0 引　言

船舶运输在全球经济中扮演着重要角色，随着船舶吨位的增大，船舶在运输过程中会产生大量的温室气体，从环境保护角度来看，对船舶油耗进行自动检测有利于降低温室气体的排放，同时还可以降低航运运输成本。传统的船舶油耗检测依赖于各种半自动化仪表，难以实现连续性监测，且在出现油耗异常时船员难以第一时间进行处理。船舶油耗自动检测系统通过精确监控油耗，从而实现高效的燃料管理，并减少不必要的浪费，从而降低运营成本。

船舶油耗和航行速度、载重、船型、航行路线的水文条件等密切相关，对于固定航线而言，通过对不同船舶航行中油耗的实时监测可以为后续的航线优化提供数据基础，合理的航线规划可以避免不必要的绕行。国内外有很多学者对油耗自动检测系统进行了研究，张海丽等^[1]开发了一种融合电容检测技术和GPRS通信的油量测量设备，构建了一个以微处理器LM3S1968为核心，集成了感应器、GPRS通讯模块的监测处理系统，提升能源消耗的监测和记录水平。苑毅等^[2]提出了一种基于ARM的油耗实时监测系统，研究了船舶航速和油耗之间的关系，并通过控制航速来实现油耗的最优控制。可以发现，这些研究主要是通过嵌入式系统来实现对油耗的监测，但从国内目前的情况来说，对船舶油耗的监测不仅需要提升实时性，还需要结合其他信息，如船舶的实时位置、航速、船型信息等，同时将这些信息通过无线网络传输到管理部门，有助于制定合理的补贴政策，也可以为后续对船舶进行航线规划提供数据基础^[3]。本文在已有研究的基础上，提出了一种基于DSP的船舶油耗自动检测系统，系统将北斗导航数据、AIS数据、实时油耗数据等进行融合后，通过4G无线网络发送到船舶监控中心，实现对大量船舶油耗数据的科学统计。

1 系统架构及模块设计

船舶油耗指的是船舶在航行过程中，其发动机或动力系统为提供动力而消耗的燃油量。对船舶油耗进行自动测量可以帮助船舶查明油耗异常原因，并为船舶运输进行航线规划提供数据基础^{[4 − 5]}。船舶油耗自动检测系统集成了多种信息技术，旨在实现对船舶燃油消耗的实时监测、数据记录与分析以及异常情况的及时报警。系统由船载终端和岸基服务器构成，船载终端负责采集油耗、AIS数据、GPS数据等，并通过4G无线通信将数据发送到岸基服务器，岸基服务器则负责对这些数据进行处理和分析，并为操作者提供人机界面。系统结构图如图1所示。

船舶油耗自动监测系统船载终端包括以下模块：

1）GPS定位，用于实时获取船舶的地理位置信息。

2）4G无线通信，实现船载终端与岸基服务器之间的数据传输。

3）油耗采集单元，包括高精度的流量计、转速采集器和油量传感器以及对应的数据采集模块，用于测量发动机的累积油耗和瞬时油耗，并测量发动机的转速，以辅助分析油耗情况。

4）AIS，负责收集船舶动态信息、静态信息、航次信息以及船舶识别标志等，其中动态信息包括船舶的位置、航速、航向、改变航向率以及预计到达时间等。静态信息包括船名、呼号、海上移动业务识别码（MMSI）、船长、船宽、船舶类型和载货情况等。航次信息包括目的港、航线信息以及航行相关数据，如目的地和预计到达时间。船舶识别标志使用全球唯一的编码体制MMSI码作为识别手段。船载终端在获取这些信息后就可以结合船舶的实时油耗信息为后续的航线规划做好准备。

5）微控制器DSP，是船舶油耗自动检测的核心部分，它不仅将油耗采集单元获取的模拟数据转换为数字量，同时还将GPS数据、AIS数据等通过4G无线通信转发出去，微控制器DSP是船载终端的数据转换、存储以及信息处理中心。

岸基服务器的主要功能是接收各船舶油耗自动检测系统的各类数据（AIS、GPS、油耗等），同时对这些数据进行存储、计算以及分析。其包括存储单元、计算分析单元、通信单元以及人机界面，在完成对数据的分析计算后，所有的计算结果会汇总到人机界面，即用户监控端。监控中心实现的功能包括：

1）实时油耗监测。通过高精质量流量计或油量传感器实时监测船舶的燃油消耗情况，包括累积油耗和瞬时油耗。结合发动机转速数据，分析油耗与发动机运行状态的关系。

2）数据记录与分析。将监测到的油耗数据存储在数据库中，供后续分析和查询。提供数据分析功能，如油耗趋势分析、异常油耗检测等。

3）异常报警。当监测到异常油耗情况时（如油耗突然增加、燃油泄漏等），系统自动触发报警机制，通知相关人员及时处理。

4）船舶动态监控。结合GPS定位数据，实时监控船舶的航行轨迹和位置信息。提供航行轨迹回放功能，便于分析船舶的航行路径和油耗情况。

5）报表生成。自动生成船舶航行数据报表，包括油耗报表、航行轨迹报表等，便于管理人员进行统计和分析。

6）节能航速提示。根据船舶的油耗数据和航行条件，计算并提示最优的节能航速，帮助船舶降低油耗成本。

2 油耗自动检测的关键技术实现 2.1 油量传感器设计

船舶油耗自动检测的关键在于获取船舶的实时油耗量，为了达到这个目标，就需要使用油量传感器，船舶油量传感器需要能够实现油量的高精度测量。同时由于经常能够接触到燃油等腐蚀性液体，且工作环境属于高温高压，因而油量传感器需要具有较高的稳定性，且能够耐腐蚀、耐高温，具备一定的抗冲击能力^[6]。设计了一种电容式油量传感器，其结构如图2所示。

电容式油量传感器利用电容的变化来测量油量。电容式油量传感器由多个电子元件构成，包括地线（用于屏蔽）、输入电容（C_IN1和C_IN2）、交流耦合电容（C_EXCA和C_EXCB）、直流隔离电容（CDC）以及印刷电路板（PCB）内的电极。电容式传感器的工作原理基于电容值的变化，由于电容可以为设备存储电荷，其值取决于2个导电板之间的距离、面积以及两者之间的介质。在油量传感器中，C₁通常作为与液位相关的电容，其值会随着油面的升降而变化。C₂作为参考电容，通常保持不变，用于提供比较基准。

PCB内的电极与液体接触，形成电容的一个极板，而液体本身作为另一个极板。地线连接到液体，提供了一个稳定的参考点。当油量变化时，C₁的电容值会发生变化，这个变化通过交流耦合电容（C_EXCA和C_EXCB）和直流隔离电容（CDC）进行信号的调理和隔离，以保证信号的稳定性和安全性。经过信号调理后的电容变化转换成数字信号，可以被微处理器读取并进一步处理，从而得到油量的准确读数。同时为了提高测量的准确性，系统需要校准，以补偿温度变化、液体特性等因素对电容值的影响。

2.2 数据采集与处理

在获取油量传感器的数据后，需要对油量传感器的数据进行一系列处理，这些处理包括信号滤波、信号调理、信号多路复用选择、模数转换等。数据采集与处理的流程如图3所示。

传感器数据采集与处理流程较为复杂，其原因在于需要采集的传感器数据量较多，且不同船舶传感器输出的量也不同，有数字量和模拟量，因而在数据采集与处理过程中需要不断对传感器的量进行判断，在收到传感器数据采集命令后，确定需要对传感器数据采取的操作，包括数字量读取与写入、模拟量读取与写入。以传感器数字量读取为例，首先确定设定的参数是否正确，如采样频率、数据格式、通道数量、校准参数、错误检测与处理等，当确定参数正确时，开始读取传感器数据，在数据读取完成后发送反馈命令“AA 55 FF BB”，否则发送读取失败反馈命令，即“AA 55 EE BB”，监控端在收到此命令后即判断出当前采集参数设置不正确。同理，可以完成传感器数据的数字量写入、模拟量读取与写入。

整个流程是一个条件判断和执行的过程，根据接收到的命令和参数，执行相应的数据采集或通信任务，并在每个步骤中创建相应的响应消息。这个过程确保了船舶油量传感器数据可以根据不同的命令被正确地读取或写入，并且通过SPI总线与其他设备进行通信。

2.3 温度补偿及油耗测量

温度补偿算法在船舶油耗自动检测中尤为重要，精确的油耗测量需要根据使用环境对测量结果进行补偿，油量传感器性能受到环境温度变化的影响，这种影响可能导致测量结果的偏差。为了消除或减小这种偏差，就需要引入温度补偿算法。

1）首先，通过实验或数据分析确定传感器读数随温度变化的规律。在不同温度下对船舶油量传感器进行校准，并记录读数。

2）建立数学模型：根据实验数据，建立一个能够描述传感器读数与环境温度之间关系的数学模型，并将其使用多项式进行准确表达。

3）设计补偿算法：基于建立的数学模型，设计一种算法来修正由于温度变化引起的读数偏差。算法接收原始的传感器读数和当前的环境温度作为输入，然后输出经过温度补偿后的准确读数。

4）实现与测试：将温度补偿算法嵌入到传感器读取系统中，并进行实际测试以验证其有效性。测试应在不同的环境温度下进行，以确保补偿算法在各种条件下都能提供准确的读数。

使用本文设计的船舶油耗自动检测系统对7种类型的船舶油耗进行测量，并与实际值进行比较，得到的数据如表1所示。使用本文设计的系统对不同船舶的油耗进行测量，测量误差均较小，最大误差为1.13%，因而本文提出的船舶油耗自动检测系统具有较高的检测精度。

系统在检测时将连续检测10次，间隔时间为60 s，并将10次检测值求取平均值作为当前时间段的油耗值。对8000 DWT散货船和7800 DWT集装箱船的油耗进行自动检测，8000 DWT散货船速度分别为13.0 kn和10.0 kn，7800 DWT集装箱船速度分别为17.0 kn和14.0 kn，主机功率分别为2500 kW和7500 kW。得到的结果如图4所示，可知，不同类型船舶在匀速航行时耗油量存在较大差距，同一船舶在保持匀速时耗油量差距不大，且速度较低时耗油量更低。本文设计的船舶油耗自动检测系统具有较高的实时性和稳定性。

3 结　语

对船舶油耗进行自动检测可以有效获取不同船舶在不同航速时的实时油耗情况，为降低污染气体排放、船舶路径规划等提供数据基础。本文对船舶油耗自动检测系统进行设计，并使用该系统对不同船舶的油耗进行测试，得到的结论如下：

1）船舶油耗测量具有非常重要的意义，要求具有极高的实时性和准确性，且需要和AIS数据、GPS数据联合使用，在岸基监控中心对这些数据进行处理可以为船舶航线规划提供数据基础；

2）使用油量传感器可以实现油量的准确测量，确定好系统的采样频率、数据格式等参数，最终可以实现对船舶油耗的实时测量；

3）通过传感器测量的温度补偿机制可以有效降低船舶环境对传感器测量的影响，对不同船舶在不同航速下的油耗进行测量，结果表明船舶油耗自动检测系统具有较高的检测精度、实时性和稳定性。