基于无线网络的泵水集中指挥监测系统构建

王亮

(武昌船舶重工集团有限公司 设计研究院，武汉 430060)

某船建造过程中，潜水容器泵水试验一次成功。容器泵水试验涉及部门和人员较多，泵水过程中及时有效的指挥、协调是试验顺利完成的重要保证。运用泵水试验自动化、数字化、可视化技术，能提高泵水试验可靠性、安全性和生产效率，克服场地环境及人为因素影响。适应大型潜水容器泵水集中指挥监测的系统有无线网络连接和有线连接两种方式。有线方式应用音、视频电缆实时传输声音和视频信号，有信号稳定，抗环境电磁干扰性强，制造成本低廉等优点；无线方式选用局域网传输数字信号，技术先进，电缆连接少，调试简单，容错性好，安装时间少。结合泵水试验场地、工装及泵水试验技术积累现状，选用无线网络构建泵水集中指挥监测系统。

1 系统设计与实施

1.1 系统操作功能需求

1)泵水试验过程中，指挥员能通过该系统随时向参试岗位人员发布指令。

2)各参试岗位能通过该系统及时回复口令。

3)指挥员能监控重要部位，及时掌握试验动态。

1.2 泵水指挥系统设计主要内容

1)系统功能。

2)系统对泵水试验现场的适应性。

3)系统设备设施硬件搭建。

4)系统控制软件设计。

5)系统快速安装及调试设计。

1.3 系统设计与构建难点

1)容器体积庞大，不可移动，泵水试验的地点不能固定，同时是施工场地，前后都还有复杂的施工作业;此外，安装、拆卸的时间有限，还要求转运、存储。

2)现场噪声干扰大，泵水一般在船厂厂房施工场地就地进行，周围同时常常伴有其他船舶建造施工作业，长期存在大功率通风泵机作业、砂轮机除锈打磨、氧割气刨电焊、变形校正敲击等噪音源。

3)船厂厂房回音效果严重，非常容易产生强回响和啸叫。

4)存在电源安全问题。船厂施工现场220 V交流电源为非安全电压，泵水过程中人员较多，电源线的布置和铺设、保护较为复杂。

5)关于远端设备安装。系统除了主机外，现场需布置麦克风、摄像头等10个到16个远端设备，设备的安装与接线不能影响作业人员的行动。

1.4 系统组成

系统主设备包括指挥控制中心与现场监测设备组成，指挥控制中心由指挥控制台(包括触摸屏、麦克风、指挥员无线手持机与蓝牙耳麦)、集中大屏、主控控制柜(内含主控机与主控软件、无线对讲指挥控制系统、无线视频录像机与视频监控软件、无线网络传输系统、压力测量模块与应用软件)组成。远端包括视频监测摄像头(压力点监测、主场监测、独立视频监测)、无线APP、监控人员无线手持机与蓝牙耳麦、压力传感器等。在指挥控制中心配备无线话筒、前级控制器、无线定向扩音器组成的广播系统，系统主设备见图1。

图1 系统组成

2 系统功能实现

1)指挥功能。

指挥员可随时向所有岗位发布指令，岗位可回复指挥员指令、报告试验情况。可进行：

①点对点通话；②多方通话；③分组通话、呼叫组；④呼叫等待；⑤广播；⑥插讲拆讲；⑦屏蔽个人、屏蔽多人、屏蔽组；⑧广播音量控制；⑨通话录音、广播录音。

2)试验过程的实时监测。

在试验过程中，指挥员可对最大9个重要部位同时或分别监视。

①压力表监视；②现场监视;③关键部位监视；④集中大屏显示；⑤分屏显示。

3)压力测量与监控。

①数字压力测量；②集中大屏显示；③分屏显示。

4)能够完整地将整个试验过程转换为数据，记录并可回放。

3 系统实现流程

指挥员同时在指挥控制台触摸屏主控界面按下试验开始按钮，系统开始工作，启动无线视频监控系统、泵压测量系统进入工作状态，指挥员通过指挥控制台上的定向麦克风向现场全体人员发布试验开始命令(可同时戴蓝牙耳麦，通过无线网络广播)，试验期间可以耳戴蓝牙耳麦通过无线手持机利用无线网络与现场监控人员进行点对点、点对多点、广播三种通话方式。所有的对话内容均保存在指挥控制中心的录音服务器内，可供事后查询。所有的视频监测点视频通过无线网络传输到指挥控制中心，保存在视频硬盘录像机内，并且实时显示在集中大屏与触摸屏上。所有压力传感器实测数据通过无线传输方式实时送人指挥控制中心的泵压采集模块内，经过泵压采集软件数字化分析处理后，在指挥中心的触摸屏及集中大屏显示。指挥员可根据视频压力数据与采集的压力值发布控制泵的启停命令。

4 系统硬件构建

1)指挥控制台。指挥控制台上的台面上布置触摸屏，2～4个无线手持话筒。集中大屏可位于指挥控制台的正前方。触摸屏用于指挥操作控制，集中大屏用于所有视频与压力值的实时刷屏显示。

2)指挥控制设备。指挥控制设备置于两个2个控制柜内，控制柜带把手，便于搬运。一台控制柜内置工控计算机与压力采集模块，以及接口调理模块、供电模块和接口箱。另一台控制柜内置、视频录像硬件设备、无线网络设备、以及无线对讲指挥、控制设备、供电模块。 工控计算机是整个指挥中心的核心 ，系统主控软件、无线对讲指挥控制软件、视频控制软件、压力采集软件均在工控计算机上运行。

3)无线定向广播系统。 无线定向广播系统是一套便携式设备，用于指挥中心的指挥员在嘈杂的试验现场发布指令。

4)无线对讲指挥控制与视频监控系统采用成熟的语音呼叫无线会议系统与视频监控系统搭建，其系统拓扑图见图2。

图2 无线对讲与视频监控拓扑图

5)录音系统(OM-Recording)。录音管理系统用于对OM系列IP电话系统和MX系列语音网关产生的电话录音及集中管理，提供查询与管理，统计分析，权限管理，安全与备份等功能。

6)通话会议平台(OM-meeting)。会议系统可通过SIP中继与OM系列IP-PBX对接，内部分机可直接参会。可以通过通话会议平台软件设置点对点、广播、通话会议等通话方式以及联入无线网络的电话或手持机进行管理。

7)无线网络。采用的无线wifi网络为独立的封闭局域网络。接入层采用安全智能接入交换机；在热点区域部署RG-AP720-L无线覆盖。因本系统为独立的封闭系统，不设计与外网接口，本系统无线网络覆盖区域为60 m直径范围。

8)泵压监测。泵压监测控制系统实现对多个泵压压力的实时测量与无线传输，所测压力数据通过独立的无线传输链路，送到指挥中心泵压控制系统。所测的泵压实时数据可以在指挥中心主控触摸屏、集中大屏上进行实时显示。

5 系统软件设计

软件开发采用图形化编程平台LabVIEW。

5.1 系统软件

系统软件由主控软件、无线对讲指挥控制模块(含录音管理系统与电话会议系统)、视频监控管理模块、压力监测控制模块、应变监测模块组成。主控软件系统是系统的指挥控制中心，主要完成人机交互、各个子模块调用、数据保存处理、文件管理等功能。

5.2 人机界面

1)主界面。主界面显示菜单选项、试验开始控制按钮、子模块调用、退出系统按钮等。

2)无线对讲指挥控制界面。点、点对多、或广播方式；在试验开始时默认为广播方式，试验过程中可以随时改变设置进行多种对讲方式。

3)录音管理系统界面。录音管理系统对试验过程中所有的通话进行查询、回放、报警等管理，由录音管理、统计分析、监控告警、操作痕迹、备份管理、组织架构、权限管理和系统设置功能模块组成。

4)播放录音界面。对查询得到的录音记录，可选点某条播放。录音播放时可进行录音评分、打标签等操作。

5)其他高级功能界面。录音管理系统提供对运行过程中各类异常事件的监控和实时告警。

6)视频监控管理界面。视频监控管理模块完成所有视频监测点视频摄像头的设置、视频信息流传输、保存、显示功能。

7)压力采集与显示界面。系统中多路泵压力监测点实测值在一个界面上进行实时显示。压力监测数据可以投射到集中大屏上与视频监控画面同时显示。

8)大屏显示切换界面。大屏显示内容与指挥控制台的液晶显示器内容完全一致。大屏默认显示内容是所有重要监测点视频与压力监测点实测数据同屏显示，大屏上显示三块内容，第一是现场视频显示，第二是压力表视频显示，第三是压力传感器实测值显示，并且可以以曲线或图柱方式显示出试验的几个阶段：如加压阶段，稳压阶段，泄压阶段等。

5.3 系统涉及的关键技术

1)降噪技术措施。

①指挥话筒采用数字定向麦克风，以避免指挥员说话时把附近的其他杂音干扰，数字消除啸叫；

②与电话机和手持机相配的蓝牙耳麦采用自适应降噪麦克风、消减环境噪声；WINDSMART 智能风技术检测风的方向，自动对应降噪。

2)无线网络传输加密技术。

系统搭建的无线wifi局域网在建网、节点接入、与传输过程中采用多层防护加密技术，以保证系统无线传输信息的保密性。防护加密技术包括：①物理隔离；②唯一物理地址与密码接入；③无线wifi网络接入控制加密与传输加密技术。IEEE802.1X 为基于端口的访问控制协议,其目的是在用户接入网络的入口处实现接入控制。IEEE802.1X。基于AES 的有CCM和OCB 两种加密模式。由于无线局域网络是一个多层运行模式，将各层的安全协议与安全技术有机的整合在一起，构建成一个安全运行的网络体系。

3)分系统之间协调运行管理控制。系统涉及的信息流有音频信息流、视频信息流、测量传感数据流(模拟、数字、串口通信)。这些数据流都需要同时实时无线传输、保存、分析处理控制、集中大屏显示与分屏显示，采用分模块、搭积木式的方法，对无线对讲指挥控制的语音音频信号及视频监控视频信息流分别进行保存，将需要实时处理的压力实测数据保存在主控机数据库中，事后由主控软件调用语音管理软件、视频监控软件进行查询以及回放。无线对讲方式指挥控制、视频监控数据与压力监测数据监测控制利用切屏、分屏、多屏等显示控制技术实现系统需要的主控界面切换、主控界面向集中大屏的投射、集中大屏同时显示视频监控画面与压力实测数据的需求。

系统的主控软件完成以上分系统之间协调运行管理控制。

4)系统抗干扰措施。系统无线传输均转换为数字信号再进行传输，以保证传输过程中数据的准确性。

5)系统安全性。从以下几方面保证系统安全性。

①保证无线对话指挥系统在试验过程中的通畅；②所有监测点的不间断视频监控。

6)其他。视频摄像头选用红外摄像，使得在监控现场能见度低的情况下也能清晰拍摄监控点；视频摄像头安装位置固定安装在无振动、近距离安装，以保证拍摄画面清晰、不失真。

6 转运设备设计

泵水指挥系统所有分系统及其组件均按类别存放在安全箱中，并进行专门标识，使用时取出快速组装形成整体系统，方便转运和集中管理、存放。

指挥台采用模块化设计和人机工程学设计，主体为立式或台式结构，台面、支撑结构、附件、触摸屏、控制主机、各控制系统等均可快速拆装，快速安装组成指挥台，快速拆开，放置到专用的转运箱中，方便转运和集中管理、存放。 见图3。

图3 指挥台快速拆装示意

视频显示中心由无线视频处理器和大屏幕组成，采用多屏拼接的方式实现大屏幕显示，不使用时，将屏幕和支架拆开，放置到专用的转运箱中，方便转运和集中管理、存放。见图4。

图4 视频显示中心快速拆装

7 应用验证

系统设备已应用于多型潜水容器的泵水试验，总体运行情况正常，能如实记录泵水试验的全过程。压力传感器输出稳定，形成的压力曲线直观、有效，可以简单明了地表述试验操作及试验数据；指挥系统声音可以清晰传递信所有参试人员；试验过程记录良好，保存完整。

针对现场应用中反应的不足，作相应的修改完善。

1)摄像头输出画面有滞后现象。通过加大传输路由器带宽，减少摄像头子流码等技术手段，后期有明显改善，已经无卡顿现象。

2)机械压力表摄像头成像倍率较小，不能高清显示在超大显示器上。更换摄像头后可以清晰显示。

近期，系统使用于新型潜水容器泵水试验，设备运行良好，问题得到解决，满足试验需求，达到了设计要求。