王征

（海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖北武漢430033）

裝備應(yīng)用技術(shù)

綜合平臺(tái)管理系統(tǒng)在綜合電力船舶中的應(yīng)用研究

王征

（海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖北武漢430033）

本文介紹了船舶綜合電力系統(tǒng)的特點(diǎn)，分析了船舶綜合平臺(tái)管理系統(tǒng)（IPMS）的概念和組成，研究了綜合平臺(tái)管理系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，探討了綜合平臺(tái)管理系統(tǒng)的技術(shù)內(nèi)容，并對(duì)綜合平臺(tái)管理系統(tǒng)在綜合電力船舶中的應(yīng)用進(jìn)行了展望。

船舶自動(dòng)化；綜合平臺(tái)管理系統(tǒng)；綜合電力系統(tǒng)

綜合電力船舶自動(dòng)化程度高，需要信息化系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行管理。綜合平臺(tái)管理系統(tǒng)是船舶自動(dòng)化的發(fā)展趨勢，可以滿足綜合電力船舶的信息化要求，將綜合平臺(tái)管理系統(tǒng)應(yīng)用于綜合電力船舶是未來的發(fā)展趨勢。

1 船舶綜合電力系統(tǒng)

綜合電力系統(tǒng)（IPS）是最早由美國于1994年提出的概念，代表著船舶裝備一種全新的發(fā)展方向[1，2]，其主要特點(diǎn)如下：

（1）模塊化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

IPS通?？煞譃椋喊l(fā)電、儲(chǔ)能、變電、配電、電力推進(jìn)、電網(wǎng)負(fù)載、電力管理等七個(gè)模塊，按各種船舶的需要，選擇和剪裁各種模塊進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，就能研制開發(fā)高效率低成本的先進(jìn)船舶。

（2）直流輸電和區(qū)域配電

由于現(xiàn)代功率電子變換技術(shù)的成熟，變頻器特別是逆變器的應(yīng)用，使得電力推進(jìn)在內(nèi)的各種不同電制參數(shù)包括電壓、頻率的用電負(fù)載能借助于優(yōu)異的直流輸電方式來實(shí)現(xiàn)互不干擾影響的區(qū)域配電。

（3）適應(yīng)新技術(shù)發(fā)展需要

已考慮了燃料電池、永磁電機(jī)、超導(dǎo)單極電機(jī)等各種新技術(shù)在未來實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的可能，并創(chuàng)造了最有利的條件。

綜合電力系統(tǒng)的核心是電力推進(jìn)，它是從統(tǒng)籌全船能源的高度來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)綜合化，把電力推進(jìn)的能源變換系統(tǒng)納入全船電力系統(tǒng)的范圍，對(duì)能源統(tǒng)一加以控制和調(diào)配，最大限度地提高能源變換和利用的效率。其次，把電力推進(jìn)方式有機(jī)地融入船舶的總體設(shè)計(jì)，不僅要分析其直接效果，還要考慮其間接好處以補(bǔ)償某些方面的不足。

與普通船舶相比，綜合電力船舶自動(dòng)化、信息化程度更高，綜合平臺(tái)管理系統(tǒng)是船舶自動(dòng)化的發(fā)展趨勢，可以滿足綜合電力船舶的信息化要求。

2 綜合平臺(tái)管理系統(tǒng)的概念與組成

船舶綜合平臺(tái)管理系統(tǒng)，就是應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)、檢測技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、智能技術(shù)等，以信息為核心、以網(wǎng)絡(luò)為紐帶、以集成為手段，將船舶平臺(tái)中各監(jiān)控設(shè)備和系統(tǒng)融合為一個(gè)有機(jī)的整體，以軟件為途徑，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)信息共享和資源共用，采用通用化、系列化、模塊化的硬件體系，形成多位置、全信息、數(shù)據(jù)分散、監(jiān)控集中的綜合，實(shí)現(xiàn)船舶平臺(tái)的信息化和數(shù)字化管理，同時(shí)提供與其他系統(tǒng)的信息接口，為信息網(wǎng)絡(luò)提供平臺(tái)資源管理支撐[3，4]。

綜合電力船舶的綜合平臺(tái)管理系統(tǒng)包括能量管理分系統(tǒng)、損管綜合監(jiān)控分系統(tǒng)、綜合船橋分系統(tǒng)、綜合保障管理分系統(tǒng)、綜合狀態(tài)監(jiān)測分系統(tǒng)、視頻監(jiān)視分系統(tǒng)、輔助管理分系統(tǒng)。如圖1所示。

圖1 綜合電力船舶綜合平臺(tái)管理系統(tǒng)組成

（1）能量管理分系統(tǒng)

能量管理系統(tǒng)是船舶能量的管理控制中心，是綜合平臺(tái)管理系統(tǒng)的重要組成部分。船舶能量管理系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)能量產(chǎn)生、傳輸、調(diào)配、使用的智能化分析、控制和管理，就是基于多級(jí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)船舶電站、電力系統(tǒng)、負(fù)載特別是電力推進(jìn)等大功率負(fù)載和輔助機(jī)械設(shè)備進(jìn)行管理和控制，不僅對(duì)電力系統(tǒng)的電網(wǎng)運(yùn)行狀況、安全情況、電能質(zhì)量情況進(jìn)行正常與故障的監(jiān)測、分析和管理，也對(duì)其他形式的能量進(jìn)行管理，可實(shí)現(xiàn)全船能量的智能化調(diào)配，以保證能量供應(yīng)的連續(xù)性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。

（2）損管綜合監(jiān)控分系統(tǒng)

包括損管監(jiān)控子系統(tǒng)和三防監(jiān)控子系統(tǒng)。損管監(jiān)控系統(tǒng)具有液位監(jiān)測、破損監(jiān)測、火災(zāi)報(bào)警、滅火控制、消防泵起動(dòng)停機(jī)控制和與損害管制有關(guān)的一些報(bào)警監(jiān)測功能。三防監(jiān)控系統(tǒng)可對(duì)原子防護(hù)、生物防護(hù)、化學(xué)防護(hù)等系統(tǒng)單元進(jìn)行監(jiān)控。

（3）綜合船橋分系統(tǒng)

綜合船橋系統(tǒng)以數(shù)據(jù)、儀表、圖形圖像等方式直觀地顯示綜合航行態(tài)勢、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)、駕駛操縱信息以及船舶平臺(tái)狀態(tài)，為航行指揮提供信息支撐。通過對(duì)操舵儀、減搖鰭的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶航向、姿態(tài)的控制。在駕駛室實(shí)現(xiàn)對(duì)航行信號(hào)燈、氣霧笛等航行保障設(shè)備的控制，并為各種指揮命令的傳達(dá)、信息的發(fā)布提供必要的保障手段。

（4）綜合保障管理分系統(tǒng)

綜合保障管理系統(tǒng)的主要功能是技術(shù)培訓(xùn)資料管理、技術(shù)文件資料管理、備品備件器材管理、使用維修管理、技術(shù)狀態(tài)輔助管理、信息管理等。

（5）綜合狀態(tài)監(jiān)測分系統(tǒng)

綜合狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的主要功能是對(duì)船舶的狀態(tài)量進(jìn)行監(jiān)測，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地掌握船舶在不同環(huán)境下的狀態(tài)特性。

（6）視頻監(jiān)視分系統(tǒng)

視頻監(jiān)視系統(tǒng)主要對(duì)全船進(jìn)行視頻實(shí)時(shí)監(jiān)測，包括重點(diǎn)部位、重要艙室、主要設(shè)備或系統(tǒng)。通過綜合顯控臺(tái)控制所有攝像、云臺(tái)等裝置的各種動(dòng)作。

（7）輔助管理分系統(tǒng)

輔助管理系統(tǒng)主要對(duì)消防系統(tǒng)、艙底系統(tǒng)、取暖系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、冷藏系統(tǒng)、空氣冷卻系統(tǒng)、海水淡化系統(tǒng)、污水和垃圾處理系統(tǒng)等進(jìn)行狀態(tài)管理；對(duì)船舶減搖裝置、海上補(bǔ)給裝置，起錨機(jī)械、系纜機(jī)械和拖帶機(jī)械等系泊設(shè)備等進(jìn)行狀態(tài)管理。

3 綜合平臺(tái)管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

綜合平臺(tái)管理系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)綜合顯控臺(tái)、遠(yuǎn)動(dòng)終端單元（簡稱RTU）、被控設(shè)備間的可靠信息傳輸[5]。綜合平臺(tái)管理系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 綜合平臺(tái)管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)圖

綜合平臺(tái)管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)主要由控制子網(wǎng)和信息子網(wǎng)兩部分組成。控制子網(wǎng)主要對(duì)被控對(duì)象實(shí)現(xiàn)有效控制，對(duì)于實(shí)時(shí)性和數(shù)據(jù)可靠性有較高要求，因此采用CAN總線技術(shù)；信息子網(wǎng)連接綜合顯控臺(tái)和RTU，用于非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸和監(jiān)視，采用以太網(wǎng)技術(shù)。

綜合顯控臺(tái)和RTU是綜合平臺(tái)管理系統(tǒng)的主要網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，需要配備相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)硬件、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等。

一體化網(wǎng)絡(luò)管理與保障系統(tǒng)對(duì)綜合平臺(tái)管理系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)測、控制和管理，主要功能包括配置管理、安全管理、性能監(jiān)測、故障診斷、可靠性維護(hù)等。

4 綜合平臺(tái)管理系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)

綜合平臺(tái)管理系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)主要包括數(shù)據(jù)的采集、傳輸、顯示、存儲(chǔ)，設(shè)備控制等。

（1）數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集是是綜合平臺(tái)管理系統(tǒng)的信息來源。目前有兩種數(shù)據(jù)采集方式：一種是直接連接RTU的模擬或數(shù)字接口單元，通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄C合顯控臺(tái)；另一種是通過現(xiàn)場總線通信接口卡將傳感器、設(shè)備、本地處理控制器的數(shù)據(jù)采集到現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)上，經(jīng)過上位機(jī)，通過以太網(wǎng)傳輸?shù)骄C合顯控臺(tái)。

（2）數(shù)據(jù)傳輸

數(shù)據(jù)傳輸是綜合平臺(tái)管理系統(tǒng)的信息渠道。目前現(xiàn)場總線的傳輸速率從幾十K到幾M，以太網(wǎng)可以提供至少100 M最多1 000 M的帶寬。

（3）數(shù)據(jù)顯示

數(shù)據(jù)顯示是綜合平臺(tái)管理系統(tǒng)的人機(jī)界面。一般采用WINDOWS系統(tǒng)，使用圖形化的界面，在綜合顯控臺(tái)和操作人員之間進(jìn)行人機(jī)交互。

（4）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是綜合平臺(tái)管理系統(tǒng)的信息保障。綜合電力船舶的數(shù)據(jù)量大，有反映系統(tǒng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，也有供系統(tǒng)狀態(tài)分析、數(shù)據(jù)運(yùn)行歷史記錄、系統(tǒng)故障診斷、系統(tǒng)綜合保障的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器一般采用高可靠性的集群系統(tǒng)，連接光纖磁盤陣列，保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全和存取性能。

（5）設(shè)備控制

設(shè)備控制是綜合平臺(tái)管理系統(tǒng)的神經(jīng)中樞。各種分布式的數(shù)據(jù)獲取單元、RTU、控制單元、現(xiàn)場總線的上位機(jī)等，一方面收集和處理設(shè)備、傳感器數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到綜合顯控臺(tái)，一方面將控制臺(tái)的控制指令發(fā)送到相應(yīng)的控制設(shè)備。

5 結(jié)束語

綜合電力船舶的設(shè)計(jì)越來越多的采用高新技術(shù)，全船系統(tǒng)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化成為發(fā)展趨勢，數(shù)據(jù)資源共享成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的必然。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，船舶綜合平臺(tái)管理系統(tǒng)已從單純的網(wǎng)絡(luò)向數(shù)字化平臺(tái)方向發(fā)展。其發(fā)展趨勢是：利用全船光纖局域網(wǎng)，構(gòu)成冗余度高、可靠性好、結(jié)構(gòu)開放、生命力強(qiáng)的數(shù)字化平臺(tái)，使全船信息貫通流暢，最終實(shí)現(xiàn)全船系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)一體化，并能通過衛(wèi)星構(gòu)成岸-船一體化網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)；以計(jì)算機(jī)、單片機(jī)為基礎(chǔ)，發(fā)展標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、模塊化、通用化的硬件設(shè)備，以降低船舶綜合平臺(tái)管理系統(tǒng)研制的硬件成本，提高可靠性和可維修性；依靠人工智能技術(shù)，開發(fā)智能化、模塊化的系統(tǒng)軟件，盡量利用強(qiáng)大的軟件功能來實(shí)現(xiàn)各種監(jiān)控、管理、訓(xùn)練、仿真、維修等功能。

船舶綜合平臺(tái)管理系統(tǒng)為船舶操作管理人員提供了一個(gè)開放式、標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、集成化的優(yōu)良信息平臺(tái)，大大提高了船舶的綜合優(yōu)化控制管理水平，已成為船舶自動(dòng)化的發(fā)展趨勢。

[1]付立軍，劉魯鋒，王剛，等.我國艦船中壓直流綜合電力系統(tǒng)研究進(jìn)展[J].中國艦船研究，2016，11（1）：72-79.

[2]馬偉明.艦船綜合電力系統(tǒng)中的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換技術(shù)[J].電氣工程學(xué)報(bào)，2015，10（4）：3-10.

[3]袁偉.艦船綜合平臺(tái)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2013，35（7）：145-148.

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[5]殷虎.艦船平臺(tái)管理網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究[J].裝備制造技術(shù)，2016（4）：171-177.

Research on Integrated Platform Management System For Ship Integrated Power System

WANG Zheng
（School of Electrical Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan Hubei 430033，China）

The characters of ship integrated power system are introduced.The definition and functions of ship integrated platform management system（IPMS）are presented.The structure of IPMS is analyzed in detail.The network architecture of IPMS is researched.The techniques of IPMS are discussed.The development trend of IPMS is expected.

ship automation；integrated platform management system；ship integrated power system

U664.8

：A

：1672-545X（2017）01-0109-03

2016-10-08

國家自然科學(xué)基金資助（No.51177168）

王征（1978-），男，湖北武漢人，講師，博士，研究方向：智能化監(jiān)控。