隨著計算機技術的高度發(fā)展和船舶自動化水平的不斷提高，船舶自動化技術不斷向全船綜合自動化階段發(fā)展，各類導航、監(jiān)控、管理系統(tǒng)都被運用于船舶中。
在船舶自動化中，機艙自動化尤為重要，其中的主機、發(fā)電機組、舵漿、離合器、空壓機等重要設備對船舶的正常航行有著非常重要的作用。目前，對船舶自動化的要求已不僅僅局限于局部的、單一的、獨立的監(jiān)控和管理，而是對大范圍、多層次、集中式的監(jiān)控系統(tǒng)提出了更高的要求，其中船舶機艙監(jiān)控系統(tǒng)和電站管理系統(tǒng)，視頻監(jiān)控系統(tǒng)以及船、岸通訊系統(tǒng)的融合，是船舶機艙自動化未來發(fā)展的趨勢。
如圖1所示，系統(tǒng)結構由兩部分組成：岸上部分和船上部分。由于船上物理環(huán)境惡劣，震動大、溫度高、濕度高，為保證網絡的可靠性，需采用有線網絡連接方式組成一個局域網，組網方式為以太網。岸上部分也組成一個網絡，并和互聯(lián)網相連，可供遠端客戶瀏覽查看。
系統(tǒng)處理結構是分布式的，通過基于子系統(tǒng)的平等接入方式進行系統(tǒng)集成。其核心思想是提供一個開放的平臺，在該平臺上可以運行各種應用系統(tǒng)。系統(tǒng)由上層的管理網和下層的現(xiàn)場控制網組成。下層現(xiàn)場控制網的各個設備子系統(tǒng)以平等的方式接入。上層管理網絡運行高性能的系統(tǒng)集成、數據庫和各種應用系統(tǒng)。各設備子系統(tǒng)的實時運行數據通過下層現(xiàn)場控制網傳輸到對應的網關，由該網關將數據處理/轉換后發(fā)送到上層的管理網絡，然后存儲在系統(tǒng)集成共享數據庫中。管理網絡通過裝有系統(tǒng)核心調度程序的多功能工作站對各子系統(tǒng)實現(xiàn)統(tǒng)一管理、監(jiān)控及信息交換。應用子系統(tǒng)包括對船舶內各種設備機電設備的自動化監(jiān)控，如火警、消防、液位、閥門狀態(tài)、動力、照明和航行等，同時提供網絡支持能力，實現(xiàn)對數據、語言、圖形、圖像等信息的接收和發(fā)送。
為保證整個監(jiān)控系統(tǒng)的安全性和可靠性，系統(tǒng)網絡應采用實時交互方案。為保證整個系統(tǒng)的可維護性和可擴展性，系統(tǒng)采用如圖2所示的分布式結構。
系統(tǒng)結構設計包括網絡拓撲結構、通信協(xié)議、網關的軟硬件設計等各個方面。在進行系統(tǒng)設計時，應充分考慮各子系統(tǒng)的集成問題，從系統(tǒng)的可擴展性出發(fā)，用國際標準化的Ethernet和CAN總線組成雙層網絡，并在這兩種網絡中分別加入冗余設計，形成一種雙冗余的網絡信息平臺。在船舶上設置網絡時應首先考慮環(huán)境特點，由于船舶具有振動、搖擺等特點，在設計時要突出可靠性，環(huán)形拓撲結構在網絡出現(xiàn)故障時仍能自行重構，保證系統(tǒng)安全可靠。由于光纖傳輸的是光信號，兩端的電源相對隔離，有效地解決了光纖兩端電源和地線對設備可能造成的嚴重威脅，同時傳輸光纖具有對電磁和射頻干擾抑制能力，信號在傳輸過程中不受電磁和射頻噪聲的影響。
隨著計算機技術的高度發(fā)展和船舶自動化水平的不斷提高，船舶自動化技術不斷向全船綜合自動化階段發(fā)展，各類導航、監(jiān)控、管理系統(tǒng)都被運用于船舶中。
在船舶自動化中，機艙自動化尤為重要，其中的主機、發(fā)電機組、舵漿、離合器、空壓機等重要設備對船舶的正常航行有著非常重要的作用。目前，對船舶自動化的要求已不僅僅局限于局部的、單一的、獨立的監(jiān)控和管理，而是對大范圍、多層次、集中式的監(jiān)控系統(tǒng)提出了更高的要求，其中船舶機艙監(jiān)控系統(tǒng)和電站管理系統(tǒng)，視頻監(jiān)控系統(tǒng)以及船、岸通訊系統(tǒng)的融合，是船舶機艙自動化未來發(fā)展的趨勢。
如圖1所示，系統(tǒng)結構由兩部分組成：岸上部分和船上部分。由于船上物理環(huán)境惡劣，震動大、溫度高、濕度高，為保證網絡的可靠性，需采用有線網絡連接方式組成一個局域網，組網方式為以太網。岸上部分也組成一個網絡，并和互聯(lián)網相連，可供遠端客戶瀏覽查看。
系統(tǒng)處理結構是分布式的，通過基于子系統(tǒng)的平等接入方式進行系統(tǒng)集成。其核心思想是提供一個開放的平臺，在該平臺上可以運行各種應用系統(tǒng)。系統(tǒng)由上層的管理網和下層的現(xiàn)場控制網組成。下層現(xiàn)場控制網的各個設備子系統(tǒng)以平等的方式接入。上層管理網絡運行高性能的系統(tǒng)集成、數據庫和各種應用系統(tǒng)。各設備子系統(tǒng)的實時運行數據通過下層現(xiàn)場控制網傳輸到對應的網關，由該網關將數據處理/轉換后發(fā)送到上層的管理網絡，然后存儲在系統(tǒng)集成共享數據庫中。管理網絡通過裝有系統(tǒng)核心調度程序的多功能工作站對各子系統(tǒng)實現(xiàn)統(tǒng)一管理、監(jiān)控及信息交換。應用子系統(tǒng)包括對船舶內各種設備機電設備的自動化監(jiān)控，如火警、消防、液位、閥門狀態(tài)、動力、照明和航行等，同時提供網絡支持能力，實現(xiàn)對數據、語言、圖形、圖像等信息的接收和發(fā)送。
為保證整個監(jiān)控系統(tǒng)的安全性和可靠性，系統(tǒng)網絡應采用實時交互方案。為保證整個系統(tǒng)的可維護性和可擴展性，系統(tǒng)采用如圖2所示的分布式結構。
系統(tǒng)結構設計包括網絡拓撲結構、通信協(xié)議、網關的軟硬件設計等各個方面。在進行系統(tǒng)設計時，應充分考慮各子系統(tǒng)的集成問題，從系統(tǒng)的可擴展性出發(fā)，用國際標準化的Ethernet和CAN總線組成雙層網絡，并在這兩種網絡中分別加入冗余設計，形成一種雙冗余的網絡信息平臺。在船舶上設置網絡時應首先考慮環(huán)境特點，由于船舶具有振動、搖擺等特點，在設計時要突出可靠性，環(huán)形拓撲結構在網絡出現(xiàn)故障時仍能自行重構，保證系統(tǒng)安全可靠。由于光纖傳輸的是光信號，兩端的電源相對隔離，有效地解決了光纖兩端電源和地線對設備可能造成的嚴重威脅，同時傳輸光纖具有對電磁和射頻干擾抑制能力，信號在傳輸過程中不受電磁和射頻噪聲的影響。
系統(tǒng)功能實現(xiàn)
系統(tǒng)要求實現(xiàn)：船舶機艙各設備的實時監(jiān)控及故障報警功能。分布式數據庫查詢和存儲。利用數據融合技術實現(xiàn)智能故障診斷。有線網絡與無線網絡的結合。無線網絡實現(xiàn)監(jiān)控數據以及視頻圖像和語音的大數據量信息傳輸。
根據系統(tǒng)功能要求，將功能實現(xiàn)分為如圖3所示的多個模塊。各模塊功能如下：
數據采集模塊：負責信號的采集、轉換以及信號的輸入/輸出，經由局域網與計算機通信，最后經過初次處理存入實時數據庫。
數據查詢模塊：主要根據查詢項目和查詢時間，動態(tài)提供各重要參數的歷史值查詢。
實時監(jiān)控模塊：不停地從實時數據庫中取得實時數據，動態(tài)顯示各設備的運行參數，通過監(jiān)控界面，實時了解各設備的運行狀況。
管理功能模塊：管理授權用戶的登錄，高級權限的用戶擁有一般用戶所沒有的權限，如進行報警參數的設定操作等，從而保證了系統(tǒng)的保密性和安全性。
趨勢圖查看模塊：根據所選日期和時間段，動態(tài)顯示任意時間內的趨勢曲線，使得操作人員對于機艙參數的變化情況一目了然。
故障診斷模塊：實時檢測機艙各部件發(fā)生的故障，并對故障原因、故障頻率和故障的危害程度進行分析、判斷，并給出必要的解決措施。
其它功能模塊：包括報表的生成和打印、對數據庫管理、幫助等信息。
人機交互子系統(tǒng)
系統(tǒng)的人機界面設計規(guī)范，主菜單設置方便操作，分畫面操作及轉換靈活，所有功能選擇均可通過屏幕軟件按鈕直接完成。系統(tǒng)界面采用亞控king graphics來設計。其特點是界面美觀，與用戶交互能力強，用戶的瀏覽體驗自然。功能完善，集成已有的性能計算公式和方法，對結果數據的預測準確。信息的交互、采集、分析和處理效率高，能夠有效訪問和使用數據庫。預留擴展接口，方便進行升級、整合和擴展。
界面的組成包括：
主界面窗體：如圖4所示，所有子系統(tǒng)在主界面上清晰顯示，便于進入各子系統(tǒng)查看。
機艙設備監(jiān)控窗體：可快捷搜索查詢需要查看的狀態(tài)參數，內置報警系統(tǒng)，在設備出現(xiàn)故障時，自動彈出故障設備和相應的應對措施。
歷史曲線查詢窗體：可根據需求自動設定時間長度，選取需要的時間片段內的數據，生成實時曲線或歷史曲線，并可生成相應的報表。
應急事件處理窗體：按船舶系統(tǒng)分類，搜集整理包含應急事件概況、分析和處理的船舶應急事故處理數據庫，便于查找任何系統(tǒng)的應急事故資料。
機損事故處理、預防性檢查、安全防范、環(huán)境保護、應急處理，每種情況下又按機艙主要設備進行劃分。
維修清單窗體：根據公司和相關船舶法規(guī)的要求，整理出機艙所有維修內容表，只要運行該窗體，就可以自動調出所有應該維修管理的內容，可生成報表方便維修處理。當完成相應維修管理后，可以在系統(tǒng)中進行確認標記。
視頻監(jiān)控窗體：實時傳送船上的現(xiàn)場情況并加以監(jiān)視，使用視頻服務器模塊，將模擬的視頻圖像進行實時壓縮并發(fā)布到網絡上，計算機可對其進行圖像的存儲、編輯和報警輸出，并根據現(xiàn)場的情況來指揮調度，還可通過網絡同時傳達到各個相關職能部門。
船岸一體化子系統(tǒng)
船岸一體化的目標是建立一個船岸一體化信息廣域網和船岸一體化的信息交換、監(jiān)控和管理平臺。在此平臺上可以實現(xiàn)船岸信息的實時共享和交互，進而實現(xiàn)對各種船舶（船隊）的實時監(jiān)控，提高管理層的調度、經營和決策能力；同時也可以大幅度提高船舶航運安全性和保障港口海上交通安全，進一步提高港口的運輸能力。因此，船岸一體化是船舶自動化技術發(fā)展的高級階段，也是船舶運輸技術和物流電子商務技術發(fā)展的方向。
船岸一體化信息平臺著重于對艦船運作過程的有關信息進行傳輸、接收、存取、變換和反饋，并不斷對有關過程進行調整和優(yōu)化。它是一個大范圍、多層次、多變量、結構復雜和功能綜合的大系統(tǒng)。單船系統(tǒng)通過海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)，以單船作為一個節(jié)點，進入船岸一體化通信網，實現(xiàn)船岸一體化管理。船岸一體化信息平臺的總體管理架構采用分級架構、集中管理的形式，即實現(xiàn)跨地區(qū)多網域的分級艦船體系架構。管理員可在總部對各地分支機構所屬的艦船進行集中統(tǒng)一管理，各地分支機構也可對所擁有的艦船實施本地化管理。該架構具有良好的可擴展性和可伸縮性，能很好地適應艦船規(guī)模擴大或新增管理節(jié)點，支持分布式架構，實現(xiàn)分級管理。系統(tǒng)采用集中監(jiān)控方式，從一個監(jiān)測平臺可同時監(jiān)測多達上千艘艦船設備及其各種關鍵參數。在實現(xiàn)技術上采用基于Web技術的B/S架構，系統(tǒng)的維護和升級都十分方便。
工業(yè)數據庫子系統(tǒng)
為確保系統(tǒng)的可靠性及數據的不間斷采集（如圖5所示），上位機采用雙機冗余的連接方式。主機和從機通過TCP/IP網絡連接，正常情況下主機處于工作狀態(tài)，從機處于監(jiān)視狀態(tài)，從機通過網絡從主機獲取實時數據和報警信息，完成數據的熱備份；一旦主機發(fā)生異常，從機會在很短時間內取代主機，完全實現(xiàn)主機的功能；當主機修復重啟后，從機又會自動把主機丟失的歷史數據和實時數據拷貝給主機，然后重新處于監(jiān)控狀態(tài)。
數據庫要求能夠長期存儲機艙監(jiān)控設備的所有數據，既可以方便地查看實時數據，又能隨時調出歷史數據，并支持各種查詢如SQL語句查詢。為縮短開發(fā)周期，結合實際項目需求，本工業(yè)數據庫采用亞控KingHistorian并采用雙機熱備的形式，因而具有如下特點。
高效管理數據：使用計算機、應用數據庫語言編制數據庫系統(tǒng)對已有資料和檔案進行管理，以取代傳統(tǒng)的人工、手寫管理方式已經成為一種趨勢。采用數據庫系統(tǒng)對資料進行管理、歸檔、保存可以使日后對資料的查詢、分析變得簡便而快速，大量的節(jié)約人力和物力，并且可以提高準確性。動力裝置監(jiān)測分析系統(tǒng)數據庫的建立，對船艇設備的檢測、維修能起到方便、快捷的作用，尤其是對船艇設備應急搶修能節(jié)約時間、提高效率，從而減少損失和人力浪費。
預測船艇運行趨勢：數據挖掘技術是從數據中發(fā)現(xiàn)趨勢或模式的高級過程，它的應用提高了數據分析的效率和深度，為故障預測提供了有力的手段。對于船艇裝置的檢測和維修有很好的輔助作用。將數據挖掘技術應用在船艇裝置狀態(tài)監(jiān)測與分析系統(tǒng)上，有利于用戶直觀地查看系統(tǒng)參數狀態(tài)及其相關信息，方便檢測和維修。
支持多種文件格式：船艇裝置狀態(tài)監(jiān)測與分析系統(tǒng)支持多種文件格式，例如常用辦公文件格式：MS Word、Excel、Powerpoint、Adobe pdf格式等。用戶可以將這些格式的文件存入數據庫中，也可以從數據庫中讀取存到硬盤上。
可擴充性：預留擴充功能的接口，方便以后擴展功能。
良好的顯示界面：用戶可以在屏幕提示下很快熟悉系統(tǒng)組成及功能，并可以輕松、直觀、簡便地完成對數據庫的訪問。
支持視頻播放：KingHistorian數據庫內置視頻編碼，接受現(xiàn)場層的視頻數據，播放視頻，可根據成本和實際需求隨時添加。
機艙設備和監(jiān)測點
船舶機艙綜合監(jiān)控系統(tǒng)近年來不斷地進行著數字化、網絡化的改造。船舶不同于其他系統(tǒng) ，它長期遠離陸地，需要高效率地完成任務，而對它的監(jiān)控具有監(jiān)控點多、被控量形式多、特定時間數據量大、工作條件惡劣（潮濕、高溫、震動、噪聲、電磁干擾）等特點，這就給設備的可靠性提出了較高要求。機艙各子系統(tǒng)可分類歸納如下：
推進系統(tǒng)：是船舶動力裝置中最主要的部分，是船舶的推進核心，其中包括主機、傳動設備、軸系和推進器，主機發(fā)出動力，通過傳動設備及軸系驅動推進器產生推力，從而克服船舶航行阻力使之以某一航速航行。
啟動系統(tǒng)：在柴油機動力裝置中，壓縮空氣系統(tǒng)是保證船舶正常運行的不可缺少的動力源。
電站系統(tǒng)：包括副機、發(fā)電機與輸配電設備等，擔負著全船電力供應的任務，如果發(fā)電柴油機發(fā)生故障就會造成全船失電，危及船舶安全。
燃油系統(tǒng)：如圖6所示，它是為主、副柴油機、鍋爐等供應足夠數量和一定品質的燃油，以確保船舶動力機械的正常運轉。燃油系統(tǒng)一般由注入、儲存、駁運、凈化、供給和計量六個部分組成。但隨著船舶尺度、類型和柴油機機型、所用燃油品種等不同，燃油系統(tǒng)的組成也有所差別。
潤滑系統(tǒng)：用以供給柴油機動力裝置運動部件的潤滑和冷卻所需的潤滑油。滑油系統(tǒng)一般由滑油儲存艙（柜）、滑油循環(huán)艙（柜）、滑油泵、凈油設備（濾器、分油機）及滑油冷卻器等組成，其組成形式依柴油機結構不同分為濕油底殼式和干油底殼式滑油系統(tǒng)。
冷卻系統(tǒng)：為使受高溫燃氣和摩擦作用的柴油機部件保持穩(wěn)定工作，必須對這些部件進行冷卻。冷卻系統(tǒng)的作用就是把冷卻介質送到受熱部件，將其多余的熱量帶走。船舶動力裝置中使用的冷卻介質主要有海水、淡水、滑油、燃油和空氣等，其中最常用的是海水和淡水。
鍋爐系統(tǒng)：供應蒸汽必須設置蒸汽鍋爐。在柴油機船上，除了油輪以及采用廢氣透平發(fā)電機組需要數量較多和壓力較高的蒸汽外，一般只需要適量的低壓飽和蒸汽，所以這種蒸汽鍋爐被稱為輔助鍋爐。輔助鍋爐所產生的蒸汽經過管路、閥門及輔助機構等供至各用汽設備。蒸汽在各用汽設備中放出熱量，溫度降低變成凝水。其凝水流入熱水井（凝水柜），再由給水泵吸出打入輔助鍋爐內，形成蒸汽——凝水循環(huán)。根據船舶大小、種類和航行區(qū)域的不同，用汽設備有多有少，要求的壓力也可能有所不同，分支線路有簡有繁。在大型船舶上由于所需的蒸汽量大，故除設置一兩臺輔助鍋爐外，還設有一臺廢氣鍋爐，以充分利用大功率柴油機所排出的廢氣熱量，故管路閥件相應也要復雜。
消防壓載水系統(tǒng)：壓載水系統(tǒng)根據船舶營運的需要，對全船壓載艙進行注入或排出，以調整船舶的吃水和船體縱、橫向的平穩(wěn)和安全的穩(wěn)心高度，減小船體變形，避免引起過大的彎曲力矩與剪切力，降低船體振動等。
船底水及日用水系統(tǒng)：衛(wèi)生水系統(tǒng)是保證船舶管理和船上人員生活所必需的上、下水道系統(tǒng)，上水道系統(tǒng)是供水系統(tǒng)，其任務是供給船上引用水、洗滌水、沖洗甲板的清水和舷外水；下水道系統(tǒng)是瀉水系統(tǒng)，其作用是將廁所的糞便水，浴室、廚房等污水，甲板沖洗水、雨水等排泄至舷外。
應急和救生設備：船舶應急和救生設備是當船舶遇險時撤離乘員而在船上設置的專用設備及其附件的總稱。
參考文獻
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