王強(qiáng)

(江蘇航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南通 226010)

0 引 言

近年來，海上船舶的無線通信技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，并在船舶工業(yè)領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，由于船舶工業(yè)自動化、智能化的不斷深入，船載自動化設(shè)備的裝機(jī)量不斷提高，在提升艦船自動化性能的同時也引起了一些問題，比如遠(yuǎn)洋船舶的工作人員由于缺乏一定的技術(shù)知識，一旦船載設(shè)備在外海發(fā)生故障時無法自行解決，可能導(dǎo)致更加嚴(yán)重的故障問題。因此，采用海上無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)船舶機(jī)電設(shè)備的遠(yuǎn)程故障診斷和監(jiān)控十分有必要。

本文研究是船舶機(jī)電設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控過程中的信息交互、遠(yuǎn)程定位等問題，基于無線協(xié)作通信開發(fā)了船舶設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測平臺，并詳述了遠(yuǎn)程監(jiān)測平臺的硬件設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)等內(nèi)容，對于提升艦船機(jī)電設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控的水平，保障船舶航行的安全性有重要的意義。

1 船舶設(shè)備遠(yuǎn)程保護(hù)下的通信及定位技術(shù)研究

1.1 船舶設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測的無線協(xié)作通信系統(tǒng)研究

本文在設(shè)計(jì)船舶遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的通信模塊時，采用多跳協(xié)作通信技術(shù)，將船舶通信模式劃分為單節(jié)點(diǎn)單信道和單節(jié)點(diǎn)多信道等模式，通信網(wǎng)絡(luò)的原理模型如圖1 所示。

圖1 船舶遠(yuǎn)程監(jiān)測通信網(wǎng)絡(luò)的原理模型Fig.1 Principle model of ship remote monitoring communication network

可知，在船舶設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中，單節(jié)點(diǎn)單信道網(wǎng)絡(luò)包括一個源節(jié)點(diǎn)，一個協(xié)作節(jié)點(diǎn)和一個目的節(jié)點(diǎn)；單節(jié)點(diǎn)雙信道網(wǎng)絡(luò)包括2 個源節(jié)點(diǎn)，一個協(xié)作節(jié)點(diǎn)和一個目的節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。

協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)的信號時延模型為：

式中：為初始時隙。

通信網(wǎng)絡(luò)的信號誤差模型為：

式中：為兩相信號的閉環(huán)增益，α為無線通信信號的相位角，θ為正交相位角，Δ ε為信號的幅值誤差，用下式計(jì)算：

Δη為正交誤差，用下式計(jì)算：

Δδ為耦合誤差，用下式計(jì)算：

1.2 基于GPS 的艦船遠(yuǎn)程定位終端系統(tǒng)設(shè)計(jì)

船舶機(jī)電設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控需要對設(shè)備進(jìn)行較準(zhǔn)確的定位，GPS 定位系統(tǒng)是目前較成熟、精度較高、裝機(jī)量大的一種定位系統(tǒng)，GPS 定位系統(tǒng)的信號分量主要有載波信號、測距碼和數(shù)據(jù)碼，通過對GPS 定位系統(tǒng)的信號進(jìn)行解碼、譯碼，可以獲取較準(zhǔn)確的船舶機(jī)電設(shè)備位置信息。

假定某設(shè)備的位置為(,,)，該位置距離最近的GPS 定位衛(wèi)星距離，定義GPS 衛(wèi)星的坐標(biāo)為(，，)，可得距離為：

解算可得船舶設(shè)備的位置坐標(biāo)為：

為GPS 衛(wèi)星的繞地球旋轉(zhuǎn)角速度，按下式計(jì)算：

式中：為衛(wèi)星的軌道半徑，為衛(wèi)星質(zhì)量。

船舶設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的GPS 定位模塊主要由顯示器、MCU 控制器、GPS、接口、數(shù)據(jù)采集與控制模塊等組成，原理圖如圖2 所示。

圖2 船舶設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的GPS 定位模塊原理圖Fig.2 Schematic diagram of GPS positioning module of Marine equipment remote monitoring system

2 船舶設(shè)備遠(yuǎn)程保護(hù)下的信息智能交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 船舶設(shè)備遠(yuǎn)程保護(hù)信息平臺的硬件設(shè)計(jì)

本文基于海上無線通信和GPS 等技術(shù)，搭建了船舶遠(yuǎn)程設(shè)備保護(hù)信息平臺，其基本構(gòu)成包括船載終端、傳感器、遠(yuǎn)程控制中心、GPS、交換機(jī)等，原理圖如圖3 所示。

圖3 船舶遠(yuǎn)程設(shè)備保護(hù)信息平臺組成原理Fig.3 Composition principle of marine remote equipment protection information platform

船舶遠(yuǎn)程設(shè)備保護(hù)信息平臺的功能有：

1）船舶遠(yuǎn)程設(shè)備數(shù)據(jù)的管理功能

平臺通過無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時獲取船載機(jī)電設(shè)備的各類運(yùn)行參數(shù)，比如發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、功率、電氣設(shè)備的電流、電壓等，參數(shù)獲取以后平臺利用計(jì)算機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、管理和存儲，并通過平臺的顯示器實(shí)時展示給船舶遠(yuǎn)程設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的工作人員。

平臺在進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲和管理時，采用的數(shù)據(jù)庫技術(shù)為Access 數(shù)據(jù)庫技術(shù)。

2）遠(yuǎn)程設(shè)備控制功能

船舶設(shè)備遠(yuǎn)程保護(hù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是監(jiān)測到船載遠(yuǎn)程設(shè)備的故障狀態(tài)，發(fā)送控制信號操作船載遠(yuǎn)程設(shè)備，一方面調(diào)整設(shè)備的工作狀態(tài)，改善當(dāng)前的故障；另一方面如果故障無法在線修復(fù)，直接發(fā)送停機(jī)指令，防止出現(xiàn)更嚴(yán)重的故障。

3）故障報(bào)警功能

船舶遠(yuǎn)程設(shè)備保護(hù)信息平臺采用聲光信號進(jìn)行故障報(bào)警，在對船舶的遠(yuǎn)程監(jiān)測的過程中，一旦船舶某些設(shè)備狀態(tài)出現(xiàn)異常，控制中心就會觸發(fā)聲光信號向工作人員報(bào)警。

2.2 設(shè)備遠(yuǎn)程保護(hù)信息平臺的Access 數(shù)據(jù)庫技術(shù)

Access 數(shù)據(jù)庫技術(shù)是微軟開發(fā)的一款數(shù)據(jù)庫平臺，具有以下特點(diǎn)：

1）面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫工具

Access 數(shù)據(jù)庫技術(shù)的這一特點(diǎn)是指在數(shù)據(jù)庫搭建和開發(fā)過程中，Access 數(shù)據(jù)庫技術(shù)把應(yīng)用系統(tǒng)劃分為多個獨(dú)立的對象，每個應(yīng)用對象的需求、邊界條件存在區(qū)別，Access 數(shù)據(jù)庫技術(shù)針對不同的對象進(jìn)行屬性的定義和開發(fā)。此外，用戶在基于Access 數(shù)據(jù)庫進(jìn)行應(yīng)用程序開發(fā)時，可以根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行屬性的自定義。比如開發(fā)的Table 對象中，可以增加Table 對象的表單屬性等。

2）集成度高

Access 數(shù)據(jù)庫技術(shù)在Windows 環(huán)境下的集成度非常高，不僅能夠有效處理TXT，table，DATA 等數(shù)據(jù)，也集成了大量的開發(fā)工具，實(shí)現(xiàn)不同的數(shù)據(jù)處理場景的工具調(diào)用，對用戶的友好性高。

Access 數(shù)據(jù)庫技術(shù)的端口報(bào)文處理流程如圖4所示。

圖4 Access 數(shù)據(jù)庫技術(shù)的端口報(bào)文處理流程Fig.4 Port message processing flow of access database technology

2.3 基于Access 數(shù)據(jù)庫技術(shù)的設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測信息統(tǒng)計(jì)

結(jié)合Access 數(shù)據(jù)庫技術(shù)，對船舶機(jī)電設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和統(tǒng)計(jì)，主要包括船舶機(jī)電設(shè)備的故障率、設(shè)備使用壽命兩方面。

1）船舶設(shè)備故障概率統(tǒng)計(jì)

遠(yuǎn)程設(shè)備保護(hù)信息平臺的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，隨著樣本量的增加，船舶機(jī)電設(shè)備的故障率服從泊松分布，如下式：

式中：()為在一定時間節(jié)點(diǎn)上船舶設(shè)備故障數(shù)量為時的概率，λ為平均故障率。

在一定時間內(nèi)，機(jī)電設(shè)備故障數(shù)小于的概率為：

在一定時間內(nèi)故障數(shù)大于且小于的概率為：

其他情況，(=0)=。

2）設(shè)備使用壽命統(tǒng)計(jì)

船載機(jī)電設(shè)備的使用壽命可用正態(tài)分布的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行描述，通過Access 數(shù)據(jù)庫的統(tǒng)計(jì)和提取，得到機(jī)電設(shè)備使用壽命的概率密度函數(shù)和分布函數(shù)如下：

式中：σ和為正態(tài)分布系數(shù)。

2.4 船舶設(shè)備遠(yuǎn)程保護(hù)信息平臺的軟件設(shè)計(jì)

對于平臺操作人員來講，界面和操作程序的友好性非常重要，本文采用Win CC 組態(tài)軟件搭建了船舶設(shè)備遠(yuǎn)程保護(hù)信息平臺的軟件程序，軟件結(jié)構(gòu)流程圖如圖5 所示。

圖5 船舶設(shè)備遠(yuǎn)程保護(hù)信息平臺的軟件程序Fig.5 Software program of remote protection information platform for ship equipment

3 結(jié) 語

船舶機(jī)電設(shè)備的正常運(yùn)行對于船舶整體有重要的意義，針對海上船舶機(jī)電設(shè)備的故障問題，本文搭建了一個船舶遠(yuǎn)程設(shè)備保護(hù)信息平臺，結(jié)合無線通信和GPS 定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)船舶遠(yuǎn)程機(jī)電設(shè)備的故障在線監(jiān)測和控制，提高船舶設(shè)備的安全性。