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

王 雷 丁伯才 張 琪 周 純 李愛軍

（武漢第二船舶設計研究所 武漢 430064）

1 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，數(shù)量極劇增長的趨勢，為了提高電力系統(tǒng)的可靠性，對這些船舶電力設備進行有效的監(jiān)測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傳輸，具有布線復雜、后期擴展性差的特點，且計算方式單一，對設備的狀態(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，能有效減少線纜數(shù)目，對監(jiān)控數(shù)據(jù)進行合理的邏輯劃分，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，運用無線傳感器，Zigbee通信技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)構(gòu)建了船舶電力設備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，并給出了實現(xiàn)方式。

2 船舶電力設備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)模型

2.1 系統(tǒng)總體框架設計

針對目前船舶電力設備全壽命周期管理需求以及傳統(tǒng)船舶電力監(jiān)控方式存在的布線復雜、維護成本高、更新復雜等問題，設計了一種結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)、無線通信技術(shù)、云計算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)于一體的以船舶內(nèi)服務器為監(jiān)控中心，以陸地服務器為數(shù)據(jù)處理以及云計算仿真模擬的船舶電力設備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)總體框架如圖1所示。本系統(tǒng)基于B/S（瀏覽器/服務器）模式，其中瀏覽器以及服務器采用了冗余設計，不僅船舶內(nèi)網(wǎng)與陸上外網(wǎng)內(nèi)采取冗余設計，同時陸上與船舶也互為備份。

圖1 總體框架圖

2.2 系統(tǒng)方案與設計功能結(jié)構(gòu)設計

船舶電力設備狀態(tài)監(jiān)測系統(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(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)儲存便于運營人員查閱以及陸上進行仿真計算。

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）設備數(shù)據(jù)仿真分析以及預測：船舶部分利用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)，陸地部分將設備數(shù)據(jù)進行處理以及仿真計算，判斷目前設備狀態(tài)，并利用大數(shù)據(jù)預測后期設備狀態(tài)以及維護周期。

8）用戶管理：區(qū)分用戶權(quán)限。

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

3.1 傳感節(jié)點

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(jié)構(gòu)組成如圖3所示。無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點以TI的CC2530為核心，采用其內(nèi)部集成的的8051單片機進行傳感器節(jié)點的數(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)船舶監(jiān)控網(wǎng)絡有線組網(wǎng)方式的布線復雜，可擴展性差、安裝成本高、移動性能差［3～4］等一系列弊端。

圖3 無線傳感節(jié)點圖

3.2 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(shù)［5］，它是介于無線標記技術(shù)和藍牙之間的技術(shù)方案［6］，在傳感器網(wǎng)絡等領域應用十分廣泛，按照組網(wǎng)結(jié)構(gòu)分為星狀、樹狀以及網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)［7］，三種結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。

圖4 三種Zigbee網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)圖

2.3 大數(shù)據(jù)

大數(shù)據(jù)是指種類繁多的，具有數(shù)據(jù)流量大，容量大的特性且價值量高的復雜數(shù)據(jù)的集合［8～10］。為了更好地在后臺對設備狀態(tài)進行處理以及對設備后期狀態(tài)做出準確判斷，需要原有的設備廠家原始的歷史設備狀態(tài)數(shù)據(jù)庫，以及以用大數(shù)據(jù)做出最相近的后續(xù)數(shù)值判斷，并進行仿真。

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

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

1）電力設備運行狀態(tài)監(jiān)測以及仿真子系統(tǒng)。主要負責船舶上電力設備的狀態(tài)數(shù)據(jù)采集，以及現(xiàn)有狀態(tài)的仿真以判斷當前設備的狀態(tài)，并將數(shù)據(jù)與陸上進行通訊。

2）船舶便攜式電力設備運行狀態(tài)監(jiān)測以及分析子系統(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）陸上電力設備電力設備運行狀態(tài)監(jiān)測以及大數(shù)據(jù)仿真子系統(tǒng)。主要作用是基于設備廠家歷史運行數(shù)據(jù)以及船舶電力設備檢測系統(tǒng)數(shù)據(jù)，運用大數(shù)據(jù)以及云計算技術(shù)對設備后續(xù)狀態(tài)以及趨勢做出準確的判斷，并將數(shù)據(jù)與船上進行通信，陸上和船上的數(shù)據(jù)二者互為備份。

5 結(jié)語

本文主要介紹了基于物聯(lián)網(wǎng)的船舶電力設備狀態(tài)監(jiān)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(guān)節(jié)點將數(shù)據(jù)傳輸給船舶監(jiān)測中心以及便攜監(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，并上傳給陸上監(jiān)測中心完成大數(shù)據(jù)技算以及預測性仿真以判斷設備后期狀態(tài)。該系統(tǒng)省去了常規(guī)船舶監(jiān)控系統(tǒng)中布線復雜的問題［11］，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，施工以及安裝成本［12～15］，具有廣闊的推廣價值和應用前景。