船舶电气自动化技术应用及发展趋势

刘世涛

船舶电气自动化技术应用及发展趋势

刘世涛

（福建省马尾造船股份有限公司，福建 福州 350015）

本文以船舶电气自动化技术为切入点，重点阐述了我国的自主研发以及自动化技术应用现状，针对船舶导航自动化、CAN电站测控技术、自主航行技术的应用和发展进行研究，介绍船舶电气自动化技术未来发展趋势，我国的船舶发展正在向着电气自动化的方向发展。

电气自动化技术；主要技术；应用现状；发展趋势

0 引言

海运是我国经济发展的重要支柱，是领海安全以及航海能力的重要保证。近年来电子技术不断深入发展，很大程度提高了船舶电气自动化程度、性能和技术水平，配套系统的电气自动化管理技术呈现出更高速的发展态势，能够提高航运快速躲避海上风暴的袭击和方向的准确性。电磁干扰问题、设备故障率高和控制线路单一，是船舶电气自动化的潜在问题。为了提高船舶自动化的稳定性和安全性，电磁屏蔽技术、重要设备监测单元的冗余设计和数据网格化与综合化陆续应用在船舶领域。电气自动化技术是船舶内机械设备稳定持续运行的核心点，在集成系统的支持下，发展电气自动化技术成为船舶智能航行的新契机。

1 船舶电气自动化技术的应用现状

我国有漫长的海岸线和四通八达的河流,船舶运输业是我国经济发展的重要支柱，船舶是水上航运和货物运输的主要工具，推动我国经济社会发展具有重要作用。随着造船行业的迅速发展，电气自动化技术成为船舶运行的核心技术之一，船舶运输业是我国经济发展的重要支柱,国内外研究者开始对海洋电气自动化技术进行深入研究，船舶智能化方兴未艾，涌现故障预警、智能决策、航行控制等科技成果。自动化技术应用于船舶的行驶和管理工作，通过融合船舶自动化技术、数据传输、通信技术等，控制操作界面并发送指令、模块之间的灵活组合，构建集自主可控、航行自动化、设备故障预警和信息感知等于一体的自动化控制系统，实现船舶的自动驾驶和系统的内部自动控制，从而提高船舶自动化水平和使用效率。

电气自动化技术是智能船舶的重要技术，结合先进高速的信号传输技术，建设主机与机舱监控警报系统、自动导航系统，通过数据传输或电子邮件的方式实现与其它船只、岸基的信息交互。自动监测报警系统是DCS原理和人工智能的典型应用，可以二十四小时对船舶的主要设备进行监控监测以及自动报警,保证船舶在行驶过程中的安全性、可靠性。GPS全球定位系统应用于船舶中，通过航位推算、地图匹配、卫星定位及多方式组合，可以将定位精确到几米的范围之内，对于保障船舶的行驶安全和在发生意外时做好搜救工作具有重要作用。通信导航技术实现船、岸、船与船之间联系，精确定位船舶的卫星位置，实现船舶与岸站、船舶与航标之间的信息交互，我国的大部分船舶上安装了GPS导航系统。基于智能船舶模块的功能，利用自动化装置来代替传统的人工进行船舶的管理以及操控工作，通过联合应用信息网络技术、通信技术和电气自动化技术等，实现船舶的自动驾驶和系统内部设备的自动控制，极大地促进了我国的船舶技术发展和船舶交通行业的发展。

2 现代船舶电气自动化应用的主要技术

1）电力电子技术

随着各种新型电力电子开关器件和变换器拓扑结构的不断涌现，发电机组变流器成为船舶电力系统自动化控制的典型应用，在提高供电灵活性、可控性方面具有重要作用。传统的船舶发电使用独立的辅助发电机组或通过轴带发电机连接到主机上进行发电，而在使用电力电子技术以后，电力电子器件能对电能进行变换和控制，把交流电转换成为直流，通过电压和电流的控制使发电机组更加稳定地运行，避免短路和故障情况出现。

2）CAN电站测控相关技术

CAN电站测控系统主要包括发电机组、控制台和相关的检测仪器等，应用CAN电厂计量控制技术和电力自动化控制，通过相关节点的整合，建立有效的自动控制网络和控制网络系统，实现发电机组的远程控制。采用CAN现场总线技术，通过 A/D 转换将转换为数字信号后发送至监测网络，将船舶上的其他部件连接到控制网络上，完成测量和确保控制台能够及时接收特定传感器节点的传输测量结果，从而实现船舶的电气自动化控制并保证航行的安全性。

3）可靠性保障相关技术

近年来船舶行业快速发展，拉动我国的对外发展和交通运输行业。发达国家在保障船舶可靠性领域开展技术研究，如电磁干扰技术、储藏冗余处理技术和容错技术设计等。由于船舶内部电子类设备众多，智能硬件和嵌入式系统构成智能航行的元器件，为保障各零部件的协同运行，通常采用电磁兼容保障技术，融合感知识别算法、避障算法、控制算法等前沿技术，建立以自动化技术为载体的抗干扰系统，对干扰信号源进行过滤与屏蔽，令精密设备具备持续性、精准性的运行特点，提高船舶电气的抗干扰性能，从而维持船舶自动化信息数据的稳定性。容错技术是指采用硬软件对船舶运行发展安全故障的容忍保障，若电气自动化系统出现运行故障，容错技术对船舶电气设备系统发生的故障采用控制和应对措施，在最短的时间内准确定位故障的位置、识别故障性质，实时对船舶所有设备及系统运行进行监测和控制，预测状态劣化的趋势。结合辅助决策系统提高船体和设备安全性，降低运行电气机组的负荷并快速确定故障位置，以有效规避故障交变电磁场、静电场以及传输线路等对电气自动化系统的安全运行的影响，实现全生命周期对船体、主机等关键配套的监控，保证船舶电气系统的可靠性。

4）自主航行技术

智能航行系指利用计算机、智能感知、自动化等技术对船舶航路和航速进行设计和优化，船舶电气自动化设备结合数字技术、网络可控技术、总线技术，运用虚拟测试及虚实融合测试技术，在航行、操纵、机器运转、风险监控等多个方面实现自主可控，解决海事规则和复杂态势量化、环境等问题。自主航行技术是智能船舶实现无人驾驶的关键所在，采用态势感知、运动控制和智能决策核心技术，在开阔水域、狭窄水道、复杂环境条件下自动避碰。通过雷达、船舶自动识别系统（AIS）、信息感知技术、全球定位系统，在船舶管理项目中让电气自动化技术得以持续发展，利用环境感知传感器对航行态势进行识别，自动感知和获得船舶自身、海洋环境、物流、港口等的信息和数据，根据航行水域交通流控制信息、前方航道船舶密度情况，实现航线计划、航线监控、自动避碰等功能，智能实时选择船舶在航道内的位置和航道，自主完成离泊、出港、航线优化、锚泊、进港、靠泊等过程，为我国船舶电气自动化系统的运行提供可靠保障。

3 船舶电气自动化发展趋势

当前信息技术、通信技术、自动化技术应用的行业领域越来越广泛，智能船舶是未来船舶发展的必然方向。船舶电气自动化技术属于综合性、程序性强的技术类型，机舱自动化、导航自动化、机械自动化、装卸自动化等多用途系统应用已日趋成熟，未来智能化、数字化、网络化是船舶的重要发展方向。船舶作为联系外界的网络通讯系统，新一代大功率半导体电力电子器件的研究开发和信息技术的应用，智能船舶是未来世界船舶工业领域竞争的焦点，通过将现代信息技术、人工智能技术等新技术与传统船舶技术进行融合，满足机电集成科学管理与控制战略，使船舶工业向着卫星通信导航、智能控制、船岸信息直接交流和全球定位系统领域延伸得更深入。船舶自动化技术将不断向全船综合自动化层次发展，形成集机舱自动化、航行自动化、机械自动化、装载自动化等于一体的多功能综合系统，进行各种信息采集分析、设备维护、故障诊断、船舶管理等业务活动，供航行中心进行大数据处理、计算机分析和自动控制，为智能船舶的正常运行提供有力保障。船舶节能一直是世界各国造船界和航运界研究的重要课题，未来通过信息感知和通信导航技术传递的航行状态、耗能状况，监测和报警、动力管理、燃油系统、压舱系统等的泵和阀的控制，指导船舶能效因素（航线设计、航速、船舶浮态、动力设备），对能效指标进行分析和汇总整理，达到减少排放、提高能效的目的。

随着计算机应用技术的更新升级，在舰船上应用先进电气自动化技术，已是一项大势所趋的新型技术手段。电气设备的各个部件之间通过信号通道互相交换信息，新建船舶配套船舶综合自动化系统，连接各个控制系统和执行系统，并根据指令完成工作步骤，提高船舶自动化程度。随着智慧船舶技术集成化、智能化、数字化的迭代升级，未来船舶电气自动化将以设备的高度模块和智能化为集成，船舶供配电、电力拖动、电气系统自动控制程度显著提高，机舱重要动力设备（主机、侧推设备、舵机等）的控制系统及预警报警延伸至驾控台进行遥感和可视化监控，实时采集有关电气的参数和动作信息自动监测、报警，提高测量测试的准确性和信息传递的实时性，现代船舶电气基本能实现驾驶室的远程操纵，推进智能技术应用将成为智能船舶发展的关键，为全面智能化管理工作的落实奠定坚实基础。

4 结束语

船舶是航运经济、航运安全的重要因素，促进中国同他国家之间的经济交流。在信息化浪潮席卷全球的时代背景下，电气自动化技术作为船舶内机械设备运行的内驱点，推动我国船舶海运业的快速发展，已成为国际海事界研发和关注的新热点。依托数据传输、电子邮件等各种通信手段与电气自动化科学技术的有效集成，可以使船舶系统高效、持续运作，为远洋运输船舶、工程船等提供船舶航行状态及作业的实时监控，很大程度地提高船舶航行的安全性、可靠性和经济性，使我国的船舶向着电气自动化的方向发展。

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Marine electrical automation technology application and development trend

Liu Shitao

(Fujian Mawei Shipbuilding LTD., Fuzhou 350015, Fujian, China)

TM76

A

1003-4862（2024）03-0040-03

2023-09-08

刘世涛（1983-），男，工程师，研究方向：船舶电气设计。E-mail:St2002.L@163.com