0 引　言

近年来，海上船舶的无线通信技术得到了迅速的发展，并在船舶工业领域获得了广泛的应用，由于船舶工业自动化、智能化的不断深入，船载自动化设备的装机量不断提高，在提升舰船自动化性能的同时也引起了一些问题，比如远洋船舶的工作人员由于缺乏一定的技术知识，一旦船载设备在外海发生故障时无法自行解决，可能导致更加严重的故障问题。因此，采用海上无线通信技术实现船舶机电设备的远程故障诊断和监控十分有必要。

本文研究是船舶机电设备远程监控过程中的信息交互、远程定位等问题，基于无线协作通信开发了船舶设备远程监测平台，并详述了远程监测平台的硬件设计、数据库设计、软件设计等内容，对于提升舰船机电设备远程监控的水平，保障船舶航行的安全性有重要的意义。

1 船舶设备远程保护下的通信及定位技术研究 1.1 船舶设备远程监测的无线协作通信系统研究

本文在设计船舶远程监测系统的通信模块时，采用多跳协作通信技术，将船舶通信模式划分为单节点单信道和单节点多信道等模式，通信网络的原理模型如图1所示。

可知，在船舶设备远程监控系统中，单节点单信道网络包括一个源节点^[1]，一个协作节点和一个目的节点；单节点双信道网络包括2个源节点，一个协作节点和一个目的节点，网络结构相对复杂。

协作通信网络的信号时延模型为：

$T\left( n \right) = {T_0}\prod\limits_{j = 0}^i {\left( {\dfrac{{{p_{j,j + 1}}}}{{{p_{j + 1,j}}}}} \right)} ,i = 1,2,...,M \text{，}$

式中： ${T_0}$ 为初始时隙。

通信网络的信号误差模型为：

$\left\{ \begin{gathered} {U_0} = K\left( {1 + \Delta {\varepsilon _0}} \right)\sin \left( {\alpha + wt\Delta {\eta _0}} \right) + \Delta {\delta _0}\cos \theta \\ {U_t} \;= K\left( {1 + \Delta {\varepsilon _t}} \right)\sin \left( {\alpha + wt\Delta {\eta _t}} \right) + \Delta {\delta _t}\cos \theta \\ \end{gathered} \right. \text{，}$

式中： $K$ 为两相信号的闭环增益， $\alpha$ 为无线通信信号的相位角， $\theta$ 为正交相位角， $\Delta {\varepsilon _t}$ 为信号的幅值误差，用下式计算：

$\Delta {\varepsilon _t} = \frac{1}{2}\Delta {\varepsilon _0}\sin 2\theta \text{。}$

$\Delta {\eta _t}$ 为正交误差，用下式计算：

$\Delta {\eta _t} = \Delta {\eta _0}\cos \left( {wt - 2\alpha } \right) \text{。}$

$\Delta {\delta _t}$ 为耦合误差，用下式计算：

$\Delta {\delta _t} = \frac{1}{2}\left( {\Delta {\varepsilon _0} - \Delta {\eta _o}} \right)\sin 2\theta 。$

1.2 基于GPS的舰船远程定位终端系统设计

船舶机电设备的远程监控需要对设备进行较准确的定位，GPS定位系统是目前较成熟、精度较高、装机量大的一种定位系统，GPS定位系统的信号分量主要有载波信号、测距码和数据码，通过对GPS定位系统的信号进行解码、译码，可以获取较准确的船舶机电设备位置信息。

假定某设备的位置为P $\left( {x,y,z} \right)$ ，该位置距离最近的GPS定位卫星距离 ${D_0}$ ，定义GPS卫星的坐标为 $\left({X}_{0}，{Y}_{0}，{Z}_{0}\right)$ ，可得距离为：

${D_0} = \sqrt {{{\left( {{X_0} - x} \right)}^2} + {{\left( {{Y_0} - y} \right)}^2} + {{\left( {{Z_0} - z} \right)}^2}} \text{，}$

解算可得船舶设备的位置坐标为：

$\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} x \\ y \\ z \end{array}} \right] = {R^{\rm{T}}}\left( {\cos \left( {w - {w_0}} \right)} \right)\left( {\Delta \varphi } \right)\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{X_0}} \\ {{Y_0}} \\ {{Z_0}} \end{array}} \right] \text{，}$

w为GPS卫星的绕地球旋转角速度，按下式计算：

$w = \sqrt {\left( {\frac{{GgM}}{{{r_0}^3}}} \right)} \text{。}$

式中： ${r_0}$ 为卫星的轨道半径， $M$ 为卫星质量。

船舶设备远程监控系统的GPS定位模块主要由显示器、MCU控制器、GPS、接口、数据采集与控制模块等组成，原理图如图2所示。

2 船舶设备远程保护下的信息智能交互系统设计 2.1 船舶设备远程保护信息平台的硬件设计

本文基于海上无线通信和GPS等技术，搭建了船舶远程设备保护信息平台，其基本构成包括船载终端、传感器、远程控制中心^[2]、GPS、交换机等，原理图如图3所示。

船舶远程设备保护信息平台的功能有：

1）船舶远程设备数据的管理功能

平台通过无线网络实时获取船载机电设备的各类运行参数，比如发动机转速、功率、电气设备的电流、电压等，参数获取以后平台利用计算机对数据进行分类、管理和存储，并通过平台的显示器实时展示给船舶远程设备监控系统的工作人员。

平台在进行数据存储和管理时，采用的数据库技术为Access数据库技术。

2）远程设备控制功能

船舶设备远程保护的关键环节是监测到船载远程设备的故障状态，发送控制信号操作船载远程设备，一方面调整设备的工作状态，改善当前的故障；另一方面如果故障无法在线修复，直接发送停机指令，防止出现更严重的故障。

3）故障报警功能

船舶远程设备保护信息平台采用声光信号进行故障报警，在对船舶的远程监测的过程中，一旦船舶某些设备状态出现异常，控制中心就会触发声光信号向工作人员报警。

2.2 设备远程保护信息平台的Access数据库技术

Access数据库技术是微软开发的一款数据库平台，具有以下特点：

1）面向对象的数据库工具^[3]

Access数据库技术的这一特点是指在数据库搭建和开发过程中，Access数据库技术把应用系统划分为多个独立的对象，每个应用对象的需求、边界条件存在区别，Access数据库技术针对不同的对象进行属性的定义和开发。此外，用户在基于Access数据库进行应用程序开发时，可以根据实际工况进行属性的自定义。比如开发的Table对象中，可以增加Table对象的表单属性等。

2）集成度高

Access数据库技术在Windows环境下的集成度非常高，不仅能够有效处理TXT，table，DATA等数据，也集成了大量的开发工具，实现不同的数据处理场景的工具调用，对用户的友好性高。

Access数据库技术的端口报文处理流程如图4所示。

2.3 基于Access数据库技术的设备远程监测信息统计

结合Access数据库技术，对船舶机电设备进行远程数据采集和统计，主要包括船舶机电设备的故障率、设备使用寿命两方面。

1）船舶设备故障概率统计

远程设备保护信息平台的统计数据表明，随着样本量的增加，船舶机电设备的故障率服从泊松分布，如下式：

$P\left( X \right) = k\frac{{\left( {\lambda t} \right)k{e^{ - \lambda t}}}}{{k!}}\;\;,\left( {k = 0,1,...} \right) \text{，}$

式中： $P\left( X \right)$ 为在一定时间节点上船舶设备故障数量为k时的概率， $\lambda$ 为平均故障率。

在一定时间内，机电设备故障数小于x的概率为：

$P\left( {X < x} \right) = \sum\limits_{k = 0}^x {} \dfrac{{\left( {\lambda t} \right)k{e^{ - \lambda t}}}}{{k!}}\; \text{，}$

在一定时间内故障数大于x且小于y的概率为：

$P\left( {x < X < y} \right) = \sum\limits_{k = x}^y k \dfrac{{\left( {\lambda t} \right)k{e^{ - \lambda t}}}}{{k!}}\; \text{，}$

其他情况， $P\left( {X = 0} \right) = {e^{ - \lambda t}}$ 。

2）设备使用寿命统计

船载机电设备的使用寿命可用正态分布的数学模型进行描述，通过Access数据库的统计和提取，得到机电设备使用寿命的概率密度函数和分布函数^[4]如下：

$\begin{gathered} f\left( x \right) = \dfrac{1}{{\sqrt {\sqrt 2 {\text{π}} \sigma } }}{e^{\tfrac{{{{\left( {x - u} \right)}^2}}}{{2{{\text{π}} ^2}}}}}，\\ F\left( x \right) = \int\limits_{ - \infty }^\infty {f\left( x \right)} {\rm{d}}x = \dfrac{1}{{\sqrt {\sqrt 2 {\text{π}} \sigma } }}\int\limits_{ - \infty }^\infty {} {e^{\tfrac{{{{\left( {x - u} \right)}^2}}}{{2{{\text{π}} ^2}}}}} 。\\ \end{gathered}$

式中： $\sigma$ 和u为正态分布系数。

2.4 船舶设备远程保护信息平台的软件设计

对于平台操作人员来讲，界面和操作程序的友好性非常重要，本文采用Win CC组态软件搭建了船舶设备远程保护信息平台的软件程序，软件结构流程图如图5所示。

3 结　语

船舶机电设备的正常运行对于船舶整体有重要的意义，针对海上船舶机电设备的故障问题，本文搭建了一个船舶远程设备保护信息平台，结合无线通信和GPS定位技术，实现船舶远程机电设备的故障在线监测和控制，提高船舶设备的安全性。