0 引　言

随着国家建设海洋强国和海上丝绸之路发展计划的实施，智能船舶、绿色船舶制造被列入发展路线图的核心方向^[1-2]。船舶驾驶室控制台集安全航行、操控设备等于一体，可为各设备提供合理的布置位置和嵌装空间。其中，驾驶室航行保障单元是一种用于船舶航行灯、信号灯和雾笛等控制的设备，各控制单元独立运行，布置在驾驶室控制台的不同位置^[3-4]，其工作正常与否直接关系到舰船的航行安全和作业能力^[5]。船舶航行保障单元在船舶的设计制造中起着至关重要的作用。

在实际应用中，船舶航行保障单元存在智能化低、不便操作等问题，严重影响船舶航行及作业安全^[6]。船舶航行保障单元自动化是船舶科学技术的关键，其设计理念正朝着模块式、总线式、智能化和信息化发展^[7-12]。随着船舶航行安全保障问题日益迫切，在大方向牵引下，该理念可为船舶航行提供有力的安全保障，具有一定的理论指导和应用价值^[13-15]。

本文对船舶航行保障管理系统进行研究，详细讨论系统的设计方案与实现方法，设计了一套基于总线的船舶航行保障智能控制系统，并对与系统相关的理论进行了必要的分析和论证。该设计通过总线方式实现航行保障设备协调工作，使操控更加便捷，进一步提高了航保信息的综合化，使终端用户都能各取所需，获取全方位的各类信息，有力保证了船舶的航行安全。

1 总体设计

基于总线的船舶航行保障智能控制系统主要通过航行保障管理控制器集中管理控制航行保障设备协调工作，使终端用户能够获取全方位信息。本设计主要包括航行保障管理控制器，航行灯单元、信号灯单元、雾笛单元、室外灯单元等，航行保障控制器通过CAN通信方式与各设备单元完成信息交互，操纵员通过人机交互界面（HCI）监控管理。系统设计方框图如图1所示。

其中，航行灯、信号灯设置本地和异地操作功能。即在航行灯、信号灯控制器上设置本地和异地操作转换开关，当处于本地操作状态时，航行灯、信号灯可以通过控制箱上的控制按键实现对航行灯、信号灯的开关控制。当处于异地操作时，可通过航行保障系统用户终端的CAN总线接口对其实施操作控制。雾笛单元采用嵌入式系统作为主控制器控制雾笛的输出和雾灯的亮灭，显示雾笛单元的工作状态，完成与其他设备单元的通信，进而实现智能控制。室外灯单元配备主从操作模式，可以通过嵌入式系统管理CAN接口中的灯光信息，进而控制室外灯状态。

2 系统硬件设计 2.1 航行灯及信号灯单元

航行灯、信号灯单元由航行灯、信号灯控制器组成。内部配置电源模块，航行灯、信号灯面板控制板、航行灯、信号灯显示控制模块，航行信号等输出板组成。

1）电源模块设计

航行灯、信号灯由2路AC220V电源供电，分别来自主配电板和应急配电板，两路电源互为备用，自动切换，当两路电源均有电时，来自主配电板的电源有优先供电权。同时该电源模块还为航行灯提供DC24V工作电源。

2）控制板设计

航行灯、信号灯控制板的主要功能有接收航行保障控制器的航行信号灯的开关指令，并将信息传递给航行信号灯输出板，同时还可以接收人机接口（组态屏）送来的航行信号灯的指令信息，控制航行信号灯的状态，并将航行信号灯的工作状态传递给组态屏加以显示。

3）显示控制模块

该模块主要有组态屏构成，可以显示航行信号灯的所有状态，也可以设置航行信号灯的开关，是该单元的人机接口模块。

4）输出板

该板主要完成航行信号灯的输出控制，并实时采样读取航行信号灯的状态。为了提高航行信号灯的可靠性，在该单元增加了防雷击模块，提高了设备的稳定性和抗干扰性。

2.2 雾笛单元

雾笛单元主要有以下功能模块：显示控制模块，用户使用触摸键盘完成对雾笛及雾灯报警状态的控制；对外接口，雾笛单元具有 CAN总线接口，CAN总线接口可以接收其他控制设备对雾笛的控制信号，以实现设备间的联动控制；雾笛报警输出单元，雾笛输出单元采用光电隔离技术和电流采样技术，实现对雾灯的开关控制，并实时监测雾灯的工作状态（断路和过载），同时采用防雷击技术，防止雷击对设备的破坏及对其他设备单元的影响。与此同时，输出单元还设有雾笛电磁阀接口控制雾笛电磁阀，实现雾笛报警功能。内部配置电源模块、雾笛操作板、雾笛控制面板等。

1）电源模块设计

航行灯及信号灯单元是由2路AC220V电源供电，分别来自主配电板和应急配电板，两路电源互为备用，自动切换，当两路电源均有电时，来自主配电板的电源有优先供电权。与此同时，该电源模块还为雾笛提供DC 24V工作电源。

2）控面板设计

雾笛操控面板的主要功能有接收航行保障控制器的雾笛操控指令，并将信息传递给雾笛控制板。同时，还可以接收人机接口（组态屏）的操控指令信息，并将雾笛的工作状态传递给组态屏加以显示。

3）控制板设计

接收雾笛操控面板的指令信息，控制输出单元完成对雾笛电磁阀、雾灯、莫氏灯的操控，同时监测外部接口信息，完成设备间的联动控制。

2.3 室外灯单元

室外灯单元采用嵌入式系统作为主控制器控制负责从CAN总线接口接收灯光管理信息。本设计主要以基于总线的航行保障智能控制系统对外CAN总线接口与驾驶室室外灯接口板通信，可采用标准CAN2.0B通信协议，直接发送控制报文来控制驾驶室室外灯接口板输出相应的开关量信号来控制外部照明的开闭工作状态。

3 系统软件设计

基于总线的船舶航行保障智能控制系统软件设计主要包括航行灯、信号灯单元以及雾笛单元。

1）航行灯、信号灯系统软件设计

航行灯和信号灯系统软件总体框图如图2所示。

由图可知，航行灯、信号灯系统软件由航行灯、信号灯控制单元软件和输出单元软件两部分组成。控制模块软件主要包括初始化模块、键盘输入模块、通信模块和电源故障报警及航行灯、信号灯状态显示模块；输出单元软件主要包括初始化模块、航行灯、信号灯输出模块、航行灯、信号灯状态监测模块和通信模块。控制单元软件和输出单元软件通过CAN总线通信方式进行数据交换实现系统智能控制功能。控制单元软件采集航行灯、信号灯上的面板键盘，键盘输入后经处理发送至CAN总线上，若接收到输出单元回复在CAN总线的信息或对外接口通信数据，整理后将航行灯、信号灯状态显示于面板上；输出单元软件读取到CAN总线上信息，先监测对应航行灯、信号灯的状态，并将状态回复到CAN总线上,同时驱动可以工作的航行灯、信号灯照亮。其中，航行灯、信号灯输出单元和控制单元程序流程图如图3和图4所示。

2）雾笛统软件设计

雾笛系统软件总体框图如图6所示。可以看出，雾笛系统软件由键盘控制单元软件和雾笛输出单元软件两部分组成。键盘控制模块软件主要包括初始化模块、键盘输入模块、通信模块和雾笛报警状态显示模块；输出单元软件主要包括初始化模块、雾笛输出模块、雾笛状态监测模块和通信模块。控制单元软件和输出单元软件是通过CAN总线通信方式进行数据交换实现系统信息交互。键盘控制单元软件采集面板键盘，键盘输入后经处理发送至CAN总线上，或通过接收对外接口信息，将雾笛及雾灯报警状态显示于面板上；输出单元软件读取到CAN总线上信息，监测雾灯状态，控制雾笛按键盘输入要求输出报警。其中，雾笛输出单元和控制单元程序流程图如图6和图7所示。

4 系统验证

通过实验验证，船舶航行保障智能控制系统中的航行灯单元、信号灯单元、雾笛单元、室外灯单元等航保设备能够实现信息互联，通过现场总线的方式可以发送状态信息和指令信息。航行保障管理控制器能够存储并转发信息到用户终端，起到了信息枢纽作用。同时，在航行灯、信号灯和雾笛控制单元上设置本地和异地操作转换开关，当处于本地操作状态时，航行灯、信号灯和雾笛可以通过控制箱上的控制按键实现对航行灯、信号灯和雾笛的开关控制；当处于异地操作时，可通过航行保障系统显控单元的CAN总线接口对其实施操作控制。另外，航行灯、信号灯和雾笛控制单元能够完成对航行灯、信号灯和雾笛的开关控制，同时可以检测航行灯、信号灯和雾笛的电流状态，一旦出现超过阀值的状态便发出提醒。基于总线船舶航行保障智能控制系统中各航保单元电源转换箱的继电器实现输入主电源和应急电源的自动转换，当主电源失电时，应急电源自动投入，主电源恢复后自动转换为应急电源供电。面板灯的测试验证由系统程序实现，面板灯测试功能提供对本系统面板指示灯的定期检测，当按下试灯按键，面板上的所有灯全部点亮，蜂鸣器响，持续时间6 s后自动关闭测试状态，或再按下灯测试按键关闭测试状态。在面板灯测试期间，不影响报警功能。经过实验验证，该系统运行状态有效，现场总线被应用于系统中进行数据传输，构建了低成本、高性能、信息共享的船舶航行保障系统。

除此之外，可靠性要求对于系统是非常重要的评价指标。基于总线船舶航行保障智能控制系统充分地考虑了可靠性问题，采用成熟技术、简化、冗余和模块化等可靠性设计。同时，在生产过程控制中严把元器件质量关，严格按设计工艺要求进行元器件老化筛选、检查和装配，大大消除了故障隐患。各单元都可以独立完成相应的使命任务，也可以通过航行保障管理控制器完成各单元的任务。因此可以将航行保障管理控制器视为各功能单元的操控界面的备份，所以航行保障管理控制器与各功能单元的操控部分属于并联关系，再与各设备的其他单元形成串联模型关系。采用元器件计数可靠性方法，先计算出各功能单元的可靠性数据，然后再计算出整个系统的可靠性值。其失效率的计算公式为：

$ {\lambda _n} = \sum\limits_{i = 1}^n {{N_i}{{({\lambda _G}{\lambda _Q})}_i}}。$

(1)

式中： $ {\lambda _n} $ 为产品总失效率； $ {({\lambda _G})_i} $ 为第 $ i $ 种元件的通用失效率； $ {({\lambda _Q})_i} $ 为第 $ i $ 种元件的通用质量系数； $ {N_i} $ 为第 $ i $ 种元件的数量； $ n $ 为设备所用元件的种类数。

通过实测计算平均无故障工作时间（Mean Time Between Failure，MTBF），其中，MTBF=1/ $ {\lambda _n} $ ，输出板单元和控制板单元的MTBF为27 739 h和22 765 h，该系统可靠性指标完全能达到设计要求，满足船舶使用需要。

5 结　语

船舶在航行或作业过程中，由于航行保障系统各单元分散独立、不便管控等问题，导致船舶的安全性可靠性降低。针对此问题，本文设计了一种基于总线的船舶航行保障智能控制系统。该系统能够实时监控各航行保障单元的运行状态，且通过总线方式将系统信息集成到人机交互系统，在各单元独立运行的基础上实现信息互联共享，操作方便，并在鉴定平台上做了相关验证。在目前自动化、智能化船舶的大方向上，本文可为船舶设计制造提供参考，提高船舶的安全性和可靠性。