摘 要

为了弥补和完善纯电动船舶在实验过程中的数据记录、监测和分析，建立一套国产的纯电动船舶船载端监测报警软件，针对国产纯电动船舶的可靠性和系统集成问题问题，为了提升纯电动船舶的品牌质量和实船应用推广，对船载端数据进行实时采集、监测与分析，从而对纯电动船舶的性能进行实时监测与分析。本课题以中船重工研究所的《内河300客位纯电动船舶建设项目》为依托，开展纯电动船舶的监测报警性能监测研究。针对目前船舶行业新型船舶的监测报警软件设计的空白，以及船舶行业对这方面的迫切需求，本文大致设计出纯电动船舶监测报警软件。

在进行纯电动船舶的监测报警软件设计之前，参考和阅读了国内外相关的大量资料，并且对前言技术以及最为前沿的相关产品进行深入研究。此外，调查和了解了中国船级社有关纯电动船舶监测报警软件的各种要求规范以及相关的标准。本文的监测报警软件设计是通过五大模块来进行设计的，根据监测报警软件的各种要求，以及不同功能模块进行模块设计划分。本文具体的设计思路如下：根据纯电动船舶监测报警软件不同模块的划分与功能，设计了各软件模块，以及软件的层次，把纯电动船舶的监测报警软件分成了大致4个模块：

（1）纯电动船舶数据采集模块设计；

（2）纯电动船舶数据库模块设计；

（3）纯电动船舶的监测报警人机界面设计；

（4）纯电动船舶的数据分析模块设计。

关键词：纯电动船舶；监测报警；软件设计

Abstract

In order to make up for and improve the data recording, monitoring and analysis of pure electric ships in the experimental process, a set of domestic pure electric ships'on-board monitoring and alarming software is established. Aiming at the reliability and system integration problems of domestic pure electric ships, in order to improve the brand quality of pure electric ships and promote the application of real ships, real-time data collection, monitoring and analysis of on-board ships are carried out. Thus, the real-time monitoring and analysis of the performance of pure electric ships are carried out. This subject is based on the "Inland 300 passenger pure electric ship construction project" of China Shipping Heavy Industry Research Institute, and carries out the monitoring and alarm performance monitoring research of pure electric ship. In view of the blank of the new ship monitoring and alarming software design in the shipping industry and the urgent need of the shipping industry in this respect, this paper roughly designs the pure electric ship monitoring and alarming software.

Before designing the monitoring and alarming software for pure electric ships, we consulted and read a large number of relevant materials at home and abroad, and studied the foreword technology and the most cutting-edge related products in depth. In addition, the requirements and specifications of pure electric ship monitoring and alarming software and related standards of China Classification Society were investigated and understood. The design of monitoring and alarming software in this paper is based on five modules. According to the requirements of monitoring and alarming software and different functional modules, the module design is divided. The specific design ideas of this paper are as follows: According to the division and function of different modules of the pure electric ship monitoring and alarming software, the software modules and software layers are designed, and the pure electric ship monitoring and alarming software is divided into approximately four modules:

(1) Design of data acquisition module for pure electric ship;

(2) Design of database module of pure electric ship;

(3) Man-machine interface design for monitoring and alarming of pure electric ships;

(4) Design of data analysis module for pure electric ship.

Key words: pure electric ship; monitoring and alarming; software design

目 录

第１章 绪 论 6

1.1课题研究的背景与意义 6

1.2船舶监测报警技术发展 6

1.3主要研究内容和研究路线 7

1.3.1主要研究内容 7

1.3.2研究路线 8

1.4软件总体结构设计原则 11

第2章 纯电动船舶数据采集模块的设计 12

2.1数据采集的监测点选择 12

2.2数据采集的框架设计 14

2.3数据采集的设备选型 15

2.3.1数字量输入端子模块选型 16

2.3.2数字量输出端子模块选型 17

2.3.3模拟量输入端子模块选型 18

2.3.4模拟量输出端子模块选型 19

第3章 纯电动船舶数据库模块设计 21

3.1数据库的设计原则和语言选择 21

3.1.1数据库的设计原则 21

3.1.2 SQL数据库工具介绍 22

3.2实时数据库设计 22

3.2.1数据库字段符号设计 23

3.2.2数据库功能实现流程设计 24

3.3实时数据库的实现 25

3.3.1监测点参数数据库 25

3.3.2实时监测数据库 27

3.3.3监测点报警数据库 28

3.3.4报警历史数据库 28

第4章纯电动船舶监测报警人机界面设计 30

4.1人机界面设计原则 30

4.2人机界面的实现 30

4.2.1软件主界面结构图 30

4.2.2报警分组菜单结构图 31

4.2.1监测报警系统导航结构图 32

4.2.4推进系统状态参数监控示意图 33

第5章 纯电动船舶数据分析模块设计 35

5.1数据分析模块实现功能要求 35

5.2数据分析及专家系统故障诊断技术 36

5.3数据分析和专家系统实现 36

5.3.1流程概述 36

5.3.2 数据处理 36

5.3.3 参数数据诊断 37

5.3.4 趋势分析 37

5.3.5 自动诊断监测趋势 38

第6章 结论 39

参考文献 40

致 谢 43

第１章 绪 论

1.1课题研究的背景与意义

在经济全球化，以及世界科学技术快速发展的影响之下，世界上的各个国家联系越来越紧密，特别是在海洋船舶运输方面，船舶运输更能够将世界联系在一起。因此船舶运输行业的兴盛与否对一个国家的综合实力、国际地位、国防力量的发展有着极其重大的意义。为了实现中国海洋工程装备的革命性技术更新，促进国内高科技船舶和新型船舶国家重要工业方面的发展，从而能够提升新型船舶的监测报警软件设计的实现以及重要技术的掌握，提升我国新型船舶监测报警软件设计的创新发展能力。因此，研发出一套针对新型船舶的监测报警软件是非常重要的，是具有革命性意义的。^[1]新型船舶的监测报警软件的开发，能够缩小中国与国际有关的监测报警软件技术的差距，提高中国船舶行业的核心竞争力，以及相关的技术创新能力，实现中国船舶运输行业的快速发展。^[2]

纯电动船舶的监测报警系统的模块化设计可以促进相关行业的发展，提高我国船舶的自动化程度，大幅度提升我国船舶工业水平，从而可以提高在国际上的市场竞争力，并且纯电动船舶的监测报警系统的模块化设计方法以及设计思路是现在甚至未来都会是非常先进且具有实际意义的产品设计思路和设计方法，将会被各行各业争相应用，以提升自身的竞争力和创造更大的市场价值。^[3]希望本文可以为提高我国船舶监测报警软件设计的水平做出一份贡献，也可以在某种程度上，提高我国船舶行业的可靠性，经济性。

1.2船舶监测报警技术发展

近年来，船舶监测报警软件设计技术得到快速发展，监测报警的技术发展可以分成三个重要的发展历程：第一阶段是现场控制，然后发展到第二阶段的集中控制，最终发展到船舶智能化自动化自主控制。该系统的基本功能是更换技术人员，持续监控各种设备的运行状态，及时发现故障，提高船舶运行安全性，并且能够改善人员的工作环境。在控制室内，只需要一个人就能够保证船舶的正常运行和监控，大大提高了人员的工作效率。纯电动船舶的监测报警系统的模块化设计可以促进相关行业的发展，提高我国船舶的自动化程度。船舶的监控报警系统按照时间发展，可以划为四个阶段：

（1）现场分散系统:；（2）集中系统；（3）集中分散系统；（4）现场总线控制系统。^[4]

1.现场分散监控报警系统

在船舶监测报警系统中，最先采用的就是现场分散监控报警系统。这个系统主要是通过人工作业的方式来实现监测报警的功能的，达到监视和控制设备的目的。这种监控报警系统由现场人员操作通过对气、液、电等项目的观察，以及调整等相关操作。但是由于船员工作环境较为恶劣，所以对人员工作要求难度以及素质较高，且需要人员24小时值班。自动化水平低，效率差。随着航运业的发展，市场要求的船舶吨位越来越大，设备越来越多，控制系统如果是主要由人力资源来实现，那么会使得控制系统逐渐脱离生产的实际需要。

2.集中式监控报警系统

集中式监控报警系统，主要是采用计算机来实现，通过机舱内分布的传感器采集需要监控的数据，并将这些数据传送给计算机，以达到监控的目的。但是传感器信号需要通过长屏蔽电缆传输到集控室，会消耗大量屏蔽电缆，成本高，抗干扰能力差。集中式监控报警系统只能在集控室内查看各个设备的参数，因此该系统存在较大局限性，一般只是应用在那种要求的监测点比较少些的中型以及小型船舶。 ^[5]

3.集中-分散式监控报警系统

集中-分散式监控报警系统是一个由数字调节器、可编程逻辑控制器（PLC）和多台微机按一定的组合原理组成的分级系统。随着微型计算机技术的发展，本系统将只使用一台微型计算机完成的监控任务分为若干个子系统，每个子系统都有自己的微型计算机来监控自己的部分，使每个系统不相互干扰，可靠性高，各系统之间相互通信。有利于集中管理。同时减少了电缆的数量，通过网络发送和接收信号，从而使得该系统具有较高的可靠性，以及扩展性。 ^[6]

4.现场总线控制系统

随着计算机处理器性能的提高和价格的快速下降，网络技术得到了迅速发展。现场总线控制技术开始被提出和应用。分布式控制系统由于具有封闭式或点对点通信的特点，很难完成大型系统的信息集成和与外部信息的交换。^[7]现场总线技术有许多优点，例如该系统可以做到以下几点：1、互联设备与系统之间的信息交；2、来自不同制造商的三个设备之间依然可以互相代替更换，使得后期维护保养更加简单经济；3、开放系统，快速适应环境，系统可靠性高，结构简单。

1.3主要研究内容和研究路线

1.3.1主要研究内容

（1）纯电动船舶数据采集模块设计；

（2）纯电动船舶数据库模块设计；

（3）纯电动船舶监测报警人机界面模块设计；

（4）纯电动船舶数据分析模块设计；

1.3.1研究路线

（1）完成船载端数据监测报警的数据采集程序设计

（2）完成船载端网络通讯数据的数据库和管理功能程序设计

（3）完成采集数据的报警数据库和管理功能程序设计

（4）完成采集数据的友好人机界面设计（表格、图形、趋势图等）

图1-1研究路线框图

第一章 绪论

第三章 纯电动船舶数据库模块设计

第二章 纯电动船舶数据采集模块设计

第四章 纯电动船舶监测报警人机界面设计

第五章 纯电动船舶数据分析模块设计

结论

1.4软件总体结构设计原则

纯电动船舶的监测报警系统软件的设计过程中，必须满足船舶的各种功能要求，监测报警软件应具有友好的人机界面，主要通过仪表、表格、趋势图、柱状图和画面来显示电池、逆变器、推进电机和水柜等状态参数；根据报警限值实时报警；将累积的数据进行趋势分析，结合统计量进行预警提示，为船载端管理人员管理纯电动船舶推进系统提供帮助。设计者还要想到该软件的界面布局要合理且易于使用。在软件的数据显示的显示界面中，要充分考虑数据的特点，以及各个设备的状态参数的功能要求，可以通过条形图、列表图、趋势图等表达出来。因此，监测报警软件设计要满足以下原则：^[8]

（1）符合规范要求；船舶的监测报警软件必须满足国际航运业的标准，符合航运行业相关规范要求，纯电动船舶船载监测报警软件用于接收机舱数据采集系统采集到的纯电动船舶相关参数，并对参数进行分析，给出报警或预警。

（2）具有良好的操作性，所设计的软件必须友好，监测报警系统是全船自动化系统的重要组成部分，该系统的主要功能为向船员传递船舶所有重要设备的运行信息以及故障报警信息，确保船员能对各设备以及船舶进行安全有效的控制。

（3）结构合理，按照面向对象的设计方法，集控台计算机采集全船数据、存储管理数据、存监测报警等。集控台采集纯电动系统参数和通导数据，纯电动系统包括左右电池、左右推进逆变器、左右水冷柜、左右吊舱推进器以及舱室水柜等参数来设计合理的软件结构，以及相应的模块。^[9]

（4）运行效率高，在软件设计过程中，要充分考虑到整个船舶监测报警系统的结构，以及模块设计。监控报警软件至少应包括船舶管理、电池管理、逆变器管理、推进系统、水柜等功能模块。优化相关的结构，在使用最少的资源下，能够获得最佳的性能，保证船舶监测报警软件运行的质量和效率。

第2章 纯电动船舶数据采集模块的设计

2.1数据采集的监测点选择

随着船舶行业的自动化技术的快速发展，各类船舶的数据采集的要求也越来越高，因此，船舶需要的监测设备不断增加。所以监测点的选取对于船舶的数据采集模块来说至关重要。其中，纯电动船舶需要监测的参数有两种：一种是开关量，另一种是模拟量。^[10]

开关量指的是，一个开关存在的的两种状态，即开关实现的断开和闭合。一般来说，开关的类型也是两种，其为继电器触点或者是机械开关，实现断开和闭合。模拟量，一般是说压力，液位，温度，速度等，是一种连续变化的量。传感器的作用是可以把这些开关量还有模拟量进行电信号转换，以达到数据处理，数据传输，数据监控的目的。在纯电动船舶上测量温度时，如果是在需要测量较低温度的情况下，可以选择热敏电阻或者是热敏电阻温度传感器，如果是高温情况下，则采用热电偶温度传感器。

在进行纯电动船舶监测报警软件的数据采集模块的设计之前，首先要确定纯电动船舶的各个设备的监测点，以及所需要采集的监控数据，即监测参数。因此，本文根据纯电动船舶的具体需要和船级社的规范标准编制了详细的监测点清单，选择了纯电动船舶中比较典型的12个模拟量和19个开关量进行研究和设计，具体编制表如下两表所示：

表1 模拟量监测点

表2 数字量监测点

2.2数据采集的框架设计

纯电动船舶监测报警软件的数据采集模块的意义就在于采集纯电动船舶中需要监测的数据，具体数据采集过程如图2-1所示。当纯电动船舶的数据采集模块在收到中央处理单元的指令后，进行数据采集，采集各个监测点的数据。当数据采集过程完成之后，所采集的数据通过数据传输单位发送到中央处理单元，然后中央处理单元进行数据处理，然后发送到下一个模块。 ^[11]具体的数据采集步骤框图如下：

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