吊艙式推進系統在實船上的集成應用和接口分析

程 筠, 宋莎莎, 楊澤濱, 梁展宇

(中船黃埔文沖船舶有限公司，廣東 廣州 510715)

0 引 言

吊艙式推進系統將推進電機置于船外的吊艙中，發電機和電動機的能量通過電纜傳輸，省去舵和軸系，全船采用統一電站提供能量進行全船平衡，可較大地提高船舶設計的靈活性，減少總裝機功率。隨著船舶電力推進技術的應用領域不斷擴大，吊艙式電力推進系統成為21世紀船舶推進技術的發展方向之一[1]。

隨著人工智能技術的發展，融合計算機科學、自動化技術和通信技術的智能運載工具成為高新技術領域的研究重點。智能船舶作為智能航運發展范疇中的重要部分，拓展船舶航行的場景，為操作者和管理者提供更便捷、高效和自由的操作選擇，在測繪、環保、安防和軍事等領域的應用發展迅猛[2]。

以智能型無人系統母船為研究對象，該型船是國內最早安裝國產化2 MW級吊艙式推進系統的船舶，是國內最早取得中國船級社(CCS)《智能船舶規范—2020》中“i-ship(No，R1，M，I)”符號要求的智能型科考船，4個符號分別代表智能航行(No)、遠程控制船舶(R1)、智能機艙(M)和智能集成平臺(I)。

1 吊艙式推進系統集成應用分析

1.1 吊艙式推進器本體組成

吊艙式推進器本體結構如圖1所示。

圖1 吊艙式推進器本體結構示例

滑環裝置：主要將船體的動力電源傳遞至水下可360°回轉的同步永磁變頻電機，并將水下電機和密封裝置的運行狀態信號傳遞至監測報警系統?；h裝置頂部設置1個配油器，連接船艙內的潤滑管路系統和泄漏回收系統至水下旋轉部件。泄漏回收系統在船艙內設置應急空壓機、空氣減壓閥和濾器等。

回轉模塊：主要包含回轉電機和回轉支承軸承等?；剞D支承軸承是滾動球軸承，由外圈滾槽、內齒圈、滾珠和回轉小齒輪等組成，回轉電機通過行星齒輪箱驅動回轉小齒輪，回轉小齒輪驅動內齒圈帶動水下結構物回轉。

吊柱組件：一端連接回轉模塊，將水下結構物懸掛于船體，另一端連接推進模塊，將螺旋槳產生的推力載荷傳遞至船體，并作為推進電機主動力電纜、操作與監測信號電力、潤滑管道的通道[3]。

推進模塊：主要包含推進電機本體、螺旋槳軸(即推進電機軸)、推進電機軸承(推力軸承和螺旋槳軸軸承)。推進電機定子與水下結構件外殼體固定，轉子安裝在螺旋槳軸上直接驅動槳葉。推進電機輸出一定的扭矩，通過螺旋槳軸帶動螺旋槳選擇產生推力或拖力[3]。

尾密封裝置：為端面密封與唇密封的組合結構，并設置泄漏回收系統管路，可保證吊艙內空間干燥，滿足推進電機可靠性要求。

吊艙式推進器本體還包含螺旋槳軸剎車裝置、舵角反饋裝置和潤滑系統等。

1.2 吊艙式推進器控制系統

作為船舶吊艙式推進器領域的開創者，瑞士ABB公司的Azipod吊艙式推進器仍在國際市場上占據半壁江山[4]。ABB公司Azipod Ⅵ系列吊艙式電力推進系統的一種典型構成主要包括Azipod Ⅵ吊艙式推進器、低壓配電板、變壓器、中壓配電板、發電機組、變頻驅動器和推進器控制系統等模塊[5]。另一種緊湊型Azipod DO系列吊艙式電力推進系統主要包括Azipod DO吊艙式推進器、低壓配電板、有源前端(Active Front End，AFE)變頻器和發電機組等模塊。

與上述ABB公司的兩種典型電力推進系統采用交流電(AC)配電板不同，該型船采用直流電(DC)電網電力推進系統，接入AC變速柴油發電機組、動力蓄電池和應急蓄電池等多種能源設備，柴油發電機組發出的電力通過整流器接至DC母排，整流器將AC整流為DC[6]，DC母排通過逆變器將電能分配至用電設備。DC電網電力推進系統具有節能減排、諧波低、結構緊湊、傳輸損耗小、功率因數高和發電機并網無須同步等特點[7]。該型船主推進器為2臺吊艙式推進器，其控制系統主要由2個主推進器控制單元、2個主推進器逆變模塊、2個回轉變頻柜和2個本地控制箱組成。

1 000 V DC母排配電板包含若干屏，其中，4屏為主推進器驅動屏(1號/2號吊艙式推進器各2屏)。DC母排配電板主推進器驅動屏經內置逆變器為吊艙內的同步永磁變頻推進電機提供660 V AC動力電源。2個主推進器控制單元作為主推進器的核心控制設備，分別安裝于DC母排的1號/2號主推進器驅動屏內。主推進器控制單元采用可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，PLC)作為核心控制器，完成所有控制功能和邏輯處理。

2個回轉變頻柜相互獨立，分別驅動吊艙本體的2臺回轉電機。任何一個回轉變頻柜的故障均不影響另一個回轉變頻柜的工作。

2個本地控制箱為獨立箱體，其箱體門上設置相應按鈕、指示燈和儀表(轉速表、功率表和舵角表等)。

1.3 吊艙式推進器遙控系統

該型船設置5種工作模式：人工駕駛/自動駕駛儀(Autopilot，AP)、動力定位(Dynamic Positioning，DP)、獨立操縱桿系統(Independent Joystick System，IJS)、智能航行模式和遠程控制模式。

在人工駕駛模式下，該型船由人工控制，響應人工駕駛指令，由人工控制推進系統的推力和推力方向。AP切換在AP面板上發起，由推進器控制系統響應。

在DP模式和IJS模式下，該型船可分別進行DP控制和IJS控制，滿足該型船DP1符號所要求的控制功能。

在智能航行模式下，航線可由船端規劃制定，該型船將航行相應的信息傳輸至岸端，由船端監視并負責航行狀態，岸端人員可參與監視；或由岸端制定并發送至船端，該型船將相應信息傳輸至岸端，由岸端監視并負責航行狀態，船端人員可參與監視。

在遠程控制模式下，在遠程控制站操縱該型船航行。

在主推進器處于人工駕駛模式時，設置4個控制位置，分別為前駕駛室(前駕)控制站、后駕駛室(后駕)控制站、集控室控制站和本地控制箱?？刂莆恢弥g的切換由本地控制箱的按鈕設定，有且只有1個控制位置可處于激活狀態，本地控制箱、集控臺和駕控臺的操作權限優先級依次降低，由操作權限高的位置可接管操作權限低的位置，反之則不能。

主推進器遙控系統主要包含2個前駕控制站、2個后駕控制站和2個集控室控制站。前駕控制站、后駕控制站和集控室控制站由觸摸屏和控制面板組成，主要包含各相應控制按鈕、儀表(轉速表、功率表和舵角表)、各相應指示燈和全回轉手柄。

主推進器設置1套傳令鐘系統，用于遙控系統失效后的推進器控制命令傳送。在駕駛室設置2個車鐘發送器，在集控室設置2個車鐘復示器，在機艙設置2個車鐘接送器。命令信號的報警最終傳送至機艙組合報警燈柱系統。

在遙控系統失靈時，操作者可通過中央控制面板備用操作板和本地控制箱的操作按鈕進行應急操作。在該模式下，吊艙式推進器根據左右舵和加減速的開關量信號進行回轉和螺旋槳推力輸出工作。

主推進器控制系統與遙控系統如圖2所示。

圖2 吊艙式推進器控制系統與遙控系統示例

2 吊艙式推進系統內部接口分析

吊艙式電力推進系統設備較多，各設備之間接口復雜，需要對其內部接口進行梳理分析，以1號吊艙式推進器為例進行說明。

2.1 主要設備布置

每臺吊艙式推進器本體設置3個接線盒(JB1、JB2和JB3)。

主推進器驅動屏布置在主配電板之間，安裝于DC母排內。

2.2 內部設備接口

1號主推進器驅動屏-1號吊艙本體接線盒JB1：660 V推進電機交流電源。

1號主推進器驅動屏-1號吊艙本體接線盒JB2：推進電機三相繞組溫度、推進電機推力軸承溫度、螺旋槳軸軸承溫度、推力軸承滑油艙液位低/液位低低、吊艙內泄漏水液位、光電編碼器。

1號主推進器驅動屏-1號吊艙本體接線盒JB3：220 V控制信號電源、220 V加熱器與風機電源、滑油腔溫度1/2、滑環滑油泵運行1/2、滑環滑油泵啟動1/2、滑環油脂低位1/2、空氣壓力低、泄漏瓶液位高、剎車接通、剎車釋放、滑環斷路器合閘、滑環斷路器分閘合閘。

1號主推進器驅動屏-1號本地控制箱：220 V急停供電電源，本地控制箱的轉速輸出、功率輸出、推進啟動命令、推進停止命令、推進加速命令、推進減速命令、控制命令、推進復位命令、急停位置、推進就緒狀態、本地控制狀態、推進運行狀態、推進運行功率限制、剎車狀態、推進報警、推進故障、蜂鳴器、推進停止狀態、急停。

1號主推進器驅動屏-1號回轉變頻柜：400 V電源、220 V控制電源、220 V加熱電源、以太網通信、回轉變頻柜非隨動(Non Follow-Up，NFU)轉舵命令、回轉變頻柜NFU左舵命令、回轉變頻柜NFU右舵命令、回轉變頻柜NFU轉舵反饋、遙控舵角反饋1/2、遙控轉舵命令。

1號回轉變頻柜-1號吊艙本體接線盒JB2：24 V DC電源、1號轉舵角度編碼器。

1號回轉變頻柜-1號本地控制箱：本地角度反饋、本控箱急停命令、本地回轉啟動、本地回轉停止、本地回轉復位、本地順時針、本地逆時針、本地狀態/應答、本地模式、啟動指示、停止指示、綜合故障、綜合報警、蜂鳴器、回轉準備就緒、回轉剎車指示。

1號回轉變頻柜-1.1號/1.2號回轉電機：690 V回轉電機電源、400 V風機電源、220 V空間加熱器電源、剎車命令、剎車反饋、回轉電機三相繞組溫度、驅動端軸承溫度、非驅動端軸承溫度、光電編碼器。

由上述接口分析可知：本地控制箱輸出轉速命令信號至主推進器驅動屏，該信號為轉速參考值，主推進器驅動屏內置的主推進器控制單元根據該參考值控制推進電機轉速，對接受的轉速命令進行處理，以確保推進功率處于設定的限制范圍內。在轉速模式下，針對不同的水動力情況推進電機的功率有所改變；本地控制箱可輸出功率命令信號至主推進器驅動屏，該信號為功率參考值，主推進器控制系統根據該參考值控制推進電機功率。在功率模式下，針對不同的水動力情況螺旋槳轉速有所改變。

主推進器驅動屏接收本地控制箱各項推進運行狀態信號。

回轉變頻柜接收本地控制箱各項回轉角度命令信號，驅動吊艙本體的回轉電機，實現水下結構物角度控制。每臺吊艙式推進器本體均安裝2臺回轉電機，1號回轉變頻柜可驅動1.1號/1.2號回轉電機?；剞D變頻柜接收本地控制箱的故障和報警等信號，接收回轉電機繞組和軸承溫度信號。

回轉變頻柜接收主推進器驅動屏的轉舵命令；主推進器控制單元同時接收回轉變頻柜的舵角反饋，在出現大舵角時降低推進功率以保護該型船。

2.3 遙控系統接口

1號主推進器驅動屏-1號主推進器駕控站(前駕)：急停命令信號、急停位置信號、以太網通信。

1號主推進器驅動屏-1號主推進器駕控站(后駕)：急停命令信號、急停位置信號、以太網通信。

1號主推進器驅動屏-1號主推進器集控站：急停命令信號、急停位置信號、以太網通信。

1號主推進器駕控站(前駕)-1號中間抬頭表：轉速表信號、功率表信號、舵角表信號、轉速表電源、功率表電源、舵角表電源。

1號主推進器駕控站(前駕)-1號左翼抬頭表：轉速表信號、功率表信號、舵角表信號。

1號主推進器駕控站(前駕)-1號右翼抬頭表：轉速表信號、功率表信號、舵角表信號。

文中進行實驗三來比較提出的MKSRC算法與MSRC算法的識別率，同時，也對比了近幾年來比較常見的人臉人耳融合識別算法，核典型相關分析算法（KCCA）。實驗中人臉和人耳特征融合的權重系數取實驗一結果，取表示式為：K(x,y)=(1+xTy)這一多項式為核函數。本實驗分別選取人臉和人耳樣本庫每個類別中的7副、8副、9副圖像作為訓練樣本，剩余的圖像作為測試樣本，其各算法識別率統計結果如表2所示。

在前駕、后駕和集控站均可對主推進器進行控制。前駕、后駕和集控室控制面板可進行轉速模式選擇和功率模式選擇，在不同模式下，全回轉手柄發出轉速命令信號或功率命令信號至主推進器驅動屏，其余同第2.2節相關分析。

前駕、后駕和集控站的全回轉手柄發出回轉角度控制命令至主推進器驅動屏，主推進器控制單元響應手柄發出的命令，將轉舵命令發送至回轉變頻柜，按最短路徑控制原則，控制主推進器轉動至目標角度位置。

3 吊艙式推進系統外部接口分析

3.1 常規外部系統

常規外部系統：①監測報警系統；②導航系統，主要包含航行數據記錄儀(Voyage Data Recorder，VDR)、駕控信息顯示系統(Conning)和AP系統；③DP系統；④外部電源：400 V低壓配電板、1號/2號220 V不間斷電源(Uninterrupted Power Supply，UPS)、24 V分電箱。

3.2 對外接口

1號吊艙本體接線盒JB3-船上400 V低壓配電板：380 V吊艙本體應急空壓機供電電源。

1號主推進器駕控站(前駕)-1號220 V UPS：220 V AC供電電源。

1號主推進器駕控站(后駕)-1號220 V UPS：220 V AC供電電源。

1號主推進器集控站-1號220 V UPS：220 V AC供電電源。

1號左翼抬頭表-24 V分電箱：24 V電源。

1號右翼抬頭表-24 V分電箱：24 V電源。

1號吊艙本體接線盒JB2-監測報警系統：推進電機三相繞組溫度、推進電機推力軸承溫度、螺旋槳軸軸承溫度。

1號主推進器驅動屏-導航系統：航速信號。

1號主推進器驅動屏-減搖鰭：倒車信號。

1號回轉變頻柜-VDR：RS485通信。

1號回轉變頻柜-Conning：轉舵命令、角度反饋、回轉運行信號。

1號主推進器駕控站(前駕)-AP系統：1號轉舵命令、1號轉舵反饋、1號AP請求、1號AP應答。

1號主推進器駕控站(前駕)-VDR：1號轉速命令、1號轉速反饋、1號轉舵命令、1號轉舵反饋、1號功率信號、1號主推進器運行狀態。

1號主推進器駕控站(后駕)-1號DP座椅：觸摸屏電源、觸摸屏通信、操作手柄電源、操作手柄信號；NFU推進、NFU加速、NFU減速、推進越控、推進復位、急停位置、NFU轉舵、NFU左舵、NFU右舵、位置應答；NFU推進指示、越控指示、急停指示、NFU轉舵指示、位置應答指示、急停、蜂鳴器；電源(轉速表、功率表、轉舵表、轉舵)、信號(轉速表、功率表、轉舵表)、調光旋鈕。

2號主推進器駕控站(后駕)-2號DP座椅：同上。

由上述接口分析可知：吊艙本體應急空壓機在應急情況下應保證吊艙內充滿壓縮空氣以免發生泄漏造成吊艙進水，需要單獨設置一路電源。前駕、后駕和集控室控制站單獨由UPS供電。

監測報警系統監測吊艙本體推進電機繞組和軸承溫度，該溫度信號由JB2接線盒同時發送至主推進器驅動屏。

主推進器驅動屏接收來自導航系統的航速信號，在出現高航速時主推進器控制單元降低推進功率以保護該型船。

主推進器驅動屏發送倒車信號至減搖鰭，防止在倒車狀態時減搖鰭處于開啟狀態。

回轉變頻柜和前駕控制站將轉舵和轉速功率等相關數據輸出至VDR；回轉變頻柜將轉舵相關信息輸出至Conning。

前駕控制站發送轉舵命令和轉舵反饋至AP系統，并可接收AP系統的請求，主推進器控制系統在應答后進入AP控制模式；后駕控制站與DP系統(DP控制箱、IJS控制箱)通信，可進入DP控制模式。

3.3 智能航行與遠程控制系統集成應用

該型船設置智能航行和遠程控制兩種工作模式。取得No符號的船舶具備在開闊水域自主航行的能力。取得R1符號的船舶具有遠程控制航行功能，人員可在遠程控制站遠程控制船舶的航行操作[8]。

為實現上述功能，智能航行與遠程控制系統設置態勢感知系統、智能航行決策系統、智能航行控制系統、綜合顯示單元、船岸協同數據庫和遠程控制站。

態勢感知系統：船端配置2臺互為備用的態勢感知服務器，接收來自船端的感知設備信息[風速風向儀、能見度傳感器、差分全球定位系統(Differential Global Positioning System，DGPS)、姿態傳感器、電子海圖、導航雷達、紅外與可見光攝像機等]，完成態勢信息融合。

智能航行決策系統：主要包括航線規劃站和智能航行決策服務器。航線規劃站設置船端系統與岸端支持中心，可設計和優化航路航速。智能航行決策服務器用于智能航行決策，設置2臺服務器互為備用。

智能航行控制系統：主要包括1塊模式選擇面板、1個智能航行控制箱和3個模式選擇開關。

綜合顯示單元：用于綜合顯示智能航行系統的工作狀態，包括船端設備和遠程控制站設備。

船岸協同數據庫：包括船端數據庫和遠程控制站數據庫。船端數據庫采用2臺獨立的服務器，通過通信系統實現船端數據庫與遠程控制站數據庫的協同和管理。

遠程控制站：包括主控制站和備用控制站。主控站和備控站均分別設置獨立運行的2個航線規劃站、綜合顯示單元、視頻顯示終端、輔助駕駛系統、操作手柄、數據庫服務器和UPS。該型船和系統的相關信息通過智能集成平臺發送至遠程控制站，遠程控制站接收該型船的狀態信息和環境信息等，通過船岸通信系統對該型船進行遠程控制。

3.4 主推進器控制系統與智能航行控制系統接口

在智能航行控制系統中，模式選擇面板基于該型船航行的任務模式，構建5種工作模式，面板可用于模式切換的請求與應答；開關主要用于各種控制模式的切換；控制系統根據該型船給出的運動控制命令，完成控制指令解析，生成各推進器的推力，將推力命令發送至主推進器遙控系統和其他相關系統，完成該型船的運動控制。

智能航行控制箱-模式選擇面板：24 V DC電源、以太網通信。

前/后駕操作選擇開關-主推進器控制系統：選擇開關前駕擋和后駕擋與主推進器控制系統分別用通信電纜連接進行通信；開關可進行前駕擋或后駕擋的選擇。

智能航行控制箱-前駕模式選擇開關-主推進器控制系統：前兩者和后兩者分別通過通信電纜連接進行通信；前駕模式選擇開關可進行智能航行模式、遠程控制模式和人工駕駛/AP模式等3種工作模式的選擇。在選擇智能航行模式或遠程控制模式時，智能航行控制箱接受智能航行決策系統的決策命令，完成控制指令的解析并將控制指令發送至主推進器控制系統。

DP控制箱-后駕模式選擇開關-主推進器控制系統：前兩者和后兩者分別通過通信電纜連接進行通信；后駕模式選擇開關可進行DP模式、IJS模式和人工駕駛/AP模式等3種工作模式的選擇。在選擇DP模式時，DP控制箱將控制指令發送至主推進器控制系統，可使該型船處于IJS模式(使用操縱桿手動控制該型船移位與轉向)、自動模式(自動控制該型船在指定艏向、自動控制該型船在指定位置、節能模式)或半自動模式。

IJS控制箱-后駕模式選擇開關-主推進器控制系統：前兩者和后兩者分別通過通信電纜連接進行通信；在選擇IJS模式時，IJS控制箱將控制指令發送至主推進器控制系統，可使該型船處于IJS模式(使用操縱桿手動控制該型船移位與轉向)或自動艏向模式(自動控制該型船在指定艏向)。

除上述接口外，智能航行控制箱分別與主推進器控制系統、DP控制箱、IJS控制箱進行以太網通信。

上述僅分析智能航行控制系統與主推進器控制系統、DP控制箱、IJS控制箱相關的接口；DP控制箱和IJS控制箱可不經智能航行控制系統而與主推進器控制系統直接通信。

4 結 語

隨著智能船舶需求的不斷明確和技術的持續發展，國際組織、國家和地區性質的海事監管機構、港航企業等以不同的角色參與智能船舶的研發。通過分析智能型無人系統母船吊艙式推進系統的集成應用與接口，爭取我國船舶工業智能化發展在國際競爭中占據領先位置。