舰船自动化研究现状及趋势

2007年第6期ShipElectronicEngineering　　31　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

舰船自动化研究现状及趋势

朱中华

1),3)

3

　王则胜

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(镇江船艇学院1)　镇江　212003)　(上海海事大学商船学院2　上海　200135)

(江苏大学机械学院3　镇江　212013)

)

摘　要　为应对日趋激烈的航运竞争,保证航运更安全,海洋更清洁,舰船需要实现高度的自动化。随着计算机网络技术的发展,舰船采用分布式、现场总线等控制技术,使得各种控制系统功能更加完善,实现全船的网络化,舰船自动化从最初的机舱自机动化发展到了舰船航行自动化和管理自动化。

关键词　舰船自动化;无人机舱;航行自动化;集成船桥系统;岸船一体化中图分类号　TP39

1　舰船自动化发展历程舰船作为人类历史最为悠久的一种交通运输工具,一直跟随着科学技术的进步而不断发展。12世纪指南针的发明,带动了船上磁罗经导航和天文定位的发展;17年蒸汽机的发明,给船舰船动力带来了性的变化;1837年莫尔斯发明电报,使舰船进入了现代化的通信联络时代;20世纪50年代,各主要航运国家为追求利润最大化,同时为提高航运安全,提出了舰船自动化的概念,当时的自动化主要措施是实施机舱动力装置的集中控制。

20世纪50年代至60年代中期,主要解决机舱设备的单元自动化问题;20世纪60年代中期至80年代,实现整个机舱的机动化,达到机舱无人值

益增多,吨位越来越大,航速不断提高。港口和航道交通拥挤,航海事故时有发生,造成生命财产的巨大损失,对水域造成严重的污染。为应对日趋激烈的航运竞争,保证“航运更安全,海洋更清洁”,提高舰船自动化技术水平十分重要。2.1　舰船行动化系统功能

班的要求;70年代至今,致力于在机舱、导航、货

物装卸、报务等方面实现全面自动化。随着计算机网络技术的发展,舰船采用了分布式、现场总线等控制技术,使得各种控制系统功能更加完善,实现了全船的网络化。近年来,各主要航运国家发展集成驾驶系统,同时建立舰船操纵中心和管理中心,并开发船队控制系统,组成岸船一体化网络。舰船自动化已从最初的机舱机动化发展到了舰船航行自动化和管理自动化。

舰船要实现高度的自动化,舰船各个部分都要采用最新技术,由多个控制系统组成,各控制系统之间由网络进行通信,具体功能如图1所示。

无人机舱主要包[1]

括:主机遥控系统、辅机系统、集中监测系统、工况测量系统、电站控制系统、锅炉控制系统、故障图1　船舶自动化

预诊断系统。系统功能图

舰船自动航行系统主要由下面子系统组成:(1)气象、海况状态监测子系统;(2)船体状态监测子系统;(3)航线设计子系统;(4)自动定位子系统;(5)舰船航行操船子系统;(6)舰船避碰子系统;(7)船网数据总线。货运监控系统:液货装卸系统、配载控制系统、冷藏舱控制系统、集装箱系固系统、侧推控制系统、火灾报警系统、惰性气体防爆系统、甲板机械控制、自动系泊系统、静电防护系统。

舰船信息管理:人事管理系统、备件管理系统、事故黑匣子、设备损管系统。2.2　船队控制系统

2　舰船行动化系统

随着世界各国海运事业的发展,舰船数量日

3

收稿日期:2007年3月27日,修回日期:2007年7月31日

作者简介:朱中华,女,硕士研究生,讲师。

32　　　　　　　　　　朱中华等:舰船自动化研究现状及趋势　　　　　　　　　　　总第162期

　　舰船除了实现自身高度自动化外,通过建立

岸船一体化网络,实现舰船与舰船管理部门的信息互联和集成的船队控制管理系统。船队控制管理系统的功能组成如图2所示。统;操纵与控制子系统;避碰子系统;通讯子系统。3.2.1航线与航行计划制定子系统

航线与航行计划制定子系统主要生成优化航线和制定相关的航行计划。由于ECDIS、ENC等融合了包括灯标、通航分割制、VTS、沉船等多级信息,用户直接在ECDIS或ENC上进行航线设计。3.2.2定位与导航子系统

目前,IBS装备的X波段和S波段数据ARPA能跟踪40个以上目标,提供稳定清晰的图像和标准的图表符号、导航线等建立自己的视频地图,有标准的输出接口,并已实现了雷达图像与ECDIS或ENC图像的叠加显示。导航定位数据处理系统能广泛接收来自无线电导航系统、ARPA/RADAR、GPS(或DGPS)/GLONASS等的定位信息,并可完成船位的快速卡尔曼滤波。DOPPLER计程仪通过双轴系统和全向运动探测器提供对地或600米深处水层的速度与航程数据。通过电罗经和光导罗经的双重信号,提供更为可靠的航向信息。自动船位推算程序则能根据实测的风流压差进行连续的自动船位计算。

3.2.3操纵与控制子系统

IBS中的操纵与控制子系统已能完成航线的自动跟踪(AUTOTRACKING),具体包括航线跟踪算法和对自适应自动舵的控制。目前的自适应自动舵具备首向控制、风流补偿、漂移补偿、航向控制及航迹控制等功能,可以根据设定的新航向距离和旋回半径,执行高精度的改向。3.2.4避碰子系统

舰船自动避碰很长一段时间以来深受有关专家学者的高度重视。自动避碰之所以迟迟未能解决,主要因避碰是人根据当时的具体情况所发生的一种高度智能行为,它难以被方程式化和模型化,而且具有无穷多个的离散化状态。专家学者试图从模糊数学、灰色系统、人工神经网络、智能控制、数模决策、专家系统等各种途径来解决这个拟人智能问题。吴兆麟等提出了舰船智能避碰决策与控

[4]

制系统总体结构,该系统有利于综合运用专家系统、智能控制、模糊决策和神经网络等技术建立一个系统、实用的舰船智能避碰决策与控制系统。

舰船自动识别系统(AIS)的出现使得信息交换的自主问题和信息完整性、正确性的解决成为可能,在一定程度上弥补了雷达、ARPA、VHF等设备的缺陷。AIS能自动提供和接收对运载体航行安全十分有价值的岸台、舰船和飞机的信息;包括舰船的识别号,舰船的种类、位置、航向航速、航行状态以及其他

图2　船队控制系统功能图

3　舰船自动化系统的研究的主要内容3.1　机舱自动化

无人值班机舱于20世纪80年代中期已经相当成熟,此后的10多年,机舱自动化设备在功能上并无多大的变化,只是在器件了作了更新。90年代以来,机舱自动化最大的进步是网络化,主要是依赖计算机网络技术的发展,机舱自动化系统采用

DSC(分布式计算机系统)。由于现场总线技术在工业自动控制方面的成功应用,机舱自动化系统也采用了现场总线技术,并出现了DSC与FCS(现场总线控制系统)混合式的机舱自动化。

关于柴油机工况监测与分析以及故障预诊断系统方面研究,由于系统复杂,技术难度大,虽有各种产品,但很难见到实用的产品。随着人工智能技术及专家系统的引入,研究进展较快,但技术尚待成熟。张旭等

[2]

设计出舰船机舱监测报警系统,

该系统由软件和硬件两部分组成,其中硬件部分由主服务器、监控显示计算机、智能I/O模块、通信电缆、专用键盘、打印机、传感器、延伸报警板等组成;系统的软件部分主要由两部分组成:一是智能节点模块内部的数据采集与处理程序模块,二是监控机运行的监控软件模块。3.2　集成船桥系统

集成船桥系统(IBS)集中体现了舰船自动化的最新成就。它既汇集了各种惯导、导航、通讯仪器的软、硬件研究的最新成果,同时也集中反映了现代总线技术和集成技术的最新成就

[3]

。从传统

的航海技术和研究分类,IBS可分为如下几个子系统:航线与航行计划制定子系统;定位与导航子系

2007年第6期　　　　　　　　　　　　　　　　　　舰船电子工程　　　　　　　　　　　　　　33

安全信息。其优点是没有盲区,能预测与他船会遇的实际位置,显示舰船的驶向港口名称、附近舰船的大小和吃水,实时监测和跟踪他船的动态变化,并能与岸基设施交换信息等。AIS在很大程上减轻了驾驶员的值班辛劳,使驾驶员能将更多的时间和精力

[5],[6]

用于决策和采取避碰行动。3.2.5通讯子系统

通讯子系统负责舰船与外界的通信及通信数据的自动分类处理。目前,舰船的通讯已完全进入了卫星时代和数字化。在IBS中,通讯子系统目前还是作为一个相对较为的系统,通讯基本上为端到端,端方均为人员,而无数据的自动处理机制。

GMDSS(GlobalMaritimeDistressandSafetySystem全球海上遇险与安全系统)建成是信息技术在航海上的第一次全面和系统的应用。该系统实际上包含了一个完整的通信系统,使得舰船与舰船、舰船与岸台全方位和全天候能即时沟通信息。尤其是有关遇险、紧急和安全通信及时可靠。而全球海事遇险与安全系统的实施,使驾通合一得以实观。

构建在信息技术基础上的舰船报告系统(Ship’sReportingSystem)和舰船交通服务系统(VTS),能为舰船的安全也起到很好的保障作用。3.3　岸船一体化文献[7]介绍了船岸一体化信息平台的构造框架。

船岸一体化的目标是建立一个船岸一体化信息广域网和船岸一体化的信息交换、监控和管理以及电子商务平台。在此平台上可以实现船岸信息的实时共享和交互,进而实现对各种舰船(船队)的实时监控,提高管理层的调度和经营、决策能力;同时也可以大幅度提高舰船航运安全性和保障港口海上交通安全,进一步提高港口的运输能力;实现港口和舰船之间的物流信息集成和交互,还可以大大提高港口电子商务平台的能力。

船岸一体化是舰船自动化技术发展的高级阶段,也是舰船运输技术和物流电子商务技术发展的方向。船岸一体化信息平台着重于对舰船运作过程的有关信息进行传输、接收、存取、变换和反馈,并不断对过程控制进行调整和优化。它是一个大范围、多层次、多变量、结构复杂和功能综合的大系统。单船集成平台管理系统通过海事卫星通信系统,以单船作为一个节点,进入船岸一体化通信网,实现船岸一体化管理。

4　舰船自动化系统的关键难题

到目前为止,虽然舰船自动化研究取得很好的成绩,但仍有一些关键问题有待进一步解决。在舰船控制系统方面,下面几个方面需要有新的突破:

(1)舰船航迹控制。由于舰船运动呈现出大惯性、长时滞、非线性等特点,又易受模型参数摄动及风浪流等外界干扰的影响,而且舰船动力驱动结构又具有典型的不完全驱动特性,使得进行舰船航迹控制非常困难。进行舰船航迹控制的研究是当今舰船运动控制研究中的一个热点,虽然取得了一些成果,但却由于种种局限,始终没有找到较为理想的方法。(2)舰船自动避碰决策系统。近年来自动避碰决策系统研究取得了一定的成果,但还没有真正进行实船试验,尤其在受限水域中多船的避碰问题,尚未得到有效的解决。

(3)舰船故障预报及分析管理系统。舰船设备故障表现往往是错综复杂,人工智能技术的应用起到了极大的推进作用,但还没有能够完全解决舰船故障预报的问题。

(4)岸船一体化系统。岸体一体化系统的真正实现有待于全船自动化技术相当成熟、海上通讯卫星问题得到解决、航运公司的舰船管理与之相适应。同时,该系统还要与信息高速公路相连,与国内外相关业务公司信息相通。

舰船自动化对海运事业发展的促进作用是有目共睹,舰船自动化水平更新换代的周期明显加快,新技术的应用将更加促进舰船自动化的发展。

参考方献

[1]侯馨光.20世纪舰船自动化[J].机电设备,1999(3):11～14

[2]张旭,李迪阳,孙建波等.船舶机舱监测报警系统[J].计算机工程与应用,2005(22):229～232

[3]乐美龙,朱文蔚.集成船桥系统的现状与未来[J].船舶工程,2005(5):51～53

[4]吴兆麟,刘德新,贾传荧等.船舶智能避碰决策与

控制系统总体结构[J].大连海事大学学报,2004(2):1～3

[5]王则胜,陈锦标.多船自动避碰决策[J].天津航

海,2005(4):6～8

[6]金永兴,武晓云.新世纪航海技术的展望[J].中

国航海,2002(1):1～6

[7]钱晓江.船舶集成平台管理系统和船岸一体化[J].上海海事大学学报,2006(1):53～57

2　　　　　　　　　　　　　　　　ShipElectronicEngineering　　　　　　　　　　　　　　　Index(Vol.27No.6)relatingtoPARUS—98Eperiscopesystemsarepresen2ted.Finally,featuresofRussianParus-98Eattackperi2scopeareanalyzed.

Keywords　optronicmast,attackperiscope,opticalsys2tem,lineofsightstabilization

(Page:26)

laser/IR/Uvwarningroconnaissancetechnologyaredis2cussedandthedevelopmentanalysisoftheelectro-op2ticwarningroconnaissancetechnology.

Keywords　electro-optic,laserwarningroconnais2sance,IRwarningroconnaissance,Uvwarningroconnais2sance

(Page:43)

ActualityandDirectionsofShipAutomationStudy

by　ZhuZhonghua

Abstract　Forthepurposeoffollowingthemoreandmoredrasticshippingcompetition,ensuringsafetyship2pingandcleannessocean,shipmustbehighlyautoma2tized.Withthedevelopmentofcomputernetworktech2nology,ship’scontrolsystemsbecomeperfectbyusingdistributedandbus-masteringcontroltechnique.Wholeshipmeshworkbecomestrue.Shipautomationdevelopmentvariesfromengineroomautomationtoshipauto-navigationandmanagementautomation.Keywords　shipautomation,unmannedengineroom,auto-navigation,integratedbridgesystem,ship-shorecooperation

(Page:31)

ApplicationandDevelopmentintheMilitaryoftheElectro-OpticInfraredSensor

by　TianGuirong

Abstract　Theprocessofdevelopmentandmodificationoftheelectro-opticinfraredsensortechnologyaredescribed,theelectro-opticinfraredsensortechnologyhashighad2vantageandimportanceinthemodernbattles.Theperform2anceandpropertiesoftheelectro-opticinfraredsensortechnologyarediscussedandthedevelopmentanalysisoftheelectro-opticinfraredsensortechnology.

Keywords　electro-optic,infraredsensor,applicationinthemilitary

(Page:46)

DevelopmentAnalysisoftheAmericaNavyMissileDe2fenseSystem

by　GuoLiSong

ImprovementsandFutureDevelopmentsoftheDefinitionofU.SEW

Abstract　TheprocessofdevelopmentoftheAmericanavymissiledefensesystemandequipmentsinallcoutriesovertheworldanditsmodificationaredescripted.Thetech2niqueperformanceandpropertiesofseveralAmericanavymissiledefensesystemseeker;andthedevelopmentanal2ysisofAmericanavymissiledefensesystem.

Keywords　navymissiledefense,warning,interceptor

(Page:51)

AnalysisonNavalPortAutomaticCommandSystemsBasedGIS

by　TengZhe

Abstract　Thispapermainlytalksabouttheimprove2mentsofthedefinitionofU.SEWandanalysesthecharacteristicsofthedefinitionofdifferenttime,atlastpointsouttheinfluencesthatthenewdefinitionofU.SEWmadeonthehigh-techwarinthefuture.Keywords　EW,commandandcontrolwar,ECM

(Page:34)

PresentSituationandDevelopmentofUSLaserWeapon

by　BaiXiaochuan

by　GaoYufang

Abstract　Laserweaponisakindofdirectedenergyweapon,ithasgreatmilitarypotentialitiesanddevelop2mentprospect.Thispapermainlyintroducestheclassifi2cationandthecurrentsituationanddevelopmentofUSlaserweapon,andpresentsthedevelopmenttrendofUSlaserweapon.

Keywords　laserweapon,presentsituation,develop2ment

(Page:38)

Abstract　Onthemodernhightechnologynavalwarfareconditionnavalportiscrucialsupport.Forconstructing

“digitalnavalport”purpose,thepaperbringsforward

theelementaryassumeofdesigningnavalportautomaticcommandsystemswithutilizingmightyspecialanalysisandassistantdecisionfunctionbasedGIS.Andthepa2perexpatiatingondesignprojectandfunctionanalysis,thesystemsbringsaninformatizationconstructioneffec2tiveassistantdecisiontoolandspeedsuptheprogressofintegrationconstruction.

Keywords　navalport,geographicinformationsystems,design,automaticcommandsystems

(Page:54)

DevelopmentAnalysisoftheElectro-OpticWarningRoconnaissanceTechnology

by　LiQiang

Abstract　Theprocessofdevelopmentandmodificationoftheelectro-opticwarningroconnaissancetechnologyaredescribed,theelectro-opticwarningroconnaissancetechnologyhashighadvantageandimportanceinthemodernbattles.Theperformanceandpropertiesofthe

ResearchabouttheLineofSightStabilizationofDistribu2tedAnti-aircraftGunSystem

by　HuJiangtao

Abstract　Thispaperpointsoutacouplingproblemthatexistsbetweensightlineandweaponlineononeweap2