李 勃，杨昆永，李洪博

（渤海大学，辽宁锦州 121000）

0 引言

船舶航行信号灯又称为号灯，分为红、绿、白3 色，垂直安装在船舶桅杆的两舷侧。航行信号灯包括舷灯、桅灯、锚灯、尾灯、拖带灯、闪光灯、莫氏灯、失控灯、受限灯等，其他船可以根据航行灯和信号灯的颜色、位置、明暗等识别本船的位置、状态、航行意图，从而避免碰撞。正确配置航行信号灯对船舶安全航行至关重要，其需要以《1972 年国际海上避碰规则》及其修正案为基础进行设计，并遵循我国海事局颁布的《船舶与海上设施法定检验规则》中关于航行信号灯的要求与解释[1]。

船舶航行信号灯是船舶正常航行的重要保证，特别是在船舶类别、航行动态、船舶避碰等方面具有重要作用。然而，大部分老旧船舶的航行信号灯控制系统采用开关控制，不但占用较大的驾驶台空间，而且成本较高，性能不稳定。采用集成电路板控制技术取代开关控制，在降低故障发生频率的同时，能有效提高系统运行的稳定性和可靠性。

随着港口工程船舶使用年限的增长，船舶部分设备进入疲劳老化状态。特别是航行信号灯工作环境恶劣，电气设备及其组件时常出现不同程度的老化现象，这将对设备运行的稳定性和可靠性产生巨大隐患，如果不及时解决，将影响船舶的通航安全。

1 航行信号灯的设计要求

以港口工程船舶为例，由于船龄长达26 年，加之设备维护不佳，造成部分零部件难以购买、控制系统维修困难等问题。根据国际与国内相关规则与规范的要求，参照航行信号灯控制系统设计原理和使用方式的新趋势，对航行信号灯控制系统进行了重新设计和改造。

通过对收集的相关资料进行分析与论证，改造方案为航行灯和信号灯控制箱内部控制系统采用集成电路板控制，控制系统由两路电源单独供电，一路为主配电板和应急电源提供，另一路由驾驶台照明配电箱供电（例如：锚灯、白昼信号灯），各供电电路均配有控制按钮及熔断器。当航行灯故障时，应发出声光报警并且相应的故障指示灯闪亮。控制系统的核心是单片机，还需要外围驱动，从而能够按照控制系统的要求对指示灯和蜂鸣器进行控制。

外部控制面板使用按钮开关式LED 指示灯，同时在外部控制面板上增加了一般功能指示灯，便于操作员使用和观察。通过对航行信号灯改造项目的可行性分析，不断修改和改进设计原理，并对系统进行仿真分析，理论设计完成后进入现场进行改造阶段。

2 航行信号灯的系统设计

控制器的核心是以单片机（AT89C51）为主控芯片，该芯片是一种低功耗、高性能微控制器。参照单片机工作原理，采用C 语言对系统进行编程，实现主程序逻辑精准判断。系统主程序是系统运行时的主要循环程序，能够执行各种控制信息；I/O 口子程序用于接收/输出开关量信号，控制各种使能端[2]。信号存储、处理子程序负责数据存储、记录、运算、计时等功能。

控制系统由输入设备、收发器驱动器、输出设备、通信接口等模块组成。输入设备硬件接口和软件接口可以高效、快速地执行按键信息输入功能任务。用户操作信号灯时，开灯时的按钮操作、电源系统的供电情况都是通过信号灯控制器的输入设备输入系统。输入单元由检测装置、输入单片机接口电路和隔离装置组成，检测装置通过运算放大器实现[3]。灯亮时，将检测电压与可调基准电压输入运算放大器进行比较，如果负载灯电路正常，则运算输出逻辑为“1”，否则输出逻辑为“0”。隔离装置通过光耦合器实现。输入接口电路由总线隔离器和滤波电容器组成[4]。输入设备的软、硬件滤波技术与控制器输入部分的滤波技术相同。为了保护驱动电路，将保险丝连接到电路上，保护负载灯和驱动电路板。同时，输出设备通过单片机接口线路控制继电器动作，使负载灯通电或断电。使用Proteus 搭建仿真系统，并对电路板绘制，实现复杂环境下设备优化。航行信号灯Proteus 仿真如图1 所示。

图1 航行灯和信号灯Proteus 仿真

根据船舶电力系统的特点，其航行信号灯控制系统采用多路电源供电，并且在多路电源中可以实现故障自动切换，航行信号灯控制器供电电路如图2 所示。供电优先级是主配电板的AC 220 V电源优于充放电板的DC 24 V 电源。正常情况下，航信信号灯的电源由AC 220 V 主配电板经整流后变为DC 24 V 供控制器使用。同时，控制屏还设有调光、试验、消声、蜂鸣器等，起散热作用的风扇安装在控制器外壳上。

图2 航行和信号灯控制器供电电路

船舶航行信号灯属于船舶外部的信号灯。其视觉信号直接关系到船舶的航行与安全。以本工程船舶为例，罗列出航行灯和信号灯的名称、电压等级、灯的颜色、规格等信息。船舶的航行灯和信号灯信息见表1。

表1 航行信号灯信息

在驾驶台航行信号灯的控制面板上，通信接口发送和接收所有照明控制信号和灯亮成功与否的反馈信号。航行信号灯控制面板如图3 所示，主要功能有：

图3 航行信号灯控制面板

（1）电源：当控制系统的AC 220 V 控制电源接通后，“主电源”指示灯亮；当控制系统的AC 220 V 控制电源断电后，“主电失电”指示灯亮，同时“应急电源”指示灯亮。电源电路的直流工作电压由稳压电源模块提供。

（2）蜂鸣器：如果航行信号灯一盏电灯坏后，控制器面板上的指示灯会闪烁，蜂鸣器发出警报，指示驾驶人员及时查找故障并处理。

（3）调光：可以在控制器面板上调节各指示灯的亮度，防止船舶夜间航行时灯光减弱，影响驾驶员的视线。调光电路通过零检测电路的光耦驱动双向晶闸管，实现灯具的调光控制[5]。

（4）试灯：按下测试灯按钮后，控制器面板上的所有指示灯都将亮起，方便驾驶人员测试各指示灯线是否正常、各灯是否损坏。

（5）消声：如果一盏灯的线路出现故障，控制器面板上的相应指示灯将闪烁，蜂鸣器将发出报警，若按下“消声”按钮，则将警报消除。

3 主要改造要点

（1）航行信号灯控制系统的控制单元将继电器控制改为集成电路板控制，减少故障发生频率，提高系统运行的稳定性和可靠性。

（2）增加航行信号灯控制系统电力线路上的熔断器。在改造过程中，将现有线路连接到新的控制系统接线后，将在此接线上增加熔断器。能在线检测灯具的断线、短路状态。每个灯的控制电路有两个保险丝，提高系统电路的安全性。

（3）航行信号灯控制系统的控制面板将拨码开关改为按钮开关，在充当开关的同时还能让驾驶员直观地看到当前控制系统各灯的工作状态。

（4）这次改造补充航行信号灯控制系统的功能，使用ZP-50 A/50 V 散热片式二极管，降低了二极管的损坏概率；将原来AC 110 V系统，改为DC 24 V 系统，使系统更安全与稳定。

4 结语

船舶航行信号灯是与船舶运输、安全直接相关的一种视觉信号，保障船舶正常运行和船员财产的生命安全是船舶航运业内人士共同关注的问题，性能好的航行信号灯控制系统能够准确地反映船舶的位置、种类、方向和情况。基于港口工程船舶，对航行信号灯系统进行实船改造，以低功耗的集成模块替代原系统，实现故障检测、自诊断、切换电源、故障报警等多个功能，有效解决传统航行信号灯存在布置难、接线多、不稳定等问题，使驾驶员能更加直观地了解航行信号灯的运行情况，为船舶的安全性提供重要保障。