船舶儀表板智能化改造技術及應用

肖智烜，余勇林，蔡皓鵬，段世由，劉蘇粵

（中船黃埔文沖船舶有限公司，廣州 510715）

1 前言

近年來，信息技術已逐步融入工業經濟，驅動和引領著各行各業的未來發展趨勢。其中，智能化是實現行業技術進步的主要途徑。隨著船舶行業的發展,在大數據時代背景下,相關的智能化技術在船上的應用已逐漸增多,船舶智能化已成為船舶制造發展的必然趨勢[1]。船舶儀表作為船舶航行依賴的工具，勢必隨著技術發展迎來新的變革。儀表在形式上的多樣化，尺寸上的差異化，同時布置在駕駛室這種重要艙室，對儀表板整體的美觀性就顯得尤為突出了，如何將智能化技術應用于儀表板，是智能化船舶研究中的一個重要課題。

2 傳統形式儀表板組成

2.1 儀表板組成

以某大型巡邏救助船為例。初始設計時，前儀表板包含1 個數字分羅經、1 個子鐘、2 個主機轉速表、2 個主機螺距表、2 個軸轉速表、3 個側推轉速表，總計11 塊儀表。上述儀表分別由4 個不同的生產商負責供貨，在外形尺寸上也有所區別，見表1。

表1 某大型巡邏救助船儀表明細表

2.2 儀表箱外形

初始設計為儀表組裝箱，由另外的生產廠商提供，其余4 個廠商提供儀表，發貨至箱體制作廠家，由制作廠家負責儀表組裝箱的整體設計及施工。原儀表箱的初始外觀圖，見圖1。

圖1 儀表箱外形圖

3 智能液晶顯示儀表板的組成

3.1 智能液晶儀表板組成

根據船東要求，該船修改為通過液晶顯示的方式，顯示所需的數據及其它功能要求。具體設計方案，由如下幾方面組成：顯示框架及安裝設計；信號采集轉換系統設計；圖像界面功能分區設計。修改后的儀表板，由表2 中的材料組成。

表2 液晶儀表板組成明細表

45 吋一體機作為儀表板的顯示分區，進行數據信息展示；采集分區則是依靠各數據采集模塊等，獲取需要進行展示的信息流；利用動態軟件搭建數據展示平臺，將數據更好地進行呈現。

3.2 系統框架結構

整套系統搭建的體系框架，如圖2 所示。

圖2 系統整體框架圖

由三塊45 吋一體機組成前儀表板的顯示單元，用來顯示采集到的數據，如水深、航速、時間、羅經方位角、風速風向、溫度濕度、位置信號、左右主機轉速、左右主機螺距、左右尾軸轉速、3 個側推轉速信號等；另外，增加機艙監測報警信號及信息化系統信號，作為系統的冗余、備用信號。

表2 中所列的信號采集單元、調光單元及供電單元，考慮到檢修及控制方便，將它們統一布置在前駕控臺：一方面所需的信號和供電，在駕控臺內可以就近獲??；另一方面在夜航要求下，將調光單元布置在駕控臺面也方便駕駛人員操作。

4 智能化改造技術

儀表板助航功能保留原有設計，并進行功能擴充，顯示區域的內容確定為通導和機艙數據顯示界面；基礎部分確定后，適當增加其它信號來源，如增加了機艙監測信號和信息化信號，其包含的信號內容可以根據船東要求做適當調整，并不局限于某一特定的信號內容；在確定整體需要的功能后，一方面是構建顯示系統的框架，其中包含顯示器的選擇、顯示界面的設計；另一方面是搭建數據平臺，包含采集信號、轉換信號、傳輸信號。

4.1 顯示屏選型和界面設計

顯示屏的數量及尺寸，應在參考計程儀復示器、測深儀復示器、數字分羅經、主推進儀表、側推儀表、子鐘、氣象儀顯示器等儀器的顯示界面后，由專業人員統一設計成風格一致的顯示界面，并根據船員的觀察和使用習慣，確定顯示界面的表盤樣式及字體大小，以方便觀察和讀數；再根據初步確定的顯示界面，確定所需顯示屏的數量及尺寸。參考《鋼質海船入級規范》第8 篇第4 章中關于儀表布置及顯示要求，所有儀表均應在工作站上按功能合理地設置，其位置應考慮操作人員的身體能力，并應符合公認的人體工程學原理[2]，因此在實際選擇時，我們選用了單臺尺寸為1 092 mmx353 mm 的45 吋顯示一體機，共計3 臺；從設備的寬度方向來看，與原儀表箱的面板寬度尺寸相差較小，即滿足布置在駕駛室前頂的要求，又能保證使用人員的觀察；從設備的數量和長度來看，在增加計程儀、測深儀、氣象儀等信號后，如果按原儀表箱2 m 長度已不能滿足信號顯示的需求，即便在同等的長度下想要布置如此多的顯示儀表，必然會使得顯示界面樣式和大小得到同步縮小，操作人員想要讀取數據就不再方便了，因此選用3 臺一體機，在顯示和互動上將有更多的發揮空間。

4.2 液晶顯示屏安裝

根據用戶要求，在液晶顯示儀表板的兩側布置視頻會議顯示器和信息發布顯示器，為保證整體的協調美觀性，將液晶顯示儀表板和2 個顯示器并排安裝，采用原傳統儀表箱的箱體形式，將儀表板和顯示器都安裝在箱體之上，顯示屏與箱體外框用螺栓連接固定。

4.3 信號采集平臺搭建

信號采集平臺設計，從需要采集的信號類型來看，需要采集的時間、氣象、水深、航速、羅經信號，屬于遵循通訊協議NMEA0 183 的串口信號；需要采集的主機轉速、主機螺距、尾軸轉速、側推轉速信號，屬于模擬量信號。

信號采集表見表3，可分為通導串口信號、機艙模擬量信號：可選用2 個采集模塊進行采集，方便信號區分及調試。

表3 信號接口表

信號采集后，就要考慮顯示器終端對數據進行接收的問題了，兩組不同的信號源，需要整合成什么類型，顯示器終端才能更方便、更快捷地讀取。在市面上購買的顯示器，多數都已設置網口，網口的便利性和通用性已得到廣泛認可，因此本船將采集的信號統一用網絡數據打包發送至顯示器終端。

機艙模擬量采集模塊，選用了市面上常用的模擬量采集模塊，型號為DAM-3158A，能夠將采集的電壓電流信號轉換成RS485 信號輸出；選用的通導串口服務器，型號為NDC-9P1L，能夠將得到的RS485 信號轉成網絡信號輸出至網絡交換機，在交換機內完成信號的復制工作，將最后得到的3 個信號分別輸入3 臺一體機顯示器；在一體機上通過預裝的動態軟件讀取數據，將數據進行呈現展示；另外，機艙監測和信息化的網絡信號，則作為信號的擴容冗余，數據通過網絡打包發送至網絡交換機，再送入顯示器中。

4.4 系統功能驗證

通過系泊及航行試驗，已驗證其航速、水深等船舶狀態數據顯示正常，無明顯延遲。驗證工作期間，用戶對顯示界面的樣式、顯示內容、顯示主題等提出了相應的修改意見，通過軟件改寫重新植入，其顯示樣式及內容都能夠按照要求很快修改到位，并設置了多種顯示主題供船東切換選擇，如白天、黑夜、自定義模式主題等，更多的選擇及修改空間，賦予了儀表板更完善的使用功能；在設備安裝維修層面，采集模塊系統布置在前駕控臺，打開檢修門即可對模塊進行接線及維修；顯示器和儀表箱體通過螺栓連接，安裝牢固，拆卸簡單便利；整套系統通過顯示采集分區設計，大大提高了系統的安全性和可靠性干涉在維護保養方面，簡單實用，便于操作；在顯示及切換功能上也更加靈活，在駕駛室使用液晶顯示儀表，其美觀性也得到極大的提升。

通過上述屏幕選型、采集信號轉化、實踐驗證，已完成了智能化儀表箱整體的框架設計，其供電及調光系統設計相對難點較低，在此不展開闡述；電源單元及調光開關等都集中布置在前駕控臺上，在船舶夜航情況下，顯示屏上的數據仍然清晰可見，且畫面亮度可調，能夠保證夜航安全。

5 結束語

文中介紹了本船的儀表箱改造情況。傳統的儀表板尺寸相對較小，能夠容納的儀表有限；智能液晶顯示儀表尺寸相比前者大了不少，能夠容納更多顯示信息，其功能靈活實用、分區明確、安全可靠，在美觀性上也為船舶增光添彩，賦予了儀表板新的活力。但在看到其優點的同時，目前階段其較大的體型是不容忽視的問題，同時在駕控臺上只集成了采集模塊，如果可以增加控制單元，對顯示內容進行切換選擇顯示，將能夠獲得更優的使用體驗。