基于物聯(lián)網(wǎng)的船舶電力設備巡檢系統(tǒng)

黃 超，王 雷，胡雙進，邱 實，張 亮

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基于物聯(lián)網(wǎng)的船舶電力設備巡檢系統(tǒng)

黃 超，王 雷，胡雙進，邱 實，張 亮

（武漢第二船舶設計研究所，武漢 430064）

傳統(tǒng)的船舶電力巡檢依靠巡檢人員定期定時進行人工巡檢，受多方面因素制約，巡檢質量不能保證。本文設計的基于物聯(lián)網(wǎng)的船舶電力設備巡檢系統(tǒng)通過RFID以及無線傳感技術實現(xiàn)船舶電氣巡檢的智能性、可靠性、高效性，為船舶電力設備巡檢管理的后續(xù)研究以及標準化、信息化提供了參考。

儀器自動化 船舶電力設備巡檢 狀態(tài)監(jiān)控 物聯(lián)網(wǎng) RFID ZigBee

0 引言

隨著海上船舶電力的發(fā)展，運行在船舶上的電力設備呈現(xiàn)種類多樣化、功能豐富化、布置密集化、數(shù)量急劇增長的趨勢，采用傳統(tǒng)的電力巡檢人員定期定時進行人工巡檢，大大增加了巡檢人員的工作量，且受到環(huán)境因素、人員素質和責任心等多方面因素制約，巡檢質量不能保證，以致反映運行狀態(tài)和設備缺陷等信息得不到及時反饋，不能及時發(fā)現(xiàn)設備隱患，引發(fā)設備故障。為了提高電力設備的可靠性，對這些船舶電力設備進行全面以及有效的巡檢是十分重要的。

傳統(tǒng)的船舶電氣巡檢通常需要人工進行設備儀表查看或者相關就地控制計算機界面進行翻閱，而人工進行該部分的數(shù)據(jù)收集容易產(chǎn)生失誤，導致隱患的存在以及增加不必要的時間以及人力的浪費。而全部信號采取有線樣式傳輸或者傳輸致主控室，又增加了穿艙電纜數(shù)目以及信息系統(tǒng)的復雜性。

本文在研究物聯(lián)網(wǎng)技術的技術上，運用無線傳感器，ZigBee 通信技術、RFID 技術、采取分布式處理，能有效地減少線纜數(shù)目，對監(jiān)控數(shù)據(jù)進行合理的邏輯劃分，構建了船舶電力設備智能巡檢系統(tǒng)，并給出了實現(xiàn)方式。

1 船舶電力設備巡檢系統(tǒng)模型

1.1 系統(tǒng)總體框架設計

針對目前船舶電力設備巡檢中如何實現(xiàn)巡檢的高效性、可靠性、規(guī)范性以及現(xiàn)有船舶巡檢系統(tǒng)中體積大、成本高、電纜多、適用范圍小、和功能少等問題，我們設計了一種結合物聯(lián)網(wǎng)技術、傳感器技術、無線通信等技術于一體的船舶電力設備智能巡檢系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括RFID 手持設備、基于標簽協(xié)議完成電力設備信息采集的采集層、用于對所采集信息設備進行遠程管控的應用層，以及實現(xiàn)采集層和應用層之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡層。

圖1 總體框架圖

1.2 系統(tǒng)方案與設計功能結構設計

船舶電力設備智能系統(tǒng)功能包含以下八個部分：

1）傳感器信息采集：包含振動信息、溫度信息、絕緣信息、電壓信息以及電流信息等。

2）設備以及傳感器信號編碼管理：包含設備編號，位置編碼，監(jiān)控數(shù)據(jù)編碼。

3）信息報警管理：信號達到預警范圍，提醒運營人員。

4）監(jiān)控數(shù)據(jù)實時顯示：相關數(shù)據(jù)顯示。

5）監(jiān)控歷史數(shù)據(jù)記錄：歷史數(shù)據(jù)儲存便于運營人員查閱以及陸上進行仿真計算。

6）通訊：電子標簽與便攜式檢測儀的數(shù)據(jù)傳輸以及采集層與網(wǎng)絡層的通訊。

7）設備數(shù)據(jù)仿真分析以及預測：便攜式檢測儀做出簡單的數(shù)據(jù)處理計算，以得出當前電力設備狀態(tài)。

8）用戶管理：區(qū)分用戶權限。

9）故障分析系統(tǒng)：設備狀態(tài)的故障診斷和設備狀態(tài)的預測。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的船舶電力設備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)關鍵技術

2.1 傳感器技術

傳感器是機器感知物質世界的“感覺器官”，可以感知熱、力、光、電、聲、位移等信號，為網(wǎng)絡系統(tǒng)的處理、傳輸、分析和反饋提供最原始的信息。傳感器的類型多樣，可以按照用途、材料、輸出信號類型、制造工藝等方式進行分類。納米技術的應用，不僅為傳感器提供了優(yōu)良的敏感材料，而且為傳感器制作提供了許多新方法，例如微機電系統(tǒng)( MEMS )技術等，極大地推動了傳感器的制造水平，拓寬了傳感器的應用領域，推動了傳感器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。傳感器通常由敏感元件和轉換元件這兩部分組成。其中，傳感器直接感知或響應指定的被測信息的功能由敏感元件完成，而將感知或響應到的被測信息轉換成適于傳輸或測量的電信號的功能由轉換元件完成。由于這些輸出信號通常都很微弱，所以需要通過信號調(diào)理與轉換電路將其進行放大、調(diào)制等操作。如今隨著半導體技術的發(fā)展，可以將傳感器信號調(diào)理與轉換電路和敏感元件都集成在同一芯片上，大大提高了集成度，方便用戶設計以及使用。

2.2 傳感節(jié)點技術

本系統(tǒng)以ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡完成整個船舶設備信息的采集和傳送。無線傳感器節(jié)點功能組成由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、無線通信、能量供應四部分組成，具體結構組成如圖3所示。無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點以TI的CC 2530為核心，采用其內(nèi)部集成的8051單片機進行傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)采集，選用TI的MC 34063作為電源輸入部分處理，并利用ZigBee無線網(wǎng)絡進行節(jié)點與節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸。整個無線傳感網(wǎng)絡避免了傳統(tǒng)船舶傳感網(wǎng)絡有線組網(wǎng)方式的布線復雜、可擴展性差[1,2]、安裝成本高、移動性能差等一系列弊端。

圖2 無線傳感器節(jié)點結構

2.3 RFID技術

一般來說，RFID 系統(tǒng)包含電子標簽、讀寫器、和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)三部分組成[3]。RFID 組件通過射頻識別技術，與數(shù)據(jù)采集之間通過非接觸式方式，采用雙工通信進行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接受，對船舶電力設備的傳感節(jié)點進行數(shù)據(jù)采集及獲取。RFID 的核心器件是其中的儲存器件，又稱為電子標簽，組件中的讀寫器通過射頻無線電波來對電子標簽進行控制。RFID 具有諸多優(yōu)點，比如識別過程無需人工干預，防磁、防水，耐高溫、讀取距離大、數(shù)據(jù)可加密、存儲數(shù)據(jù)容量大等。

2.4 無線通訊網(wǎng)絡

傳感器作為感知網(wǎng)絡中信號的發(fā)送者和接受者是整個監(jiān)測系統(tǒng)的重要部分。ZigBee 作為一種短距離、復雜度低、低功耗的無線網(wǎng)絡技術[4]，它是介于無線標記技術和藍牙之間的技術方案[5]，在傳感器網(wǎng)絡等領域應用十分廣泛，按照組網(wǎng)結構分為星狀、樹狀以及網(wǎng)狀結構[6]，三種結構各有各的特點。本文基于物聯(lián)網(wǎng)的船舶狀態(tài)采集系統(tǒng)其傳感器通訊網(wǎng)絡由于船舶環(huán)境、節(jié)點數(shù)多以及分布較為零散，為了更高的可靠性，所以采取星形Zighee 無線網(wǎng)絡結構。

圖3 三種ZigBee網(wǎng)絡結構

2.5 數(shù)據(jù)融合技術

信息通信網(wǎng)絡技術傳感器節(jié)點的資源十分有限，主要體現(xiàn)在電池能量、處理能力、存儲容量以及通信帶寬等幾個方面。在收集信息的過程中采用各個節(jié)點單獨傳送數(shù)據(jù)到匯聚節(jié)點的方法是不合適的，因為該方式浪費通信帶寬和能量，降低了信息收集的效率。為避免上述問題，傳感器網(wǎng)絡在數(shù)據(jù)收集的過程中需要使用數(shù)據(jù)融合技術。數(shù)據(jù)融合是將多份數(shù)據(jù)或信息進行處理，組合出更有效、更符合用戶需求的數(shù)據(jù)的過程。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)的船舶電力設備巡檢系統(tǒng)

電力設備狀態(tài)檢修主要由兩部分工作組成，分別是設備狀態(tài)的故障診斷和設備狀態(tài)的預測。其中，設備的故障診斷是設備狀態(tài)預測的基礎。只有準確地分析各歷史時間點的設備運行狀態(tài)才能科學地預測未來時間檢測點的設備故障情況。設備故障診斷是設備狀態(tài)檢修中最關鍵的環(huán)節(jié)。查找設備故障的原因是電力系統(tǒng)故障診斷的首要任務。只有我們找到引起系統(tǒng)故障的原因，才能對該設備正確合理的維修，并防止故障再次發(fā)生。因此，對電力設備故障信息進行系統(tǒng)化分析研究具有重要的意義。一般系統(tǒng)故障原因包括系統(tǒng)層次間的縱向、間接及外部成因等部分，通常將系統(tǒng)故障診斷過程分為5個方面，具體如下：

1）故障機理：系統(tǒng)設備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷都是以故障機理作為依據(jù)的，設備故障不同則表現(xiàn)出的癥狀也就不同，不同的癥狀對應著不同狀態(tài)信號的變化。對這些變化進行研究，并找出每一種故障對應的故障特征，就能快速、準確地進行故障診斷。

2）系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測：主要任務是監(jiān)測并獲取與電力設備運行有關的狀態(tài)信息。

3）故障特征信息提?。簩顟B(tài)監(jiān)測采集到的設備狀態(tài)信息進行提取，并把相關的故障特征信息提取出來以便后續(xù)分析查證。

4）故障診斷：對第三步所提取的信息進行分析研究，并再次判斷系統(tǒng)是否運行正常，若已經(jīng)出現(xiàn)異常，就根據(jù)此信息連同輔助信息一并查找故障源。

5）故障規(guī)劃決策：根據(jù)第四步提取的特征信息，對故障進一步的發(fā)展趨勢進行預測，并給出相應的預測決策。

基于物聯(lián)網(wǎng)的船舶電力設備巡檢系統(tǒng)分為如下子系統(tǒng)：

1）電力設備巡檢子站系統(tǒng)。主要負責船舶上電力設備的狀態(tài)數(shù)據(jù)采集，并將數(shù)據(jù)與便攜式電力設備巡檢以就地監(jiān)控站進行通訊。

2）船舶便攜式電力設備巡檢以及分析子系統(tǒng)。主要功能是幫助巡檢人員進行數(shù)據(jù)顯示，并帶有計算仿真功能進行單一設備的細致化分析，方便運營人員進行維修。

3）電力設備巡檢主站系統(tǒng)。主要負責船舶上電力設備的狀態(tài)數(shù)據(jù)采集，分析和計算，并將數(shù)據(jù)與子站系統(tǒng)、便攜式電力設備巡檢以及通訊層進行通訊，同時對數(shù)據(jù)進行收集和存儲。

4）電力設備巡檢人員管理系統(tǒng)。主要通過便攜式設備收集巡檢人員巡檢時間，巡檢次數(shù)，集中收集在電力設備巡檢子站系統(tǒng)以及主站系統(tǒng)中，該子系統(tǒng)能直接反映工作人員巡檢質量同時側面反映設備故障周期。

4 結論

本文主要介紹了基于物聯(lián)網(wǎng)的船舶電力設備巡檢測系統(tǒng)，運用不同類型的傳感器組成無線傳感器網(wǎng)絡，并利用ZigBee 完成相互之間的通信，通過網(wǎng)關節(jié)點將數(shù)據(jù)傳輸給船舶巡檢總站以及便攜監(jiān)測儀，完成數(shù)據(jù)的顯示和處理完成目前設備狀態(tài)分析。該系統(tǒng)省去了常規(guī)船舶巡檢系統(tǒng)中布線復雜的問題，并且大幅提高電網(wǎng)設備管理效率、電網(wǎng)運行管理水平、后期擴展能力，降低巡檢次數(shù)與時間[7-9]，具有廣闊的推廣價值和應用前景。

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Inspection System of Marine Electrical Equipments Based on Internet of Things

Huang Chao, Wang Lei, Hu Shuangjing, Qiu Shi, Zhang Liang

(Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430064, China)

U665

A

1003-4862（2018）11-0027-03

2018-07-02

黃超（1978-），男，高級工程師。研究方向：電力系統(tǒng)。E-mail: 1245882722@qq.com