BDS 在電動船智能充電裝置中的應用

曹宇，宋育澤，唐小波，王寧，李夢波

( 1. 上海海洋大學 工程學院，上海 201306；2. 上海海洋可再生能源工程技術研究中心，上海 201306 )

0 引 言

21 世紀的海洋已成為經濟全球化、區域經濟一體化的聯系紐帶，成為各國展示綜合國力和國際影響力的新舞臺[1-2]. 隨著海洋裝備技術的發展，水面電動船已被普遍應用于海洋環境研究、海洋維權和海域測量等領域. 但是，目前電動船的電能補給多依賴于人工回收，無法真正的實現全天候自動化作業. 基于以上問題，設計了一種電動船智能停泊充電裝置，該裝置能夠利用潮流能、風能實現能源的自供給，并可以向水面缺電的電動船進行充電，且操作具有智能化.

在充電裝置工作過程中，海域坐標需要實時地傳遞給電動船，引導其做出相應的路徑規劃，跟隨導航系統快速到達裝置所在海域. 同時，該充電裝置的發電狀態、工作狀況、充電情況也需要實時的反饋到岸基控制室，以供用戶監測. 為了精確掌握該充電裝置的海域坐標和各種工作參數，開發人員決定采用北斗衛星導航系統(BDS)，BDS 獨特地短報文通信功能使其成為全球首個通信一體化的全球定位導航系統[3-5].該系統既能實現導航定位，又能實現用戶與用戶、用戶與控制系統之間的雙向短報文通信[6-9].

1 電動船智能充電裝置的結構設計和工作流程

1.1 充電裝置總體結構設計

電動船智能停泊充電裝置通過兩根漂浮筒使其能夠在海面上漂浮，該裝置主要由電能供給模塊、穩壓儲電模塊、充電船固定模塊、充電模塊和BDS 通信模塊組成，圖1 為總體結構示意圖.

圖1 電動船智能停泊充電裝置總體結構圖

此裝置的潮流能、風能發電機以及BDS 用戶機選型如下：

1)潮流能發電機組

選用由上海海洋大學研發的雙向直驅潮流能發電機組如圖2 所示，單機發電狀態下能夠向裝置提供4 kW 的發電功率.

圖2 上海海洋大學潮流能發電機組

2) BDS 衛星用戶機

BDS 衛星用戶機選用如圖3 所示的QMZH21型號用戶機. 該用戶機主要運用于海上作業，具有防水、防高溫、防腐蝕等特點，集成了衛星無線電定位系統(RDSS)、衛星無線電導航業務(RNSS)、射頻收發電路、功率放大電路、基帶電路等模塊，具有集成度高、功耗低、安裝方便等優點.

3)風力發電機

風力發電機選擇如圖4 所示的利順太陽能C01型風力發電機組，單機狀態下能夠向裝置提供1.5 kW的發電功率.

1.2 裝置工作流程

電動船智能停泊充電裝置的工作流程如圖5 所示. 圖5(a)所示，當電動船電能不足時，通過充電裝置的通信確定充電裝置的海域坐標，并跟隨BDS導航移動至裝置附近；圖5(b)所示，到達充電裝置附近的電動船，被充電裝置捕獲進入固定裝置卡槽，同時被固定裝置的鎖銷固定；圖5(c)所示，固定完成后，充電裝置將連接無人船充電接口，對無人船進行充電；圖5(d)所示，裝置工作過程中，安裝于平臺面板上的風力發電機持續向裝置供電，同時平臺下方的兩臺雙向直驅潮流能發電機也在為該充電裝置提供電能. 此外，整個工作過程中，該充電裝置的工作狀態都將實時的傳輸給岸基終端進行監測控制.

圖5 電動船智能充電裝置工作過程

2 基于BDS 的電動船智能充電裝置通信方案設計

BDS 是繼美國的GPS、歐盟的Galileo、俄羅斯的GLONASS 之后較為先進的衛星導航定位系統[7-8].其具備RDSS 和RNSS 兩種工作模式[10-12]，在RDSS工作模式下可以實現BDS 特有的信息傳遞和導航定位雙重功能，圖6 為通信系統架構.

圖6 BDS 通信架構

通信請求端將加密處理后的通訊內容和接受用戶ID 發送給BDS 衛星，并由衛星轉發給地面站. 經過地面站脫加密處理后，由衛星傳遞給接收端用戶.接收端用戶接受到通信信號后，經過解調、解密得出通信信息，完成通訊[13-15].

2.1 導航通信方案

當電動船在遠海作業時，其船載電能監測模塊用來監測電能是否充足，電能不足時，電動船通過船載BDS 用戶機與充電裝置BDS 用戶機進行通信，尋找充電平臺位置并進行導航規劃，圖7 為導航通信方案示意圖. 電能檢測模塊將充電信號傳遞給BDS 船載用戶機，與充電裝置中的BDS 用戶機進行相互通信，使電動船得到充電裝置的海域坐標和導航路線，并將其傳遞給船載控制器進行路徑選擇. 路徑選擇完成后，船載控制器向電動船驅動裝置發送信號，電動船將按著BDS 導航路徑航行，以到達充電裝置附近海域.

圖7 導航通信方案示意圖

2.2 監測通信方案

電動船智能充電裝置放置在遠海時，數據的傳輸和通信是保證該裝置持續工作的重要環節，基于BDS 的RDSS 業務設計遠端監測通信方案如圖8 所示. 充電裝置的發電參數、充電情況、電動船固定情況都經由裝置信息采集模塊采集，傳遞到裝置的BDS 用戶機，并發送至岸基BDS 接受端，然后傳遞給岸基服務器，由服務器負責將監測數據解密解調，發送給岸基用戶并接受用戶所下達的指令，以進行反向通信.

圖8 監測通信方案示意圖

3 基于BDS 的電動船智能充電裝置通信系統設計

3.1 通信系統構成

電動船智能充電裝置的通信系統，主要由海上裝置、空間裝置及岸基裝置三部分組成，圖9為通信系統結構圖.

圖9 裝置通信系統結構

3.2 通信協議設計

由于RDSS 模式下的短報文通信容量有限，依據所選擇的BDS 用戶機性能參數如表1 所示. 由表1可知，單次最大的數據傳輸量為120 個漢字或420個BCD 碼，報文頻度為1 min. 需要在不超出容量的情況下合理地設計通信協議，以保證通信質量，根據通信容量限制與通信方案要求，制定了一套簡易的短報文傳輸協議，在每組傳輸數據中必須包含充電裝置ID，以便確認數據來源[16-20]. 具體的通信協議如表2所示.

表1 BDS 衛星用戶機性能參數表

表2 BDS 衛星RDSS 短報文數據傳輸協議

4 岸基用戶客戶端設計

通過Visual Studio2015 平臺，利用C#語言設計用戶客戶端軟件. 將終端軟件安裝在岸基用戶計算機中，就可以直接獲得服務器中海上充電裝置所傳來的數據，用戶也可以利用該軟件，發送控制充電裝置的控制指令，并由服務器通過BDS 岸基用戶機傳遞給充海上充電裝置. 其具體的體系結構如圖10所示.

圖10 客戶端體系結構

利用LabView 平臺設計客戶端操作界面如圖11所示. 岸基用戶可以通過客戶端的操作界面，直接獲得該充電裝置的海域坐標、發電電壓、發電電流、充電電流、充電狀態(是/否充電完成)以及船體的固定狀態. 此外用戶還可以通過該操作系統的控制界面控制充電裝置的運行. 實現了充電裝置和岸基用戶的雙向通信.

圖11 客戶端操作界面

5 實驗測試

圖12 為在海洋環境相對較好的青島某海域開展水面測試實景圖.

圖12 水面測試圖

電動無人船在相關海域進行水質監測作業，當電能不足時無人船與充電裝置按照圖7 所設計的通信方案進行相互通信，使無人船確定充電裝置的海域坐標，并進行相應的路徑規劃如圖13 所示，按照所規劃的航行路線航行至充電裝置附近，以進行電能補充.該實驗驗證了BDS 在電動船智能充電裝置和水面無人船中應用的可行性.

圖13 無人船路徑規劃圖

6 結束語

本文基于BDS 提出了一種電動船智能充電裝置的設計方案. 利用BDS RDSS 模式下獨有的導航通信功能，建立該充電裝置的通信方案和通信系統，能夠實現對水面電動船的導航、固定、充電，并可以利用BDS 實時的向岸基傳輸充電裝置的工作參數. 通過設計用戶客戶端軟件實現充電平臺工作狀況的可視化，使得岸基用戶可以監測充電裝置的運行情況并發送控制指令，對海洋可再生能源的運用和提高水面電動船的補電效率有著現實意義.