李本銀， 張耕實(shí)， 嚴(yán)浙平， 徐　健

(哈爾濱工程大學(xué) 自動化學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

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游艇狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

李本銀， 張耕實(shí)， 嚴(yán)浙平， 徐健

(哈爾濱工程大學(xué) 自動化學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

摘要:為彌補(bǔ)現(xiàn)有游艇管理方式的弊端，使遠(yuǎn)在異地的船東及時(shí)掌握游艇狀態(tài)信息，設(shè)計(jì)了游艇狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)。首先，基于無線通信組網(wǎng)與傳感器技術(shù)，提出系統(tǒng)組成方案；為獲取游艇發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速及油耗等重要狀態(tài)信息，將發(fā)動機(jī)附體上安裝的振動傳感器電壓信號映射為單點(diǎn)虛擬振動功率，通過樣條插值方法實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速與單點(diǎn)虛擬振動功率的擬合；以發(fā)動機(jī)油耗系數(shù)表征油耗與轉(zhuǎn)速的對應(yīng)關(guān)系；開展了游艇狀態(tài)監(jiān)測實(shí)艇試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明:本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對游艇發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、油耗和位置、航向、航速等狀態(tài)信息的監(jiān)測，并在游艇駛出安全區(qū)域、發(fā)動機(jī)空轉(zhuǎn)等異常狀況發(fā)生時(shí)給出報(bào)警信息，具有較高實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：游艇； 狀態(tài)監(jiān)測； 無線通信； 傳感器技術(shù)

0引言

近年來隨著經(jīng)濟(jì)的增長，游艇產(chǎn)業(yè)得到長足的發(fā)展，部分機(jī)構(gòu)和企業(yè)及中高收入者成為游艇的主力消費(fèi)群體[1]。事實(shí)上，船東在大部分時(shí)間將游艇交由游艇俱樂部代為管理，這種游艇管理方式的弊端在于，遠(yuǎn)在異地的船東無法及時(shí)了解游艇的狀態(tài)，甚至在發(fā)生游艇駛出安全區(qū)域或者游艇發(fā)動機(jī)空轉(zhuǎn)運(yùn)行等異常狀況時(shí)也毫不知情[2]，因此，迫切需求一種能夠監(jiān)測游艇狀態(tài)信息并及時(shí)報(bào)告給異地船東的系統(tǒng)，以彌補(bǔ)現(xiàn)有游艇管理方式的不足。

文獻(xiàn)[3]所提出的游艇監(jiān)控裝置及系統(tǒng)和文獻(xiàn)[4]所提出的游艇導(dǎo)航系統(tǒng)均能夠?qū)τ瓮承顟B(tài)進(jìn)行監(jiān)測，并與位于岸上的主控室或者管理中心進(jìn)行無線通信，以實(shí)現(xiàn)信息交互，但是，由于二者目的分別是使主控室內(nèi)的監(jiān)控人員了解游艇狀態(tài)信息以保證游艇駕控人員的安全和為游艇駕控人員提供導(dǎo)航信息，而游艇狀態(tài)信息最終沒有提供給遠(yuǎn)在異地的船東。

本文設(shè)計(jì)的游艇狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確監(jiān)測游艇的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、油耗和位置、航向、航速等狀態(tài)信息的基礎(chǔ)上，還能夠?qū)⒂瓮顟B(tài)信息以及游艇發(fā)生的異常狀況通過3G無線網(wǎng)絡(luò)報(bào)告給遠(yuǎn)在異地的船東，使船東及時(shí)了解游艇狀態(tài)信息。

1游艇狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的組成與功能

無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)及傳感器技術(shù)在船舶信息化進(jìn)程中逐步發(fā)揮重要作用，為游艇狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)提供了技術(shù)保障[5～8]。

如圖1所示，游艇狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)由三個(gè)部分組成，

即：游艇狀態(tài)監(jiān)測終端設(shè)備(即監(jiān)測終端)、遠(yuǎn)程管理中心(即管理中心)、異地客戶終端(即客戶終端)，其中，客戶終端是指運(yùn)行客戶終端應(yīng)用程序的智能手機(jī)或者計(jì)算機(jī)。游艇狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的三個(gè)組成部分相互遠(yuǎn)離：監(jiān)測終端與管理中心之間采用3G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無線通信；客戶終端與管理中心之間通過互聯(lián)網(wǎng)以有線或者無線方式進(jìn)行通信；監(jiān)測終端與客戶終端不直接進(jìn)行通信。

圖1　游艇狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的組成與其他設(shè)施的連接Fig 1　Composition of yacht condition remote monitoringsystem and its attachment to other facilities

游艇狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的三個(gè)組成部分協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)的功能分別是：

1)監(jiān)測終端：實(shí)時(shí)監(jiān)測游艇發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、油耗和游艇位置、航向、航速等狀態(tài)信息，并存入存儲器；當(dāng)發(fā)生游艇駛出設(shè)定的安全區(qū)域和游艇發(fā)動機(jī)空轉(zhuǎn)運(yùn)行等異常狀況時(shí)向管理中心發(fā)出報(bào)警信息；按照設(shè)定的周期由存儲器讀取游艇狀態(tài)信息并發(fā)送到管理中心；響應(yīng)船東在客戶終端通過管理中心發(fā)來的參數(shù)設(shè)置命令，修改相應(yīng)的工作參數(shù)。

2)管理中心：存儲由監(jiān)測終端發(fā)來的游艇狀態(tài)信息，供船東查詢；將監(jiān)測終端發(fā)來的異常狀況報(bào)告發(fā)送至客戶終端以及時(shí)通知船東；當(dāng)船東在客戶終端發(fā)來對監(jiān)測終端設(shè)置的參數(shù)時(shí)，將設(shè)置的參數(shù)發(fā)送至監(jiān)測終端。

3)客戶終端：船東通過客戶終端訪問管理中心，可以隨時(shí)了解游艇狀態(tài)信息和游艇發(fā)生的異常狀況；船東通過客戶終端對監(jiān)測終端的部分參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，并將設(shè)置的參數(shù)發(fā)送至管理中心。

監(jiān)測終端始終保持工作狀態(tài)以完成對游艇狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測和對異常狀況的及時(shí)報(bào)告，其工作過程能夠全面地反映出游艇狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的工作過程。

2游艇發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速與油耗測量原理

游艇的位置、航向、航速信息可以由雙天線差分GPS模塊直接獲得，原理較為簡單；相比之下，根據(jù)振動傳感器輸出的電壓信號測量發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速與油耗的方法就比較復(fù)雜。

發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速與油耗測量方法是：在每個(gè)發(fā)動機(jī)的附體上安裝一只振動傳感器，將其輸出的電壓信號經(jīng)A/D板輸入到監(jiān)測終端的處理器，由該電壓信號定義了表征振動傳感器安裝點(diǎn)處振動強(qiáng)烈程度的單點(diǎn)虛擬振動功率，測得單點(diǎn)虛擬振動功率后，根據(jù)以先驗(yàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)按照三次樣條插值方法擬合的轉(zhuǎn)速—單點(diǎn)虛擬振動功率對應(yīng)關(guān)系即可得到發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速；又定義了表征發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速與瞬時(shí)油耗關(guān)系的油耗系數(shù)，該油耗系數(shù)由先驗(yàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)估計(jì)得出，根據(jù)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速與油耗系數(shù)能夠得到單個(gè)發(fā)動機(jī)的瞬時(shí)油耗，進(jìn)而可以得到當(dāng)前時(shí)刻游艇的累積油耗。

2.1發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速測量原理

監(jiān)測終端輸出游艇狀態(tài)信息的周期定義為狀態(tài)更新周期，對一個(gè)狀態(tài)更新周期內(nèi)振動傳感器所采集的電壓信號進(jìn)行中位均值濾波，得到中位均值電壓VM，假設(shè)VM作用于單位電阻，其功率定義為單點(diǎn)虛擬振動功率PV

(1)

試驗(yàn)結(jié)果表明單點(diǎn)虛擬振動功率與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速具有很強(qiáng)的正相關(guān)性，但二者之間不是嚴(yán)格的線性關(guān)系，須借助精度滿足工作要求的轉(zhuǎn)速表對這一對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行擬合，則根據(jù)這一擬合關(guān)系，通過測量單點(diǎn)虛擬振動功率即能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)速測量。由于發(fā)動機(jī)在一定轉(zhuǎn)速下，附體振動的強(qiáng)烈程度是由發(fā)動機(jī)自身及游艇的內(nèi)部結(jié)構(gòu)所決定的，是相對穩(wěn)定的，因此，轉(zhuǎn)速與所定義的單點(diǎn)虛擬振動功率之間的關(guān)系是相對穩(wěn)定的，根據(jù)擬合關(guān)系由后者得出前者是合理的[9～11]。

通過先驗(yàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到樣本點(diǎn)(PV1，n1)，(PV2，n2)，…，(PVm，nm)，其中,PV1，PV2，…，PVm表示發(fā)動機(jī)穩(wěn)定在不同轉(zhuǎn)速時(shí)，由振動傳感器輸出的原始電壓信號計(jì)算得到的數(shù)值相異的單點(diǎn)虛擬振動功率，n1，n2，…，nm表示以轉(zhuǎn)速表測得的對應(yīng)的轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)值。令

itp_PV=[PV1,PV2,…,PVm],

(2)

itp_n=[n1,n2,…,nm].

(3)

以序列itp_PV和itp_n作為樣本點(diǎn)，應(yīng)用三次樣條插值方法進(jìn)行擬合，得到單點(diǎn)虛擬振動功率PV與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速n的分段遞增對應(yīng)關(guān)系[12,13]

n=gi(PV),PV∈[PVi,PVi+1),i=1,2,…,m-1,

(4)

式中g(shù)i為單點(diǎn)虛擬振動功率PV與轉(zhuǎn)速n在功率區(qū)間[PVi，PVi+1)內(nèi)的對應(yīng)關(guān)系(i=1，2，…，m-1)，U為單點(diǎn)虛擬振動功率所有可能取值的集合。

實(shí)際應(yīng)用中，對于各個(gè)發(fā)動機(jī)，由振動傳感器輸出的原始電壓信號得到單點(diǎn)虛擬振動功率后，即可由式(4)計(jì)算發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速。

2.2游艇發(fā)動機(jī)油耗計(jì)算原理

游艇發(fā)動機(jī)通常采用螺旋推進(jìn)器，推力計(jì)算公式為[14]

(5)

式中FT為發(fā)動機(jī)推進(jìn)器螺旋槳的推力；t為推力減額系數(shù)；ρ為水密度；DP為螺旋槳直徑；KP為無因次推力系數(shù)；n為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速。

發(fā)動機(jī)推進(jìn)器的推進(jìn)速度vT與其轉(zhuǎn)速成正比

vT=KT·n,

(6)

式中KT為常數(shù)，則發(fā)動機(jī)消耗的功率為

(7)

定義單位時(shí)間消耗的燃油(汽油或柴油)體積為油耗率(L/s)，記為Rc，則

Rc=λ·Pc,

(8)

式中λ為常數(shù)((L/s)/W),令

(9)

定義Kc為油耗系數(shù)((L/s)/(r/min)3)，則

Rc=Kc·n3.

(10)

可見，油耗率與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的三次方成正比，它們之間的關(guān)系可由油耗系數(shù)Kc表征。發(fā)動機(jī)在一個(gè)狀態(tài)更新周期內(nèi)消耗燃油的體積為

VU=Rc·TU.

(11)

游艇上全部q個(gè)發(fā)動機(jī)在一個(gè)狀態(tài)更新周期內(nèi)消耗燃油總體積為

(12)

Vc=Vc+VU_sum.

(13)

3游艇狀態(tài)監(jiān)測實(shí)艇試驗(yàn)

以游艇狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測終端對某游艇進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測實(shí)艇試驗(yàn)，該游艇裝配一個(gè)發(fā)動機(jī)，型號為沃爾沃D3—220A—E游艇柴油發(fā)動機(jī)，振動傳感器與發(fā)動機(jī)的連接方式如圖2所示。

圖2　振動傳感器與游艇發(fā)動機(jī)的連接方式Fig 2　Connection mode of vibration sensor and yacht engine

對游艇所在海域建立平面坐標(biāo)系，原點(diǎn)取為游艇停泊的位置，縱軸、橫軸分別表示北向、東向位置。由工作人員駕駛游艇出海航行，直至所加入的燃油耗盡，在此期間對游艇的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、油耗和位置、航向、航速等狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3～圖9所示：圖3表示游艇的航行軌跡；圖4、圖5、圖6分別表示由雙天線差分GPS模塊獲取的游艇位置、航向、航速信息，其中，航向是指北偏東的角度；圖7表示發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速測量值、標(biāo)準(zhǔn)值以及二者之間的誤差；圖8表示游艇累積油耗的變化；圖9顯示了報(bào)警信息。

圖3　游艇航行軌跡Fig 3　Trajectory of yacht

圖4　游艇位置信息Fig 4　Position information of yacht

圖5　游艇航向Fig 5　Heading of yacht

圖6　游艇航速Fig 6　Velocity of yacht

圖7　發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速測量值、標(biāo)準(zhǔn)值以及二者之間的誤差Fig 7　Measured and true values of engine rotationalspeed and error

圖8　游艇油耗Fig 8　Fuel consumption of yacht

圖9　報(bào)警信息Fig 9　Alarm information

由圖4看出，游艇由A點(diǎn)出發(fā)，到達(dá)B點(diǎn)時(shí)駛出安全區(qū)域，到達(dá)C點(diǎn)時(shí)又進(jìn)入安全區(qū)域，繼續(xù)航行一段時(shí)間，到達(dá)D點(diǎn)時(shí)停止航行。對比圖6與圖7(a)，在約690～740 s期間游艇航速幾乎為0，而發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速不為0，即發(fā)動機(jī)處于空轉(zhuǎn)運(yùn)行狀態(tài)。試驗(yàn)過程中，實(shí)際加入的燃油體積為0.500 L，而游艇航行結(jié)束時(shí)監(jiān)測到的累積油耗體積為0.487 L。

試驗(yàn)結(jié)果表明:游艇狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測終端能夠完成對游艇位置、航向、航速以及發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、油耗等狀態(tài)信息的監(jiān)測，尤其是所采用的基于單點(diǎn)虛擬振動功率的轉(zhuǎn)速和油耗測量方法，轉(zhuǎn)速測量誤差在±30 r/min以內(nèi)，累計(jì)油耗的相對測量誤差2.60 %，精度均能夠達(dá)到工程應(yīng)用的要求；此外，在發(fā)生游艇駛出安全區(qū)域(圖9中，約310～910 s)以及發(fā)動機(jī)空轉(zhuǎn)運(yùn)行(圖9中，約690～740 s)等異常狀況時(shí)監(jiān)測終端能夠及時(shí)發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警信息。

4結(jié)論

本文提出游艇狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，介紹了該系統(tǒng)的組成與功能，詳細(xì)闡述了應(yīng)用振動傳感器測量發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和油耗等狀態(tài)信息的原理，進(jìn)行了游艇狀態(tài)監(jiān)測的實(shí)艇試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：方案設(shè)計(jì)合理、有效，能夠?qū)崿F(xiàn)對游艇的位置、航向、航速以及發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、油耗等狀態(tài)信息的監(jiān)測，測量精度滿足工程應(yīng)用要求；并且在發(fā)生游艇駛出安全區(qū)域、發(fā)動機(jī)空轉(zhuǎn)運(yùn)行等異常狀況時(shí)給出報(bào)警信息，從而保證遠(yuǎn)在異地的船東能夠及時(shí)掌握游艇狀態(tài)信息，財(cái)產(chǎn)權(quán)益得到有效維護(hù)。

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Design of yacht condition remote monitoring system*

LI Ben-yin, ZHANG Geng-shi, YAN Zhe-ping, XU Jian

(College of Automation,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China)

Abstract:Yacht condition remote monitoring system is designed to overcome defect of present management mode for yacht,so owners can be informed of the yacht condition.Scheme of system constitution is presented based on wireless communication networking technology and sensor technology;in order to obtain essential condition parameters of yacht,such as rotational speed of engines and fuel consumption,single point virtual vibration power(SPVVP)is defined from the voltage signals by vibration sensors mounted on the engines of the yacht,and correspondence between rotation speed and SPVVP is fitted through cubic spline interpolation.Fuel consumption coefficient is introduced to represent corresponding relationship between fuel consumption and rotational speed.yacht condition monitoring experiment is performed.Experimental results show that yacht condition remote monitoring system can realize yacht condition parameters and transmit alarm information in some sudden cases,which demonstrates the system has high practical value.

Key words:yacht； condition monitoring； wireless communication； sensor technology

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)03—0060—04

收稿日期：2016—01—08

*基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51179038)

中圖分類號：TP 212.9

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1000—9787(2016)03—0060—04

作者簡介:

李本銀(1984-),男，湖北廣水人，博士研究生，主要從事水下無人航行器的研究工作。

張耕實(shí)，通訊作者，E—mail：zgengshi@163.com。