船舶機艙自動化發(fā)展趨勢分析

船舶機艙自動化發(fā)展趨勢分析摘要：船舶機艙監(jiān)測和控制自動化是船舶技術發(fā)展的重要方向，它通過集成傳感器、控制系統(tǒng)、通信網絡和數據處理技術，實現對機艙內各種設備和系統(tǒng)的實時監(jiān)控、自動調節(jié)和故障診斷。隨著自動化技術的不斷進步，船舶機艙監(jiān)測和控制自動化系統(tǒng)已經從最初的單一控制發(fā)展到現在的集成化、網絡化和智能化水平。這些系統(tǒng)不僅提高了船舶的運行效率和安全性，還減少了人為操作的復雜性和出錯概率。關鍵詞：船舶機艙；自動化；智能化；控制管理1、引言隨著全球航運業(yè)的快速發(fā)展，船舶的規(guī)模和復雜程度不斷增加，對機艙監(jiān)測和控制系統(tǒng)的要求也越來越高。船舶機艙監(jiān)測和控制自動化的發(fā)展，旨在提高船舶的安全性和運行效率，減少人為操作錯誤，以及降低船舶的運營成本。傳統(tǒng)的船舶機艙監(jiān)測和控制依賴于人工操作和簡單的自動化設備，存在著響應慢、精度低、可靠性差等問題。隨著自動化技術的不斷進步，特別是計算機技術、傳感器技術和網絡通信技術的發(fā)展，船舶機艙監(jiān)測和控制自動化系統(tǒng)已經取得了顯著的進步?，F代船舶機艙監(jiān)測和控制自動化系統(tǒng)能夠實時收集機艙內各種設備的工作數據，通過先進的算法和模型分析，自動調整設備的工作狀態(tài)，實現最佳的性能和效率。同時，這些系統(tǒng)還能夠及時診斷和預報潛在的故障，為船舶的維護和管理提供科學依據。隨著人工智能、大數據和物聯網等新技術的應用，船舶機艙監(jiān)測和控制自動化將進一步提升船舶的智能化水平，實現更加高效、安全和環(huán)保的航運。2、船舶機艙自動化的概念船舶機艙自動化是指利用先進的自動化技術和設備，對船舶機艙內的各種機械設備和系統(tǒng)進行實時監(jiān)測、自動控制和智能管理的過程。這一概念的核心在于通過減少人工干預，提高船舶機艙的運行效率和安全性，同時降低運營成本。船舶機艙自動化涉及到多個方面，包括動力系統(tǒng)的自動控制、機械設備的自動監(jiān)測、故障診斷與預測、以及機艙內環(huán)境參數的自動調節(jié)等。這些自動化系統(tǒng)通常由傳感器、執(zhí)行器、控制器、通信網絡和數據處理中心等組成，它們協同工作，實現對機艙內各種設備和系統(tǒng)的全面監(jiān)控和管理。船舶機艙自動化的實現，不僅能夠提高船舶的運行效率和可靠性，還能夠減輕船員的工作負擔，提高船舶的安全性和環(huán)保性能。隨著科技的不斷進步，特別是計算機技術、傳感器技術和網絡通信技術的發(fā)展，船舶機艙自動化系統(tǒng)將進一步提升船舶的智能化水平，為航運業(yè)的可持續(xù)發(fā)展做出重要貢獻。3、船舶機艙監(jiān)測和控制自動化發(fā)展分析3.1船舶機艙監(jiān)測自動化發(fā)展分析3.1.1船舶機艙監(jiān)測自動化發(fā)展現狀實現船舶機艙的監(jiān)測自動化是船舶機艙自動化發(fā)展中最重要的一個環(huán)節(jié)，是不可或缺的一部分。要實現船舶設備和裝置自動控制的關鍵在于對于機艙設備和裝置的運行參數進行有效的監(jiān)測和報警。在船舶機艙中自動化監(jiān)測主要包括對于裝置和設備的重要參數的監(jiān)測和船舶機艙監(jiān)測和報警系統(tǒng)。（1）船舶機艙監(jiān)測和報警系統(tǒng)一般地，現代化遠洋船舶都為“無人機艙”，實現“無人機艙”的前提是船舶機艙監(jiān)測與報警系統(tǒng)的應用和完善。船舶機艙報警系統(tǒng)有報警、參數和狀態(tài)的記錄打印、參數的分組顯示、數據趨勢分析、延伸報警、閉鎖報警、自檢功能等，其航行時船舶機艙設備的運行狀態(tài)、運行參數及報警信息分析等都會集中顯示在遠程操作站的操作面板中，報警信息還延伸至輪機員休息室、輪機長及其駕駛臺等部位。其中自檢功能只局限與對監(jiān)測系統(tǒng)本身的元器件進行自檢。（2）基于CAN總線和工業(yè)以太網船舶監(jiān)測和報警系統(tǒng)隨著現場總線技術的不斷完善，船舶工業(yè)中開始廣泛應用現場總線作為現場控制網絡，上層網絡采用工業(yè)以太網構成局域網，形成全分布的網絡型監(jiān)測系統(tǒng)。CAN總線是到目前為止應用在船舶監(jiān)測系統(tǒng)最廣泛的一種總線形式,目前在船舶工業(yè)領域應用的趨勢只增不減。①現場總線技術現場總線是一種基于自動化控制底層的工業(yè)數據總線及其數據通信網絡，用于解決船舶機艙控制器、執(zhí)行器以及智能儀表等機艙現場設備間的數字通訊，還有集控室與機艙設備控制系統(tǒng)的信息通訊，監(jiān)測系統(tǒng)以串行通信網絡的方式對船舶機艙設備及控制器之間實現數據通訊，主要是監(jiān)測、控制等信息傳遞，以完成自動化控制、監(jiān)測和管理的功能REF_Ref4789\w\h]?，F場總線具有多種標準和多種協議，船舶工業(yè)領域應用廣泛的CAN總線和Profilbus總線就是現場總線的一種?，F場總線技術有以下特點：①通信的公開性；②設備之間相互的可操作性；③智能化，是智能診斷發(fā)展重要的契機。③高度的分散性；③具有較強環(huán)境自適應力。所以在船舶機艙被廣泛應用。②CAN總線CAN是控制器局域網絡，國際上應用最廣泛的現場總線之一，是一種能夠實現分布式實時控制的串行通信網絡，數據通信具有抗干擾性、實時性等特點。有以下優(yōu)點：①CAN總線網絡通信具有智能化；②機構簡單，開發(fā)周期短，性價比高；③高可靠性和智能化診斷能力。所以CAN總線能適應環(huán)境溫度惡劣、電磁輻射強和振動大的船舶機艙現場，被廣泛應用到船舶工業(yè)領域。③工業(yè)以太網工業(yè)以太網是基于IEEE802.3的網絡，其主要由網絡部件、連接部件和通信介質構成，其通信介質的材質為工業(yè)雙膠線和光纖，工業(yè)現場的控制器的通信處理器等都能滿足工業(yè)現場的要求。工業(yè)以太網主要用于工業(yè)現場現場控制，其主要有以下優(yōu)點：①應用廣泛；②可以遠程進行對工業(yè)現場的訪問以及遠程對工業(yè)現場設備進行診斷；③通信速率高，網絡速度快。但在實際工業(yè)現場應用中，工業(yè)以太網還能夠有效解決實時性和確定性問題。（3）典型的船舶機艙監(jiān)測和報警系統(tǒng)目前在船舶自動化領域，挪威Kongsberg公司研發(fā)了好幾種類型的船舶機艙監(jiān)測和報警系統(tǒng)，首先有基于CAN總線的DataChiefC20型船舶機艙監(jiān)測和報警系統(tǒng)，并在船舶工業(yè)領域得到了比較廣泛的應用，此后Kongsberg公司研發(fā)了K-Chief型系列船舶機艙監(jiān)測和報警系統(tǒng)，其中比較典型的監(jiān)測系統(tǒng)為K-Chief500型監(jiān)測和報警系統(tǒng)。監(jiān)測系統(tǒng)和K-Chief500系統(tǒng)是比較典型的船舶機艙監(jiān)測和報警系統(tǒng)，研究分析船舶機艙監(jiān)測和報警系統(tǒng)關鍵技術發(fā)展，其兩個系統(tǒng)網絡結構都是基于CAN總線和工業(yè)以太網。①DCC20監(jiān)測和報警系統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)主要有遠程操作站、現場操作站、分布式處理單元(DPU)、系統(tǒng)網關（SGW）、雙處理通信控制器（dPSC）和值班呼叫系統(tǒng)組成。DPU是該系統(tǒng)的核心單元，連接現場傳感器，實現模擬量或數字量的輸入，然后通過CAN總線輸送到系統(tǒng)網關，以更新ROS的數據庫，而dPSC主要是處理子CAN總線的信息，連接系統(tǒng)網關和dPSC是工業(yè)以太局域網，以此完成監(jiān)測作用。該系統(tǒng)主要的特點是是DPU的模塊化設計，智能I/O模塊。該系統(tǒng)除了監(jiān)測報警功能，還有綜合控制功能，能夠實現機旁控制。②K-Chief500K-Chief500船舶機艙監(jiān)測和報警系統(tǒng)的結構如圖3-1所示，其結構組成和系統(tǒng)功能與DCC20系統(tǒng)基本相同，只不過在操作站和人機接口做了改進。集控室是CAN與以太局域網的系統(tǒng)網關，用dPSC將主機控制系統(tǒng)、機艙監(jiān)測與報警系統(tǒng)等連在兩條網線上。船舶內部通過主管信息系統(tǒng)與管理層，或與岸上以太網，或通過衛(wèi)星通信與公司互聯，實現遠程監(jiān)控圖3-1K-Chief500系統(tǒng)（4）船舶機艙監(jiān)測自動化關鍵技術分析①傳感器技術傳感器技術涉及多個學科領域，其利用物理定律或物質的物理、化學、生物特性，將非電信號轉換為電信號。近年來隨著傳感器工藝、新特性物質的不斷研發(fā)，加上計算機監(jiān)測技術的進步，其檢測能力和精度得到了快速的提高，還有極高溫、極低溫、微壓差以及超高壓等的檢測方法都有較為理想的進展。商品化的光電式傳感器、電禍流傳感器、超聲波檢測技術、紅外檢測技術等作為新型傳感器的代表被廣泛用于工業(yè)、軍事及醫(yī)療等領域，代表著非接觸式傳感技術的成熟。微處理器及微控制器等大規(guī)模集成電路的成本和價格不斷降低，功能和集成度不斷提高，智能傳感器的研究也就成為了近年來傳感器發(fā)展的重要方向。智能傳感器是指傳感器內部集成了智能控制芯片，使其具備了故障自檢、自調零、自校準、自補償、自動選擇等智能功能，智能傳感器的另一特性是其具備的強大數據處理能力和遠距離數據傳輸能力，可配置各種數字通信接口，因此更方便采用計算機集成監(jiān)控技術對系統(tǒng)進行集成和遠程監(jiān)視等領域的應用。目前國內外眾多學者正在致力于探索新現象、新理論，采用新技術、新工藝、新材料研發(fā)新型傳感設備，或提高現有傳感器的轉換效能、轉換范圍以及其它技術及經濟性指標。傳感器的研究未來的發(fā)展方向將向著高精度、集成化、微型化及智能化方向不斷發(fā)展。②實時通信技術實時性技術是工業(yè)監(jiān)控的基本要求，增強實時網絡通信的確定性和實時性，一般可以同時采取多種措施，如擴寬信道帶寬、采用交換路由技術、優(yōu)化網絡拓撲結構、選擇合適的傳輸控制協議等，現代工業(yè)化技術一般可以保證在網絡暢通情況下數據傳輸的確定性和實時性指標。③信息采集技術信息采集技術是指利用計算機軟件技術，針對定制的目標數據源，按照事先約定的通信協議將傳感器轉換好的標準電信號進行標準數據格式封裝，通過專用信道傳輸到計算機進行顯示、抽取、挖掘及處理，從而為各種數據服務程序提供輸入數據的過程。信息采集的關鍵是數據通信模塊的研制，包括模擬量模塊、數字量模塊等，還有一些特殊的物理量，如脈沖信號等則需要專用的采集模塊。船舶常用的通信協議一般為及總線協議，因此根據不同的協議類型需要設計對應的總線數據采集模塊。3.1.2船舶機艙自動化監(jiān)測研究現狀（1）在產品研發(fā)方面國外船舶機艙自動化監(jiān)測系統(tǒng)工業(yè)產品研發(fā)有德國的SISHIPIMAC系統(tǒng)和日本的CAT系統(tǒng)，近些年來Kongsberg公司通過對K-Chief500系統(tǒng)的升級改進，如K-Chief700系統(tǒng)更加注重模塊化和集成化，相較于以前的系統(tǒng)模塊安裝更具有靈活性和綜合性。目前國內船舶機艙監(jiān)測和報警系統(tǒng)目前也有眾多研發(fā)比較成熟的監(jiān)測系統(tǒng)，例如交通部上海船舶運輸研究所研發(fā)的Y8800網絡型機艙監(jiān)控系統(tǒng)和Lonworks網絡的STI-VC2100MA艦船監(jiān)控報警系統(tǒng)，企業(yè)研發(fā)的基于TCP/IP協議的以太網LAN與CAN現場總線的CJBW310系列船用監(jiān)測報警系統(tǒng)和基于以太網的船舶監(jiān)測控制系統(tǒng)等。（2）機艙監(jiān)測自動化未來的研究方向在21世紀微電子、信息技術、計算機通信及網絡技術的發(fā)展，出現了許多新興技術產業(yè)，影響著我們的生活及個股領域，船舶工業(yè)領域勢必也將會收到影響，特別地，近幾年在船舶監(jiān)測自動化方面有出現基于物聯網、云計算的船舶監(jiān)測和報警系統(tǒng)設計與研究以及基于嵌入式系統(tǒng)的船舶監(jiān)測和報警系統(tǒng)設計與研究。所以船舶監(jiān)測自動化在未來勢必受到以下影響或有一定的發(fā)展趨勢：①嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)是以中央處理器為核心、軟件和硬件與集合一體的以及可獨立工作的專用計算機系統(tǒng)。其在近些年微電子技術以及芯片技術的快速發(fā)展下，嵌入式系統(tǒng)的功能越來越強，其在工業(yè)控制、信息化家電等技術領域快速發(fā)展和廣泛應用。嵌入式系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：小型化，其主要結構集成在芯片內部；可靠性高；實時性好；環(huán)境惡劣的工業(yè)控制現場適應性好等特點。由于船舶機艙的特殊性，以及對于自動控制系統(tǒng)的可靠性、數據傳輸的實時性等要求，特別是船舶機艙監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展對于數據的實時性具有更高要求，所以嵌入式系統(tǒng)在船舶機艙自動化領域有著廣泛的應用和發(fā)展前景，其體積小和實時性都具有其他計算機沒有的功能。②云計算和物聯網云計算是大數據和信息化飛速發(fā)展的時代的產物，云計算是將許多計算資源整合起來，通過軟件實現自動化管理，在互聯網的基礎上，以網絡形式進行云計算服務和數據出處，以達到數據的共享。其具有虛擬化、高效的運算能力、靈活性高、可靠性高以及可擴展性等特點。在船舶機艙領域乃至船舶工業(yè)具有較大的潛力。物聯網是指利用各種傳感器、紅外線感應器等設備，采集聲、光、位置、溫度、電力等信息，通過網絡技術實現物質之間與人物之間的信息和管理，進一步延展了互聯網的功能，在工業(yè)、農業(yè)、交通等領域應用，推動了智能化發(fā)展。相信在船舶機艙自動化領域有一定的發(fā)展趨勢。3.1.3船舶機艙監(jiān)測自動化發(fā)展分析總結通過分析船舶機艙監(jiān)測發(fā)展現狀和研究現狀以及對其關鍵關鍵技術的研究，船舶監(jiān)測自動化（1）現場總線技術在船舶工業(yè)領域仍是主流應用趨勢。未來幾年乃至未來很長時間里，現場總線技術在船舶工業(yè)領域仍被廣泛應用，其中CAN總線和工業(yè)以太網在船舶機艙監(jiān)測自動化方面為主要發(fā)展方向，且改變只會在現場總線和網絡技術的前提下進行優(yōu)化改良。（2）船舶機艙監(jiān)測硬件等趨于智能化、集成化、模塊化和高精度化。隨著計算技術、電子技術和數據算法的發(fā)展和優(yōu)化下，船舶監(jiān)測向著集成化、智能化和高精度的方向發(fā)展，提高船舶監(jiān)測的可靠性和安全性。（3）云計算、物聯網和嵌入式系統(tǒng)等新興技術是未來主要的研究和應用方向。以云計算、數據庫、物聯網等技術發(fā)展為前提，實現船岸信息一體化，實現數據共享。3.2船舶機艙控制自動化發(fā)展分析船舶機艙控制自動化是指船舶主動力推進裝置、船舶輔機等設備或裝置的自動化。船舶機艙輔助設備眾多，需要對應的控制系統(tǒng)加以控制，有開環(huán)控制、閉環(huán)反饋控制、PLC控制等，船舶柴油機是船舶機艙的心臟，所以以船舶智能柴油機控制系統(tǒng)為例，分析智能柴油機控制系統(tǒng)的發(fā)展和應用，透析船舶機艙控制自動化的發(fā)展。3.2.1船舶智能柴油機控制系統(tǒng)發(fā)展和研究現狀為了更好的實現對柴油機的運轉控制，人們將電子計算機控制技術應用于柴油機，形成了一種新型的電子控制式柴油機，也稱之為智能柴油機。它將燃油噴射、氣閥啟閉以及柴油機的起動、換向、停車和氣缸潤滑等功能全部由智能柴油機控制系統(tǒng)實現。智能柴油機控制系統(tǒng)可以根據柴油機不同的工況，對相關的參數進行及時設定和調整，使柴油機始終保持在最佳工作狀態(tài)下。（1）發(fā)展現狀在當今飛速發(fā)展的時代，船舶柴油機技術的要求也在不斷提升，主要體現在：①要有較高的經濟型；②IMO對于船舶廢氣排放含硫量的限制和排放控制；③較高的可靠性和安全性；在船舶發(fā)展中探索，船舶發(fā)展要順應時代發(fā)展，所以以MANB&W公司和瓦錫蘭公司為代表的大型船舶且也開始尋找新的發(fā)展方向，在自動化技術發(fā)展下，開始了以智能柴油機為主題的研究。船用柴油機工況和如何得到有效監(jiān)控，如何提高和保持船舶柴油機燃燒和工作性能，如何滿足船舶柴油機在運行的靈活性和可靠性等方面。MANB&W公司研制并生產的ME型智能柴油機控制系統(tǒng)，采用了電液電控技術，采用電控共軌的控制技術。瓦錫蘭公司研制并生產的RT-flex型智能柴油機控制系統(tǒng)，采用凸輪軸控制的全電控式控制系統(tǒng)（2）研究現狀近年來，人工智能開始研究并應用到船舶機艙控制自動化上。人工智能算法能模擬并延伸人腦搜索、認知、抽象和推理等思維方式，具有強大的信息處理能力。因在柴油機運作時由于柴油機具有快速時變等的動力學特性，并且考慮到其運行工況和外界環(huán)境的不確定性，進一步增加了船舶柴油機的控制難度。因此，近些年來國內外許多研究團隊將人工智能算法與船舶柴油機控制相結合開展相關研究，以便實現船舶柴油機更好的控制效果。通過研究各種改進的自適應模糊PID控制器也被廣泛地應用于柴油機怠速控制和調速控制等具體的應用場景中，獲得了響應速度、穩(wěn)定性、超調量和自適應性的提升。兩種常用于自適應控制器設計中調節(jié)控制系統(tǒng)相關參數的智能控制算法分別為模糊邏輯算法和神經網絡算法。3.2.2典型船舶智能柴油機控制系統(tǒng)的對比分析（1）RT-flex系列柴油機智能控制系統(tǒng)其系統(tǒng)由主機信息控制單元、主機控制單元、輔機控制單元、燃油控制閥、起動空氣閥、和氣缸注油器、主操作面板、網絡通信組成，由一組多用途控制器構成，使得系統(tǒng)硬件結構上通用性好，備件管理方便。（2）ME系列柴油機柴油機智能控制系統(tǒng)其控制系統(tǒng)的核心單元是WECS-9500,主要有主控制器和多個氣缸電子控制單元。WECS-9500控制系統(tǒng)的主要作用是對共軌的燃油壓力、伺服油壓力進行控制，以及主機、氣缸相關的功能管理，其中包括對主機的狀態(tài)檢測，參數的調整，控制氣缸的噴油時間等，使主機處于最佳工作狀態(tài)，還有與主機遙控系統(tǒng)、船舶報警等系統(tǒng)的通信。通過對比發(fā)現，現代船舶機艙控制自動化發(fā)展有兩個特點：①船舶機艙自動化發(fā)展中，船舶自動化控制越來越注重船舶設備和裝置的節(jié)能減排和提升船用設備可靠性和安全性。②船舶機艙自動化控制系統(tǒng)中，模塊化和硬件集成化成為了發(fā)展趨勢，結構簡單，能夠減少布線，提高經濟型。3.2.3船舶機艙控制自動化發(fā)展分析總結智能柴油機控制系統(tǒng)是船舶控制自動化重要的一部分，且智能化是船舶自動化發(fā)展的主流趨勢，所以基于智能柴油機控制系統(tǒng)的分析符合船舶機艙控制自動化。以