李本銀， 張耕實， 嚴浙平， 徐　健

(哈爾濱工程大學 自動化學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

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游艇狀態(tài)遠程監(jiān)測系統(tǒng)設計*

李本銀， 張耕實， 嚴浙平， 徐健

(哈爾濱工程大學 自動化學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

摘要:為彌補現(xiàn)有游艇管理方式的弊端，使遠在異地的船東及時掌握游艇狀態(tài)信息，設計了游艇狀態(tài)遠程監(jiān)測系統(tǒng)。首先，基于無線通信組網(wǎng)與傳感器技術，提出系統(tǒng)組成方案；為獲取游艇發(fā)動機轉速及油耗等重要狀態(tài)信息，將發(fā)動機附體上安裝的振動傳感器電壓信號映射為單點虛擬振動功率，通過樣條插值方法實現(xiàn)發(fā)動機轉速與單點虛擬振動功率的擬合；以發(fā)動機油耗系數(shù)表征油耗與轉速的對應關系；開展了游艇狀態(tài)監(jiān)測實艇試驗。試驗結果表明:本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對游艇發(fā)動機轉速、油耗和位置、航向、航速等狀態(tài)信息的監(jiān)測，并在游艇駛出安全區(qū)域、發(fā)動機空轉等異常狀況發(fā)生時給出報警信息，具有較高實用價值。

關鍵詞：游艇； 狀態(tài)監(jiān)測； 無線通信； 傳感器技術

0引言

近年來隨著經(jīng)濟的增長，游艇產(chǎn)業(yè)得到長足的發(fā)展，部分機構和企業(yè)及中高收入者成為游艇的主力消費群體[1]。事實上，船東在大部分時間將游艇交由游艇俱樂部代為管理，這種游艇管理方式的弊端在于，遠在異地的船東無法及時了解游艇的狀態(tài)，甚至在發(fā)生游艇駛出安全區(qū)域或者游艇發(fā)動機空轉運行等異常狀況時也毫不知情[2]，因此，迫切需求一種能夠監(jiān)測游艇狀態(tài)信息并及時報告給異地船東的系統(tǒng)，以彌補現(xiàn)有游艇管理方式的不足。

文獻[3]所提出的游艇監(jiān)控裝置及系統(tǒng)和文獻[4]所提出的游艇導航系統(tǒng)均能夠?qū)τ瓮承顟B(tài)進行監(jiān)測，并與位于岸上的主控室或者管理中心進行無線通信，以實現(xiàn)信息交互，但是，由于二者目的分別是使主控室內(nèi)的監(jiān)控人員了解游艇狀態(tài)信息以保證游艇駕控人員的安全和為游艇駕控人員提供導航信息，而游艇狀態(tài)信息最終沒有提供給遠在異地的船東。

本文設計的游艇狀態(tài)遠程監(jiān)測系統(tǒng)在實現(xiàn)準確監(jiān)測游艇的發(fā)動機轉速、油耗和位置、航向、航速等狀態(tài)信息的基礎上，還能夠?qū)⒂瓮顟B(tài)信息以及游艇發(fā)生的異常狀況通過3G無線網(wǎng)絡報告給遠在異地的船東，使船東及時了解游艇狀態(tài)信息。

1游艇狀態(tài)遠程監(jiān)測系統(tǒng)的組成與功能

無線網(wǎng)絡通信技術及傳感器技術在船舶信息化進程中逐步發(fā)揮重要作用，為游艇狀態(tài)遠程監(jiān)測系統(tǒng)的方案設計提供了技術保障[5～8]。

如圖1所示，游艇狀態(tài)遠程監(jiān)測系統(tǒng)由三個部分組成，

即：游艇狀態(tài)監(jiān)測終端設備(即監(jiān)測終端)、遠程管理中心(即管理中心)、異地客戶終端(即客戶終端)，其中，客戶終端是指運行客戶終端應用程序的智能手機或者計算機。游艇狀態(tài)遠程監(jiān)測系統(tǒng)的三個組成部分相互遠離：監(jiān)測終端與管理中心之間采用3G網(wǎng)絡進行無線通信；客戶終端與管理中心之間通過互聯(lián)網(wǎng)以有線或者無線方式進行通信；監(jiān)測終端與客戶終端不直接進行通信。

圖1　游艇狀態(tài)遠程監(jiān)測系統(tǒng)的組成與其他設施的連接Fig 1　Composition of yacht condition remote monitoringsystem and its attachment to other facilities

游艇狀態(tài)遠程監(jiān)測系統(tǒng)的三個組成部分協(xié)同工作，實現(xiàn)的功能分別是：

1)監(jiān)測終端：實時監(jiān)測游艇發(fā)動機轉速、油耗和游艇位置、航向、航速等狀態(tài)信息，并存入存儲器；當發(fā)生游艇駛出設定的安全區(qū)域和游艇發(fā)動機空轉運行等異常狀況時向管理中心發(fā)出報警信息；按照設定的周期由存儲器讀取游艇狀態(tài)信息并發(fā)送到管理中心；響應船東在客戶終端通過管理中心發(fā)來的參數(shù)設置命令，修改相應的工作參數(shù)。

2)管理中心：存儲由監(jiān)測終端發(fā)來的游艇狀態(tài)信息，供船東查詢；將監(jiān)測終端發(fā)來的異常狀況報告發(fā)送至客戶終端以及時通知船東；當船東在客戶終端發(fā)來對監(jiān)測終端設置的參數(shù)時，將設置的參數(shù)發(fā)送至監(jiān)測終端。

3)客戶終端：船東通過客戶終端訪問管理中心，可以隨時了解游艇狀態(tài)信息和游艇發(fā)生的異常狀況；船東通過客戶終端對監(jiān)測終端的部分參數(shù)進行設置，并將設置的參數(shù)發(fā)送至管理中心。

監(jiān)測終端始終保持工作狀態(tài)以完成對游艇狀態(tài)信息的實時監(jiān)測和對異常狀況的及時報告，其工作過程能夠全面地反映出游艇狀態(tài)遠程監(jiān)測系統(tǒng)的工作過程。

2游艇發(fā)動機轉速與油耗測量原理

游艇的位置、航向、航速信息可以由雙天線差分GPS模塊直接獲得，原理較為簡單；相比之下，根據(jù)振動傳感器輸出的電壓信號測量發(fā)動機轉速與油耗的方法就比較復雜。

發(fā)動機轉速與油耗測量方法是：在每個發(fā)動機的附體上安裝一只振動傳感器，將其輸出的電壓信號經(jīng)A/D板輸入到監(jiān)測終端的處理器，由該電壓信號定義了表征振動傳感器安裝點處振動強烈程度的單點虛擬振動功率，測得單點虛擬振動功率后，根據(jù)以先驗試驗數(shù)據(jù)按照三次樣條插值方法擬合的轉速—單點虛擬振動功率對應關系即可得到發(fā)動機轉速；又定義了表征發(fā)動機轉速與瞬時油耗關系的油耗系數(shù)，該油耗系數(shù)由先驗試驗數(shù)據(jù)估計得出，根據(jù)發(fā)動機轉速與油耗系數(shù)能夠得到單個發(fā)動機的瞬時油耗，進而可以得到當前時刻游艇的累積油耗。

2.1發(fā)動機轉速測量原理

監(jiān)測終端輸出游艇狀態(tài)信息的周期定義為狀態(tài)更新周期，對一個狀態(tài)更新周期內(nèi)振動傳感器所采集的電壓信號進行中位均值濾波，得到中位均值電壓VM，假設VM作用于單位電阻，其功率定義為單點虛擬振動功率PV

(1)

試驗結果表明單點虛擬振動功率與發(fā)動機轉速具有很強的正相關性，但二者之間不是嚴格的線性關系，須借助精度滿足工作要求的轉速表對這一對應關系進行擬合，則根據(jù)這一擬合關系，通過測量單點虛擬振動功率即能夠?qū)崿F(xiàn)轉速測量。由于發(fā)動機在一定轉速下，附體振動的強烈程度是由發(fā)動機自身及游艇的內(nèi)部結構所決定的，是相對穩(wěn)定的，因此，轉速與所定義的單點虛擬振動功率之間的關系是相對穩(wěn)定的，根據(jù)擬合關系由后者得出前者是合理的[9～11]。

通過先驗試驗數(shù)據(jù)得到樣本點(PV1，n1)，(PV2，n2)，…，(PVm，nm)，其中,PV1，PV2，…，PVm表示發(fā)動機穩(wěn)定在不同轉速時，由振動傳感器輸出的原始電壓信號計算得到的數(shù)值相異的單點虛擬振動功率，n1，n2，…，nm表示以轉速表測得的對應的轉速標準值。令

itp_PV=[PV1,PV2,…,PVm],

(2)

itp_n=[n1,n2,…,nm].

(3)

以序列itp_PV和itp_n作為樣本點，應用三次樣條插值方法進行擬合，得到單點虛擬振動功率PV與發(fā)動機轉速n的分段遞增對應關系[12,13]

n=gi(PV),PV∈[PVi,PVi+1),i=1,2,…,m-1,

(4)

式中gi為單點虛擬振動功率PV與轉速n在功率區(qū)間[PVi，PVi+1)內(nèi)的對應關系(i=1，2，…，m-1)，U為單點虛擬振動功率所有可能取值的集合。

實際應用中，對于各個發(fā)動機，由振動傳感器輸出的原始電壓信號得到單點虛擬振動功率后，即可由式(4)計算發(fā)動機轉速。

2.2游艇發(fā)動機油耗計算原理

游艇發(fā)動機通常采用螺旋推進器，推力計算公式為[14]

(5)

式中FT為發(fā)動機推進器螺旋槳的推力；t為推力減額系數(shù)；ρ為水密度；DP為螺旋槳直徑；KP為無因次推力系數(shù)；n為發(fā)動機轉速。

發(fā)動機推進器的推進速度vT與其轉速成正比

vT=KT·n,

(6)

式中KT為常數(shù)，則發(fā)動機消耗的功率為

(7)

定義單位時間消耗的燃油(汽油或柴油)體積為油耗率(L/s)，記為Rc，則

Rc=λ·Pc,

(8)

式中λ為常數(shù)((L/s)/W),令

(9)

定義Kc為油耗系數(shù)((L/s)/(r/min)3)，則

Rc=Kc·n3.

(10)

可見，油耗率與發(fā)動機轉速的三次方成正比，它們之間的關系可由油耗系數(shù)Kc表征。發(fā)動機在一個狀態(tài)更新周期內(nèi)消耗燃油的體積為

VU=Rc·TU.

(11)

游艇上全部q個發(fā)動機在一個狀態(tài)更新周期內(nèi)消耗燃油總體積為

(12)

Vc=Vc+VU_sum.

(13)

3游艇狀態(tài)監(jiān)測實艇試驗

以游艇狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測終端對某游艇進行狀態(tài)監(jiān)測實艇試驗，該游艇裝配一個發(fā)動機，型號為沃爾沃D3—220A—E游艇柴油發(fā)動機，振動傳感器與發(fā)動機的連接方式如圖2所示。

圖2　振動傳感器與游艇發(fā)動機的連接方式Fig 2　Connection mode of vibration sensor and yacht engine

對游艇所在海域建立平面坐標系，原點取為游艇停泊的位置，縱軸、橫軸分別表示北向、東向位置。由工作人員駕駛游艇出海航行，直至所加入的燃油耗盡，在此期間對游艇的發(fā)動機轉速、油耗和位置、航向、航速等狀態(tài)進行監(jiān)測。實驗結果如圖3～圖9所示：圖3表示游艇的航行軌跡；圖4、圖5、圖6分別表示由雙天線差分GPS模塊獲取的游艇位置、航向、航速信息，其中，航向是指北偏東的角度；圖7表示發(fā)動機轉速測量值、標準值以及二者之間的誤差；圖8表示游艇累積油耗的變化；圖9顯示了報警信息。

圖3　游艇航行軌跡Fig 3　Trajectory of yacht

圖4　游艇位置信息Fig 4　Position information of yacht

圖5　游艇航向Fig 5　Heading of yacht

圖6　游艇航速Fig 6　Velocity of yacht

圖7　發(fā)動機轉速測量值、標準值以及二者之間的誤差Fig 7　Measured and true values of engine rotationalspeed and error

圖8　游艇油耗Fig 8　Fuel consumption of yacht

圖9　報警信息Fig 9　Alarm information

由圖4看出，游艇由A點出發(fā)，到達B點時駛出安全區(qū)域，到達C點時又進入安全區(qū)域，繼續(xù)航行一段時間，到達D點時停止航行。對比圖6與圖7(a)，在約690～740 s期間游艇航速幾乎為0，而發(fā)動機轉速不為0，即發(fā)動機處于空轉運行狀態(tài)。試驗過程中，實際加入的燃油體積為0.500 L，而游艇航行結束時監(jiān)測到的累積油耗體積為0.487 L。

試驗結果表明:游艇狀態(tài)遠程監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測終端能夠完成對游艇位置、航向、航速以及發(fā)動機轉速、油耗等狀態(tài)信息的監(jiān)測，尤其是所采用的基于單點虛擬振動功率的轉速和油耗測量方法，轉速測量誤差在±30 r/min以內(nèi)，累計油耗的相對測量誤差2.60 %，精度均能夠達到工程應用的要求；此外，在發(fā)生游艇駛出安全區(qū)域(圖9中，約310～910 s)以及發(fā)動機空轉運行(圖9中，約690～740 s)等異常狀況時監(jiān)測終端能夠及時發(fā)出相應的報警信息。

4結論

本文提出游艇狀態(tài)遠程監(jiān)測系統(tǒng)的設計方案，介紹了該系統(tǒng)的組成與功能，詳細闡述了應用振動傳感器測量發(fā)動機轉速和油耗等狀態(tài)信息的原理，進行了游艇狀態(tài)監(jiān)測的實艇試驗。試驗結果表明：方案設計合理、有效，能夠?qū)崿F(xiàn)對游艇的位置、航向、航速以及發(fā)動機轉速、油耗等狀態(tài)信息的監(jiān)測，測量精度滿足工程應用要求；并且在發(fā)生游艇駛出安全區(qū)域、發(fā)動機空轉運行等異常狀況時給出報警信息，從而保證遠在異地的船東能夠及時掌握游艇狀態(tài)信息，財產(chǎn)權益得到有效維護。

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Design of yacht condition remote monitoring system*

LI Ben-yin, ZHANG Geng-shi, YAN Zhe-ping, XU Jian

(College of Automation,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China)

Abstract:Yacht condition remote monitoring system is designed to overcome defect of present management mode for yacht,so owners can be informed of the yacht condition.Scheme of system constitution is presented based on wireless communication networking technology and sensor technology;in order to obtain essential condition parameters of yacht,such as rotational speed of engines and fuel consumption,single point virtual vibration power(SPVVP)is defined from the voltage signals by vibration sensors mounted on the engines of the yacht,and correspondence between rotation speed and SPVVP is fitted through cubic spline interpolation.Fuel consumption coefficient is introduced to represent corresponding relationship between fuel consumption and rotational speed.yacht condition monitoring experiment is performed.Experimental results show that yacht condition remote monitoring system can realize yacht condition parameters and transmit alarm information in some sudden cases,which demonstrates the system has high practical value.

Key words:yacht； condition monitoring； wireless communication； sensor technology

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)03—0060—04

收稿日期：2016—01—08

*基金項目：國家自然科學基金資助項目(51179038)

中圖分類號：TP 212.9

文獻標識碼：A

文章編號：1000—9787(2016)03—0060—04

作者簡介:

李本銀(1984-),男，湖北廣水人，博士研究生，主要從事水下無人航行器的研究工作。

張耕實，通訊作者，E—mail：zgengshi@163.com。