一种船舶自动识别系统B级船载设备的结构创新设计❋

向泽锐，朱先辉

一种船舶自动识别系统B级船载设备的结构创新设计❋

向泽锐1，朱先辉2

（1.成都天奥信息科技有限公司，成都610036；2.中国西南电子技术研究所，成都610036）

介绍了一种采用注射成型的船舶自动识别系统（AIS）B级船载设备在结构方面的创新设计。针对设备自身的结构特点，提出了设计的详细流程。按照流程分别对结构总体设计、外观造型设计和详细结构设计进行了论述：首先给出了结构总体方案，然后结合造型设计的美学原则进一步给出了外观造型方案，最后通过详细结构设计将方案转化成用于生产的数字模型。设计的B级船载设备不但具有稳重、美观、大气的外观效果，而且还实现了俯仰90°、水平360°范围的可调节功能及多种安装方式。

自动识别系统；B级船载设备；结构设计；造型设计；创新设计；设计流程

1 引言

船舶自动识别系统（Automatic Identification System，AIS）B级船载设备又称AIS Class B船台［1］，是一种安装于内河和近海小型船舶上的助航设备。船舶通过该设备能够自动与其它装有同类设备的船舶进行船位、航速、航向等动态信息的交换，可有效预防船舶碰撞事故的发生；通过该设备船舶也能向AIS基站发送船名、识别码、目的地、是否装载危险货物等静态信息，同时还能接收管理当局通过基站发送来的助航、告警等信息［2－4］。该设备既有利于管理当局对船舶的监控，也有利于船舶自身安全、高效地航行。

目前，国内的船舶自动识别系统B级船载设备按结构形式的差异可划分为分体机和合体机两种类型，按液晶显示屏规格的差异主要划分为4″屏设备、7″屏设备、8″屏设备、10″屏设备和12″屏设备5种类型。成都天奥信息科技有限公司现已成功研制出了4″屏合体机［5］、7″屏分体机、8″屏合体机和10″屏合体机4种类型的设备。为了满足市场的多样化需求，也为了进一步丰富产品系列，增强产品的竞争力，公司又研制了7″屏合体机，本文主要对其结构方面的设计进行介绍。

2 设计流程

船舶自动识别系统B级船载设备在结构方面遵循“由内及外”的设计理念，内容主要涉及结构总体设计、外观造型设计和详细结构设计3个方面。三者的关系是：结构总体设计是前提，排在首位，作用是塑造“骨架”，赋予设备合理的结构承载功能；外观造型设计是补充，排次位，作用是塑造“皮肉”，赋予设备外观上的审美功能；详细结构设计是保证，排末位，作用是将具有合理结构承载功能和审美功能的设计方案转化为可供生产的工程图纸或数字模型，保证方案能够有效实施。图1为船舶自动识别系统B级船载设备在结构方面的设计流程。

3 详细设计及创新

3.1 结构总体设计

（1）模块划分

根据电原理框图，并按照模块化设计原则，会同电总体一起将设备的模块划分为：主板模块、显控模块、转接模块、7″TFT屏、键盘A和键盘B，共6部分。为方便设备使用，设计了结构独特的旋转支架。

（2）模块的布局

根据模块间的连线关系，对6个模块进行了合理的布局安排，制定出了B级船载设备的结构框图，如图2所示。

（3）模块及总体尺寸

会同电路设计人员，综合考虑结构强度、安装和拆卸的方便性、接插件位置、元器件高度，以及设备的密封、散热、电磁屏蔽等要求，初步确定了壳体和各个模块的外形尺寸。另外，对外接插座的规格型号、键盘的按键个数及印字内容也进行了相应的规定。

（4）加工工艺的选择

为了获得造型美观、适合批量生产的经济产品，设备壳体、支架底座选择可设计性强的注射成型加工工艺，材料为ABS；密封条和按键也选择注射成型的加工工艺，材料为硅橡胶；壳体内部的安装板选择冷冲压成型加工工艺，材料为铝合金板。

3.2 外观造型设计

造型设计的目的是在结构总体方案的基础上寻求相对最优的外观方案，包括3个阶段：第一阶段为构形设计，第二阶段为色彩设计，第三阶段为制作效果图。

3.2.1 构形设计

构形设计属于产品概念设计的范畴，是指在不改变原理方案的前提下，构思产品中各类功能载体的多种结构方案，然后通过分析比较，筛选出最合适的构形方案［6］。构形设计阶段主要完成了以下工作：

（1）在对国内外同类产品进行深入调研的基础上，结合“比例与尺度、均衡与稳定、统一与变化”等美学原则［7］，按照初步确定的各项尺寸，在充分考虑各功能模块和插座的安装情况下，采用手绘方式绘制了若干草图；

（2）自行对所有草图进行修改和筛选，最后选出外形美观、易于加工的3个方案进行完善；

（3）对3个方案进行细化设计，绘制出三视图，然后用Autodesk 3ds Max 9软件分别建立三维实体模型。此阶段的模型主要用于推敲结构关系和造型，所有尺寸不需要精确确定。

3.2.2 色彩设计

船用设备通常以灰色调为主。鉴于此，将设备设计成为灰色调：前、后壳体为深灰色，键盘、安装支架为黑色，电源开关为具有警示含义的红色，键盘字符为白色。前壳体表面为细磨沙效果，其余零部件表面为亚光效果。7″TFT屏显示内容与深灰色壳体、深灰色壳体和黑色键盘、黑色键盘和白色字符间都具有较大的明度对比，有助于使用者准确地读取信息和操作。细磨沙和亚光表面能减弱镜面反射的程度及影响，上浅下深的配色也有助于提高设备的视觉稳定性。

3.2.3 制作效果图

制作效果图是将构形与色彩设计实物化的关键阶段，目的是获取外形、色彩、质感接近于实物的效果图片。效果图制作阶段主要完成了以下工作：

（1）以构形设计阶段建立的3个模型为基础，按照确定的色彩方案，在Autodesk 3ds Max 9软件中用V－Ray Adv 1.5 RC3渲染插件对模型进行渲染，然后用Adobe Photoshop CS8软件进行后期处理，获得了3个方案的效果图；

（2）组织用户代表、市场销售人员、结构工艺专家对方案进行评选，以综合认可度最高的方案作为最终的设计方案。图3即为获选的效果图方案。

3.3 详细结构设计［8－9］

船舶自动识别系统B级船载设备的结构共分为前壳体组件、后壳体组件和旋转支架三部分。前、后壳体为止口配合结构，中间设有2.5 mm×2.5 mm的硅橡胶密封条，通过6套GB818－85 M4×8（mm）不锈钢螺钉进行螺装，壳体组件与旋转支架通过2件M8×10（mm）锁紧手轮进行紧定。

3.3.1 前壳体组件设计

前壳体组件由键盘A、键盘B、显控模块、安装板、7″TFT屏、有机玻璃板、三处丙烯酸泡棉胶带、前壳体和标识牌等组成，如图4所示。

（1）键盘

键盘A、键盘B结构相同，都由硅橡胶键盘和带元器件印制板组成。经详细计算，最终将键盘A的外形尺寸确定为145 mm×71 mm×10.6 mm，上面设有8处Φ3.2 mm安装通孔，采用8颗GB／T 5285 ST2.9×6.5－F（mm）自攻螺钉进行螺装；将键盘B的外形尺寸确定为164 mm×26 mm×10.6 mm，上面设有1处Φ3.2 mm安装通孔，采用3颗GB／T 5285 ST2.9×6.5－F（mm）自攻螺钉进行螺装。

硅橡胶键盘有夜间透光功能，厚度为2 mm，脱模斜度为1°，周边设有2 mm高的防水凸台，上面的按键布置均匀美观，大小适宜。硅橡胶键盘的背面设有2 mm（宽）×1 mm（深）横竖交叉的排气槽，按键背面设有6.5 mm深的用于容纳微动按钮和微型LED灯的沉槽。印制板厚度均为1.6 mm，微动按钮和微型LED灯根据硅橡胶键盘上各按键的中心位置一一对应地分布在印制板上，最大高度为5 mm，其余元器件均布置在印制板的另一面。

（2）前壳体

按照先前确定的外形尺寸和造型方案，结合键盘和7″TFT屏的安装、密封防水等问题，对前壳体进行了详细设计：

第一，经计算，最终将前壳体的外形尺寸确定为270 mm×180 mm×13 mm，壁厚设定为2.5 mm，脱模斜度为1°。周边设有3 mm（宽）×4.4 mm（深）的密封槽和6处安装柱，安装柱尺寸为Φ9×10.5（mm），端面镶嵌有M4mm的铜螺母，专门用于前、后壳体的装配。前壳体13 mm的厚度有利于设备嵌入安装于操作台面之上；

第二，根据7″TFT屏的尺寸确定前壳体显示窗口的位置，使液晶屏显示区域的中心要与前壳体窗口的中心重合。然后计算出安装液晶屏的限位框尺寸，壁厚设定为1.5 mm，高度6.5 mm；

第三，根据已确定的液晶屏安装位置进一步推算出安装板和显控模块的位置尺寸，要使液晶屏外接数据线与显控模块上对应的插座对正。前壳体上共设有4处安装柱用于安装安装板，其尺寸为Φ7× 9（mm），端面镶嵌有M3mm的铜螺母；

第四，根据两键盘的尺寸来确定它们在前壳体上的安装位置、按键的开孔位置和具体尺寸。键盘的安装柱尺寸为Φ6×4.5（mm），端部为Φ2×4（mm）盲孔。所有按键孔的周边设有壁厚为1.5 mm、高度为2.5 mm的防水凸台。

（3）其它零部件

为了降低镜面反射对读数时的影响，选用的是磨砂面有机玻璃板。采用5 mm（宽）×1 mm（厚）耐高温、密封性、抗震性好的双面丙烯酸泡棉胶带粘固在前壳体上。

安装板为2 mm厚铝合金板，上面设有4处M3× 6（mm）的盲孔压铆螺柱和4处Φ3.5 mm安装通孔。显控模块通过4套GB818－85 M3×6（mm）不锈钢螺钉螺装在安装板上，安装板则通过4套相同规格的不锈钢螺钉螺装在前壳体上。7″TFT屏放置在前壳体上专门设计的限位框内，前、后均贴有用于减震的5 mm（宽）×1 mm（厚）单面丙烯酸泡棉胶带，由安装板压紧固定。

标识牌采用ABS塑料注射成型，黑色，整体厚度0.5 mm，标识字符采用阳文工艺，高度为0.2 mm，表面为金属抛光效果，具有很强的视觉识别功能。

3.3.2 后壳体组件设计

后壳体组件主要由主板模块、安装板、转接模块、密封条和后壳体等组成，如图5所示。

（1）主板模块和转接模块

主板模块为一带元器件的印制板，经计算，将印制板尺寸确定为167 mm×110 mm×1.6 mm，上面设有5处Φ3.5 mm通孔，由5套GB818－85 M3×6（mm）不锈钢螺钉螺装在安装板上。转接模块也为一带元器件的印制板，上面装有3件直式穿墙安装插座，印制板尺寸确定为130 mm×40 mm×1.6 mm，通过插座自带的螺母紧固于安装板上。

（2）后壳体

后壳体主要用于容纳和承载主板模块、转接模块等功能件。详细结构设计主要包括以下内容：

第一，经计算，将后壳体外形尺寸确定为270 mm×180 mm×62.5 mm，壁厚设定为2.5 mm，脱模斜度为1°。与前壳体的接触面上设有宽2 mm、高2.2 mm的凸台和6处Φ4.5 mm的安装通孔。后壳体内部设有10处安装柱，其中8处尺寸为Φ8×10.3（mm），另2处受自身结构所限，需向背面拉伸Φ8× 5（mm）的锥台，所有安装柱端面镶嵌有M3mm的铜螺母，专门用于固定安装板；

第二，后壳体背部设有一处梯形孔，主要用于铝合金安装板的散热。梯形孔内侧的周围设有3 mm宽、2.3 mm深的密封槽，专门用于安装2.5 mm× 2.5 mm的硅橡胶密封条；

第三，后壳体两侧分别设有一处用于安装旋转支架的齿座，端面镶嵌有M8mm的铜螺母，端面齿参数为外径（D）为32 mm，内径（D1）为22 mm，齿数（z）为48，齿槽底倾角（γ）为1°52′，齿顶距（t）为2.1 mm，齿高（H）为1.05 mm，齿形角（α）为45°；

第四，后壳体的内腔表面热喷涂处理，喷涂材料为铜，金属化的壳体内壁有助于设备的电磁屏蔽。

（3）安装板

安装板为2 mm厚铝合金板，上面设有5处M3× 15（mm）的盲孔压铆螺柱和10处Φ3.5 mm安装通孔。主板模块通过5套GB818－85 M3×6（mm）不锈钢螺钉螺装在安装板上，安装板则通过10套相同规格的不锈钢螺钉螺装在后壳体上。安装板安装到位后会压迫密封条产生形变，具有很好的密封效果。

3.3.3 旋转支架设计

壳体的俯仰角和旋转支架自身的转角调节是通过两组端面齿的离合来实现的，属端齿盘结构，具有分度定位的作用［10］。旋转支架由压盖、开口齿盘、U形支架、齿盘、带齿底座、底板和紧固件组成，如图6所示。

压盖、U形支架、齿盘和底板通过4套GB818－85 M4×25（mm）不锈钢螺钉串联起来，相当于一根铰链轴；底座中间设有通孔，相当于铰链套；两者组装起来就构成了一组铰链。用力转动U形支架就会带动齿盘转动，齿盘的转动会进一步迫使底座上的三处牙齿受力下沉，当下沉到一定位置时，齿盘上对应的牙齿就能通过，支架也就实现了一次转动。旋转支架的设计要点如下：

第一，U形支架采用宽38 mm、厚3 mm的铝合金材料制作，表面喷塑处理，黑色。支架两端分别设有一个长孔和开口，长孔用于开口齿盘的固定，开口用于壳体组件的快速安装。支架的底部设有4处宽度为4.5 mm的长孔和4处直径为Φ7的圆孔，长孔专门用于设备的悬挂安装，圆孔则用于整个底座的装配；

第二，开口齿盘一端设有安装凸台，用于自身的固定安装；另一端设有端面齿，专门和后壳体上的端面齿配合使用，用于调节壳体的俯仰角度，其参数同前。齿盘的开口大小和方向必须要与U形支架的开口保持一致；

第三，压盖、齿盘、带齿底座和底板的厚度均为2.5 mm，脱模斜度为1°。压盖和齿盘专门用于夹装U形支架。压盖的底部、齿盘的顶部均设有39 mm（宽）×1.5 mm（深）的槽；压盖上还设有4处外径为Φ6.5 mm、通孔内径为Φ4.5mm的安装柱，齿盘上则设有4处Φ7 mm的通孔用于安装柱的通过。齿盘与带齿底座专门用于控制支架的水平旋转，齿盘的底部、带齿底座的上部均设有端面齿，其参数为D＝75 mm，D1＝55 mm，z＝96，γ＝0°57′，t＝2.16 mm，H＝1.23 mm，α＝45°。为了使支架水平转动更加轻松容易，底座上最终只留下成120°分布的3个牙齿，长度为7.5 mm，前、后都有部分被截取。牙齿所在的前、后位置均开有32 mm（长）×1.5 mm（宽）的矩形通孔，背面设有凹槽，牙齿所在位置的板厚为1 mm。此外，带齿底座上还另设有4处Φ4.5 mm的安装通孔，专门用于整个设备的水平安装。底板上设有4处外径为Φ9 mm、通孔内径大端为Φ7 mm，小端为Φ3.5 mm的安装柱，通过和压盖配合使用，可将中间的U形支架、齿盘和带齿底座夹紧固定。

4 结束语

本文按照所提出的设计流程，经过3个阶段的设计，成功获得了一种船舶自动识别系统B级船载设备的设计方案。该方案重视结构创新，不但实现了俯仰角在90°范围内的自由调节，水平转角在360°范围内的自由调节，而且实现了设备水平安装、悬挂安装和嵌入式安装等多种安装方式。该方案重视外观创新，赋予设备一种统一的线形风格和色调；通过线、面的过渡与穿插，对键盘操作区域与显示区域进行视觉划分，在统一中获得了变化；整个设备能够体现出一种协调、稳定、美观、大气的外观效果。

5 致谢

成都天奥信息科技有限公司的江涛、邓科和张翼周3位同事在结构总体设计阶段提供了许多帮助，在此表示感谢。

［1］韩伟.AIS（CLASS B）船台在应用中需要关注的问题［J］.中国海事，2008（8）：34－37.

HAN Wei.Several Issues to Be Considered in Application of AIS（Class B）Ship Station［J］.China Maritime Safety，2008（8）：34－37.（in Chinese）

［2］Tetreault B J.Use of the Automatic Identification System（AIS）for maritime domain awareness（MDA）［C］／／Proceeding of MTS／IEEE Conference on Oceans.Washington，DC：IEEE，2005：1590－1594.

［3］Hasegawa K，Hata K，Niwa K，et al.Transmission Evaluation of Ship-borne Automatic Identification System（AIS）in Congested Waterways［C］／／Proceedings of the 8th International Conference on ITS Telecommunications.Phuket：IEEE，2008：18－23.

［4］何民，许斌，钟杰.星载AIS接收链路设计与仿真［J］.电讯技术，2010，50（9）：114－117.

HE Min，XU Bin，ZHONG Jie.Design and Simulation of LEO Satellite-based AIS Receiver Link［J］.Telecommunication Engineering，2010，50（9）：114－117.（in Chinese）

［5］向泽锐.采用铝压铸盒设计小型电子设备的方法［J］.电讯技术，2010，50（8）：171－173.

XIANG Ze－rui.Design Method of Small Electronic Equipment by Using Aluminum Alloy Die－casting Box［J］. Telecommunication Engineering，2010，50（8）：171－173.（in Chinese）

［6］唐林.产品概念设计基本原理及方法［M］.北京：国防工业出版社，2008.

TANG Lin.The Basic Principles and Methods of Conceptual Design［M］.Beijing：National Defense Industry Press，2008.（in Chinese）

［7］高敏，谢庆森.工业艺术造型设计［M］.北京：机械工业出版社，1992.

GAO Min，XIE Qing－sen.Industrial Art Styling Design［M］.Beijing：China Machine Press，1992.（in Chinese）

［8］陈剑鹤.模具设计基础［M］.北京：机械工业出版社，2003. CHEN Jian－he.The Basics of Mold Design［M］.Beijing：China Machine Press，2003.（in Chinese）

［9］成大先.机械设计手册（第2卷）［M］.北京：化学工业出版社，2002.

CHENG Da－xian.Mechanical Design Handbook（Vol.2）［M］.Beijing：Chemical Industry Press，2002.（in Chinese）

［10］龙裕中.端齿盘及其加工工艺（上）［J］.航空制造技术，1979（11）：10－16.

LONG Yu－zhong.Crown Wheel and It′s Mechanical Processing（Vol.1）［J］.Aeronautical Manufacturing Technology，1979（11）：10－16.（in Chinese）

XIANG Ze－rui was born in Guanghan，Sichuan Province，in 1980.He is now an assistant engineer with the M.S.degree.His research interests include structural design and styling design of electronic equipment.

Email：xiangzerui＠163.com

朱先辉（1973－），男，四川成都人，硕士，工程师，主要从事电子产品结构设计研究。

ZHU Xian－hui was born in Chengdu，Sichuan Province，in 1973.He is now an engineer with the M.S.degree.His research direction is structural design of electronicequipment.

Innovative Structural Design of a Class B Ship-borne Equipment for Automatic Identification System

XIANG Ze-rui1，ZHU Xian-hui2
（1.Chengdu Spaceon Information Technology Co.，Ltd.，Chengdu 610036，China；2.Southwest China Institute of Electronic Technology，Chendu 610036，China）

This paper introduces the innovative structural design of a class B ship-borne equipment for AIS（Automatic Identification System）.A detailed design flow is proposed according to the structural features of the equipment.And then the overall structural design，styling design，and detailed structural design are discussed based on the design flow.After giving a program of the overall structural design and a program of the styling design associated with the principles of styling design，the programs are converted into digital models which are used in the production.It not only successfully achieves a variety of installation methods and an adjustable function in the range of pitch 90°and horizontal 360°，but also enables the class B ship-borne equipment to be stable，beautiful，and splendid.

automatic identification system（AIS）；Class B ship-borne equipment；structural design；styling design；innovative design；design flow

TN03

A

10.3969／j.issn.1001－893x.2011.02.024

向泽锐（1980－），男，四川广汉人，硕士，助理工程师，主要从事电子产品结构及造型设计研究；

1001－893X（2011）02－0116－06

2010－10－26；

2010－12－26