智能船舶网络设备的保护与安装

2019-04-22彭振博华先亮张亮亮

船舶设计通讯 2019年2期

彭振博，华先亮，张亮亮

（上海船舶研究设计院，上海201203）

0 前言

随着信息、计算机、通信、网络、人工智能等技术的飞速发展，船舶数字化成为必然趋势。结合常规船舶设计技术，依靠物联网、大数据、信息管理系统等的应用，船舶智能化的形势逐渐明朗［1］。高性能的网络设备是实现船舶智能化的必要条件。网络设备主要包括：智能网关、网络管理服务器、汇聚交换机、核心交换机等。

目前，陆用网络设备适应的是精密度高、运行环境友好的生产作业场景，而船舶生产制造过程中粉尘多，化学品使用度高，带电情况复杂。船舶航行过程时间长、风浪强、腐蚀度高，采用常规陆用的安装方法会出现设备摇晃、设备振动、设备电气性能受损等问题。因此区别于陆用环境，从船舶生产和航行的环境入手，针对船舶生产和航行的特点，提出合理的保护思路，制定科学的安装方案，使得船载网络设备能够在恶劣营运环境下正常稳定工作，具有重要价值和意义。

1 安装依据

国家标准GB/T 4798.1—2005 电工电子产品应用环境条件第一部分贮存、GB/T 4798.2—2008 电工电子产品应用环境条件第二部分运输、GB/T 4798.3—2007 电工电子产品应用环境条件第三部分有气候防护场所固定使用，对陆用常规电工电子产品的使用及对应环境提出了相关要求；而《中国船级社钢质海船入级规范》2018 年版第4 分册第1 章第2节工作条件和第3 节设计、制造与安装章节的具体内容，对船用设备的选型、使用环境及安装保护也明确提出有相关要求。两者差异比较与结论如表1 所示。

表1 规范及标准差异表

2 保护与安装原则

根据设备在船用和陆用两种条件下相关规范的差异分析，提出以下船用网络设备的保护与安装原则：

1）环境条件。设备保护与安装方案应密切关注船用设备运行的温湿度环境，采用温湿度传感器等监测手段对设备的外部环境进行实时监控，环境出现异常情况能够第一时间发出报警信息。采用合适的固定方法在设备安装前对其内部元器件进行加固，可进一步提高设备可靠性和稳定性，提高设备抗振动和抗摇晃能力。针对船舶在正常营运过程中机械环境条件下产生的振动和冲击，选用柔软且贴合效果好、耐压耐热性能高、化学性质稳定的缓振材料，起到振动缓冲的作用。对船上可能出现的活体生物（如老鼠等）提早采取预防措施，同时为设备提供通风透气且相对干燥的环境，避免真菌和霉菌的生长。

2）电压和频率波动。网络设备运行过程中除自身因素外，还受其他电气设备和整个电网的影响，出现电压和频率波动难以避免。在此情况下，对设备定期进行检查，从设备硬件层级上尽可能杜绝事故情况，避免负载无计划地大量增减。减少设备中非线性、冲击性、不平衡的用电情况，避免高次谐波危害，同时合理反馈发电机组，根据用电负荷的变化合理调节发电负荷，保证电压和频率维持在合理范围内。

3）一般性要求。设备安装过程中，考虑与其他电气设备的逻辑和物理关联，设备外部加入绝缘材料，以完整可靠的绝缘方式实现足够的电气间隙和爬电距离；根据设备的实际尺寸，选择适合的螺母、螺栓组合套件用于连接和紧固，外部螺丝另外加固定，与整套网络设备系统紧密相连，防止受振动而松脱；海上潮湿空气和油雾对网络设备的正常使用和性能会造成影响，除选型时选择具备良好的耐海上空气、耐油雾、耐腐蚀性能的设备材料外，定期对设备进行检查和清洁，同时在设备外配备结构简单、防护性能良好的防护层，在不影响原有设备电气性能基础上最大程度起到保护作用；网络设备完成接线后，在完备线缆的两端接线端头加上线缆标签，标签内容按照实际接线图制作，编码正确、编写清晰、编号端正，便于识别以及后续正确查线的操作。

4）接地。通过金属导线将设备与接地装置连接，接地装置将网络设备和其他生产设备上可能产生的漏电流、静电荷以及雷电电流等引入地下，避免人身触电和可能发生的火灾、爆炸等事故。另一常用做法是将设备直接紧固在船体金属结构上，或者有可靠电气连接的底座、支架上，达到与使用专用导线接地相同的效果。

5）电磁兼容性。网络设备以及连接电缆产生的电磁干扰会对附近的应用系统引起干扰，造成信号失真。减少电磁干扰的措施有：采取防雷措施、采用保护器、布置线缆时与其他线路管具保持一定间距、采取屏蔽和隔离等。除此之外，正确的接地措施在某种程度上也能够减少电磁干扰的影响。

3 实例分析

在“智能船舶1.0 研发专项”中，超大型智能矿砂船（VLOC）和超大型智能原油船（VLCC）上均安装了整套智能网络平台系统，作为整个智能系统的基础。智能网络平台系统采用上层（应用软件）、中层（核心平台）、底层（感知执行）的3 层架构设计。作为中层的核心平台，扮演着连接底层感知、执行完成采集信息的集中、连接上层应用软件、完成数据上传的作用。主要网络设备有：核心交换机、汇聚交换机、核心防火墙、网络管理服务器和智能网关等，此外，还有用于规范线缆布置的配线架、用于检测设备运行环境的温湿度传感器和用于安全保护的空气开关等器件。

以下以400 000 DWT超大型智能矿砂船（VLOC）为例，介绍网络平台系统的实船安装方案，说明网络设备保护与安装的要点，展示网络设备在船上安装整体解决方案的实际效果，并对遇到的实际问题展开讨论。

3.1 基础环境的搭建

图1 数据中心内整体布置示意

环境条件、电压和频率波动、一般性要求、接地、电磁兼容性这几个方面对网络设备提出了不同角度、不同层级、不同程度的要求，而按照常用普适性方案，对单个设备独立进行面向规范要求的保护、安装措施，会让设备结构和布置变得厚重，增加方案成本。另外单独的方案之间可能彼此产生冲突，反而降低保护效果。在设计上，出于对高精密网络设备保护的考虑，将设备放置在船上专门设置的数据中心（见图1）房间内，初步将网络设备和船舶原有环境分开。对房间内采取内壁涂抹隔热防水防护层，房间底部的甲板加厚加固，内饰及相关家具采用防水防潮耐热材料，房间顶部布置水冷式和风冷式两种空调，房间重要位置开辟通风口，重要电气设备布置位置处加入绝缘保护，房间钢板涂上环保油漆后放置静电隔离的隔离橡胶等措施，初步解决防潮、防水、防火、通风散热、防短路、防击穿等问题。另外，采用整体封闭式机柜的方式，将所有的网络设备、设备与设备之间互联的线缆、重要设备的操作手册以及相关设备间的接线图作为整体放置在机柜内，并采取合理可行的方式连接、紧固和布置，将机柜作为网络设备的布置和保护载体。

3.2 机柜的布置

目前，机柜能够在电磁屏蔽、噪声隔离、通风散热、使用性和维修性方面对网络设备起到重要作用［2］。机柜作为网络设备载体的方案，一方面能够对网络设备起到外在保护的作用，显著降低振动和摇晃的幅度，另一方面能够区分船舶上的智能系统与常规系统，方便船员的实际使用，同时也为网络设备的正常检查和日常维护提供便利。选择机柜作为网络设备的载体，要求其空间利用率高，结构紧凑性强。机柜采用前后对开门式设计，前后门上均安装有风扇和滤器。网络设备运行功率高、噪声大，风扇能够有效帮助散热，降低机柜内部设备因温度过高而引起设备停机的可能性。机柜的前后和上下各留出对应空间保证空气流通，安装温湿度传感器用于监测机柜内部环境条件，保证船员实时掌握设备运行的外部环境信息，避免出现过热过干燥的现象。

机柜安装时，船体艉部上建完工度低、灰尘粉尘多、化学气味重，网络设备安装完成后运行的环境较差，因此在机柜前后门底部安装滤器，尽可能规避船舶施工造成的影响。滤器内含多层织网状滤棉，可以帮助吸附灰尘，减少化学气味，保持机柜内部环境清洁，同时可吸附部分噪声，为设备运行提供一个相对静谧的环境。

机柜内部由上到下主要可分为4 个区域：交流分配单元、配线架、有源设备、光缆终端。网络设备在机柜中的位置从上往下依次是智能网关、温湿度传感器（见图2）、网管服务器、汇聚交换机、防火墙、核心交换机、配线架。智能网关下行用于采集数据，上行连接汇聚交换机进行数据的分发，其功能实现相对独立且硬件实现形式比较明确，因此将智能网关放置在机柜上部，左右对称排列，方便监测和管理，保证结构完整的同时节省机柜空间。

图2 温湿度传感器及固定横梁效果图

网管服务器、汇聚交换机、核心交换机属于核心设备，三者间无特定连接顺序，故从上往下依次排列。核心交换机由于体积大重量重，因此依托承重托盘安装在机柜底部。安装这些设备前在机柜里预留出各设备所需光照和散热等硬件空间，保证设备的正常运行。

注：温湿度传感器的设计位置原本在机柜侧面，在调试过程中，结合船员的实际使用需求，将其移动到机柜的正前方安装，方便船员直观地读取温湿度传感器面板上的显示数值。

3.3 抗振动与抗摇晃

为满足船舶航行条件下摇晃幅度的限制要求，机柜与船体间的连接（见图3）是首要步骤。安放网络机柜的航行设备间内共设计有4 个网络机柜，前2 个为智能网络平台机柜和智能信息平台机柜，后2个为UPS 逻辑控制机柜和储能蓄电池机柜。机柜的尺寸为600 mm×900 mm×2 000 mm，机柜高度高，数量多。

图3 机柜整体与船体连接固定图

综合考虑，机柜的固定具体实现方式是：

1）人为将机柜两两并柜，依靠8 组不同位置（横向2 组、纵向2 组、柜角4 组）的并柜件，先从内部将两个机柜结构性拉紧合并固定。拉紧固定前将密封胶条粘贴于两个机柜接触面上，起到振动缓冲的作用。

2）机柜顶层依靠一根刚性角钢将4 个机柜合并在一起，保证4 个机柜作为1 个整体的连接效果。角钢的材质为建造用碳素结构钢，是简单断面的刚性材质，有较好的可焊性、塑性变形性能及一定的机械强度，起到固定作用的同时避免因航行过程中摇晃倾角过大出现断裂的现象。

3）船体钢板为整个航行设备间内共用，直接在活动底部钢板上施工难免会对设备间内其他设备产生影响，故机柜不宜直接安装在船体的活动地板上。根据机柜底平面的实际尺寸制作支撑底座，机柜整体与底座间以焊接或螺栓固定的方式完成固定加强。作为落地式机柜，安放底座位置的同时考虑为机柜柜门的展开预留相应空间，方便后续调试人员调试操作和船员的实际使用。

4）风浪对船体纵倾的影响较大，容易造成机柜位置的移动。在并柜角钢上以一定角度在横倾方向与船体基础连接加强焊接件，这样机柜整体与船体牢固连接，以最小的代价最大程度上保证4 个机柜作为1 个整体的固定效果。

3.4 设备的连接与紧固

固定网络设备，可提高设备在机柜内部的位置可靠性和布置稳定性。首先根据待安装设备的尺寸、重量、功能等，合理布置安装位置；为设备正常散热、设备与设备间互联线缆留出相应空间。机柜内网络设备依据尺寸采用长L 型和短L 型导轨（见图4）确定其初步位置；在平面的4 个方向上用密封橡胶条粘贴于设备与机柜支架之间，起到振动缓冲的作用；利用前后各2 组的固定螺丝、垫片、弹簧垫圈、固定螺母的组合零件套将设备固定在机柜内。

图4 各处螺丝细节图

网络设备拓扑结构复杂，设备与设备之间的逻辑联系紧密，用于互连的光纤跳线和网络跳线的数量和种类多。对此，在机柜的底部安装配线架（见图5），根据实际走线方向合理布放线缆，整齐排列各类线缆，使得线缆自然平直，无扭绞、打圈接头等现象，不受外力的挤压和损伤。在线缆的两端贴上编码正确、编写清晰、编号端正的标签，以便识别及后续正确查线。

图5 配线架示意及走线布置细节图

机柜内装有各种固定横梁，用于安装各种设备固定件并起到固定柜内网络设备的作用。网络设备之间通过网络跳线和光纤跳线实现完整功能和逻辑连接，大量线缆复杂交错，种类多且长度不一，故在靠近前后门的位置安装竖梁：一为整理机柜内部网络设备之间交错的线缆，使线缆整齐有序走线；二为相对固定大部分线缆的位置，防止前后门在关闭时夹到线缆。