2022, Vol. 44
2. 河南交通职业技术学院，河南 郑州 451400
2. Henan College of Transportion, Zhengzhou 451400, China
尽管船舶柴油发动机的技术先进性不断提高，使柴油的利用率有了明显进步，但船舶的燃料成本仍然很高。因此，统筹船舶的油耗管理，进行全面和准确的船舶油耗监测非常有必要。
传统的船舶油耗管理问题较难解决，主要原因包括：1）传统油耗管理主要依靠船员报表进行，受主观因素影响较大，导致获取的信息有一定偏差；2）目前船舶节能产品种类多样[1]，但缺乏必要的远程监控技术，因此，无法对船舶节能状态有准确的了解。
针对这一问题，本文开发一种智能化船舶油耗监测系统，利用GPS和GPRS技术获取和传递船舶的实时油耗数据，提升了对船舶的油耗监管能力。
1 船舶油耗模型首先建立船舶的油耗模型，确定船舶主机燃油消耗量与船舶航速的关系。油耗模型能够获取船舶的最佳节油航速，使船舶航行线路选择更加合理，对于船舶节能有重要的作用。
通过大量的统计数据分析，得到船舶燃油消耗量与船舶航行速度的关系是一种非线性关系，随着船舶航行速度的增加，燃油消耗率先降低后增加。
图1为船舶燃油消耗量与船舶航行速度的关系曲线。
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图 1 船舶燃油消耗量与船舶航行速度的关系曲线 Fig. 1 Relation curve between ship fuel consumption and ship sailing speed |
船舶智能油耗监测系统必须满足以下功能需求：
1）采集参数
智能油耗监测系统的传感器包括流量传感器、GPS、霍尔传感器等，部署在船舶动力系统的各个位置，负责采集船舶动力系统轴功率、转速、油耗量等参数。同时，智能油耗监测系统还需要具备一定的数据实时运算能力，实现传感器数据格式的转换。
2）数据通信
油耗监测系统需要将传感器采集的数据传送至控制中心，在设计智能油耗监测系统时，采用GSM通信系统和有线网络相结合的方式，船舶内置的传感器节点与监测终端之间通过有线网络连接，船舶终端与地面控制中心通过GSM无线传输网络实现数据的传递[2]。
3）信息显示
在船舶的地面控制中心，计算机需要将船舶航迹、动力系统工况参数、油耗特性等显示出来，以便管理者查看。地面控制中心可以将油耗数据转换为各类图表数据，提高船舶油耗管理效率。同时，用户可以通过访问地面控制中心计算机的数据库，查询船舶的历史油耗数据、工况数据，通过大数据分析和对比，掌握更全面的船舶营运数据。
智能化船舶油耗监测系统基本原理如图2所示。
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图 2 智能化船舶油耗监测系统基本原理图 Fig. 2 Basic schematic diagram of intelligent ship fuel consumption monitoring system |
在该智能化油耗监测系统中，GPS模块、流量传感器、控制模块和显示模块是关键部件。
1）GPS模块
GPS模块的功能是获取营运船舶的详细位置信息，包括船舶的经纬度、所处的航线等，GPS模块采集的信息通过无线网络发送至控制模块，最终与船舶油耗、航速、航向等参数集成并显示在控制中心的计算机上。
2）流量传感器
流量传感器是船舶油耗数据采集的关键设备，采用串接的方式安装在船舶柴油发动机的油路中，由于柴油发动机的回油量较大，因此在发动机进油路和回油路上分别安装2个流量传感器，保证流量数据的采集精度[3]。
流量传感器主要由转换器、电机、法兰、测量管、励磁线圈、外壳等组成，图3为油耗监测系统使用的流量传感器的原理图。
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图 3 流量传感器的原理图 Fig. 3 Schematic diagram of flow sensor |
流量传感器的脉冲频率与燃油体积流量成线性关系，比值为K，计算公式如下：
| $ K=\frac{3600f}{Q}\text{ }或K=\frac{N}{V} \text{。} $ |
式中：
3）控制模块
控制模块是智能化船舶油耗监测系统的远端控制器，主要实现以下功能：
①实现流量传感器和船舶GPS模块的数据采集，通过流量传感器采集船舶的油耗数据，通过GPS模块获取船舶的定位信息。
②实现对GPS模块、传感器和显示模块的控制，按照确定的数据传输协议将采集的数据发送至船舶的控制中心。
③控制交换机以及GSM通信模块，实现系统内数据的高效传输。
4）显示模块
显示模块位于智能监控系统的控制中心，可实时显示船舶车辆运行的瞬时油耗、位置信息等，也可以显示具有一定统计规律的数据，比如船舶的累积油耗数据。
2.3 RS-232接口标准设计RS-232串行接口最早应用于计算机与调制解调器数据连接，目前，RS-232串行接口已经广泛应用于不同外接设备与计算机之间的通信领域，通信速率已经由最初的20 kb/s逐渐提升至1 Mb/s，通信距离也不断提高。
RS-232串行接口定义−5～−15 V电位为1，+5～+15 V电位为0，考虑系统干扰噪声的影响，放宽至−3～−15 V之间的电位为1，+3～+15 V之间的电位为0，标准电位−5～+5位于模糊区，此时的接口可能为0或1，不具有确定性。
图4为RS-232串行接口的电位定义示意图。
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图 4 RS-232串行接口的电位定义示意图 Fig. 4 Schematic diagram of potential definition of RS-232 serial interface |
RS-232串行接口的引脚功能如表1所示。
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表 1 RS-232串行接口的引脚功能 Tab.1 Pin function of RS-232 serial interface |
在船舶智能油耗监测系统中，GPS模块具有重要的作用，综合考虑GPS模块的性能和成本特性，最终选择瑞士U-blox公司的NEO-6M GPS模块，该模块的运行特征包括：
1）具备3种供电模式，包括主电源供电、备用电源供电、外接USB接口供电。其中，备用电源可维持模块正常工作30 min以上。
2）NEO-6M GPS模块的连续工作功耗为120 mW，正常工作电压为2.7～3.6 V[4]。
3）NEO-6M GPS模块具有间歇运行模式和连续运行工作模式，其中，间歇工作模式具有良好的节电效果。
4）模块支持UART接口，信号波特率范围为5～120 kb/s，需要进行电平转换才能接入RS232接口。
5）定位精度高，误差半径可达5 m。
图5为NEO-6M GPS模块的电路图。
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图 5 NEO-6M GPS模块的电路图 Fig. 5 Circuit diagram of neo-6m GPS module |
智能船舶油耗监测系统通过GSM无线通信进行传感器数据的传输，将GPS和流量传感器采集的信息发送至控制模块和地面控制中心，针对系统的GSM无线传输模块进行优化设计。
该GSM无线传输模块的基本组成如图6所示。
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图 6 GSM无线传输模块的基本组成 Fig. 6 Basic composition of GSM wireless transmission module |
可知，GSM无线传输模块主要由GSM基带处理器、射频接口、内部Flash rom、电源、I/O端口、天线、SIM接口、备用电源等组成。
1）GSM基带处理器
GSM基带处理器是无线传输模块的核心部件，是进行RS232串口指令传输、变换的主要场所，相当于一个协议处理器，文中使用的GSM基带处理器Infineon PMB6272，该处理器基于32位arm搭建[5]，具有数据处理能力强等优点，还高度集成了信号调频接收机。
2）射频接口
射频接口的功能是实现油耗监测系统的射频信号的收发、调制与解调等，完成系统信号的格式转换。
3）Flash ROM
Flash ROM作为一个临时存储器，其功能是进行船舶油耗监测系统的移动用户配置信息存储。
本文使用的GSM模块为SIM300S系列模块，该模块可在1 900 MHz/EGSM 900 MHz[6]等频率下工作，可以实现语音、短信息等数据的无线传输，集成了10个GPRS信道资源，且内部具有完备的TCP/IP协议栈。
图7为智能化船舶油耗监测系统的油耗流量采集数据。
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图 7 船舶油耗监测系统的油耗流量采集数据 Fig. 7 Data acquisition of oil consumption and flow in ship oil consumption monitoring system |
本文通过建立船舶的油耗模型，开发了一种智能化船舶油耗监测系统，分别开展了船舶油耗监测系统的整体设计、RS232接口电路设计、GSM无线传输模块设计等。
| [1] |
谢云鹏, 董良雄, 施怡然, 等. 基于大数据技术的船舶油耗监测系统设计[J]. 水运管理, 2018, 40(9): 34-36. |
| [2] |
严奇, 任杰. 内河船舶油耗监测系统设计[J]. 仪表技术, 2013(5): 22-23+53. |
| [3] |
李笑笙, 董良雄, 周文强, 等. 基于油耗数据的船舶排放监测系统的设计与实现[J]. 机械工程师, 2019(12): 76-78. |
| [4] |
陈劲松, 徐学群. 船舶油耗远程实时监控管理系统设计[J]. 电子质量, 2011(6): 32-34. |
| [5] |
叶翠安. 基于3G网络的船舶燃油监测系统设计与实现[J]. 机电工程技术, 2016, 45(1): 9-11. |
| [6] |
杨郑明, 徐轶群. 基于STM32的渔船油耗监测系统设计[J]. 船海工程, 2016, 45(4): 122-125+130. |