李 勃，楊昆永，李洪博

（渤海大學，遼寧錦州 121000）

0 引言

船舶航行信號燈又稱為號燈，分為紅、綠、白3 色，垂直安裝在船舶桅桿的兩舷側(cè)。航行信號燈包括舷燈、桅燈、錨燈、尾燈、拖帶燈、閃光燈、莫氏燈、失控燈、受限燈等，其他船可以根據(jù)航行燈和信號燈的顏色、位置、明暗等識別本船的位置、狀態(tài)、航行意圖，從而避免碰撞。正確配置航行信號燈對船舶安全航行至關(guān)重要，其需要以《1972 年國際海上避碰規(guī)則》及其修正案為基礎(chǔ)進行設(shè)計，并遵循我國海事局頒布的《船舶與海上設(shè)施法定檢驗規(guī)則》中關(guān)于航行信號燈的要求與解釋[1]。

船舶航行信號燈是船舶正常航行的重要保證，特別是在船舶類別、航行動態(tài)、船舶避碰等方面具有重要作用。然而，大部分老舊船舶的航行信號燈控制系統(tǒng)采用開關(guān)控制，不但占用較大的駕駛臺空間，而且成本較高，性能不穩(wěn)定。采用集成電路板控制技術(shù)取代開關(guān)控制，在降低故障發(fā)生頻率的同時，能有效提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和可靠性。

隨著港口工程船舶使用年限的增長，船舶部分設(shè)備進入疲勞老化狀態(tài)。特別是航行信號燈工作環(huán)境惡劣，電氣設(shè)備及其組件時常出現(xiàn)不同程度的老化現(xiàn)象，這將對設(shè)備運行的穩(wěn)定性和可靠性產(chǎn)生巨大隱患，如果不及時解決，將影響船舶的通航安全。

1 航行信號燈的設(shè)計要求

以港口工程船舶為例，由于船齡長達26 年，加之設(shè)備維護不佳，造成部分零部件難以購買、控制系統(tǒng)維修困難等問題。根據(jù)國際與國內(nèi)相關(guān)規(guī)則與規(guī)范的要求，參照航行信號燈控制系統(tǒng)設(shè)計原理和使用方式的新趨勢，對航行信號燈控制系統(tǒng)進行了重新設(shè)計和改造。

通過對收集的相關(guān)資料進行分析與論證，改造方案為航行燈和信號燈控制箱內(nèi)部控制系統(tǒng)采用集成電路板控制，控制系統(tǒng)由兩路電源單獨供電，一路為主配電板和應急電源提供，另一路由駕駛臺照明配電箱供電（例如：錨燈、白晝信號燈），各供電電路均配有控制按鈕及熔斷器。當航行燈故障時，應發(fā)出聲光報警并且相應的故障指示燈閃亮?？刂葡到y(tǒng)的核心是單片機，還需要外圍驅(qū)動，從而能夠按照控制系統(tǒng)的要求對指示燈和蜂鳴器進行控制。

外部控制面板使用按鈕開關(guān)式LED 指示燈，同時在外部控制面板上增加了一般功能指示燈，便于操作員使用和觀察。通過對航行信號燈改造項目的可行性分析，不斷修改和改進設(shè)計原理，并對系統(tǒng)進行仿真分析，理論設(shè)計完成后進入現(xiàn)場進行改造階段。

2 航行信號燈的系統(tǒng)設(shè)計

控制器的核心是以單片機（AT89C51）為主控芯片，該芯片是一種低功耗、高性能微控制器。參照單片機工作原理，采用C 語言對系統(tǒng)進行編程，實現(xiàn)主程序邏輯精準判斷。系統(tǒng)主程序是系統(tǒng)運行時的主要循環(huán)程序，能夠執(zhí)行各種控制信息；I/O 口子程序用于接收/輸出開關(guān)量信號，控制各種使能端[2]。信號存儲、處理子程序負責數(shù)據(jù)存儲、記錄、運算、計時等功能。

控制系統(tǒng)由輸入設(shè)備、收發(fā)器驅(qū)動器、輸出設(shè)備、通信接口等模塊組成。輸入設(shè)備硬件接口和軟件接口可以高效、快速地執(zhí)行按鍵信息輸入功能任務。用戶操作信號燈時，開燈時的按鈕操作、電源系統(tǒng)的供電情況都是通過信號燈控制器的輸入設(shè)備輸入系統(tǒng)。輸入單元由檢測裝置、輸入單片機接口電路和隔離裝置組成，檢測裝置通過運算放大器實現(xiàn)[3]。燈亮時，將檢測電壓與可調(diào)基準電壓輸入運算放大器進行比較，如果負載燈電路正常，則運算輸出邏輯為“1”，否則輸出邏輯為“0”。隔離裝置通過光耦合器實現(xiàn)。輸入接口電路由總線隔離器和濾波電容器組成[4]。輸入設(shè)備的軟、硬件濾波技術(shù)與控制器輸入部分的濾波技術(shù)相同。為了保護驅(qū)動電路，將保險絲連接到電路上，保護負載燈和驅(qū)動電路板。同時，輸出設(shè)備通過單片機接口線路控制繼電器動作，使負載燈通電或斷電。使用Proteus 搭建仿真系統(tǒng)，并對電路板繪制，實現(xiàn)復雜環(huán)境下設(shè)備優(yōu)化。航行信號燈Proteus 仿真如圖1 所示。

圖1 航行燈和信號燈Proteus 仿真

根據(jù)船舶電力系統(tǒng)的特點，其航行信號燈控制系統(tǒng)采用多路電源供電，并且在多路電源中可以實現(xiàn)故障自動切換，航行信號燈控制器供電電路如圖2 所示。供電優(yōu)先級是主配電板的AC 220 V電源優(yōu)于充放電板的DC 24 V 電源。正常情況下，航信信號燈的電源由AC 220 V 主配電板經(jīng)整流后變?yōu)镈C 24 V 供控制器使用。同時，控制屏還設(shè)有調(diào)光、試驗、消聲、蜂鳴器等，起散熱作用的風扇安裝在控制器外殼上。

圖2 航行和信號燈控制器供電電路

船舶航行信號燈屬于船舶外部的信號燈。其視覺信號直接關(guān)系到船舶的航行與安全。以本工程船舶為例，羅列出航行燈和信號燈的名稱、電壓等級、燈的顏色、規(guī)格等信息。船舶的航行燈和信號燈信息見表1。

表1 航行信號燈信息

在駕駛臺航行信號燈的控制面板上，通信接口發(fā)送和接收所有照明控制信號和燈亮成功與否的反饋信號。航行信號燈控制面板如圖3 所示，主要功能有：

圖3 航行信號燈控制面板

（1）電源：當控制系統(tǒng)的AC 220 V 控制電源接通后，“主電源”指示燈亮；當控制系統(tǒng)的AC 220 V 控制電源斷電后，“主電失電”指示燈亮，同時“應急電源”指示燈亮。電源電路的直流工作電壓由穩(wěn)壓電源模塊提供。

（2）蜂鳴器：如果航行信號燈一盞電燈壞后，控制器面板上的指示燈會閃爍，蜂鳴器發(fā)出警報，指示駕駛?cè)藛T及時查找故障并處理。

（3）調(diào)光：可以在控制器面板上調(diào)節(jié)各指示燈的亮度，防止船舶夜間航行時燈光減弱，影響駕駛員的視線。調(diào)光電路通過零檢測電路的光耦驅(qū)動雙向晶閘管，實現(xiàn)燈具的調(diào)光控制[5]。

（4）試燈：按下測試燈按鈕后，控制器面板上的所有指示燈都將亮起，方便駕駛?cè)藛T測試各指示燈線是否正常、各燈是否損壞。

（5）消聲：如果一盞燈的線路出現(xiàn)故障，控制器面板上的相應指示燈將閃爍，蜂鳴器將發(fā)出報警，若按下“消聲”按鈕，則將警報消除。

3 主要改造要點

（1）航行信號燈控制系統(tǒng)的控制單元將繼電器控制改為集成電路板控制，減少故障發(fā)生頻率，提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和可靠性。

（2）增加航行信號燈控制系統(tǒng)電力線路上的熔斷器。在改造過程中，將現(xiàn)有線路連接到新的控制系統(tǒng)接線后，將在此接線上增加熔斷器。能在線檢測燈具的斷線、短路狀態(tài)。每個燈的控制電路有兩個保險絲，提高系統(tǒng)電路的安全性。

（3）航行信號燈控制系統(tǒng)的控制面板將撥碼開關(guān)改為按鈕開關(guān)，在充當開關(guān)的同時還能讓駕駛員直觀地看到當前控制系統(tǒng)各燈的工作狀態(tài)。

（4）這次改造補充航行信號燈控制系統(tǒng)的功能，使用ZP-50 A/50 V 散熱片式二極管，降低了二極管的損壞概率；將原來AC 110 V系統(tǒng)，改為DC 24 V 系統(tǒng)，使系統(tǒng)更安全與穩(wěn)定。

4 結(jié)語

船舶航行信號燈是與船舶運輸、安全直接相關(guān)的一種視覺信號，保障船舶正常運行和船員財產(chǎn)的生命安全是船舶航運業(yè)內(nèi)人士共同關(guān)注的問題，性能好的航行信號燈控制系統(tǒng)能夠準確地反映船舶的位置、種類、方向和情況?；诟劭诠こ檀?，對航行信號燈系統(tǒng)進行實船改造，以低功耗的集成模塊替代原系統(tǒng)，實現(xiàn)故障檢測、自診斷、切換電源、故障報警等多個功能，有效解決傳統(tǒng)航行信號燈存在布置難、接線多、不穩(wěn)定等問題，使駕駛員能更加直觀地了解航行信號燈的運行情況，為船舶的安全性提供重要保障。