景區鋰電池船舶遠程運維系統研發與應用

紀厚芝

（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，人們對新能源尤其是鋰電池的認知水平顯著提高，在這個大環境影響下，鋰電池船舶逐漸從個別區域示范項目延伸至每年幾百艘的應用水平，涉及的船型包括游覽客船、客渡船、拖輪、江海直達集裝箱船等[1]。

2020～2022 年，國務院、交通運輸部及部分省市陸續發布鋰電池船舶發展指導意見及補貼政策，鋰電池船舶在未來將會有更大增長空間。不同于新能源汽車，鋰電池船舶定制程度較高，且目前大多數船長、輪機工程師等對鋰電池船舶系統了解程度一般，這對鋰電池船舶運維管理提出了更高的要求。

1 遠程運維系統需求分析

現階段船舶還是以傳統柴油機為主動力，這種船型的維護保養一般由輪機員負責，以桂林兩江四湖景區為例，該景區配備2 名輪機員，進行常規的維護保養。很多規模較小的景區，甚至不設專門的維保崗位，由船長兼職常規維保工作。相對于常規柴油機動力船舶，鋰電池船舶新增鋰電池組、BMS 電池管理系統、電力推進系統、直流配電系統等，涉及船舶電氣、自動控制、新能源技術等多專業學科交叉，對船東運維人員提出了更高的要求。主要存在以下問題：①學習成本高。鋰電池船舶涉及知識面廣，專業性強，緊靠交船時幾個工作日的培訓，相關駕駛及維保人員很難深入了解，若額外增加培訓課程，會增加成本，且短時間內無法掌握，需要在使用過程中發現問題、解決問題，才能逐漸掌握；②運維難度大。由于對鋰電池船舶系統不了解，經常會由于操作失誤導致系統運行不起來，嚴重時造成設備損害，影響航班運營，造成不必要的經濟損失；③后期保養迷惘。無法掌握日常鋰電池系統使用、維護狀況，不確定是否存在故障隱患。

鑒于以上存在的問題，本文設計了一種基于云服務平臺的鋰電池船舶遠程運維系統，本系統主要有兩大內容：①數據可視化，實時展示；②健康管理。通過4G/5G 信號將鋰電池船舶關鍵數據實時傳送到云端服務器，經過數據中心處理，1∶1 再現實船監控人機界面，用戶可通過電腦或手機客戶端實時查看(技術上也可以實現雙向遠程界面控制，涉及安全問題該功能禁用，可在極端應急情況聯系廠家應急使用)，便于在鋰電池船舶交付時鋰電推進系統集成商遠程陪航一段時間，指導船長更好使用鋰電池船舶。在有重大社會活動時，可遠程護航，保障航行安全[2]。同時，后期可以通過大數據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，便于及時聯系廠家進行維護，延長鋰電池組使用壽命，降低鋰電池船舶的使用、維保學習成本，推動新能源船舶產業的發展。

2 遠程運維系統設計

2.1 系統拓撲結構設計

鋰電池船舶遠程運維系統主要由船端數據采集裝置、4G/5G 通信網絡、云服務器及客戶端組成，如圖1所示。

圖1 遠程運維系統架構

針對不同類型、不同配置的鋰電池船舶，配套定制化的數據采集裝置。用戶可根據船舶航行水域信號覆蓋情況，選擇4G 或5G 信號，4G 具有信號覆蓋面廣，5G信號具有低延時的特點。各個船舶的數據情況最終都傳送到云端服務器，經過數據處理及界面設計，用戶可通過電腦或者手機客戶端查看船舶運行狀況。同時，船舶運行歷史數據會存儲在云服務器端，便于后期進行大數據挖掘以及特殊狀況下提供遠程黑匣子信息。

2.2 功能設計

鋰電池船舶遠程運維系統主要功能是遠程監控數據監測與數據分析管理，包括數據采集、數據傳輸、數據顯示、故障報警等功能。

項目管理：鋰電池船舶分類管理，可根據區域分組、客戶分組或自定義分組進行不同項目歸類管理。用戶權限設定、添加、修改、刪除等。

在客戶終端實時顯示系統關鍵參數，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、鋰電池系統故障代碼、推進電機功率、推進電機轉速、電網運行狀態、推進系統故障代碼等。

故障診斷、報警：設置系統正常運行參數閾值超出正常閾值范圍，進行故障報警動作，并提醒運維人員進行故障診斷。

大數據管理：船舶關鍵數據實時存儲，大數據調用、分析、數據處理、故障評估等。

3 遠程運維平臺硬件與軟件設計

3.1 數據采集與傳輸

船端數據采集架構如圖2 所示。主要采集推進系統、能量管理系統及鋰電池組關鍵數據。本文PCS 推進控制系統主要針對船舶電力推進系統，艦船綜合電力推進系統涵蓋配電系統及PMS 能量管理系統，是未來船舶的發展方向。推進系統主要參數包括：電機轉速、電機功率、軸承溫度、繞組溫度、DC/AC 模塊溫度、故障報警信息等。能量管理系統主要采集直流配電系統信號反饋、運行狀況等。BMS（Battery Management System）電池管理系統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 計算、電池組充放電動態監測等，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、故障信號報警等。

圖2 船端數據采集架構

研發基于PLC 的整船控制系統，將推進系統、能量管理系統、BMS 電池管理系統數據轉換為RS485/Modbus 總線通訊協議，與整船控制系統進行數據交換、數據處理。經過處理的數據與4G/5G 遠程通訊模塊進行網關數據配置，定義變量地址、數據類型、數據存儲時間等，如圖3 所示。由于船舶數據量較大，本系統默認存儲間隔為1 分鐘。后期可以根據用戶需求更改。

圖3 通訊網關配置

3.2 云平臺設計

云服務平臺選擇第三方私有化云平臺，技術成熟，運行穩定。該平臺具有設備通訊連接、圖形化開發引擎、大數據分析引擎、基礎云平臺等功能，架構如圖4 所示，支持通過 mqtt 協議接入第三方數據船端采集硬件，支持對平臺進行二次開發。平臺主要是以完成數據的深度計算、統計和分析為主，再整合設備監控、計劃任務、故障診斷等綜合業務信息；實現數據信息的“可視化”標識，以及數據的云存儲、云發布、云應用等[4]。平臺采用主流的微服務架構，對服務發現注冊、配置中心、消息總線、負載均衡、斷路器、數據監控等都有著完善的解決方案[5]。數據通過分布式消息隊列進行分類解析和轉發，實現高性能的實時數據存儲、數據計算和歷史數據持久化存儲。實時存儲采用Redis 高效緩存，讀寫數據可達到10 萬次/秒。歷史數據庫是針對MySql 進行深入改造，引入了高性能NoSQL 技術和數據多級編碼壓縮技術，優化了傳統MySql 的索引處理機制，大大提高了數據的并發讀寫能力和超大數據集存儲能力，支持10 億條記錄的秒級讀寫響應。

圖4 物聯網云平臺架構圖

云平臺上提供強大的工控組態系統，用戶可以在線繪制設備運行狀態的流程圖畫面，利用平臺提供的基礎圖元庫，繪制出各種形狀的設備靜態圖和動畫效果，如圖5 所示。通過數據連接可關聯平臺的實時數據以及歷史數據等，在 web 畫面上進行實時在線監控。針對新能源船舶特點，通過平臺內置的圖形化組態設計鋰電池船舶遠程運維界面。終端設備可以通過云服務器調取每艘船舶的運行數據，并進行大數據分析，將實時數據生成的數學模型與標準模型對比，實現船舶的遠程健康管理，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 遠程監控界面設計

3.3 實船應用

本系統已實船安裝60 套，涉及新疆喀納斯湖、無錫古運河、桂林漓江等景區游船，用戶反饋良好，有效地解決了船員培訓、遠程協助維護問題。圖6～8 為實時截取的主界面、客戶管理界面及故障報警界面。

圖6 遠程監控主界面

圖7 客戶管理

圖8 故障問題報警

如圖9 所示（截取時間2023 年3 月27 日，15 時23 分31 秒），本項目為溫州某景區鋰電池游船，用戶可在客戶端查看當前船舶運行狀態。本界面與駕控臺實船界面一致，便于系統集成商遠程監測船舶運行狀況，船岸聯動、低成本、高效率解決船員培訓及故障診斷等問題。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 組電池均運行在正常范圍區間，狀態良好。同樣可以查看推進系統及鋰電池組其他歷史數據信息。

圖9 1:1 遠程再現實船監控人機界面

圖10 2023 年2 月3 組鋰電池總壓變化曲線

4 結語

鋰電池船舶遠程運維系統的實際應用切實解決了船東船舶維保問題，降低了新能源船舶的使用門檻。未來可以將本系統拓展至混動力、氫燃料電池等多種類型、各種用途的新能源船舶。同時，不斷收集用戶的使用反饋，優化系統方案配置，更加人性化、智能化服務于客戶，推動新能源船舶產業的發展。