基于物聯網的船舶電力設備巡檢系統

黃 超，王 雷，胡雙進，邱 實，張 亮

?

基于物聯網的船舶電力設備巡檢系統

黃 超，王 雷，胡雙進，邱 實，張 亮

（武漢第二船舶設計研究所，武漢 430064）

傳統的船舶電力巡檢依靠巡檢人員定期定時進行人工巡檢，受多方面因素制約，巡檢質量不能保證。本文設計的基于物聯網的船舶電力設備巡檢系統通過RFID以及無線傳感技術實現船舶電氣巡檢的智能性、可靠性、高效性，為船舶電力設備巡檢管理的后續研究以及標準化、信息化提供了參考。

儀器自動化 船舶電力設備巡檢 狀態監控 物聯網 RFID ZigBee

0 引言

隨著海上船舶電力的發展，運行在船舶上的電力設備呈現種類多樣化、功能豐富化、布置密集化、數量急劇增長的趨勢，采用傳統的電力巡檢人員定期定時進行人工巡檢，大大增加了巡檢人員的工作量，且受到環境因素、人員素質和責任心等多方面因素制約，巡檢質量不能保證，以致反映運行狀態和設備缺陷等信息得不到及時反饋，不能及時發現設備隱患，引發設備故障。為了提高電力設備的可靠性，對這些船舶電力設備進行全面以及有效的巡檢是十分重要的。

傳統的船舶電氣巡檢通常需要人工進行設備儀表查看或者相關就地控制計算機界面進行翻閱，而人工進行該部分的數據收集容易產生失誤，導致隱患的存在以及增加不必要的時間以及人力的浪費。而全部信號采取有線樣式傳輸或者傳輸致主控室，又增加了穿艙電纜數目以及信息系統的復雜性。

本文在研究物聯網技術的技術上，運用無線傳感器，ZigBee 通信技術、RFID 技術、采取分布式處理，能有效地減少線纜數目，對監控數據進行合理的邏輯劃分，構建了船舶電力設備智能巡檢系統，并給出了實現方式。

1 船舶電力設備巡檢系統模型

1.1 系統總體框架設計

針對目前船舶電力設備巡檢中如何實現巡檢的高效性、可靠性、規范性以及現有船舶巡檢系統中體積大、成本高、電纜多、適用范圍小、和功能少等問題，我們設計了一種結合物聯網技術、傳感器技術、無線通信等技術于一體的船舶電力設備智能巡檢系統。該系統包括RFID 手持設備、基于標簽協議完成電力設備信息采集的采集層、用于對所采集信息設備進行遠程管控的應用層，以及實現采集層和應用層之間數據傳輸的網絡層。

圖1 總體框架圖

1.2 系統方案與設計功能結構設計

船舶電力設備智能系統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，監控數據編碼。

3）信息報警管理：信號達到預警范圍，提醒運營人員。

4）監控數據實時顯示：相關數據顯示。

5）監控歷史數據記錄：歷史數據儲存便于運營人員查閱以及陸上進行仿真計算。

6）通訊：電子標簽與便攜式檢測儀的數據傳輸以及采集層與網絡層的通訊。

7）設備數據仿真分析以及預測：便攜式檢測儀做出簡單的數據處理計算，以得出當前電力設備狀態。

8）用戶管理：區分用戶權限。

9）故障分析系統：設備狀態的故障診斷和設備狀態的預測。

2 基于物聯網的船舶電力設備狀態監測系統關鍵技術

2.1 傳感器技術

傳感器是機器感知物質世界的“感覺器官”，可以感知熱、力、光、電、聲、位移等信號，為網絡系統的處理、傳輸、分析和反饋提供最原始的信息。傳感器的類型多樣，可以按照用途、材料、輸出信號類型、制造工藝等方式進行分類。納米技術的應用，不僅為傳感器提供了優良的敏感材料，而且為傳感器制作提供了許多新方法，例如微機電系統( MEMS )技術等，極大地推動了傳感器的制造水平，拓寬了傳感器的應用領域，推動了傳感器產業的發展。傳感器通常由敏感元件和轉換元件這兩部分組成。其中，傳感器直接感知或響應指定的被測信息的功能由敏感元件完成，而將感知或響應到的被測信息轉換成適于傳輸或測量的電信號的功能由轉換元件完成。由于這些輸出信號通常都很微弱，所以需要通過信號調理與轉換電路將其進行放大、調制等操作。如今隨著半導體技術的發展，可以將傳感器信號調理與轉換電路和敏感元件都集成在同一芯片上，大大提高了集成度，方便用戶設計以及使用。

2.2 傳感節點技術

本系統以ZigBee無線傳感器網絡完成整個船舶設備信息的采集和傳送。無線傳感器節點功能組成由數據采集、數據處理、無線通信、能量供應四部分組成，具體結構組成如圖3所示。無線傳感器網絡節點以TI的CC 2530為核心，采用其內部集成的8051單片機進行傳感器節點的數據采集，選用TI的MC 34063作為電源輸入部分處理，并利用ZigBee無線網絡進行節點與節點之間的數據傳輸。整個無線傳感網絡避免了傳統船舶傳感網絡有線組網方式的布線復雜、可擴展性差[1,2]、安裝成本高、移動性能差等一系列弊端。

圖2 無線傳感器節點結構

2.3 RFID技術

一般來說，RFID 系統包含電子標簽、讀寫器、和數據管理系統三部分組成[3]。RFID 組件通過射頻識別技術，與數據采集之間通過非接觸式方式，采用雙工通信進行數據的發送和接受，對船舶電力設備的傳感節點進行數據采集及獲取。RFID 的核心器件是其中的儲存器件，又稱為電子標簽，組件中的讀寫器通過射頻無線電波來對電子標簽進行控制。RFID 具有諸多優點，比如識別過程無需人工干預，防磁、防水，耐高溫、讀取距離大、數據可加密、存儲數據容量大等。

2.4 無線通訊網絡

傳感器作為感知網絡中信號的發送者和接受者是整個監測系統的重要部分。ZigBee 作為一種短距離、復雜度低、低功耗的無線網絡技術[4]，它是介于無線標記技術和藍牙之間的技術方案[5]，在傳感器網絡等領域應用十分廣泛，按照組網結構分為星狀、樹狀以及網狀結構[6]，三種結構各有各的特點。本文基于物聯網的船舶狀態采集系統其傳感器通訊網絡由于船舶環境、節點數多以及分布較為零散，為了更高的可靠性，所以采取星形Zighee 無線網絡結構。

圖3 三種ZigBee網絡結構

2.5 數據融合技術

信息通信網絡技術傳感器節點的資源十分有限，主要體現在電池能量、處理能力、存儲容量以及通信帶寬等幾個方面。在收集信息的過程中采用各個節點單獨傳送數據到匯聚節點的方法是不合適的，因為該方式浪費通信帶寬和能量，降低了信息收集的效率。為避免上述問題，傳感器網絡在數據收集的過程中需要使用數據融合技術。數據融合是將多份數據或信息進行處理，組合出更有效、更符合用戶需求的數據的過程。

3 基于物聯網的船舶電力設備巡檢系統

電力設備狀態檢修主要由兩部分工作組成，分別是設備狀態的故障診斷和設備狀態的預測。其中，設備的故障診斷是設備狀態預測的基礎。只有準確地分析各歷史時間點的設備運行狀態才能科學地預測未來時間檢測點的設備故障情況。設備故障診斷是設備狀態檢修中最關鍵的環節。查找設備故障的原因是電力系統故障診斷的首要任務。只有我們找到引起系統故障的原因，才能對該設備正確合理的維修，并防止故障再次發生。因此，對電力設備故障信息進行系統化分析研究具有重要的意義。一般系統故障原因包括系統層次間的縱向、間接及外部成因等部分，通常將系統故障診斷過程分為5個方面，具體如下：

1）故障機理：系統設備狀態監測和故障診斷都是以故障機理作為依據的，設備故障不同則表現出的癥狀也就不同，不同的癥狀對應著不同狀態信號的變化。對這些變化進行研究，并找出每一種故障對應的故障特征，就能快速、準確地進行故障診斷。

2）系統狀態監測：主要任務是監測并獲取與電力設備運行有關的狀態信息。

3）故障特征信息提?。簩顟B監測采集到的設備狀態信息進行提取，并把相關的故障特征信息提取出來以便后續分析查證。

4）故障診斷：對第三步所提取的信息進行分析研究，并再次判斷系統是否運行正常，若已經出現異常，就根據此信息連同輔助信息一并查找故障源。

5）故障規劃決策：根據第四步提取的特征信息，對故障進一步的發展趨勢進行預測，并給出相應的預測決策。

基于物聯網的船舶電力設備巡檢系統分為如下子系統：

1）電力設備巡檢子站系統。主要負責船舶上電力設備的狀態數據采集，并將數據與便攜式電力設備巡檢以就地監控站進行通訊。

2）船舶便攜式電力設備巡檢以及分析子系統。主要功能是幫助巡檢人員進行數據顯示，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）電力設備巡檢主站系統。主要負責船舶上電力設備的狀態數據采集，分析和計算，并將數據與子站系統、便攜式電力設備巡檢以及通訊層進行通訊，同時對數據進行收集和存儲。

4）電力設備巡檢人員管理系統。主要通過便攜式設備收集巡檢人員巡檢時間，巡檢次數，集中收集在電力設備巡檢子站系統以及主站系統中，該子系統能直接反映工作人員巡檢質量同時側面反映設備故障周期。

4 結論

本文主要介紹了基于物聯網的船舶電力設備巡檢測系統，運用不同類型的傳感器組成無線傳感器網絡，并利用ZigBee 完成相互之間的通信，通過網關節點將數據傳輸給船舶巡檢總站以及便攜監測儀，完成數據的顯示和處理完成目前設備狀態分析。該系統省去了常規船舶巡檢系統中布線復雜的問題，并且大幅提高電網設備管理效率、電網運行管理水平、后期擴展能力，降低巡檢次數與時間[7-9]，具有廣闊的推廣價值和應用前景。

[1] 陶征, 張曉晶, 姚素雅, 于帥. 基于Zigee技術的智能家居網研究與設計[J]. 科技視界, 2014(16): 71-72.

[2] 楊長龍. 基于藍牙技術的智能家居控制其的研究與設計[D]. 北京工業大學, 2013.

[3] Trusted Computing Group. TCG Trusted Network Connect TNC Architecture for Interoperability Specifi-cation Ver1. 3Rev6[S].

[4] 王俠. ZigBee無線傳感器網絡的研究與應用[D]. 同濟大學, 2007: 1-73.

[5] 劉子京, 裴文江:基于ZigBee協議的無線傳感器網絡研究[J]. 計算機技術與發展, 2009(05): 192-194.

[6] 匡哲君. 無線傳感器網絡節能策略的研究[D]. 吉林大學, 2014.

[7] 李杰. 淺談提高變電運行管理效率與維護能力的措施[J]. 機電信息, 2013(33): 173-173.

[8] 張亞兵, 陳新亮, 孫瑞, 李擁春. 淺談如何提高電網調控運行管理水平[A]. 全國青年通信學術年會, 2013.

[9] 周濤.基于全壽命周期的電網主設備成本分析與應用研究[D]. 華北電力大學, 2012.

Inspection System of Marine Electrical Equipments Based on Internet of Things

Huang Chao, Wang Lei, Hu Shuangjing, Qiu Shi, Zhang Liang

(Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430064, China)

U665

A

1003-4862（2018）11-0027-03

2018-07-02

黃超（1978-），男，高級工程師。研究方向：電力系統。E-mail: 1245882722@qq.com