和空氣等,其中最常用的是海水和淡水。
鍋爐系統(tǒng):供應(yīng)蒸汽必須設(shè)置蒸汽鍋爐。在柴油機船上,除了油輪以及采用廢氣透平發(fā)電機組需要數(shù)量較多和壓力較高的蒸汽外,一般只需要適量的低壓飽和蒸汽,所以這種蒸汽鍋爐被稱為輔助鍋爐。輔助鍋爐所產(chǎn)生的蒸汽經(jīng)過管路、閥門及輔助機構(gòu)等供至各用汽設(shè)備。蒸汽在各用汽設(shè)備中放出熱量,溫度降低變成凝水。其凝水流入熱水井(凝水柜),再由給水泵吸出打入輔助鍋爐內(nèi),形成蒸汽——凝水循環(huán)。根據(jù)船舶大小、種類和航行區(qū)域的不同,用汽設(shè)備有多有少,要求的壓力也可能有所不同,分支線路有簡有繁。在大型船舶上由于所需的蒸汽量大,故除設(shè)置一兩臺輔助鍋爐外,還設(shè)有一臺廢氣鍋爐,以充分利用大功率柴油機所排出的廢氣熱量,故管路閥件相應(yīng)也要復(fù)雜。
消防壓載水系統(tǒng):壓載水系統(tǒng)根據(jù)船舶營運的需要,對全船壓載艙進行注入或排出,以調(diào)整船舶的吃水和船體縱、橫向的平穩(wěn)和安全的穩(wěn)心高度,減小船體變形,避免引起過大的彎曲力矩與剪切力,降低船體振動等。
船底水及日用水系統(tǒng):衛(wèi)生水系統(tǒng)是保證船舶管理和船上人員生活所必需的上、下水道系統(tǒng),上水道系統(tǒng)是供水系統(tǒng),其任務(wù)是供給船上引用水、洗滌水、沖洗甲板的清水和舷外水;下水道系統(tǒng)是瀉水系統(tǒng),其作用是將廁所的糞便水,浴室、廚房等污水,甲板沖洗水、雨水等排泄至舷外。
應(yīng)急和救生設(shè)備:船舶應(yīng)急和救生設(shè)備是當(dāng)船舶遇險時撤離乘員而在船上設(shè)置的專用設(shè)備及其附件的總稱。
參考文獻
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