徐衛(wèi)東， 陳宇航

(上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 艦船自動化系統(tǒng)事業(yè)部，上海 200135)

0 引 言

對船舶機(jī)艙設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測是保障船舶動力系統(tǒng)正常運(yùn)行、延長設(shè)備工作壽命的主要手段。通過狀態(tài)監(jiān)測識別設(shè)備的異常狀態(tài)或故障狀態(tài)，狀態(tài)信息的測量位置需設(shè)置在最可能檢測出故障/失效的位置，測點(diǎn)布置需考慮安全性、傳感器安裝、信號傳輸、信號衰減或損失、對故障/失效變化的靈敏度、測量的可重復(fù)性、可接近性和環(huán)境等因素的影響。受建造時(shí)技術(shù)條件的限制，運(yùn)營船舶原有監(jiān)測系統(tǒng)的測點(diǎn)往往不能覆蓋目前機(jī)艙狀態(tài)監(jiān)測任務(wù)的需求，傳統(tǒng)的傳感器采用有線的方式安裝，缺乏靈活性。因此，無線傳感器及其分布式網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到廣泛關(guān)注，但目前相關(guān)研究主要集中在無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋仿真、組網(wǎng)策略優(yōu)化、數(shù)據(jù)采集速率提升、節(jié)能降耗和網(wǎng)絡(luò)安全性能提高等方面，設(shè)計(jì)工作多為數(shù)據(jù)采集和傳輸模塊軟硬件開發(fā)，成果多應(yīng)用于新造船舶中，作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)改造方案存在布線施工困難、敷設(shè)電纜及布置設(shè)備成本高等問題，現(xiàn)有方案難以適應(yīng)不同類型船舶的機(jī)艙改造任務(wù)要求。

本文面向運(yùn)營船舶機(jī)艙設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測需求，在原船機(jī)艙監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加用于監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)的無線傳感器。針對運(yùn)營船舶加裝設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測裝置，本文提出一種基于遠(yuǎn)距離無線電(Long Range Radio)無線網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)，完成對關(guān)鍵設(shè)備狀態(tài)信息的數(shù)據(jù)采集，開發(fā)上位機(jī)軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和分析。

1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)功能分析

面向設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測需求，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)對船舶機(jī)艙內(nèi)各設(shè)備的振動、溫度和壓力等狀態(tài)信息的采集，并將處理后的狀態(tài)數(shù)據(jù)存儲于系統(tǒng)內(nèi)部的存儲單元中。船員可通過上位機(jī)數(shù)據(jù)管理軟件讀取系統(tǒng)數(shù)據(jù)，對關(guān)鍵設(shè)備的狀態(tài)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行管理分析。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)以下功能：

1) 系統(tǒng)配置。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)根據(jù)設(shè)備運(yùn)行工況和監(jiān)測技術(shù)要求，設(shè)置振動、溫度和壓力無線傳感器的測量時(shí)間間隔和采樣頻率等參數(shù)。根據(jù)監(jiān)測的內(nèi)容，不同測點(diǎn)的測量時(shí)間間隔和采樣頻率支持獨(dú)立配置。

2) 數(shù)據(jù)采集。不同的狀態(tài)參數(shù)可在同一時(shí)刻測量,并完成記錄。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可對電壓(±12 V)信號和電流(4～20 mA)信號進(jìn)行高速測量，最高采樣頻率不低于8 kHz。

3) 邊緣計(jì)算。由于無線傳感器產(chǎn)生的原始數(shù)據(jù)較多，且振動信號等原始信號數(shù)據(jù)不能直接用于分析，系統(tǒng)可采用濾波、壓縮等方式對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，并采用信號分析算法提取狀態(tài)特征，實(shí)現(xiàn)邊緣計(jì)算功能。

4) 智能組網(wǎng)。為適應(yīng)不同測量對象和不同應(yīng)用場景，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能自動識別無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓⒔M網(wǎng)，完成無線數(shù)據(jù)采集。

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原理圖見圖1，該系統(tǒng)由狀態(tài)信息采集系統(tǒng)和上位機(jī)數(shù)據(jù)管理軟件2部分組成，分別實(shí)現(xiàn)狀態(tài)信息采集、傳輸和分析功能。狀態(tài)信息采集系統(tǒng)的硬件由安裝在機(jī)艙內(nèi)的無線傳感器和LoRa智能網(wǎng)關(guān)組成，實(shí)現(xiàn)對機(jī)艙內(nèi)各設(shè)備狀態(tài)信息的采集、存儲和數(shù)據(jù)傳輸；上位機(jī)數(shù)據(jù)管理軟件接收數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行分析和管理。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原理圖

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)適配的無線傳感器其有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、邊緣計(jì)算和無線通信等4項(xiàng)功能。

1) 數(shù)據(jù)采集功能可按系統(tǒng)配置設(shè)定的測量時(shí)間間隔周期性地采集設(shè)備的振動、溫度和壓力等狀態(tài)信息，將原始電信號處理成數(shù)字化數(shù)據(jù)并進(jìn)行校準(zhǔn)。例如，將振動傳感器原始的電流和電壓信號處理成被測位置振動加速度值的時(shí)間序列數(shù)據(jù)。

2) 數(shù)據(jù)處理功能可對校準(zhǔn)后的信號執(zhí)行濾波、壓縮和相關(guān)運(yùn)算等信號處理算法，降低噪聲和其他干擾的影響，提高信號的可用性。

3) 邊緣計(jì)算功能可在數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)上，根據(jù)信號的物理性質(zhì)和監(jiān)測技術(shù)要求進(jìn)一步執(zhí)行快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT)和包絡(luò)分析等特征提取算法，提取設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)特征參數(shù)，并通過無線通信模塊，以LoRa通信方式將這些特征參數(shù)發(fā)送給智能網(wǎng)關(guān)。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 狀態(tài)信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

狀態(tài)信息采集系統(tǒng)軟件功能見圖2，無線傳感器采集機(jī)艙內(nèi)各設(shè)備的振動、溫度和壓力等狀態(tài)信息，提取狀態(tài)特征之后，通過LoRa網(wǎng)絡(luò)將其發(fā)送給智能網(wǎng)關(guān)。智能網(wǎng)關(guān)接收機(jī)艙內(nèi)各設(shè)備的狀態(tài)信息，并通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)遞交給上位機(jī)，具體功能如下。

圖2 狀態(tài)信息采集系統(tǒng)軟件功能

3.1.1 無線傳感器功能需求分析

1) 數(shù)據(jù)采集。無線傳感器按規(guī)定的測量時(shí)間間隔和采樣頻率獲取機(jī)艙內(nèi)各設(shè)備原始的振動、溫度和壓力等狀態(tài)信息。

2) 數(shù)據(jù)處理。根據(jù)數(shù)據(jù)處理功能，將采集到的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為物理量及相關(guān)信息描述。數(shù)據(jù)采集功能模塊的輸入為傳感器獲取的電信號，經(jīng)信號調(diào)理、數(shù)模轉(zhuǎn)換、校準(zhǔn)、濾波和去噪等處理之后輸出為以協(xié)調(diào)世界時(shí)(Universal Time Coordinated，UTC)為參考的時(shí)序數(shù)據(jù)、時(shí)間基準(zhǔn)數(shù)據(jù)或采樣數(shù)據(jù)，并生成傳感器工作狀態(tài)指標(biāo)和數(shù)據(jù)質(zhì)量指標(biāo)。

3) 特征提取。根據(jù)特征提取功能，結(jié)合信號的物理意義和監(jiān)測方法進(jìn)行特征提取。執(zhí)行FFT和包絡(luò)分析等信號處理算法，以及同步或非同步平均和主成分分析等特征提取算法，輸出設(shè)備的狀態(tài)特征信息。

4) 通信。以LoRa網(wǎng)絡(luò)與智能網(wǎng)關(guān)通信。

5) 其他。對硬件本身的功能進(jìn)行自檢，并發(fā)出系統(tǒng)功能故障或錯誤報(bào)警信息。

3.1.2 LoRa智能網(wǎng)關(guān)軟件功能設(shè)計(jì)

智能網(wǎng)關(guān)功能的實(shí)質(zhì)是通過南向接口收集并存儲傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，經(jīng)由北向接口將這些數(shù)據(jù)傳輸給管理系統(tǒng)。智能網(wǎng)關(guān)主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

1) 接入管理。

(1) 面向無線傳感器，提供支持LoRa通信的南向接口；

(2) 支持對連接的無線傳感器進(jìn)行管理，包括對傳感器設(shè)備的軟件和固件版本及設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行查詢等，并支持對設(shè)備的軟件和固件進(jìn)行遠(yuǎn)程升級；

(3) 支持對所連接無線傳感器的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理，尤其是自動識別網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭討B(tài)變化。

2) 協(xié)議轉(zhuǎn)換。

(1) 能將來自于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的接入?yún)f(xié)議轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)協(xié)議，并通過北向接口完成數(shù)據(jù)上報(bào)；

(2) 能將來自于北向接口的以太網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換為LoRa協(xié)議，通過南向接口與相應(yīng)的無線傳感器連接，完成傳感器管理配置。

3) 數(shù)據(jù)處理。存儲無線傳感器接入的數(shù)據(jù)和相關(guān)信息。

4) 網(wǎng)關(guān)管理。

(1) 支持對網(wǎng)關(guān)的本地管理，包括維護(hù)網(wǎng)關(guān)設(shè)備自身的登錄記錄、操作記錄、外部攻擊記錄、電源管理和軟件升級等；

(2) 具有定位功能，例如通過北斗或全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)完成定位,并記錄位置信息。

5) 標(biāo)識管理。

(1) 識別來自于北向接口的物理標(biāo)識、網(wǎng)絡(luò)地址標(biāo)識和應(yīng)用屬性標(biāo)識；

(2) 實(shí)現(xiàn)南向接口與北向接口傳遞的各類標(biāo)識的相互映射和轉(zhuǎn)換。

6) 安全管理。實(shí)現(xiàn)用戶鑒別、加密傳輸和攻擊防護(hù)等安全管理功能。

3.2 上位機(jī)管理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1) 用戶管理。用戶管理功能面向操作人員，提供登錄、注銷、更改密碼和管理用戶權(quán)限等4項(xiàng)功能。

2) 數(shù)據(jù)接收。通過以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)與智能網(wǎng)關(guān)通信。

3) 數(shù)據(jù)發(fā)送。通過有線/無線方式向集成平臺發(fā)送數(shù)據(jù)，指定通信方式、交換接口和傳輸協(xié)議等。

4) 數(shù)據(jù)存儲。將LoRa網(wǎng)關(guān)中存儲的記錄發(fā)送到上位機(jī)內(nèi)置的數(shù)據(jù)庫中存儲。

5) 數(shù)據(jù)分析展示。管理系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)以下數(shù)據(jù)分析展示功能：

(1) 系統(tǒng)標(biāo)定，設(shè)定報(bào)警界限、標(biāo)準(zhǔn)工況和報(bào)警規(guī)則等；

(2) 特征圖表顯示，以圖和表的形式對振幅、頻率、周期、角速度和功率譜密度等設(shè)備的狀態(tài)特征參數(shù)進(jìn)行展示；

(3) 歷史趨勢分析，根據(jù)系統(tǒng)存儲或輸入的歷史信息，對關(guān)鍵特征參數(shù)的歷史變化趨勢進(jìn)行分析和顯示；

(4) 狀態(tài)監(jiān)測，將狀態(tài)特征參數(shù)與期望值或操作限值相比較，形成設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)指標(biāo)，如特征值閾值界限、向上/向下偏離閾值界限的程度、改變警報(bào)的等級、異常程度和統(tǒng)計(jì)分析等，判斷狀態(tài)特征是否異常，判定異常范圍和形成狀態(tài)的歸屬(“預(yù)警”或“報(bào)警”)；

(5) 故障診斷，根據(jù)狀態(tài)監(jiān)測結(jié)果，形成設(shè)備運(yùn)行故障或錯誤報(bào)警。

6) 工具。工具功能向使用人員提供以下應(yīng)用軟件工具：

(1) 具有圖像圖形縮放和時(shí)間軸分析功能的工具；

(2) 具有數(shù)據(jù)窗口分析功能的工具。

7) 幫助。為系統(tǒng)各項(xiàng)功能提供電子說明文檔。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

按照以上系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)，其中上位機(jī)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)主界面見圖3，提供“總覽”“用戶管理”“歷史數(shù)據(jù)”“任務(wù)管理”和“系統(tǒng)設(shè)置”等5個(gè)交互按鈕，以及返回平板計(jì)算機(jī)初始用戶登錄界面的“返回”按鈕。限于篇幅，僅對部分功能進(jìn)行介紹。

圖3 機(jī)艙數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)主界面

數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)上之后，船員點(diǎn)擊設(shè)備的3D圖標(biāo)即可查看相應(yīng)設(shè)備及其測點(diǎn)的詳細(xì)數(shù)據(jù)，同時(shí)總覽界面提供設(shè)備和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體工作狀態(tài)。對于各設(shè)備：若該設(shè)備包含的測點(diǎn)未全部測量完，則其名稱顯示為淺灰色；若該設(shè)備包含的測點(diǎn)中部分測點(diǎn)數(shù)據(jù)超過有效期(默認(rèn)設(shè)置為15 d)，則其名稱顯示為深灰色；若該設(shè)備包含的分析結(jié)果為不健康狀態(tài)，則其名稱顯示為紅色；若該設(shè)備包含的測點(diǎn)全部都已測量，且分析結(jié)果均為健康狀態(tài)，則其名稱顯示為綠色。

點(diǎn)擊主機(jī)按鈕之后進(jìn)入主機(jī)界面(見圖4)。點(diǎn)擊“返回”按鈕可返回到上一級界面，界面的右邊顯示該設(shè)備包含的所有測點(diǎn)信息。在測點(diǎn)列表中：若某個(gè)測點(diǎn)已完成測量，且分析結(jié)果為健康狀態(tài)，則該行背景色為綠色；若某個(gè)測點(diǎn)已完成測量，且分析結(jié)果為不健康狀態(tài)，則該行背景色為紅色；若某個(gè)測點(diǎn)還沒有完成測量，則該行背景色為灰色。

圖4 主機(jī)測點(diǎn)顯示界面

雙擊圖4中的測點(diǎn)名稱，可進(jìn)入該測點(diǎn)的詳細(xì)數(shù)據(jù)顯示界面，如雙擊測點(diǎn)主機(jī)1#增壓器之后進(jìn)入主機(jī)測點(diǎn)詳細(xì)數(shù)據(jù)顯示界面(見圖5)。點(diǎn)擊“返回”按鈕可返回上一級界面，點(diǎn)擊左上角的時(shí)域分析、頻域分析(見圖6)、階次分析和棒圖標(biāo)簽可切換不同的數(shù)據(jù)分析波形圖，界面的右側(cè)顯示該測點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息。

圖5 測點(diǎn)詳細(xì)數(shù)據(jù)顯示界面(時(shí)域分析標(biāo)簽)

圖6 測點(diǎn)詳細(xì)數(shù)據(jù)顯示界面(頻域分析標(biāo)簽)

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)完成了對船舶機(jī)艙設(shè)備溫度、壓力和振動狀態(tài)信息的采集，進(jìn)行了濾波、去噪和壓縮等處理，實(shí)現(xiàn)了振動信號的時(shí)域分析和頻域分析等分析功能。

5 結(jié) 語

本文面向船舶機(jī)艙改造任務(wù)需求，設(shè)計(jì)一套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過無線傳感器避免改造采集系統(tǒng)時(shí)敷設(shè)線纜帶來的施工困難和成本較高等不足，利用LoRa智能網(wǎng)關(guān)降低系統(tǒng)數(shù)據(jù)儲存和網(wǎng)絡(luò)傳輸壓力。對比目前市場上主流的船舶機(jī)艙數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，本文所述方案在改造數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時(shí)更具通用性、靈活性和經(jīng)濟(jì)性。