基于北斗的船舶設備數據采集與管理系統設計

李 海，楊 超

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基于北斗的船舶設備數據采集與管理系統設計

李 海，楊 超

（渤海造船廠集團有限公司，遼寧葫蘆島 125000）

在造船領域，航運公司需要能夠實現船岸一體化的船舶來滿足船東需求。本文基于衛星通訊技術研究了能夠對船舶設備數據進行采集和管理的系統，詳細介紹了需要采集的船舶數據對象，并設計了硬軟件采集方案和網絡通訊方案，有利于實現對于船舶的遠程監管，推進航運公司的現代化高技術管理，促進船岸一體化的發展。本文對船舶智能化的研究具有指導意義。

衛星通訊 船舶參數 數據采集 網絡通訊

0 引言

隨著衛星通信技術的發展，我們克服了遠距離傳輸信息的困難，能夠迅速傳輸大量數據信號，實現無縫對接，它是建立全球通信必不可少的手段。衛星通信技術讓遠距離傳輸船舶設備數據從理論變成了可能，然而由于船舶上設備繁雜，參數眾多，通訊接口種類較多且不統一，對與數據的收集和傳輸產生了不小的困難。本文通過研究通用的數據采集管理技術來解決以上問題，實現傳輸的順暢，提升船岸一體化的通信水平。

1 數據采集對象

根據實際情況，數據采集對象面向整個船舶，包括船舶的外部靜態動態信息（如船長、船寬、吃水、航向、航速等）和內部設備信息（如主機、發電機、電站、鍋爐等設備相關參數）。表1列出的為需要采集的數據對象。

2 數據采集硬件設計

本文應用西門子公司的S7-200系列的PLC。PLC能夠完成數/模（D/A）、模/數（A/D）、數據處理、轉換、通信聯網、實時監控等功能[1]。從船舶設備處傳來的數據經過開關量輸入（D/I）、開關量輸出（D/O）、模擬量輸入（A/I）、模擬量輸出（A/O）四個模塊后進入PLC。

機艙設備采集層使用現場總線，現場設備網絡是一種開放式的網絡標準，系統管理層采用Modbus協議，實現PLC主控模塊與計算機之間的通信，將機艙信息數據傳輸到數據服務器[2]。采集來的數據通過羅經甲板上的衛通設備利用衛星把信息傳到岸上接收站，完成船舶設備數據的采集管理及傳輸過程，也可存儲在數據庫中。

表1 數據采集對象

3 數據網絡通訊方案

本文研究的數據傳輸為基于衛星通信的通訊方案。考慮到所涉及船舶的運營范圍、衛星通訊信號覆蓋地區、傳輸信號準確性、使用便捷性以及通訊成本等因素，決定使用國產北斗衛星通訊系統完成通訊方案設計。

3.1 北斗衛星導航系統

北斗衛星導航系統由空間段、地面段和用戶段三部分組成，可在全球范圍內全天候、全天時為用戶提供高精度高可靠性的定位、導航、授時服務；具有雙向短報文通信能力，能夠一次傳遞40~60字的短報文。

北斗衛星導航系統定位精度為水平10米，高程10米；測速精度0.2米/秒；授時精度20納秒。其中亞太地區定位精度為水平5米，高程5米。

3.2 北斗衛星通訊關鍵技術

3.2.1 數據壓縮

由于衛星通信存在傳輸延時大的缺點, 為實現數據的高速傳輸，可以采用數據壓縮技術來降低延時。

北斗接收數據壓縮軟件有三個組成部分：實時壓縮軟件、檢查壓縮軟件和手工壓縮軟件，見圖1。實時壓縮軟件和數據接收軟件集成在一起，將當前最新接收完生成的數據文件及時進行壓縮。檢查壓縮軟件檢查數據接收目錄，壓縮未壓縮的數據。手工壓縮軟件直接選擇指定目錄，對目錄中的數據壓縮。

圖1 北斗數據壓縮軟件組成圖

3.2.2斷點續傳

斷點續傳指的是在下載或上傳時，將下載或上傳任務人為的劃分為幾個部分，每一個部分采用一個線程上傳或下載。如遇信號中斷，則在網絡恢復后在斷點處繼續上傳下載未完成部分

3.2.3糾錯編碼技術

循環冗余檢驗碼CRC屬于現行糾錯碼。其算法基本思想是對信息做一個多項式除法運算，得到校驗位，并將其加在原信息數據后面，在信息接收端對所收到的數據做同樣的計算。如果計算結果不匹配則進行一系列的糾錯或者其他能消除錯誤的措施[3]。

3.3.4 擴頻通信技術

擴頻技術能夠克服衛星通信信道開放性帶來的隱蔽性差、抗干擾能力弱等缺點。擴頻主要有直接序列擴頻、跳變頻率、跳變時間和線性調頻等4種基本工作方式。

3.3 北斗衛星通訊

在微波通信和航天技術基礎上發展起來的新興無線通信技術。

4 數據采集和通訊系統設計

4.1 CAN總線

這是一種用來傳輸電子數據的串行總線。

CAN總線傳輸速率提高。對于標準幀，除去仲裁域、控制域等，一幀數據能夠傳輸的有效位數僅為64位，CAN總線最大傳輸速率只有lMbps。在傳輸速率一定的情況下可以通過兩種方法提高總線利用率，增加數據傳輸量：一種就是制定合理的應用層協議；另一種是增加消息對象數量。

最小二乘法修正補償采集誤差。對于采編變換器，由于各路信號的處理方式一致，共同通過同一分壓網絡，因此誤差形式一致，可以通過最小二乘法來修正誤差。使用最小二乘法對采集結果進行修正前首先要確保被采信號準確穩定。

通過Origin軟件對采集到的數據進行最小二乘線性擬合，將擬合結果輸入到上位機軟件，經過修正后的結果與實際值偏差明顯減小，從而達到誤差修正和精度補償的效果[4]。

4.2 Anybus 網關

Anybus是允許工業設備通過有線或者無線的方式和任意現場總線進行通訊協議轉換的模塊，即網關。

4.3 串口通信

常見的串口通信有三種：RS-232，RS-485，RS-422。我們以RS-485為例介紹。

RS485通信協議是半雙工異步通信協議，在某一個時刻，一個設備只能進行發送數據或接收數據。主要的通信參數有以下幾個：波特率、奇偶校驗位、停止位和數據位長度。接口協議采用標準的RS485串口通信協議，參數定義如下：波特率：9600bps；起始位：1位；數據位：8位；停止位：1位；無奇異校驗位。

程序運行流程如圖2所示。

圖2 RS485采集模塊程序運行流程圖

需要在硬件初始化時配置使用USART端口的流控制功能。在空閑狀態下，RS485接口處于接收狀態，有數據需要發送時，RS485再切換到發送狀態。

4.4 Modbus通訊協議

通訊協議有統一標準的協議格式，如Modbus協議。通用Modbus接口為RS-232C兼容串行接口，同樣也可兼容RS-485接口，其對連接器的信號位、引腳、傳輸波特率、奇偶校驗以及電纜做出了有效的定義。控制器不僅能夠直接地組網，也能間接地利用調制解調器完成組網[5]。

Modbus協議詳細定義了數據幀格式，是特定數據交換的必要內容。Modbus協議只允許在主機和從機之間通訊，而不允許數據在獨立的從機之間交換[6]。

4.5 基于雙冗余的數據采集系統設計

圖3 雙冗余數據采集系統結構圖

數據采集系統設計為雙冗余系統，如圖3所示。藍色為Profibus-DP總線，連接網口和交換機，組成一套數據采集系統；橘黃色為CAN總線，通過Anybus網關連接各數據采集部分形成閉環系統，此為第二套數據采集系統。這兩套數據采集系統互為備份。

來自機艙集控室、駕駛臺、船舶電站和船舶輔助設備的實時參數經過DI、DO、AI、AO四個模塊后進入西門子PLC中，經處理到達控制器并分為兩路：一路傳到網口，把數據送到交換機中；一路經過控制器/Anybus轉換器到Anybus網關，進入CAN總線中。

主機/遙控系統通過Modbus采集數據，然后分為兩路：一路經Modbus/Anybus轉換器傳到CAN總線；一路經網口傳遞到交換機。

來自VDR、發電機和鍋爐的參數分別由各自的采集設備采集，經過串口通訊同樣分為兩路：一路通過網口進入到交換機中；一路通過串口通訊/Anybus轉換器進入CAN總線。

5 結語

隨著數據采集和通訊技術的發展，目前航運公司的船舶管理開始往船岸一體化方向發展。本文對船舶設備數據的采集管理系統進行研究，把繁雜的設備、參數、接口以及通訊協議用通用的技術統一在一起，便于減少數據傳遞和處理的時間，同時對船舶的運營狀態做到及時的監測管理，也為以后智能船舶的發展做了有益的幫助。

[1] 張春燕. 基于GPRS的太陽能游覽船舶無線監控管理系統研發[D]. 廈門: 集美大學, 2014.

[2] 趙炎. 船舶機艙設備運行數據采集系統的研制[D]. 廈門: 集美大學, 2013.

[3] 王棟. 基于CRC的多比特糾錯算法研究與實現[D].西安: 西安電子科技大學, 2013.

[4] 宋全偉. 基于CAN總線的高精度采集轉發裝置關鍵技術研究與設計[D]. 太原: 中北大學, 2016.

[5] 田力. 基于MODBUS的艙室環境參數監控系統[D].天津: 天津大學, 2017.

[6] 郝盛強. 基于4G的工業遠程通信平臺設計[D]. 哈爾濱: 哈爾濱理工大學, 2018.

Research on Intelligent Monitoring and Diagnosis of Marine Diesel Engine

Li Hai, Yang Chao

(Bohai Shipyard Group Co. LTD., Huludao125000, Liaoning, China)

TN919

A

1003-4862（2019）06-0010-04

2018-12-13

李海(1971-)，男，高級工程師。主要從事船舶調試技術工作。E-mail: 15902791474@qq.com