基于物联网的船舶电力设备巡检系统

2018-11-29胡双进

船电技术 2018年11期

黄超，王雷，胡双进，邱实，张亮

基于物联网的船舶电力设备巡检系统

黄超，王雷，胡双进，邱实，张亮

（武汉第二船舶设计研究所，武汉 430064）

传统的船舶电力巡检依靠巡检人员定期定时进行人工巡检，受多方面因素制约，巡检质量不能保证。本文设计的基于物联网的船舶电力设备巡检系统通过RFID以及无线传感技术实现船舶电气巡检的智能性、可靠性、高效性，为船舶电力设备巡检管理的后续研究以及标准化、信息化提供了参考。

仪器自动化船舶电力设备巡检状态监控物联网 RFID ZigBee

0 引言

随着海上船舶电力的发展，运行在船舶上的电力设备呈现种类多样化、功能丰富化、布置密集化、数量急剧增长的趋势，采用传统的电力巡检人员定期定时进行人工巡检，大大增加了巡检人员的工作量，且受到环境因素、人员素质和责任心等多方面因素制约，巡检质量不能保证，以致反映运行状态和设备缺陷等信息得不到及时反馈，不能及时发现设备隐患，引发设备故障。为了提高电力设备的可靠性，对这些船舶电力设备进行全面以及有效的巡检是十分重要的。

传统的船舶电气巡检通常需要人工进行设备仪表查看或者相关就地控制计算机界面进行翻阅，而人工进行该部分的数据收集容易产生失误，导致隐患的存在以及增加不必要的时间以及人力的浪费。而全部信号采取有线样式传输或者传输致主控室，又增加了穿舱电缆数目以及信息系统的复杂性。

本文在研究物联网技术的技术上，运用无线传感器，ZigBee 通信技术、RFID 技术、采取分布式处理，能有效地减少线缆数目，对监控数据进行合理的逻辑划分，构建了船舶电力设备智能巡检系统，并给出了实现方式。

1 船舶电力设备巡检系统模型

1.1 系统总体框架设计

针对目前船舶电力设备巡检中如何实现巡检的高效性、可靠性、规范性以及现有船舶巡检系统中体积大、成本高、电缆多、适用范围小、和功能少等问题，我们设计了一种结合物联网技术、传感器技术、无线通信等技术于一体的船舶电力设备智能巡检系统。该系统包括RFID 手持设备、基于标签协议完成电力设备信息采集的采集层、用于对所采集信息设备进行远程管控的应用层，以及实现采集层和应用层之间数据传输的网络层。

图1 总体框架图

1.2 系统方案与设计功能结构设计

船舶电力设备智能系统功能包含以下八个部分：

1）传感器信息采集：包含振动信息、温度信息、绝缘信息、电压信息以及电流信息等。

2）设备以及传感器信号编码管理：包含设备编号，位置编码，监控数据编码。

3）信息报警管理：信号达到预警范围，提醒运营人员。

4）监控数据实时显示：相关数据显示。

5）监控历史数据记录：历史数据储存便于运营人员查阅以及陆上进行仿真计算。

6）通讯：电子标签与便携式检测仪的数据传输以及采集层与网络层的通讯。

7）设备数据仿真分析以及预测：便携式检测仪做出简单的数据处理计算，以得出当前电力设备状态。

8）用户管理：区分用户权限。

9）故障分析系统：设备状态的故障诊断和设备状态的预测。

2 基于物联网的船舶电力设备状态监测系统关键技术

2.1 传感器技术

传感器是机器感知物质世界的“感觉器官”，可以感知热、力、光、电、声、位移等信号，为网络系统的处理、传输、分析和反馈提供最原始的信息。传感器的类型多样，可以按照用途、材料、输出信号类型、制造工艺等方式进行分类。纳米技术的应用，不仅为传感器提供了优良的敏感材料，而且为传感器制作提供了许多新方法，例如微机电系统( MEMS )技术等，极大地推动了传感器的制造水平，拓宽了传感器的应用领域，推动了传感器产业的发展。传感器通常由敏感元件和转换元件这两部分组成。其中，传感器直接感知或响应指定的被测信息的功能由敏感元件完成，而将感知或响应到的被测信息转换成适于传输或测量的电信号的功能由转换元件完成。由于这些输出信号通常都很微弱，所以需要通过信号调理与转换电路将其进行放大、调制等操作。如今随着半导体技术的发展，可以将传感器信号调理与转换电路和敏感元件都集成在同一芯片上，大大提高了集成度，方便用户设计以及使用。

2.2 传感节点技术

本系统以ZigBee无线传感器网络完成整个船舶设备信息的采集和传送。无线传感器节点功能组成由数据采集、数据处理、无线通信、能量供应四部分组成，具体结构组成如图3所示。无线传感器网络节点以TI的CC 2530为核心，采用其内部集成的8051单片机进行传感器节点的数据采集，选用TI的MC 34063作为电源输入部分处理，并利用ZigBee无线网络进行节点与节点之间的数据传输。整个无线传感网络避免了传统船舶传感网络有线组网方式的布线复杂、可扩展性差[1,2]、安装成本高、移动性能差等一系列弊端。

图2 无线传感器节点结构

2.3 RFID技术

一般来说，RFID 系统包含电子标签、读写器、和数据管理系统三部分组成[3]。RFID 组件通过射频识别技术，与数据采集之间通过非接触式方式，采用双工通信进行数据的发送和接受，对船舶电力设备的传感节点进行数据采集及获取。RFID 的核心器件是其中的储存器件，又称为电子标签，组件中的读写器通过射频无线电波来对电子标签进行控制。RFID 具有诸多优点，比如识别过程无需人工干预，防磁、防水，耐高温、读取距离大、数据可加密、存储数据容量大等。

2.4 无线通讯网络

传感器作为感知网络中信号的发送者和接受者是整个监测系统的重要部分。ZigBee 作为一种短距离、复杂度低、低功耗的无线网络技术[4]，它是介于无线标记技术和蓝牙之间的技术方案[5]，在传感器网络等领域应用十分广泛，按照组网结构分为星状、树状以及网状结构[6]，三种结构各有各的特点。本文基于物联网的船舶状态采集系统其传感器通讯网络由于船舶环境、节点数多以及分布较为零散，为了更高的可靠性，所以采取星形Zighee 无线网络结构。

图3 三种ZigBee网络结构

2.5 数据融合技术

信息通信网络技术传感器节点的资源十分有限，主要体现在电池能量、处理能力、存储容量以及通信带宽等几个方面。在收集信息的过程中采用各个节点单独传送数据到汇聚节点的方法是不合适的，因为该方式浪费通信带宽和能量，降低了信息收集的效率。为避免上述问题，传感器网络在数据收集的过程中需要使用数据融合技术。数据融合是将多份数据或信息进行处理，组合出更有效、更符合用户需求的数据的过程。

3 基于物联网的船舶电力设备巡检系统

电力设备状态检修主要由两部分工作组成，分别是设备状态的故障诊断和设备状态的预测。其中，设备的故障诊断是设备状态预测的基础。只有准确地分析各历史时间点的设备运行状态才能科学地预测未来时间检测点的设备故障情况。设备故障诊断是设备状态检修中最关键的环节。查找设备故障的原因是电力系统故障诊断的首要任务。只有我们找到引起系统故障的原因，才能对该设备正确合理的维修，并防止故障再次发生。因此，对电力设备故障信息进行系统化分析研究具有重要的意义。一般系统故障原因包括系统层次间的纵向、间接及外部成因等部分，通常将系统故障诊断过程分为5个方面，具体如下：

1）故障机理：系统设备状态监测和故障诊断都是以故障机理作为依据的，设备故障不同则表现出的症状也就不同，不同的症状对应着不同状态信号的变化。对这些变化进行研究，并找出每一种故障对应的故障特征，就能快速、准确地进行故障诊断。

2）系统状态监测：主要任务是监测并获取与电力设备运行有关的状态信息。

3）故障特征信息提取：对状态监测采集到的设备状态信息进行提取，并把相关的故障特征信息提取出来以便后续分析查证。

4）故障诊断：对第三步所提取的信息进行分析研究，并再次判断系统是否运行正常，若已经出现异常，就根据此信息连同辅助信息一并查找故障源。

5）故障规划决策：根据第四步提取的特征信息，对故障进一步的发展趋势进行预测，并给出相应的预测决策。

基于物联网的船舶电力设备巡检系统分为如下子系统：

1）电力设备巡检子站系统。主要负责船舶上电力设备的状态数据采集，并将数据与便携式电力设备巡检以就地监控站进行通讯。

2）船舶便携式电力设备巡检以及分析子系统。主要功能是帮助巡检人员进行数据显示，并带有计算仿真功能进行单一设备的细致化分析，方便运营人员进行维修。

3）电力设备巡检主站系统。主要负责船舶上电力设备的状态数据采集，分析和计算，并将数据与子站系统、便携式电力设备巡检以及通讯层进行通讯，同时对数据进行收集和存储。

4）电力设备巡检人员管理系统。主要通过便携式设备收集巡检人员巡检时间，巡检次数，集中收集在电力设备巡检子站系统以及主站系统中，该子系统能直接反映工作人员巡检质量同时侧面反映设备故障周期。

4 结论

本文主要介绍了基于物联网的船舶电力设备巡检测系统，运用不同类型的传感器组成无线传感器网络，并利用ZigBee 完成相互之间的通信，通过网关节点将数据传输给船舶巡检总站以及便携监测仪，完成数据的显示和处理完成目前设备状态分析。该系统省去了常规船舶巡检系统中布线复杂的问题，并且大幅提高电网设备管理效率、电网运行管理水平、后期扩展能力，降低巡检次数与时间[7-9]，具有广阔的推广价值和应用前景。

[1] 陶征, 张晓晶, 姚素雅, 于帅. 基于Zigee技术的智能家居网研究与设计[J]. 科技视界, 2014(16): 71-72.

[2] 杨长龙. 基于蓝牙技术的智能家居控制其的研究与设计[D]. 北京工业大学, 2013.

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

[4] 王侠. ZigBee无线传感器网络的研究与应用[D]. 同济大学, 2007: 1-73.

[5] 刘子京, 裴文江:基于ZigBee协议的无线传感器网络研究[J]. 计算机技术与发展, 2009(05): 192-194.

[6] 匡哲君. 无线传感器网络节能策略的研究[D]. 吉林大学, 2014.

[7] 李杰. 浅谈提高变电运行管理效率与维护能力的措施[J]. 机电信息, 2013(33): 173-173.

[8] 张亚兵, 陈新亮, 孙瑞, 李拥春. 浅谈如何提高电网调控运行管理水平[A]. 全国青年通信学术年会, 2013.

[9] 周涛.基于全寿命周期的电网主设备成本分析与应用研究[D]. 华北电力大学, 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)