彭振博，華先亮，張亮亮

（上海船舶研究設(shè)計院，上海201203）

0 前 言

隨著信息、計算機、通信、網(wǎng)絡(luò)、人工智能等技術(shù)的飛速發(fā)展，船舶數(shù)字化成為必然趨勢。 結(jié)合常規(guī)船舶設(shè)計技術(shù)，依靠物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、信息管理系統(tǒng)等的應(yīng)用，船舶智能化的形勢逐漸明朗［1］。高性能的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備是實現(xiàn)船舶智能化的必要條件。 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備主要包括：智能網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)器、匯聚交換機、核心交換機等。

目前，陸用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備適應(yīng)的是精密度高、運行環(huán)境友好的生產(chǎn)作業(yè)場景，而船舶生產(chǎn)制造過程中粉塵多，化學(xué)品使用度高，帶電情況復(fù)雜。 船舶航行過程時間長、風(fēng)浪強、腐蝕度高，采用常規(guī)陸用的安裝方法會出現(xiàn)設(shè)備搖晃、設(shè)備振動、設(shè)備電氣性能受損等問題。 因此區(qū)別于陸用環(huán)境，從船舶生產(chǎn)和航行的環(huán)境入手，針對船舶生產(chǎn)和航行的特點，提出合理的保護思路，制定科學(xué)的安裝方案，使得船載網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能夠在惡劣營運環(huán)境下正常穩(wěn)定工作，具有重要價值和意義。

1 安裝依據(jù)

國家標準GB/T 4798.1—2005 電工電子產(chǎn)品應(yīng)用環(huán)境條件第一部分貯存、GB/T 4798.2—2008 電工電子產(chǎn)品應(yīng)用環(huán)境條件第二部分運輸、GB/T 4798.3—2007 電工電子產(chǎn)品應(yīng)用環(huán)境條件第三部分有氣候防護場所固定使用，對陸用常規(guī)電工電子產(chǎn)品的使用及對應(yīng)環(huán)境提出了相關(guān)要求；而《中國船級社鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》2018 年版第4 分冊第1 章第2節(jié)工作條件和第3 節(jié)設(shè)計、制造與安裝章節(jié)的具體內(nèi)容，對船用設(shè)備的選型、使用環(huán)境及安裝保護也明確提出有相關(guān)要求。 兩者差異比較與結(jié)論如表1 所示。

表1 規(guī)范及標準差異表

2 保護與安裝原則

根據(jù)設(shè)備在船用和陸用兩種條件下相關(guān)規(guī)范的差異分析，提出以下船用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的保護與安裝原則：

1）環(huán)境條件。設(shè)備保護與安裝方案應(yīng)密切關(guān)注船用設(shè)備運行的溫濕度環(huán)境，采用溫濕度傳感器等監(jiān)測手段對設(shè)備的外部環(huán)境進行實時監(jiān)控，環(huán)境出現(xiàn)異常情況能夠第一時間發(fā)出報警信息。 采用合適的固定方法在設(shè)備安裝前對其內(nèi)部元器件進行加固，可進一步提高設(shè)備可靠性和穩(wěn)定性，提高設(shè)備抗振動和抗搖晃能力。 針對船舶在正常營運過程中機械環(huán)境條件下產(chǎn)生的振動和沖擊，選用柔軟且貼合效果好、耐壓耐熱性能高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的緩振材料， 起到振動緩沖的作用。 對船上可能出現(xiàn)的活體生物（如老鼠等）提早采取預(yù)防措施，同時為設(shè)備提供通風(fēng)透氣且相對干燥的環(huán)境，避免真菌和霉菌的生長。

2）電壓和頻率波動。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備運行過程中除自身因素外，還受其他電氣設(shè)備和整個電網(wǎng)的影響，出現(xiàn)電壓和頻率波動難以避免。 在此情況下，對設(shè)備定期進行檢查，從設(shè)備硬件層級上盡可能杜絕事故情況，避免負載無計劃地大量增減。 減少設(shè)備中非線性、沖擊性、不平衡的用電情況，避免高次諧波危害，同時合理反饋發(fā)電機組，根據(jù)用電負荷的變化合理調(diào)節(jié)發(fā)電負荷，保證電壓和頻率維持在合理范圍內(nèi)。

3） 一般性要求。 設(shè)備安裝過程中，考慮與其他電氣設(shè)備的邏輯和物理關(guān)聯(lián)，設(shè)備外部加入絕緣材料，以完整可靠的絕緣方式實現(xiàn)足夠的電氣間隙和爬電距離；根據(jù)設(shè)備的實際尺寸，選擇適合的螺母、螺栓組合套件用于連接和緊固，外部螺絲另外加固定，與整套網(wǎng)絡(luò)設(shè)備系統(tǒng)緊密相連，防止受振動而松脫；海上潮濕空氣和油霧對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的正常使用和性能會造成影響，除選型時選擇具備良好的耐海上空氣、耐油霧、耐腐蝕性能的設(shè)備材料外，定期對設(shè)備進行檢查和清潔，同時在設(shè)備外配備結(jié)構(gòu)簡單、防護性能良好的防護層，在不影響原有設(shè)備電氣性能基礎(chǔ)上最大程度起到保護作用；網(wǎng)絡(luò)設(shè)備完成接線后，在完備線纜的兩端接線端頭加上線纜標簽，標簽內(nèi)容按照實際接線圖制作，編碼正確、編寫清晰、編號端正，便于識別以及后續(xù)正確查線的操作。

4）接地。通過金屬導(dǎo)線將設(shè)備與接地裝置連接，接地裝置將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和其他生產(chǎn)設(shè)備上可能產(chǎn)生的漏電流、靜電荷以及雷電電流等引入地下，避免人身觸電和可能發(fā)生的火災(zāi)、爆炸等事故。 另一常用做法是將設(shè)備直接緊固在船體金屬結(jié)構(gòu)上，或者有可靠電氣連接的底座、支架上，達到與使用專用導(dǎo)線接地相同的效果。

5）電磁兼容性。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以及連接電纜產(chǎn)生的電磁干擾會對附近的應(yīng)用系統(tǒng)引起干擾，造成信號失真。 減少電磁干擾的措施有：采取防雷措施、采用保護器、布置線纜時與其他線路管具保持一定間距、采取屏蔽和隔離等。 除此之外，正確的接地措施在某種程度上也能夠減少電磁干擾的影響。

3 實例分析

在“智能船舶1.0 研發(fā)專項”中，超大型智能礦砂船（VLOC）和超大型智能原油船（VLCC）上均安裝了整套智能網(wǎng)絡(luò)平臺系統(tǒng)，作為整個智能系統(tǒng)的基礎(chǔ)。 智能網(wǎng)絡(luò)平臺系統(tǒng)采用上層（應(yīng)用軟件）、中層（核心平臺）、底層（感知執(zhí)行）的3 層架構(gòu)設(shè)計。 作為中層的核心平臺，扮演著連接底層感知、執(zhí)行完成采集信息的集中、連接上層應(yīng)用軟件、完成數(shù)據(jù)上傳的作用。主要網(wǎng)絡(luò)設(shè)備有：核心交換機、匯聚交換機、核心防火墻、網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)器和智能網(wǎng)關(guān)等，此外，還有用于規(guī)范線纜布置的配線架、用于檢測設(shè)備運行環(huán)境的溫濕度傳感器和用于安全保護的空氣開關(guān)等器件。

以下以400 000 DWT超大型智能礦砂船（VLOC）為例，介紹網(wǎng)絡(luò)平臺系統(tǒng)的實船安裝方案，說明網(wǎng)絡(luò)設(shè)備保護與安裝的要點，展示網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在船上安裝整體解決方案的實際效果，并對遇到的實際問題展開討論。

3.1 基礎(chǔ)環(huán)境的搭建

圖1 數(shù)據(jù)中心內(nèi)整體布置示意

環(huán)境條件、電壓和頻率波動、一般性要求、接地、電磁兼容性這幾個方面對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備提出了不同角度、不同層級、不同程度的要求，而按照常用普適性方案，對單個設(shè)備獨立進行面向規(guī)范要求的保護、安裝措施，會讓設(shè)備結(jié)構(gòu)和布置變得厚重，增加方案成本。 另外單獨的方案之間可能彼此產(chǎn)生沖突，反而降低保護效果。 在設(shè)計上，出于對高精密網(wǎng)絡(luò)設(shè)備保護的考慮，將設(shè)備放置在船上專門設(shè)置的數(shù)據(jù)中心（見圖1）房間內(nèi)，初步將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和船舶原有環(huán)境分開。 對房間內(nèi)采取內(nèi)壁涂抹隔熱防水防護層，房間底部的甲板加厚加固，內(nèi)飾及相關(guān)家具采用防水防潮耐熱材料，房間頂部布置水冷式和風(fēng)冷式兩種空調(diào)，房間重要位置開辟通風(fēng)口，重要電氣設(shè)備布置位置處加入絕緣保護，房間鋼板涂上環(huán)保油漆后放置靜電隔離的隔離橡膠等措施，初步解決防潮、防水、防火、通風(fēng)散熱、防短路、防擊穿等問題。 另外，采用整體封閉式機柜的方式，將所有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、設(shè)備與設(shè)備之間互聯(lián)的線纜、重要設(shè)備的操作手冊以及相關(guān)設(shè)備間的接線圖作為整體放置在機柜內(nèi)，并采取合理可行的方式連接、緊固和布置，將機柜作為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的布置和保護載體。

3.2 機柜的布置

目前，機柜能夠在電磁屏蔽、噪聲隔離、通風(fēng)散熱、 使用性和維修性方面對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備起到重要作用［2］。機柜作為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備載體的方案，一方面能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)設(shè)備起到外在保護的作用，顯著降低振動和搖晃的幅度，另一方面能夠區(qū)分船舶上的智能系統(tǒng)與常規(guī)系統(tǒng)，方便船員的實際使用，同時也為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的正常檢查和日常維護提供便利。 選擇機柜作為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的載體，要求其空間利用率高，結(jié)構(gòu)緊湊性強。 機柜采用前后對開門式設(shè)計，前后門上均安裝有風(fēng)扇和濾器。 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備運行功率高、噪聲大，風(fēng)扇能夠有效幫助散熱，降低機柜內(nèi)部設(shè)備因溫度過高而引起設(shè)備停機的可能性。 機柜的前后和上下各留出對應(yīng)空間保證空氣流通，安裝溫濕度傳感器用于監(jiān)測機柜內(nèi)部環(huán)境條件，保證船員實時掌握設(shè)備運行的外部環(huán)境信息，避免出現(xiàn)過熱過干燥的現(xiàn)象。

機柜安裝時，船體艉部上建完工度低、灰塵粉塵多、化學(xué)氣味重，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備安裝完成后運行的環(huán)境較差，因此在機柜前后門底部安裝濾器，盡可能規(guī)避船舶施工造成的影響。 濾器內(nèi)含多層織網(wǎng)狀濾棉，可以幫助吸附灰塵，減少化學(xué)氣味，保持機柜內(nèi)部環(huán)境清潔，同時可吸附部分噪聲，為設(shè)備運行提供一個相對靜謐的環(huán)境。

機柜內(nèi)部由上到下主要可分為4 個區(qū)域：交流分配單元、配線架、有源設(shè)備、光纜終端。 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在機柜中的位置從上往下依次是智能網(wǎng)關(guān)、溫濕度傳感器（見圖2）、網(wǎng)管服務(wù)器、匯聚交換機、防火墻、核心交換機、配線架。 智能網(wǎng)關(guān)下行用于采集數(shù)據(jù)，上行連接匯聚交換機進行數(shù)據(jù)的分發(fā)，其功能實現(xiàn)相對獨立且硬件實現(xiàn)形式比較明確，因此將智能網(wǎng)關(guān)放置在機柜上部，左右對稱排列，方便監(jiān)測和管理，保證結(jié)構(gòu)完整的同時節(jié)省機柜空間。

圖2 溫濕度傳感器及固定橫梁效果圖

網(wǎng)管服務(wù)器、匯聚交換機、核心交換機屬于核心設(shè)備，三者間無特定連接順序，故從上往下依次排列。 核心交換機由于體積大重量重， 因此依托承重托盤安裝在機柜底部。 安裝這些設(shè)備前在機柜里預(yù)留出各設(shè)備所需光照和散熱等硬件空間，保證設(shè)備的正常運行。

注：溫濕度傳感器的設(shè)計位置原本在機柜側(cè)面，在調(diào)試過程中，結(jié)合船員的實際使用需求，將其移動到機柜的正前方安裝，方便船員直觀地讀取溫濕度傳感器面板上的顯示數(shù)值。

3.3 抗振動與抗搖晃

為滿足船舶航行條件下?lián)u晃幅度的限制要求，機柜與船體間的連接（見圖3）是首要步驟。 安放網(wǎng)絡(luò)機柜的航行設(shè)備間內(nèi)共設(shè)計有4 個網(wǎng)絡(luò)機柜，前2 個為智能網(wǎng)絡(luò)平臺機柜和智能信息平臺機柜，后2個為UPS 邏輯控制機柜和儲能蓄電池機柜。 機柜的尺寸為600 mm×900 mm×2 000 mm，機柜高度高，數(shù)量多。

圖3 機柜整體與船體連接固定圖

綜合考慮，機柜的固定具體實現(xiàn)方式是：

1）人為將機柜兩兩并柜，依靠8 組不同位置（橫向2 組、縱向2 組、柜角4 組）的并柜件，先從內(nèi)部將兩個機柜結(jié)構(gòu)性拉緊合并固定。拉緊固定前將密封膠條粘貼于兩個機柜接觸面上，起到振動緩沖的作用。

2） 機柜頂層依靠一根剛性角鋼將4 個機柜合并在一起，保證4 個機柜作為1 個整體的連接效果。角鋼的材質(zhì)為建造用碳素結(jié)構(gòu)鋼，是簡單斷面的剛性材質(zhì)，有較好的可焊性、塑性變形性能及一定的機械強度，起到固定作用的同時避免因航行過程中搖晃傾角過大出現(xiàn)斷裂的現(xiàn)象。

3） 船體鋼板為整個航行設(shè)備間內(nèi)共用，直接在活動底部鋼板上施工難免會對設(shè)備間內(nèi)其他設(shè)備產(chǎn)生影響，故機柜不宜直接安裝在船體的活動地板上。根據(jù)機柜底平面的實際尺寸制作支撐底座，機柜整體與底座間以焊接或螺栓固定的方式完成固定加強。 作為落地式機柜， 安放底座位置的同時考慮為機柜柜門的展開預(yù)留相應(yīng)空間，方便后續(xù)調(diào)試人員調(diào)試操作和船員的實際使用。

4） 風(fēng)浪對船體縱傾的影響較大，容易造成機柜位置的移動。 在并柜角鋼上以一定角度在橫傾方向與船體基礎(chǔ)連接加強焊接件，這樣機柜整體與船體牢固連接，以最小的代價最大程度上保證4 個機柜作為1 個整體的固定效果。

3.4 設(shè)備的連接與緊固

固定網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，可提高設(shè)備在機柜內(nèi)部的位置可靠性和布置穩(wěn)定性。首先根據(jù)待安裝設(shè)備的尺寸、重量、功能等，合理布置安裝位置；為設(shè)備正常散熱、設(shè)備與設(shè)備間互聯(lián)線纜留出相應(yīng)空間。 機柜內(nèi)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備依據(jù)尺寸采用長L 型和短L 型導(dǎo)軌（見圖4）確定其初步位置；在平面的4 個方向上用密封橡膠條粘貼于設(shè)備與機柜支架之間，起到振動緩沖的作用；利用前后各2 組的固定螺絲、墊片、彈簧墊圈、固定螺母的組合零件套將設(shè)備固定在機柜內(nèi)。

圖4 各處螺絲細節(jié)圖

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備拓撲結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備與設(shè)備之間的邏輯聯(lián)系緊密，用于互連的光纖跳線和網(wǎng)絡(luò)跳線的數(shù)量和種類多。 對此，在機柜的底部安裝配線架（見圖5），根據(jù)實際走線方向合理布放線纜，整齊排列各類線纜，使得線纜自然平直，無扭絞、打圈接頭等現(xiàn)象，不受外力的擠壓和損傷。 在線纜的兩端貼上編碼正確、編寫清晰、編號端正的標簽，以便識別及后續(xù)正確查線。

圖5 配線架示意及走線布置細節(jié)圖

機柜內(nèi)裝有各種固定橫梁，用于安裝各種設(shè)備固定件并起到固定柜內(nèi)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的作用。 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間通過網(wǎng)絡(luò)跳線和光纖跳線實現(xiàn)完整功能和邏輯連接，大量線纜復(fù)雜交錯，種類多且長度不一，故在靠近前后門的位置安裝豎梁：一為整理機柜內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間交錯的線纜，使線纜整齊有序走線；二為相對固定大部分線纜的位置，防止前后門在關(guān)閉時夾到線纜。

4 結(jié) 語

本文從船舶基礎(chǔ)環(huán)境入手分析， 比較了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備規(guī)范要求在船用環(huán)境和陸用環(huán)境下的差異，依據(jù)規(guī)范內(nèi)容，提出全面普適的基本解決方案。 基于船舶實際營運環(huán)境， 對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的保護和安裝提出有針對性的解決思路和具體解決方案。 結(jié)合實船調(diào)試過程，驗證了安裝的可行性，展示了具體安裝的效果。

目前國內(nèi)智能船舶的實船示范應(yīng)用剛剛起步，設(shè)備保護和安裝規(guī)范沒有完善，設(shè)備保護措施有待進一步細化，設(shè)備安裝工藝尚不成熟。 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的選型、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備邏輯結(jié)構(gòu)的連接方法、設(shè)備保護方案的具體實現(xiàn)、設(shè)備安裝步驟的科學(xué)性等方面有待進一步研究。