基于物聯(lián)網(wǎng)的船舶電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)?

王 雷 丁伯才 張 琪 周 純 李?lèi)?ài)軍

（武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所 武漢 430064）

1 引言

隨著海上船舶電力的發(fā)展，運(yùn)行在船舶上的電力設(shè)備呈現(xiàn)種類(lèi)多樣化，功能豐富化，數(shù)量極劇增長(zhǎng)的趨勢(shì)，為了提高電力系統(tǒng)的可靠性，對(duì)這些船舶電力設(shè)備進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)和管理是十分重要的。傳統(tǒng)的船舶電氣監(jiān)控系統(tǒng)通常采集部分都采用有線(xiàn)傳輸，具有布線(xiàn)復(fù)雜、后期擴(kuò)展性差的特點(diǎn)，且計(jì)算方式單一，對(duì)設(shè)備的狀態(tài)分析缺乏有效的仿真以及分析手段。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，采取分布式處理，能有效減少線(xiàn)纜數(shù)目，對(duì)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行合理的邏輯劃分，提高系統(tǒng)的效率［1～2］。

本文在研究物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的技術(shù)上，運(yùn)用無(wú)線(xiàn)傳感器，Zigbee通信技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)構(gòu)建了船舶電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并給出了實(shí)現(xiàn)方式。

2 船舶電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)模型

2.1 系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

針對(duì)目前船舶電力設(shè)備全壽命周期管理需求以及傳統(tǒng)船舶電力監(jiān)控方式存在的布線(xiàn)復(fù)雜、維護(hù)成本高、更新復(fù)雜等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)、無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)于一體的以船舶內(nèi)服務(wù)器為監(jiān)控中心，以陸地服務(wù)器為數(shù)據(jù)處理以及云計(jì)算仿真模擬的船舶電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)總體框架如圖1所示。本系統(tǒng)基于B/S（瀏覽器/服務(wù)器）模式，其中瀏覽器以及服務(wù)器采用了冗余設(shè)計(jì)，不僅船舶內(nèi)網(wǎng)與陸上外網(wǎng)內(nèi)采取冗余設(shè)計(jì)，同時(shí)陸上與船舶也互為備份。

圖1 總體框架圖

2.2 系統(tǒng)方案與設(shè)計(jì)功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

船舶電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能包含以下八個(gè)部分：

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

2）設(shè)備以及傳感器信號(hào)編碼管理：包含設(shè)備編號(hào)，位置編碼，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)編碼。

3）信息報(bào)警管理：信號(hào)達(dá)到預(yù)警范圍，提醒運(yùn)營(yíng)人員。

4）監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示：相關(guān)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(chǔ)存便于運(yùn)營(yíng)人員查閱以及陸上進(jìn)行仿真計(jì)算。

6）通訊：船舶部分與陸地部分的數(shù)據(jù)傳輸。

圖2 系統(tǒng)功能總圖

7）設(shè)備數(shù)據(jù)仿真分析以及預(yù)測(cè)：船舶部分利用便攜式檢測(cè)儀做出簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)處理計(jì)算，以得出當(dāng)前電力設(shè)備狀態(tài)，陸地部分將設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以及仿真計(jì)算，判斷目前設(shè)備狀態(tài)，并利用大數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)后期設(shè)備狀態(tài)以及維護(hù)周期。

8）用戶(hù)管理：區(qū)分用戶(hù)權(quán)限。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)的船舶電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 傳感節(jié)點(diǎn)

本系統(tǒng)以Zigbee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)完成整個(gè)船舶設(shè)備信息的采集和傳送。無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)功能組成由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、無(wú)線(xiàn)通信、能量供應(yīng)四部分組成，具體結(jié)構(gòu)組成如圖3所示。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)以TI的CC2530為核心，采用其內(nèi)部集成的的8051單片機(jī)進(jìn)行傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集，選用TI的MC34063作為電源輸入部分處理，并利用Zigbee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸。整個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)避免了傳統(tǒng)船舶監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)有線(xiàn)組網(wǎng)方式的布線(xiàn)復(fù)雜，可擴(kuò)展性差、安裝成本高、移動(dòng)性能差［3～4］等一系列弊端。

圖3 無(wú)線(xiàn)傳感節(jié)點(diǎn)圖

3.2 無(wú)線(xiàn)通訊網(wǎng)絡(luò)

傳感器作為感知網(wǎng)絡(luò)中信號(hào)的發(fā)送者和接受者是整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要部分。Zigbee作為一種短距離、復(fù)雜度低、低功耗的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)［5］，它是介于無(wú)線(xiàn)標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙之間的技術(shù)方案［6］，在傳感器網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，按照組網(wǎng)結(jié)構(gòu)分為星狀、樹(shù)狀以及網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)［7］，三種結(jié)構(gòu)各有各的特點(diǎn)。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(luò)由于船舶環(huán)境、節(jié)點(diǎn)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(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

圖4 三種Zigbee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

2.3 大數(shù)據(jù)

大數(shù)據(jù)是指種類(lèi)繁多的，具有數(shù)據(jù)流量大，容量大的特性且價(jià)值量高的復(fù)雜數(shù)據(jù)的集合［8～10］。為了更好地在后臺(tái)對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行處理以及對(duì)設(shè)備后期狀態(tài)做出準(zhǔn)確判斷，需要原有的設(shè)備廠(chǎng)家原始的歷史設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，以及以用大數(shù)據(jù)做出最相近的后續(xù)數(shù)值判斷，并進(jìn)行仿真。

4 基于物聯(lián)網(wǎng)的船舶電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

基于物聯(lián)網(wǎng)的船舶電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為如下子系統(tǒng)：

1）電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)以及仿真子系統(tǒng)。主要負(fù)責(zé)船舶上電力設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)采集，以及現(xiàn)有狀態(tài)的仿真以判斷當(dāng)前設(shè)備的狀態(tài)，并將數(shù)據(jù)與陸上進(jìn)行通訊。

2）船舶便攜式電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)以及分析子系統(tǒng)。主要功能是幫助巡檢人員進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，并帶有計(jì)算仿真功能進(jìn)行單一設(shè)備的細(xì)致化分析方便運(yùn)營(yíng)人員進(jìn)行維修。

3）陸上電力設(shè)備電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)以及大數(shù)據(jù)仿真子系統(tǒng)。主要作用是基于設(shè)備廠(chǎng)家歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)以及船舶電力設(shè)備檢測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，運(yùn)用大數(shù)據(jù)以及云計(jì)算技術(shù)對(duì)設(shè)備后續(xù)狀態(tài)以及趨勢(shì)做出準(zhǔn)確的判斷，并將數(shù)據(jù)與船上進(jìn)行通信，陸上和船上的數(shù)據(jù)二者互為備份。

5 結(jié)語(yǔ)

本文主要介紹了基于物聯(lián)網(wǎng)的船舶電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，運(yùn)用不同類(lèi)型的傳感器組成無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)，并利用Zigbee完成相互之間的通信，通過(guò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳輸給船舶監(jiān)測(cè)中心以及便攜監(jiān)測(cè)儀，完成數(shù)據(jù)的顯示和處理完成目前設(shè)備狀態(tài)分析，并上傳給陸上監(jiān)測(cè)中心完成大數(shù)據(jù)技算以及預(yù)測(cè)性仿真以判斷設(shè)備后期狀態(tài)。該系統(tǒng)省去了常規(guī)船舶監(jiān)控系統(tǒng)中布線(xiàn)復(fù)雜的問(wèn)題［11］，并且大幅提高電網(wǎng)設(shè)備管理效率、電網(wǎng)運(yùn)行管理水平、后期擴(kuò)展能力，降低巡檢次數(shù)與時(shí)間，施工以及安裝成本［12～15］，具有廣闊的推廣價(jià)值和應(yīng)用前景。