基于無線網絡的泵水集中指揮監測系統構建

王亮

(武昌船舶重工集團有限公司 設計研究院，武漢 430060)

某船建造過程中，潛水容器泵水試驗一次成功。容器泵水試驗涉及部門和人員較多，泵水過程中及時有效的指揮、協調是試驗順利完成的重要保證。運用泵水試驗自動化、數字化、可視化技術，能提高泵水試驗可靠性、安全性和生產效率，克服場地環境及人為因素影響。適應大型潛水容器泵水集中指揮監測的系統有無線網絡連接和有線連接兩種方式。有線方式應用音、視頻電纜實時傳輸聲音和視頻信號，有信號穩定，抗環境電磁干擾性強，制造成本低廉等優點；無線方式選用局域網傳輸數字信號，技術先進，電纜連接少，調試簡單，容錯性好，安裝時間少。結合泵水試驗場地、工裝及泵水試驗技術積累現狀，選用無線網絡構建泵水集中指揮監測系統。

1 系統設計與實施

1.1 系統操作功能需求

1)泵水試驗過程中，指揮員能通過該系統隨時向參試崗位人員發布指令。

2)各參試崗位能通過該系統及時回復口令。

3)指揮員能監控重要部位，及時掌握試驗動態。

1.2 泵水指揮系統設計主要內容

1)系統功能。

2)系統對泵水試驗現場的適應性。

3)系統設備設施硬件搭建。

4)系統控制軟件設計。

5)系統快速安裝及調試設計。

1.3 系統設計與構建難點

1)容器體積龐大，不可移動，泵水試驗的地點不能固定，同時是施工場地，前后都還有復雜的施工作業;此外，安裝、拆卸的時間有限，還要求轉運、存儲。

2)現場噪聲干擾大，泵水一般在船廠廠房施工場地就地進行，周圍同時常常伴有其他船舶建造施工作業，長期存在大功率通風泵機作業、砂輪機除銹打磨、氧割氣刨電焊、變形校正敲擊等噪音源。

3)船廠廠房回音效果嚴重，非常容易產生強回響和嘯叫。

4)存在電源安全問題。船廠施工現場220 V交流電源為非安全電壓，泵水過程中人員較多，電源線的布置和鋪設、保護較為復雜。

5)關于遠端設備安裝。系統除了主機外，現場需布置麥克風、攝像頭等10個到16個遠端設備，設備的安裝與接線不能影響作業人員的行動。

1.4 系統組成

系統主設備包括指揮控制中心與現場監測設備組成，指揮控制中心由指揮控制臺(包括觸摸屏、麥克風、指揮員無線手持機與藍牙耳麥)、集中大屏、主控控制柜(內含主控機與主控軟件、無線對講指揮控制系統、無線視頻錄像機與視頻監控軟件、無線網絡傳輸系統、壓力測量模塊與應用軟件)組成。遠端包括視頻監測攝像頭(壓力點監測、主場監測、獨立視頻監測)、無線APP、監控人員無線手持機與藍牙耳麥、壓力傳感器等。在指揮控制中心配備無線話筒、前級控制器、無線定向擴音器組成的廣播系統，系統主設備見圖1。

圖1 系統組成

2 系統功能實現

1)指揮功能。

指揮員可隨時向所有崗位發布指令，崗位可回復指揮員指令、報告試驗情況?？蛇M行：

①點對點通話；②多方通話；③分組通話、呼叫組；④呼叫等待；⑤廣播；⑥插講拆講；⑦屏蔽個人、屏蔽多人、屏蔽組；⑧廣播音量控制；⑨通話錄音、廣播錄音。

2)試驗過程的實時監測。

在試驗過程中，指揮員可對最大9個重要部位同時或分別監視。

①壓力表監視；②現場監視;③關鍵部位監視；④集中大屏顯示；⑤分屏顯示。

3)壓力測量與監控。

①數字壓力測量；②集中大屏顯示；③分屏顯示。

4)能夠完整地將整個試驗過程轉換為數據，記錄并可回放。

3 系統實現流程

指揮員同時在指揮控制臺觸摸屏主控界面按下試驗開始按鈕，系統開始工作，啟動無線視頻監控系統、泵壓測量系統進入工作狀態，指揮員通過指揮控制臺上的定向麥克風向現場全體人員發布試驗開始命令(可同時戴藍牙耳麥，通過無線網絡廣播)，試驗期間可以耳戴藍牙耳麥通過無線手持機利用無線網絡與現場監控人員進行點對點、點對多點、廣播三種通話方式。所有的對話內容均保存在指揮控制中心的錄音服務器內，可供事后查詢。所有的視頻監測點視頻通過無線網絡傳輸到指揮控制中心，保存在視頻硬盤錄像機內，并且實時顯示在集中大屏與觸摸屏上。所有壓力傳感器實測數據通過無線傳輸方式實時送人指揮控制中心的泵壓采集模塊內，經過泵壓采集軟件數字化分析處理后，在指揮中心的觸摸屏及集中大屏顯示。指揮員可根據視頻壓力數據與采集的壓力值發布控制泵的啟停命令。

4 系統硬件構建

1)指揮控制臺。指揮控制臺上的臺面上布置觸摸屏，2～4個無線手持話筒。集中大屏可位于指揮控制臺的正前方。觸摸屏用于指揮操作控制，集中大屏用于所有視頻與壓力值的實時刷屏顯示。

2)指揮控制設備。指揮控制設備置于兩個2個控制柜內，控制柜帶把手，便于搬運。一臺控制柜內置工控計算機與壓力采集模塊，以及接口調理模塊、供電模塊和接口箱。另一臺控制柜內置、視頻錄像硬件設備、無線網絡設備、以及無線對講指揮、控制設備、供電模塊。 工控計算機是整個指揮中心的核心 ，系統主控軟件、無線對講指揮控制軟件、視頻控制軟件、壓力采集軟件均在工控計算機上運行。

3)無線定向廣播系統。 無線定向廣播系統是一套便攜式設備，用于指揮中心的指揮員在嘈雜的試驗現場發布指令。

4)無線對講指揮控制與視頻監控系統采用成熟的語音呼叫無線會議系統與視頻監控系統搭建，其系統拓撲圖見圖2。

圖2 無線對講與視頻監控拓撲圖

5)錄音系統(OM-Recording)。錄音管理系統用于對OM系列IP電話系統和MX系列語音網關產生的電話錄音及集中管理，提供查詢與管理，統計分析，權限管理，安全與備份等功能。

6)通話會議平臺(OM-meeting)。會議系統可通過SIP中繼與OM系列IP-PBX對接，內部分機可直接參會?？梢酝ㄟ^通話會議平臺軟件設置點對點、廣播、通話會議等通話方式以及聯入無線網絡的電話或手持機進行管理。

7)無線網絡。采用的無線wifi網絡為獨立的封閉局域網絡。接入層采用安全智能接入交換機；在熱點區域部署RG-AP720-L無線覆蓋。因本系統為獨立的封閉系統，不設計與外網接口，本系統無線網絡覆蓋區域為60 m直徑范圍。

8)泵壓監測。泵壓監測控制系統實現對多個泵壓壓力的實時測量與無線傳輸，所測壓力數據通過獨立的無線傳輸鏈路，送到指揮中心泵壓控制系統。所測的泵壓實時數據可以在指揮中心主控觸摸屏、集中大屏上進行實時顯示。

5 系統軟件設計

軟件開發采用圖形化編程平臺LabVIEW。

5.1 系統軟件

系統軟件由主控軟件、無線對講指揮控制模塊(含錄音管理系統與電話會議系統)、視頻監控管理模塊、壓力監測控制模塊、應變監測模塊組成。主控軟件系統是系統的指揮控制中心，主要完成人機交互、各個子模塊調用、數據保存處理、文件管理等功能。

5.2 人機界面

1)主界面。主界面顯示菜單選項、試驗開始控制按鈕、子模塊調用、退出系統按鈕等。

2)無線對講指揮控制界面。點、點對多、或廣播方式；在試驗開始時默認為廣播方式，試驗過程中可以隨時改變設置進行多種對講方式。

3)錄音管理系統界面。錄音管理系統對試驗過程中所有的通話進行查詢、回放、報警等管理，由錄音管理、統計分析、監控告警、操作痕跡、備份管理、組織架構、權限管理和系統設置功能模塊組成。

4)播放錄音界面。對查詢得到的錄音記錄，可選點某條播放。錄音播放時可進行錄音評分、打標簽等操作。

5)其他高級功能界面。錄音管理系統提供對運行過程中各類異常事件的監控和實時告警。

6)視頻監控管理界面。視頻監控管理模塊完成所有視頻監測點視頻攝像頭的設置、視頻信息流傳輸、保存、顯示功能。

7)壓力采集與顯示界面。系統中多路泵壓力監測點實測值在一個界面上進行實時顯示。壓力監測數據可以投射到集中大屏上與視頻監控畫面同時顯示。

8)大屏顯示切換界面。大屏顯示內容與指揮控制臺的液晶顯示器內容完全一致。大屏默認顯示內容是所有重要監測點視頻與壓力監測點實測數據同屏顯示，大屏上顯示三塊內容，第一是現場視頻顯示，第二是壓力表視頻顯示，第三是壓力傳感器實測值顯示，并且可以以曲線或圖柱方式顯示出試驗的幾個階段：如加壓階段，穩壓階段，泄壓階段等。

5.3 系統涉及的關鍵技術

1)降噪技術措施。

①指揮話筒采用數字定向麥克風，以避免指揮員說話時把附近的其他雜音干擾，數字消除嘯叫；

②與電話機和手持機相配的藍牙耳麥采用自適應降噪麥克風、消減環境噪聲；WINDSMART 智能風技術檢測風的方向，自動對應降噪。

2)無線網絡傳輸加密技術。

系統搭建的無線wifi局域網在建網、節點接入、與傳輸過程中采用多層防護加密技術，以保證系統無線傳輸信息的保密性。防護加密技術包括：①物理隔離；②唯一物理地址與密碼接入；③無線wifi網絡接入控制加密與傳輸加密技術。IEEE802.1X 為基于端口的訪問控制協議,其目的是在用戶接入網絡的入口處實現接入控制。IEEE802.1X?；贏ES 的有CCM和OCB 兩種加密模式。由于無線局域網絡是一個多層運行模式，將各層的安全協議與安全技術有機的整合在一起，構建成一個安全運行的網絡體系。

3)分系統之間協調運行管理控制。系統涉及的信息流有音頻信息流、視頻信息流、測量傳感數據流(模擬、數字、串口通信)。這些數據流都需要同時實時無線傳輸、保存、分析處理控制、集中大屏顯示與分屏顯示，采用分模塊、搭積木式的方法，對無線對講指揮控制的語音音頻信號及視頻監控視頻信息流分別進行保存，將需要實時處理的壓力實測數據保存在主控機數據庫中，事后由主控軟件調用語音管理軟件、視頻監控軟件進行查詢以及回放。無線對講方式指揮控制、視頻監控數據與壓力監測數據監測控制利用切屏、分屏、多屏等顯示控制技術實現系統需要的主控界面切換、主控界面向集中大屏的投射、集中大屏同時顯示視頻監控畫面與壓力實測數據的需求。

系統的主控軟件完成以上分系統之間協調運行管理控制。

4)系統抗干擾措施。系統無線傳輸均轉換為數字信號再進行傳輸，以保證傳輸過程中數據的準確性。

5)系統安全性。從以下幾方面保證系統安全性。

①保證無線對話指揮系統在試驗過程中的通暢；②所有監測點的不間斷視頻監控。

6)其他。視頻攝像頭選用紅外攝像，使得在監控現場能見度低的情況下也能清晰拍攝監控點；視頻攝像頭安裝位置固定安裝在無振動、近距離安裝，以保證拍攝畫面清晰、不失真。

6 轉運設備設計

泵水指揮系統所有分系統及其組件均按類別存放在安全箱中，并進行專門標識，使用時取出快速組裝形成整體系統，方便轉運和集中管理、存放。

指揮臺采用模塊化設計和人機工程學設計，主體為立式或臺式結構，臺面、支撐結構、附件、觸摸屏、控制主機、各控制系統等均可快速拆裝，快速安裝組成指揮臺，快速拆開，放置到專用的轉運箱中，方便轉運和集中管理、存放。 見圖3。

圖3 指揮臺快速拆裝示意

視頻顯示中心由無線視頻處理器和大屏幕組成，采用多屏拼接的方式實現大屏幕顯示，不使用時，將屏幕和支架拆開，放置到專用的轉運箱中，方便轉運和集中管理、存放。見圖4。

圖4 視頻顯示中心快速拆裝

7 應用驗證

系統設備已應用于多型潛水容器的泵水試驗，總體運行情況正常，能如實記錄泵水試驗的全過程。壓力傳感器輸出穩定，形成的壓力曲線直觀、有效，可以簡單明了地表述試驗操作及試驗數據；指揮系統聲音可以清晰傳遞信所有參試人員；試驗過程記錄良好，保存完整。

針對現場應用中反應的不足，作相應的修改完善。

1)攝像頭輸出畫面有滯后現象。通過加大傳輸路由器帶寬，減少攝像頭子流碼等技術手段，后期有明顯改善，已經無卡頓現象。

2)機械壓力表攝像頭成像倍率較小，不能高清顯示在超大顯示器上。更換攝像頭后可以清晰顯示。

近期，系統使用于新型潛水容器泵水試驗，設備運行良好，問題得到解決，滿足試驗需求，達到了設計要求。