摘 要

船舶不断朝智能化方向发展对船员职业素质有了更高要求，我国是个航运大国，设计适合于智能船舶发展的基于物联网技术的船舶电力系统实验平台有利于培养高素质的船员。而且，随着船舶不断朝智能化方向发展，船舶数据量越来越大，传统单控制器的船舶自动化电力系统已无法满足现代电站控制系统性能要求。因此设计与现代船舶的电力系统相适应的智能船舶的电力系统实验平台具有现实意义和价值。

本文主要考虑了国内外船舶电站系统的发展现状和趋势，以及船员培训面临的问题，设计了一种与现代船舶的电力系统相适应的基于物联网技术的智能船舶电力系统实验平台。本文主要进行了智能船舶设计规范的查阅、实验平台的整体框架设计、设备的选型、无线通讯方式的选择，以及系统功能初步验证。本文的主要特色在于将物联网云计算的概念加入到传统的船舶电力系统中，相较于传统的船舶电力系统加入物联网及云服务器后，不仅可以实现设备数据共享远程获取，也可以对设备全生命周期的大量数据监测结果进行分析，从而发现其中的规律，改善现状。这对于设备使用、设备生产以及船舶设计研究都有重要意义。

关键词：智能船舶；船舶电力系统；物联网

Abstract

The continuous development of ships in the direction of intelligence has higher requirements for the professional quality of the crew. China is a big shipping country. The design of the ship power system experimental platform based on the Internet of Things technology suitable for the development of intelligent ships is conducive to the cultivation of high-quality crew members. Moreover, with the continuous development of ships in the direction of intelligence, the ship data volume is getting larger and larger, and the traditional single-control ship automation power system can not meet the performance requirements of modern power plant control systems. Therefore, it is of practical significance and value to design a power system experimental platform for intelligent ships that is compatible with the power system of modern ships.

This paper mainly considers the development status and trend of ship power station system at home and abroad, as well as the problems faced by crew training, and designs an intelligent ship power system experiment platform based on Internet of Things technology that is compatible with the modern ship's power system. This paper mainly reviews the intelligent ship design specifications, the overall framework design of the experimental platform, the selection of equipment, the choice of wireless communication methods, and the preliminary verification of system functions. The main feature of this paper is to add the concept of IoT cloud computing to the traditional ship power system. Compared with the traditional ship power system, the IoT and cloud server can not only realize the remote access of device data sharing, but also the device. A large number of data monitoring results throughout the life cycle are analyzed to discover the laws and improve the status quo. This is important for equipment use, equipment production, and ship design research.

Key Words：Intelligent ship; Ship power system; Internet of things

目 录

1.1研究背景 5

1.2智能船舶的概念及设计规范 5

1.3论文研究目的及意义 6

1.4智能船舶电力系统 6

1.5本文主要研究内容 7

第2章 基于物联网技术的船舶电站实验平台整体的框架设计 9

2.1物联网技术 9

2.2有线连接部分 10

2.3无线传感网络部分通讯方式的选择 11

2.3.1 LoRaWan方案简介 11

2.3.2 WiFi方案 13

2.3.3 WirelessHart方案 15

2.4几种方案对比分析，确定最佳方案 18

2.5本章小结 19

第3章 分析实际项目功能需求，对电站所需设备进行选型 21

3.1实际项目条件要求及功能需求分析 21

3.1.1实际项目功能需求 21

3.1.2实际项目建设条件要求 22

3.2柴油发电机组等设备选型 22

3.2.1柴油发电机组选型一 22

3.2.2柴油发电机组选型二 23

3.2.3柴油发电机组自动并机控制系统 26

3.3物联网模块设备选型 27

3.3.1主要智能传感器选型 28

3.3.2发电机励磁电流及功率的测量及数据上传 28

3.3.3网关节点设备 28

3.3.4边缘计算设备 29

3.4本章小结 31

第4章 对所设计系统进行功能验证 32

4.1本地监控站监测与控制功能验证 32

4.1.1 监控系统通讯接口及通讯协议 32

4.1.2 本地监控软件界面及测试结果展示 33

4.2 物联网功能验证 34

4.3本验证存在的缺陷与不足 37

第5章 总结与展望 39

5.1全文总结 39

5.2展望 39

参考文献 41

致 谢 43

第1章 绪论

1.1研究背景

随着科学技术飞速发展,特别是计算机及通讯技术、人工智能技术、物联网等技术的不断发展，使得我们生活的各个领域越来越趋向于智能化自动化。"工业4.0"概念早在2014年就已经开始受到公众的广泛关注。"工业4.0"的核心内容则是工业"智能化"。船舶设计制造同样也面临着"智能化"转型。在全球经济贸易往来越来越频繁的时代背景下,人们对货运要求也越来越高。船舶运输由于其具有运输量大、成本低廉等优势,在货物运输中起到至关重要的作用。全球范围内贸易来往最重要的运输方式就是船舶运输,但随着船舶数量的不断增加传统船舶弊端也逐渐凸显出来。这也加速了船舶智能化转型,近年来通信及计算机技术的不断发展以及大数据技术、物联网、数据挖掘、机器学习等新技术的应用,使智能船舶成为可能。这些也都对船员的专业素质有了更高的要求，因此设计与现在船舶电力系统相适应的实验平台不仅有利于智能船舶的发展研究，而且有利于培养适应于智能船舶的高素质船员。

1.2智能船舶的概念及设计规范

传统的船舶制造按照船东的需求依据相关技术标准进行定制。船舶使用中没有收集船舶长期运营中的设备数据,不能有效地判断船型的好坏,也就不能在后续进行针对性改善^[1]。智能船舶是指将先进的计算机技术、信息传输、物联网、数据挖掘、大容量计算、远程诊断控制等技术运用到船舶的运行和管理中,通过装在船上的大量传感器来探测设备信息和外界环境信息,并基于数学模型,利用高效计算机对采集到的数据分析处理进行综合评估,最终得到可靠的结果,并给出最合适的决策方案,为船员的操作和管理做指导。这些先进技术在船舶运输上的应用保证了船舶运营的安全、高效、绿色环保。另外,智能船舶还具有自学习能力,即对大量数据的分析处理不断调整改善模型参数,使决策更加准确。智能船舶联网后可以动态实时监测船舶设备各种状态数据。实时动态监测数据有助于及时发现异常,保证船舶营运安全。此外,这些数据也可以指导船舶设计单位在后续的船舶设计中进行针对性优化。

《智能船舶规范》定义智能船舶为:利用传感器、物联网、互联网、通信等技术,感知船舶自身及周围环境、物流及港口等方面的数据,并由大数据分析技术对获取的数据进行分析处理,在船舶航运营、维护等方面实现智能化,以达到船舶运输更加安全环保、经济的目的^[2]。

智能船舶发展分为四个阶段:即由船舶状态远程监控阶段到利用物联网等技术将数据共享给连接岸基并由岸基进行数据分析处理做出决策指导船舶运行,第三阶段在第二阶段基础上加入港口物流信息。第四阶段实现无人驾驶及物流自动化。当前智能船舶的发展正处于由第一阶段向第二阶段的过渡阶段^[3]。

《智能船舶规范》是CCS在其科技成果的基础上,结合国内外智能船舶应用经验而编制成。该规范由智能船体,智能机舱,智能管理,智能航行,智能货物管理和智能集成平台六大模块组成,对相应的智能功能提出了标准和要求。主要包括船舶数据感知、数据分析、诊断预测、决策响应实施等几个方面。

1.3论文研究目的及意义

我国是个航运大国,传统的船员培训多基于实船开展,花费高、耗时长且硬件资源有限。近年来,随着我国船舶设计制造的蓬勃发展,船舶自动化智能化程度越来越高,需要处理的船舶数据信息越来越多,这些都对船员的专业素质有了更高的要求^[15]。另外,由于船舶运输领域有两大特点,其一,有大量的关于船舶航行状态的各种类型的参数,尤其是船舶电力系统的相关参数直接关系到船舶航行安全;其二,这些参数表面上看似毫不相关,但很有可能隐含某种关系规律,我们在长时间大量收集存储这些参数的变化情况后,可以对这些数据进行判断并得出决策。我们可以对这些参数使用数学的方法进行分析、判断、处理,在看似杂乱无章的变量参数间建立起某种简化了的数学模型,从而发现其中的规律,并从中获取所需的知识^[17][19]。在获取到规律知识以后,我们还可以根据这些知识对目前的状况做出反馈,调整改善现状。因此,设计与现代船舶的电力系统相适应的智能船舶电力系统实验平台不仅有利于智能船舶的发展研究，而且有利于培养适应于智能船舶的高素质船员。

1.4智能船舶电力系统

船舶电力系统是船舶的重要组成部分，随着船舶建造的规模越来越大以及海上船舶电力的发展,运行在船舶上的电力负载也越来越多,设备呈现种类多样化、功能丰富化、布置密集化的趋势^[7]。船舶电力系统的智能化程度直接决定了船舶配员数量和船员劳动强度,同时也反映了造船技术的先进程度^[16]。船舶电力系统自动化具有很多优点,比如:船舶电力系统自动化大大降低了船员的劳动强度；提高了船舶电站的供电的电能质量;降低了人为因素故障发生率（人为因素故障占总故障的80%）；另外，船舶电站自动化可以辅助船员快速定位故障位置及原因进而及时解决,使船舶经济效益和安全性可靠性得到提高等,但这对管理人员的专业素质也有了更高要求。

随着近年来我国造船工业的迅速发展,我国己成为全球最大的造船国^[8],积累了丰富的经验。然而,我国造船工业整体水平低下,许多关键技术受制于人。与发达国家相比,我国在船舶电力系统自动化方面的研究相对要晚很多,我国的造船技术水平与发达国家还有很大差距^[9]。船舶电力系统占船舶总成本约40%,目前,我国国产船舶的配套设备比例仅为6%^[10],船舶电力控制系统的国产比例更低。并且，发达国家的先进的船舶电站控制系统技术垄断严重。但随着我国造船业的迅速发展,国内很多船舶研究机构对国内船舶自动化电力系统进行研究,并取得了许多成果,倪依纯等^[11]使用 ARM9构建μC/OS-II实时操作系统,实现船舶电力系统的监测。吴志良、劳山^[12]提出使用 PLC S7-1200组建船舶电力控制系统,实现船舶电站的监测和保护。另外，我国船员培训设备与现在新型智能化船舶逐渐不适应。因此设计适应于现在智能船舶的电力系统实验平台不仅有利于智能船舶的发展研究而且有利于适应新型智能船舶的高素质船员。

1.5本文主要研究内容

本文在综合考虑了国内外船舶电站系统的发展现状和趋势,以及船员培训面临着实船培训花费高、耗时长、硬件资源有限等问题的情况下,提出设计一种与现代船舶的电力系统相适应的基于物联网技术的智能船舶电力系统实验平台。本文设计的基于物联网技术的智能船舶电力系统实验平台,采用无线和有线连接相结合的设计方式。无线连接部分以WirelessHART无线传感器网络作为设备的数据采集终端。由无线传感器网络来完成整个船舶电站设备数据的采集,并通过WSN Gateway(网关节点)传送传送给边缘计算节点进行初步处理,最后再由网关节点把这些设备数据通过以太网传输并存储到云服务器上,这样在任何一个有网络的地方用户都可以通过电脑等终端远程访问查看设备运转参数。另外,我们在长时间大量收集存储这些设备状态信息后,通过对这些采集到的设备数据使用数学方法分析处理并作出判断,在看似杂乱无章的变量参数间建立起某种简化了的数学模型,从而发现其中的规律,并从中获取所需的知识,由此根据这些知识对目前的状况做出反馈。无线组网的方式与传统有线组网方式相比有可扩展性更好、安装布置方便、维护成本低等优点。有线连接部分以本地监控站为核心,两台柴油发电机组及三相阻抗负载与并车柜连接,并车柜与本地监控站以RS485总线进行通讯。

本文主要内容如下:第1章首先介绍智能船舶及电站自动化的背景国内外现状智能船舶相关设计规范要求，并介绍了本文的主要工作、研究目的和意义。第2章介绍了基于物联网技术的船舶电站实验平台整体的框架设计。介绍了船舶电站实验平台的功能、总体框架结构以及相关技术与系统设计方案、组网方式及优劣分析。第3章根据实际项目功能需求对柴油发电机组、配电柜、机旁控制器及物联网组件等设备进行初步选型,并对各设备选型结果进行对比分析确定最佳选型。第4章对所涉及的系统进行初步功能验证。主要包括本地监控站监控功能验证及物联网模块通信功能理论验证。第5章总结与展望。首先对本文所有工作总结,提出该设计存在的不足,接着对船舶电力系统实验平台的自动化智能化完善提出了自己的看法。

第2章 基于物联网技术的船舶电站实验平台整体的框架设计

本文设计的船舶电站实验平台结合了物联网技术。该系统采用无线和有线连接相结合的设计方式,提出了四种设计方案,分别是LoRaWAN方案、WiFi方案、WirelessHART方案(边缘计算设备置于便携式控制箱)及WirelessHART方案(边缘计算设备置于便携式控制箱和固定柜中),后两种方案主要区别是无线传感网络部分通信方式及边缘计算设备安放位置不同。

无线连接部分以无线传感器网络作为设备的数据采集终端。由各种无线智能传感器（如：缸套水冷却温度传感器、滑油油量温度压力传感器、转速传感器、电压电流功率因数传感器、启动空气压力传感器等）组成的无线传感器网络来完成整个船舶电站设备数据的采集,并通过网关节点将这些设备信息传送传送给边缘计算节点进行初步处理，最后再由网关节点把这些经过初步处理的设备数据通过以太网传输并存储到云服务器上，这样在任何一个有网络的地方用户都可以通过电脑等终端远程访问查看设备运转参数。应用边缘计算使繁杂众多的设备数据能在最近端进行初步处理,减少云端数据传输及处理量，数据处理延迟就会降低，计算网络的压力更小，从而提高效率节省资源。物联网模块主要用于对设备进行长期数据监测,对获取的数据进行分析处理,并使用存储器进行存储。在长时间大量收集存储这些设备状态信息后，应用数学方法对这些采集到的设备数据进行分析、判断、处理，在看似杂乱无章的变量参数间建立起某种简化了的数学模型，从而发现其中的规律，并从中获取所需的知识，由此根据这些知识对目前的状况做出反馈，以调整改善现状。比如：长时间大量的设备数据信息可以提供给设备厂家作进一步的分析处理，进而发现设备薄弱环节进行改进。另外，大量收集存储设备全寿命周期时间内状态信息可以指导设备厂商或船舶运营维护人员进行设备全生命周期维修管理计划编制，在设备故障之前根据数据经验进行设备维修，提高设备运行可靠性。这对船舶安全运营有重要意义。

有线连接部分以本地监控站为核心，两台柴油发电机组及三相阻抗负载与并车柜连接，并车柜与本地监控站以RS485总线（Modbus协议）进行通讯，此外，本地监控站通过以太网实现与物联网云网络的连接。有线连接部分主要用于船舶电站实验平台的本地监测与控制，比如,对柴油机发电机组的启动、并车解列等操作及设备数据监测。

2.1物联网技术

物联网技术是近几年新提出的一种新型的信息技术,是互联网计算机技术的延伸。物联网技术已经慢慢的融入到人们生活的各个领域,跟人们的日常生活不可分割。物联网应用领域极其广泛,因此物联网技术潜在市场需求很大。

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