船舶設備遠程保護下信息智能交互方法

王強

(江蘇航運職業技術學院，江蘇 南通 226010)

0 引 言

近年來，海上船舶的無線通信技術得到了迅速的發展，并在船舶工業領域獲得了廣泛的應用，由于船舶工業自動化、智能化的不斷深入，船載自動化設備的裝機量不斷提高，在提升艦船自動化性能的同時也引起了一些問題，比如遠洋船舶的工作人員由于缺乏一定的技術知識，一旦船載設備在外海發生故障時無法自行解決，可能導致更加嚴重的故障問題。因此，采用海上無線通信技術實現船舶機電設備的遠程故障診斷和監控十分有必要。

本文研究是船舶機電設備遠程監控過程中的信息交互、遠程定位等問題，基于無線協作通信開發了船舶設備遠程監測平臺，并詳述了遠程監測平臺的硬件設計、數據庫設計、軟件設計等內容，對于提升艦船機電設備遠程監控的水平，保障船舶航行的安全性有重要的意義。

1 船舶設備遠程保護下的通信及定位技術研究

1.1 船舶設備遠程監測的無線協作通信系統研究

本文在設計船舶遠程監測系統的通信模塊時，采用多跳協作通信技術，將船舶通信模式劃分為單節點單信道和單節點多信道等模式，通信網絡的原理模型如圖1 所示。

圖1 船舶遠程監測通信網絡的原理模型Fig.1 Principle model of ship remote monitoring communication network

可知，在船舶設備遠程監控系統中，單節點單信道網絡包括一個源節點，一個協作節點和一個目的節點；單節點雙信道網絡包括2 個源節點，一個協作節點和一個目的節點，網絡結構相對復雜。

協作通信網絡的信號時延模型為：

式中：為初始時隙。

通信網絡的信號誤差模型為：

式中：為兩相信號的閉環增益，α為無線通信信號的相位角，θ為正交相位角，Δ ε為信號的幅值誤差，用下式計算：

Δη為正交誤差，用下式計算：

Δδ為耦合誤差，用下式計算：

1.2 基于GPS 的艦船遠程定位終端系統設計

船舶機電設備的遠程監控需要對設備進行較準確的定位，GPS 定位系統是目前較成熟、精度較高、裝機量大的一種定位系統，GPS 定位系統的信號分量主要有載波信號、測距碼和數據碼，通過對GPS 定位系統的信號進行解碼、譯碼，可以獲取較準確的船舶機電設備位置信息。

假定某設備的位置為(,,)，該位置距離最近的GPS 定位衛星距離，定義GPS 衛星的坐標為(，，)，可得距離為：

解算可得船舶設備的位置坐標為：

為GPS 衛星的繞地球旋轉角速度，按下式計算：

式中：為衛星的軌道半徑，為衛星質量。

船舶設備遠程監控系統的GPS 定位模塊主要由顯示器、MCU 控制器、GPS、接口、數據采集與控制模塊等組成，原理圖如圖2 所示。

圖2 船舶設備遠程監控系統的GPS 定位模塊原理圖Fig.2 Schematic diagram of GPS positioning module of Marine equipment remote monitoring system

2 船舶設備遠程保護下的信息智能交互系統設計

2.1 船舶設備遠程保護信息平臺的硬件設計

本文基于海上無線通信和GPS 等技術，搭建了船舶遠程設備保護信息平臺，其基本構成包括船載終端、傳感器、遠程控制中心、GPS、交換機等，原理圖如圖3 所示。

圖3 船舶遠程設備保護信息平臺組成原理Fig.3 Composition principle of marine remote equipment protection information platform

船舶遠程設備保護信息平臺的功能有：

1）船舶遠程設備數據的管理功能

平臺通過無線網絡實時獲取船載機電設備的各類運行參數，比如發動機轉速、功率、電氣設備的電流、電壓等，參數獲取以后平臺利用計算機對數據進行分類、管理和存儲，并通過平臺的顯示器實時展示給船舶遠程設備監控系統的工作人員。

平臺在進行數據存儲和管理時，采用的數據庫技術為Access 數據庫技術。

2）遠程設備控制功能

船舶設備遠程保護的關鍵環節是監測到船載遠程設備的故障狀態，發送控制信號操作船載遠程設備，一方面調整設備的工作狀態，改善當前的故障；另一方面如果故障無法在線修復，直接發送停機指令，防止出現更嚴重的故障。

3）故障報警功能

船舶遠程設備保護信息平臺采用聲光信號進行故障報警，在對船舶的遠程監測的過程中，一旦船舶某些設備狀態出現異常，控制中心就會觸發聲光信號向工作人員報警。

2.2 設備遠程保護信息平臺的Access 數據庫技術

Access 數據庫技術是微軟開發的一款數據庫平臺，具有以下特點：

1）面向對象的數據庫工具

Access 數據庫技術的這一特點是指在數據庫搭建和開發過程中，Access 數據庫技術把應用系統劃分為多個獨立的對象，每個應用對象的需求、邊界條件存在區別，Access 數據庫技術針對不同的對象進行屬性的定義和開發。此外，用戶在基于Access 數據庫進行應用程序開發時，可以根據實際工況進行屬性的自定義。比如開發的Table 對象中，可以增加Table 對象的表單屬性等。

2）集成度高

Access 數據庫技術在Windows 環境下的集成度非常高，不僅能夠有效處理TXT，table，DATA 等數據，也集成了大量的開發工具，實現不同的數據處理場景的工具調用，對用戶的友好性高。

Access 數據庫技術的端口報文處理流程如圖4所示。

圖4 Access 數據庫技術的端口報文處理流程Fig.4 Port message processing flow of access database technology

2.3 基于Access 數據庫技術的設備遠程監測信息統計

結合Access 數據庫技術，對船舶機電設備進行遠程數據采集和統計，主要包括船舶機電設備的故障率、設備使用壽命兩方面。

1）船舶設備故障概率統計

遠程設備保護信息平臺的統計數據表明，隨著樣本量的增加，船舶機電設備的故障率服從泊松分布，如下式：

式中：()為在一定時間節點上船舶設備故障數量為時的概率，λ為平均故障率。

在一定時間內，機電設備故障數小于的概率為：

在一定時間內故障數大于且小于的概率為：

其他情況，(=0)=。

2）設備使用壽命統計

船載機電設備的使用壽命可用正態分布的數學模型進行描述，通過Access 數據庫的統計和提取，得到機電設備使用壽命的概率密度函數和分布函數如下：

式中：σ和為正態分布系數。

2.4 船舶設備遠程保護信息平臺的軟件設計

對于平臺操作人員來講，界面和操作程序的友好性非常重要，本文采用Win CC 組態軟件搭建了船舶設備遠程保護信息平臺的軟件程序，軟件結構流程圖如圖5 所示。

圖5 船舶設備遠程保護信息平臺的軟件程序Fig.5 Software program of remote protection information platform for ship equipment

3 結 語

船舶機電設備的正常運行對于船舶整體有重要的意義，針對海上船舶機電設備的故障問題，本文搭建了一個船舶遠程設備保護信息平臺，結合無線通信和GPS 定位技術，實現船舶遠程機電設備的故障在線監測和控制，提高船舶設備的安全性。