景區(qū)鋰電池船舶遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用

紀(jì)厚芝

（廈門市泛能科技有限公司，福建 廈門 361021）

隨著新能源汽車的普及，人們對(duì)新能源尤其是鋰電池的認(rèn)知水平顯著提高，在這個(gè)大環(huán)境影響下，鋰電池船舶逐漸從個(gè)別區(qū)域示范項(xiàng)目延伸至每年幾百艘的應(yīng)用水平，涉及的船型包括游覽客船、客渡船、拖輪、江海直達(dá)集裝箱船等[1]。

2020～2022 年，國(guó)務(wù)院、交通運(yùn)輸部及部分省市陸續(xù)發(fā)布鋰電池船舶發(fā)展指導(dǎo)意見及補(bǔ)貼政策，鋰電池船舶在未來(lái)將會(huì)有更大增長(zhǎng)空間。不同于新能源汽車，鋰電池船舶定制程度較高，且目前大多數(shù)船長(zhǎng)、輪機(jī)工程師等對(duì)鋰電池船舶系統(tǒng)了解程度一般，這對(duì)鋰電池船舶運(yùn)維管理提出了更高的要求。

1 遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)需求分析

現(xiàn)階段船舶還是以傳統(tǒng)柴油機(jī)為主動(dòng)力，這種船型的維護(hù)保養(yǎng)一般由輪機(jī)員負(fù)責(zé)，以桂林兩江四湖景區(qū)為例，該景區(qū)配備2 名輪機(jī)員，進(jìn)行常規(guī)的維護(hù)保養(yǎng)。很多規(guī)模較小的景區(qū)，甚至不設(shè)專門的維保崗位，由船長(zhǎng)兼職常規(guī)維保工作。相對(duì)于常規(guī)柴油機(jī)動(dòng)力船舶，鋰電池船舶新增鋰電池組、BMS 電池管理系統(tǒng)、電力推進(jìn)系統(tǒng)、直流配電系統(tǒng)等，涉及船舶電氣、自動(dòng)控制、新能源技術(shù)等多專業(yè)學(xué)科交叉，對(duì)船東運(yùn)維人員提出了更高的要求。主要存在以下問題：①學(xué)習(xí)成本高。鋰電池船舶涉及知識(shí)面廣，專業(yè)性強(qiáng)，緊靠交船時(shí)幾個(gè)工作日的培訓(xùn)，相關(guān)駕駛及維保人員很難深入了解，若額外增加培訓(xùn)課程，會(huì)增加成本，且短時(shí)間內(nèi)無(wú)法掌握，需要在使用過程中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，才能逐漸掌握；②運(yùn)維難度大。由于對(duì)鋰電池船舶系統(tǒng)不了解，經(jīng)常會(huì)由于操作失誤導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行不起來(lái)，嚴(yán)重時(shí)造成設(shè)備損害，影響航班運(yùn)營(yíng)，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失；③后期保養(yǎng)迷惘。無(wú)法掌握日常鋰電池系統(tǒng)使用、維護(hù)狀況，不確定是否存在故障隱患。

鑒于以上存在的問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于云服務(wù)平臺(tái)的鋰電池船舶遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)，本系統(tǒng)主要有兩大內(nèi)容：①數(shù)據(jù)可視化，實(shí)時(shí)展示；②健康管理。通過4G/5G 信號(hào)將鋰電池船舶關(guān)鍵數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到云端服務(wù)器，經(jīng)過數(shù)據(jù)中心處理，1∶1 再現(xiàn)實(shí)船監(jiān)控人機(jī)界面，用戶可通過電腦或手機(jī)客戶端實(shí)時(shí)查看(技術(shù)上也可以實(shí)現(xiàn)雙向遠(yuǎn)程界面控制，涉及安全問題該功能禁用，可在極端應(yīng)急情況聯(lián)系廠家應(yīng)急使用)，便于在鋰電池船舶交付時(shí)鋰電推進(jìn)系統(tǒng)集成商遠(yuǎn)程陪航一段時(shí)間，指導(dǎo)船長(zhǎng)更好使用鋰電池船舶。在有重大社會(huì)活動(dòng)時(shí)，可遠(yuǎn)程護(hù)航，保障航行安全[2]。同時(shí)，后期可以通過大數(shù)據(jù)分析鋰電池組單體電壓變化、單體壓差變化等鋰電池一致性問題，便于及時(shí)聯(lián)系廠家進(jìn)行維護(hù)，延長(zhǎng)鋰電池組使用壽命，降低鋰電池船舶的使用、維保學(xué)習(xí)成本，推動(dòng)新能源船舶產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

2 遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鋰電池船舶遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)主要由船端數(shù)據(jù)采集裝置、4G/5G 通信網(wǎng)絡(luò)、云服務(wù)器及客戶端組成，如圖1所示。

圖1 遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)架構(gòu)

針對(duì)不同類型、不同配置的鋰電池船舶，配套定制化的數(shù)據(jù)采集裝置。用戶可根據(jù)船舶航行水域信號(hào)覆蓋情況，選擇4G 或5G 信號(hào)，4G 具有信號(hào)覆蓋面廣，5G信號(hào)具有低延時(shí)的特點(diǎn)。各個(gè)船舶的數(shù)據(jù)情況最終都傳送到云端服務(wù)器，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理及界面設(shè)計(jì)，用戶可通過電腦或者手機(jī)客戶端查看船舶運(yùn)行狀況。同時(shí)，船舶運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)會(huì)存儲(chǔ)在云服務(wù)器端，便于后期進(jìn)行大數(shù)據(jù)挖掘以及特殊狀況下提供遠(yuǎn)程黑匣子信息。

2.2 功能設(shè)計(jì)

鋰電池船舶遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)主要功能是遠(yuǎn)程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)分析管理，包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)顯示、故障報(bào)警等功能。

項(xiàng)目管理：鋰電池船舶分類管理，可根據(jù)區(qū)域分組、客戶分組或自定義分組進(jìn)行不同項(xiàng)目歸類管理。用戶權(quán)限設(shè)定、添加、修改、刪除等。

在客戶終端實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)，包括鋰電池總電壓、單體最高電壓、單體最低電壓、放電電流、電池溫度、SOC、鋰電池系統(tǒng)故障代碼、推進(jìn)電機(jī)功率、推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速、電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)、推進(jìn)系統(tǒng)故障代碼等。

故障診斷、報(bào)警：設(shè)置系統(tǒng)正常運(yùn)行參數(shù)閾值超出正常閾值范圍，進(jìn)行故障報(bào)警動(dòng)作，并提醒運(yùn)維人員進(jìn)行故障診斷。

大數(shù)據(jù)管理：船舶關(guān)鍵數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，大數(shù)據(jù)調(diào)用、分析、數(shù)據(jù)處理、故障評(píng)估等。

3 遠(yuǎn)程運(yùn)維平臺(tái)硬件與軟件設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)采集與傳輸

船端數(shù)據(jù)采集架構(gòu)如圖2 所示。主要采集推進(jìn)系統(tǒng)、能量管理系統(tǒng)及鋰電池組關(guān)鍵數(shù)據(jù)。本文PCS 推進(jìn)控制系統(tǒng)主要針對(duì)船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)，艦船綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)涵蓋配電系統(tǒng)及PMS 能量管理系統(tǒng)，是未來(lái)船舶的發(fā)展方向。推進(jìn)系統(tǒng)主要參數(shù)包括：電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)功率、軸承溫度、繞組溫度、DC/AC 模塊溫度、故障報(bào)警信息等。能量管理系統(tǒng)主要采集直流配電系統(tǒng)信號(hào)反饋、運(yùn)行狀況等。BMS（Battery Management System）電池管理系統(tǒng)主要功能包括電芯電壓采集、電池組電流采集、溫度采集、電池均衡、SOC 計(jì)算、電池組充放電動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等，是鋰電池組管理核心[3]。鋰電池組主要采集每組鋰電池總壓、單體最高電壓、單體最低電壓、溫度、放電電流、SOC、故障信號(hào)報(bào)警等。

圖2 船端數(shù)據(jù)采集架構(gòu)

研發(fā)基于PLC 的整船控制系統(tǒng)，將推進(jìn)系統(tǒng)、能量管理系統(tǒng)、BMS 電池管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為RS485/Modbus 總線通訊協(xié)議，與整船控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)處理。經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)與4G/5G 遠(yuǎn)程通訊模塊進(jìn)行網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)配置，定義變量地址、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)間等，如圖3 所示。由于船舶數(shù)據(jù)量較大，本系統(tǒng)默認(rèn)存儲(chǔ)間隔為1 分鐘。后期可以根據(jù)用戶需求更改。

圖3 通訊網(wǎng)關(guān)配置

3.2 云平臺(tái)設(shè)計(jì)

云服務(wù)平臺(tái)選擇第三方私有化云平臺(tái)，技術(shù)成熟，運(yùn)行穩(wěn)定。該平臺(tái)具有設(shè)備通訊連接、圖形化開發(fā)引擎、大數(shù)據(jù)分析引擎、基礎(chǔ)云平臺(tái)等功能，架構(gòu)如圖4 所示，支持通過 mqtt 協(xié)議接入第三方數(shù)據(jù)船端采集硬件，支持對(duì)平臺(tái)進(jìn)行二次開發(fā)。平臺(tái)主要是以完成數(shù)據(jù)的深度計(jì)算、統(tǒng)計(jì)和分析為主，再整合設(shè)備監(jiān)控、計(jì)劃任務(wù)、故障診斷等綜合業(yè)務(wù)信息；實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的“可視化”標(biāo)識(shí)，以及數(shù)據(jù)的云存儲(chǔ)、云發(fā)布、云應(yīng)用等[4]。平臺(tái)采用主流的微服務(wù)架構(gòu)，對(duì)服務(wù)發(fā)現(xiàn)注冊(cè)、配置中心、消息總線、負(fù)載均衡、斷路器、數(shù)據(jù)監(jiān)控等都有著完善的解決方案[5]。數(shù)據(jù)通過分布式消息隊(duì)列進(jìn)行分類解析和轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)高性能的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)計(jì)算和歷史數(shù)據(jù)持久化存儲(chǔ)。實(shí)時(shí)存儲(chǔ)采用Redis 高效緩存，讀寫數(shù)據(jù)可達(dá)到10 萬(wàn)次/秒。歷史數(shù)據(jù)庫(kù)是針對(duì)MySql 進(jìn)行深入改造，引入了高性能NoSQL 技術(shù)和數(shù)據(jù)多級(jí)編碼壓縮技術(shù)，優(yōu)化了傳統(tǒng)MySql 的索引處理機(jī)制，大大提高了數(shù)據(jù)的并發(fā)讀寫能力和超大數(shù)據(jù)集存儲(chǔ)能力，支持10 億條記錄的秒級(jí)讀寫響應(yīng)。

圖4 物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)架構(gòu)圖

云平臺(tái)上提供強(qiáng)大的工控組態(tài)系統(tǒng)，用戶可以在線繪制設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的流程圖畫面，利用平臺(tái)提供的基礎(chǔ)圖元庫(kù)，繪制出各種形狀的設(shè)備靜態(tài)圖和動(dòng)畫效果，如圖5 所示。通過數(shù)據(jù)連接可關(guān)聯(lián)平臺(tái)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及歷史數(shù)據(jù)等，在 web 畫面上進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)控。針對(duì)新能源船舶特點(diǎn)，通過平臺(tái)內(nèi)置的圖形化組態(tài)設(shè)計(jì)鋰電池船舶遠(yuǎn)程運(yùn)維界面。終端設(shè)備可以通過云服務(wù)器調(diào)取每艘船舶的運(yùn)行數(shù)據(jù)，并進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)生成的數(shù)學(xué)模型與標(biāo)準(zhǔn)模型對(duì)比，實(shí)現(xiàn)船舶的遠(yuǎn)程健康管理，將故障問題排除在萌芽階段，保證鋰電池船舶的航行安全。

圖5 遠(yuǎn)程監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

3.3 實(shí)船應(yīng)用

本系統(tǒng)已實(shí)船安裝60 套，涉及新疆喀納斯湖、無(wú)錫古運(yùn)河、桂林漓江等景區(qū)游船，用戶反饋良好，有效地解決了船員培訓(xùn)、遠(yuǎn)程協(xié)助維護(hù)問題。圖6～8 為實(shí)時(shí)截取的主界面、客戶管理界面及故障報(bào)警界面。

圖6 遠(yuǎn)程監(jiān)控主界面

圖7 客戶管理

圖8 故障問題報(bào)警

如圖9 所示（截取時(shí)間2023 年3 月27 日，15 時(shí)23 分31 秒），本項(xiàng)目為溫州某景區(qū)鋰電池游船，用戶可在客戶端查看當(dāng)前船舶運(yùn)行狀態(tài)。本界面與駕控臺(tái)實(shí)船界面一致，便于系統(tǒng)集成商遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)船舶運(yùn)行狀況，船岸聯(lián)動(dòng)、低成本、高效率解決船員培訓(xùn)及故障診斷等問題。圖10 為2023 年2 月份本船配備的3 組鋰電池總壓變化情況，通過曲線可以看出3 組電池均運(yùn)行在正常范圍區(qū)間，狀態(tài)良好。同樣可以查看推進(jìn)系統(tǒng)及鋰電池組其他歷史數(shù)據(jù)信息。

圖9 1:1 遠(yuǎn)程再現(xiàn)實(shí)船監(jiān)控人機(jī)界面

圖10 2023 年2 月3 組鋰電池總壓變化曲線

4 結(jié)語(yǔ)

鋰電池船舶遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用切實(shí)解決了船東船舶維保問題，降低了新能源船舶的使用門檻。未來(lái)可以將本系統(tǒng)拓展至混動(dòng)力、氫燃料電池等多種類型、各種用途的新能源船舶。同時(shí)，不斷收集用戶的使用反饋，優(yōu)化系統(tǒng)方案配置，更加人性化、智能化服務(wù)于客戶，推動(dòng)新能源船舶產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。