曹宇，宋育澤，唐小波，王寧，李夢波

( 1. 上海海洋大學(xué) 工程學(xué)院，上海 201306；2. 上海海洋可再生能源工程技術(shù)研究中心，上海 201306 )

0 引 言

21 世紀(jì)的海洋已成為經(jīng)濟全球化、區(qū)域經(jīng)濟一體化的聯(lián)系紐帶，成為各國展示綜合國力和國際影響力的新舞臺[1-2]. 隨著海洋裝備技術(shù)的發(fā)展，水面電動船已被普遍應(yīng)用于海洋環(huán)境研究、海洋維權(quán)和海域測量等領(lǐng)域. 但是，目前電動船的電能補給多依賴于人工回收，無法真正的實現(xiàn)全天候自動化作業(yè). 基于以上問題，設(shè)計了一種電動船智能停泊充電裝置，該裝置能夠利用潮流能、風(fēng)能實現(xiàn)能源的自供給，并可以向水面缺電的電動船進行充電，且操作具有智能化.

在充電裝置工作過程中，海域坐標(biāo)需要實時地傳遞給電動船，引導(dǎo)其做出相應(yīng)的路徑規(guī)劃，跟隨導(dǎo)航系統(tǒng)快速到達裝置所在海域. 同時，該充電裝置的發(fā)電狀態(tài)、工作狀況、充電情況也需要實時的反饋到岸基控制室，以供用戶監(jiān)測. 為了精確掌握該充電裝置的海域坐標(biāo)和各種工作參數(shù)，開發(fā)人員決定采用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)，BDS 獨特地短報文通信功能使其成為全球首個通信一體化的全球定位導(dǎo)航系統(tǒng)[3-5].該系統(tǒng)既能實現(xiàn)導(dǎo)航定位，又能實現(xiàn)用戶與用戶、用戶與控制系統(tǒng)之間的雙向短報文通信[6-9].

1 電動船智能充電裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計和工作流程

1.1 充電裝置總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

電動船智能停泊充電裝置通過兩根漂浮筒使其能夠在海面上漂浮，該裝置主要由電能供給模塊、穩(wěn)壓儲電模塊、充電船固定模塊、充電模塊和BDS 通信模塊組成，圖1 為總體結(jié)構(gòu)示意圖.

圖1 電動船智能停泊充電裝置總體結(jié)構(gòu)圖

此裝置的潮流能、風(fēng)能發(fā)電機以及BDS 用戶機選型如下：

1)潮流能發(fā)電機組

選用由上海海洋大學(xué)研發(fā)的雙向直驅(qū)潮流能發(fā)電機組如圖2 所示，單機發(fā)電狀態(tài)下能夠向裝置提供4 kW 的發(fā)電功率.

圖2 上海海洋大學(xué)潮流能發(fā)電機組

2) BDS 衛(wèi)星用戶機

BDS 衛(wèi)星用戶機選用如圖3 所示的QMZH21型號用戶機. 該用戶機主要運用于海上作業(yè)，具有防水、防高溫、防腐蝕等特點，集成了衛(wèi)星無線電定位系統(tǒng)(RDSS)、衛(wèi)星無線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)(RNSS)、射頻收發(fā)電路、功率放大電路、基帶電路等模塊，具有集成度高、功耗低、安裝方便等優(yōu)點.

3)風(fēng)力發(fā)電機

風(fēng)力發(fā)電機選擇如圖4 所示的利順太陽能C01型風(fēng)力發(fā)電機組，單機狀態(tài)下能夠向裝置提供1.5 kW的發(fā)電功率.

1.2 裝置工作流程

電動船智能停泊充電裝置的工作流程如圖5 所示. 圖5(a)所示，當(dāng)電動船電能不足時，通過充電裝置的通信確定充電裝置的海域坐標(biāo)，并跟隨BDS導(dǎo)航移動至裝置附近；圖5(b)所示，到達充電裝置附近的電動船，被充電裝置捕獲進入固定裝置卡槽，同時被固定裝置的鎖銷固定；圖5(c)所示，固定完成后，充電裝置將連接無人船充電接口，對無人船進行充電；圖5(d)所示，裝置工作過程中，安裝于平臺面板上的風(fēng)力發(fā)電機持續(xù)向裝置供電，同時平臺下方的兩臺雙向直驅(qū)潮流能發(fā)電機也在為該充電裝置提供電能. 此外，整個工作過程中，該充電裝置的工作狀態(tài)都將實時的傳輸給岸基終端進行監(jiān)測控制.

圖5 電動船智能充電裝置工作過程

2 基于BDS 的電動船智能充電裝置通信方案設(shè)計

BDS 是繼美國的GPS、歐盟的Galileo、俄羅斯的GLONASS 之后較為先進的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)[7-8].其具備RDSS 和RNSS 兩種工作模式[10-12]，在RDSS工作模式下可以實現(xiàn)BDS 特有的信息傳遞和導(dǎo)航定位雙重功能，圖6 為通信系統(tǒng)架構(gòu).

圖6 BDS 通信架構(gòu)

通信請求端將加密處理后的通訊內(nèi)容和接受用戶ID 發(fā)送給BDS 衛(wèi)星，并由衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)給地面站. 經(jīng)過地面站脫加密處理后，由衛(wèi)星傳遞給接收端用戶.接收端用戶接受到通信信號后，經(jīng)過解調(diào)、解密得出通信信息，完成通訊[13-15].

2.1 導(dǎo)航通信方案

當(dāng)電動船在遠海作業(yè)時，其船載電能監(jiān)測模塊用來監(jiān)測電能是否充足，電能不足時，電動船通過船載BDS 用戶機與充電裝置BDS 用戶機進行通信，尋找充電平臺位置并進行導(dǎo)航規(guī)劃，圖7 為導(dǎo)航通信方案示意圖. 電能檢測模塊將充電信號傳遞給BDS 船載用戶機，與充電裝置中的BDS 用戶機進行相互通信，使電動船得到充電裝置的海域坐標(biāo)和導(dǎo)航路線，并將其傳遞給船載控制器進行路徑選擇. 路徑選擇完成后，船載控制器向電動船驅(qū)動裝置發(fā)送信號，電動船將按著BDS 導(dǎo)航路徑航行，以到達充電裝置附近海域.

圖7 導(dǎo)航通信方案示意圖

2.2 監(jiān)測通信方案

電動船智能充電裝置放置在遠海時，數(shù)據(jù)的傳輸和通信是保證該裝置持續(xù)工作的重要環(huán)節(jié)，基于BDS 的RDSS 業(yè)務(wù)設(shè)計遠端監(jiān)測通信方案如圖8 所示. 充電裝置的發(fā)電參數(shù)、充電情況、電動船固定情況都經(jīng)由裝置信息采集模塊采集，傳遞到裝置的BDS 用戶機，并發(fā)送至岸基BDS 接受端，然后傳遞給岸基服務(wù)器，由服務(wù)器負責(zé)將監(jiān)測數(shù)據(jù)解密解調(diào)，發(fā)送給岸基用戶并接受用戶所下達的指令，以進行反向通信.

圖8 監(jiān)測通信方案示意圖

3 基于BDS 的電動船智能充電裝置通信系統(tǒng)設(shè)計

3.1 通信系統(tǒng)構(gòu)成

電動船智能充電裝置的通信系統(tǒng)，主要由海上裝置、空間裝置及岸基裝置三部分組成，圖9為通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖.

圖9 裝置通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.2 通信協(xié)議設(shè)計

由于RDSS 模式下的短報文通信容量有限，依據(jù)所選擇的BDS 用戶機性能參數(shù)如表1 所示. 由表1可知，單次最大的數(shù)據(jù)傳輸量為120 個漢字或420個BCD 碼，報文頻度為1 min. 需要在不超出容量的情況下合理地設(shè)計通信協(xié)議，以保證通信質(zhì)量，根據(jù)通信容量限制與通信方案要求，制定了一套簡易的短報文傳輸協(xié)議，在每組傳輸數(shù)據(jù)中必須包含充電裝置ID，以便確認數(shù)據(jù)來源[16-20]. 具體的通信協(xié)議如表2所示.

表1 BDS 衛(wèi)星用戶機性能參數(shù)表

表2 BDS 衛(wèi)星RDSS 短報文數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

4 岸基用戶客戶端設(shè)計

通過Visual Studio2015 平臺，利用C#語言設(shè)計用戶客戶端軟件. 將終端軟件安裝在岸基用戶計算機中，就可以直接獲得服務(wù)器中海上充電裝置所傳來的數(shù)據(jù)，用戶也可以利用該軟件，發(fā)送控制充電裝置的控制指令，并由服務(wù)器通過BDS 岸基用戶機傳遞給充海上充電裝置. 其具體的體系結(jié)構(gòu)如圖10所示.

圖10 客戶端體系結(jié)構(gòu)

利用LabView 平臺設(shè)計客戶端操作界面如圖11所示. 岸基用戶可以通過客戶端的操作界面，直接獲得該充電裝置的海域坐標(biāo)、發(fā)電電壓、發(fā)電電流、充電電流、充電狀態(tài)(是/否充電完成)以及船體的固定狀態(tài). 此外用戶還可以通過該操作系統(tǒng)的控制界面控制充電裝置的運行. 實現(xiàn)了充電裝置和岸基用戶的雙向通信.

圖11 客戶端操作界面

5 實驗測試

圖12 為在海洋環(huán)境相對較好的青島某海域開展水面測試實景圖.

圖12 水面測試圖

電動無人船在相關(guān)海域進行水質(zhì)監(jiān)測作業(yè)，當(dāng)電能不足時無人船與充電裝置按照圖7 所設(shè)計的通信方案進行相互通信，使無人船確定充電裝置的海域坐標(biāo)，并進行相應(yīng)的路徑規(guī)劃如圖13 所示，按照所規(guī)劃的航行路線航行至充電裝置附近，以進行電能補充.該實驗驗證了BDS 在電動船智能充電裝置和水面無人船中應(yīng)用的可行性.

圖13 無人船路徑規(guī)劃圖

6 結(jié)束語

本文基于BDS 提出了一種電動船智能充電裝置的設(shè)計方案. 利用BDS RDSS 模式下獨有的導(dǎo)航通信功能，建立該充電裝置的通信方案和通信系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對水面電動船的導(dǎo)航、固定、充電，并可以利用BDS 實時的向岸基傳輸充電裝置的工作參數(shù). 通過設(shè)計用戶客戶端軟件實現(xiàn)充電平臺工作狀況的可視化，使得岸基用戶可以監(jiān)測充電裝置的運行情況并發(fā)送控制指令，對海洋可再生能源的運用和提高水面電動船的補電效率有著現(xiàn)實意義.