2024, Vol. 46
2. 大连海事大学 信息科学技术学院，辽宁 大连 116026
2. Information Science and Technology College, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China
船舶加油作业是船舶轮机部的一项关键性操作，关乎船舶作业安全以及海洋环境安全。船舶供受油作业过程中发生溢油事故的风险较高，一旦发生溢油事故，极有可能给环境造成极大的危害，同时也会对船舶公司带来巨大的损失，产生极其严重的影响。
近年来，我国沿海港口的船舶流量日益增大，船舶污染风险也随之增加。其中，船舶油料供受作业过程中导致的溢油事故也时有发生，并且造成了不可忽视的海洋生态环境污染和财产损失。
2018年4月19日，“TWZX”轮第107航次从青岛港出发，目的港为日本唐津，中途挂靠南韩丽水港加装燃油，加油作业期间，发生了No.2舱右溢油事故，燃油从No.2舱右透气孔（前、后）和测量孔溢到甲板通道上，甲板形成5 m×0.5 m油带，有少量溢油直接越过船舷下海（NO.2舱右前透气帽处），另外少量溢油通过密封不良的下水道流下海。现场取证确认，事故造成约10 L燃油渗漏入海，污染海域约300 m2，构成一起海上污染小事故。
2023年7月25日，“新新海1”轮在大连港大窑湾DCT三期码头加油过程中发生溢油泄漏事故。由于“新新海1”轮在受油作业中操作阀未及时切换导致冒油事故，燃油泄漏入海。泄漏的燃油污染了自身船体、附近海面、泊位附近的岸壁。供油船舶“兴龙舟768”以及潜水探摸作业船舶“海乐拖2”船体均受到不同程度的污染。
典型的船舶加油作业溢油事故的原因主要包括：
1）夜间油料供受作业时，有关作业人员容易出现疲劳、精神不集中等情况，易导致操作性失误。
2）船员、作业人员责任心不足，疏忽大意。船舶油类作业关涉海洋环境的清洁，作业全程需要有专人负责值班并保持连续监控，如果值班船员疏忽大意或者擅离职守，容易留下事故隐患。
3）船员、作业人员未遵守规程，违反操作程序。油类在输送的过程，对压力的要求及其严格，油压过小或过大，都会导致油物质的温度、流速、流量等发生较大变化，改变预先方案的运行轨迹，大大增加溢油事故发生的概率。
4）船舶设备存在缺陷。很多操作性溢油事故的发生和船舶自身的缺陷有着密切关系，溢油舱高位报警、声光报警功能失效、法兰螺栓锈坏、呼吸阀不能正常工作等缺陷的存在，将会大大增加溢油事故发生的可能性。
5）公司管理不善。船员值班不到位，违反操作规程等方面与公司的培训教育的缺失有直接的关系；同时有些船舶设备缺陷，船员已及时告知公司，但公司常常因为不愿耽误营运时间或者存在侥幸心理，错过了最佳整改时机，从而导致事故的发生。
针对典型的船舶加油作业燃油泄漏事故成因，充分运用创新创业教育的创新思维、创新方法，开展“基于LoRa的船舶燃油泄漏监测报警系统”的研究工作，对于建立健全船舶及其有关作业活动污染海洋环境的监测、监视机制，做到及时早发现、早预警、快速应急反应、科学决策，最大限度地降低船舶供油作业过程中，油品泄漏事故风险，减小生态环境污染和财产损失，促进跨学科和多学科交叉的教育教学，具有重要意义。
1 LoRa无线通信技术 1.1 基本概念LoRa是一种局域网无线通信技术，由美国Semtech公司开发，全称是远距离无线电（Long Range Radio），是一种基于扩频技术的远距离无线传输技术。调制方式基于扩频技术，线性调制扩频的一个变种，具有前向纠错能力。LoRa无线通信技术改变了以往关于传输距离远与功耗高的方式，能够为用户提供一种简单的能实现远距离、长电池寿命、大容量的无线通讯方案[1]。
1.2 特 点LoRa无线通信技术最大特点就是在同样的功耗条件下比其他无线方式传播的距离更远，实现了低功耗和远距离的统一，它在同样的功耗下比传统的无线射频通信距离扩大3～5倍。单个网关或基站可以覆盖整个城市或数百平方千米范围。在一个给定的位置，距离在很大程度上取决于环境或障碍物，但LoRa是一个链路预算优于其他任何标准化的通信技术。
LoRa使用扩频调制技术，与传统采用固定速率的FSK系统相比，LoRa协议的星形拓扑结构消除了同步开销和跳数，比传统的FSK无线通信在距离和抗干扰性能上有优势，保障通信的可靠性。
在应用方面，智慧建筑、智慧工业、智慧物流均是LoRa适用的典型场景[2 − 3]。近年来，LoRa无线通信技术在海上应用场景也在不断的拓展之中[4 − 6]。
2 系统组成基于LoRa无线通信技术的船舶燃油泄漏监测报警系统，包括燃油泄漏监测报警器、通信主机，以及系统服务器和中央报警监控终端等部分组成。系统能够对管道连接处、储油舱透气孔、加油站管封板等关键部位的燃油泄漏进行实时监测及报警，具有无电检测、安全性高、运行稳定、使用方便等突出优点。
监测报警系统通过现场报警、远程报警等多种方式，能够使供油船、受油船的操作人员或现场值班人员同时接收到燃油泄漏报警信息，以便于在第一时间，采取有效的协同应急措施，最大限度地降低燃油泄漏造成的事故损害。系统的组成结构如图1所示。
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图 1 系统结构示意图 Fig. 1 System structure diagram |
1）燃油泄漏监测报警器
系统包括多部燃油泄漏监测报警器，通常可布置在供油船、受油船可能发生燃油泄漏的关键位置，例如：管道连接处、储油舱透气孔、加油站管封板等关键部位，用于对上述位置的燃油泄漏事件进行监测及现场报警。
当发生燃油泄漏事故时，报警器的光纤探头有效地接触到泄露的燃油，设备即发出声光报警等现场报警信号，引起现场值班人员的注意。同时，并将监测信号通过无线通信链路发送至主机，进行远程报警，通过中央报警监控终端以显著的报警方式，警示供油船货控室的操作人员，第一时间采取有效的协同应对措施，最大限度地降低燃油泄漏事故造成的损害。
燃油泄漏监测报警器与通信主机的工作频段采用免许可方式ISM 433MHz频段，通过MODBUS通信协议进行指令控制及状态反馈。
2）燃油泄漏监测通信主机
燃油泄漏监测通信主机安装于供油船货控室，与多部报警器通过无线通信链路进行组网，将来自多部监测报警器的监测数据发送到系统服务器；系统服务器对监测数据进行解析，并将解析后的数据，在中央报警监控终端上进行显示。燃油泄漏监测通信主机与系统服务器通过RS485进行通信，接收监测报警器的数据，并向监测报警器发送系统指令。一部燃油泄漏监测通信主机与多部报警器组成星形网络结构。
3）系统服务器
系统服务器与通信主机通过RS485接口线缆进行通信，接收来自通信主机的监测数据，并进行解析和处理，将解析处理后的数据发送给中央报警监控终端。系统服务器可将控制指令通过通信主机，经无线通信链路发送到各报警器。
4）中央报警监控终端
中央报警监控终端安装于供油船货控室。当监测位置出现燃油泄漏事件时，中央报警监控终端会及时将来自特定工位报警器的报警信息，显示在监控屏幕上。供油船货控室的操作人员根据中央报警监控系统提示的报警信息，第一时间采取有效的应急处置措施，最大限度地降低溢油事故损害。
3 设备结构原理图 3.1 报警器报警器的核心组件主要包括微控制器MCU、LoRa模组、时间基准同步模块、光纤放大器、对射型矩阵光纤传感器，以及磷酸铁磷酸铁锂电池组、电源管理等供电部分，如图2所示。
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图 2 报警器内部结构及原理图 Fig. 2 Internal structure and schematic diagram of alarm device |
1）微控制器MCU
微控制器MCU控制器集成了处理器、存储器、输入输出接口、定时器、ADC、DAC等多种功能模块，用于实现控制、计算、数据处理等功能。
2）LoRa模组
LoRa模组用于报警器与通信主机之间的数据通信，工作于全球免许可的ISM 433 MHz频段，通过MODBUS协议进行指令及状态反馈。
3）时间基准同步模块
由于ISM 433 MHz频段以免许可方式使用，因此，若使用固定频率进行通信，则可能会受到附近其他系统的同频干扰而造成网络通信性能严重下降[7 − 8]。
参照跳频抗干扰技术的基本原理，时间基准同步模块以简单便捷、低成本的方式，为主机及各工位的报警器（从机）提供近似的统一时间基准，以便于在工作频率受到同频干扰时，使收发信机的工作频点随着时间帧的改变，按照特定跳频序列在预先设定的工作频段内一组频点中进行跳变，提高设备的抗同频干扰性能。
4）光纤放大器及对射型矩阵光纤传感器
光纤放大器用于产生波长620 nm的红色调制光，通过一定长度的光纤发送至对射型矩阵光纤传感器的发射探头，传感器的接收探头接收光线，并通过光纤返回至光纤放大器。当对射型矩阵光纤传感器的检测区域出现可被检测的物体时，传感器接收探头接收到的光通量发生变化。当变化量超过设定的阈值时，光纤放大器输出信号发生改变。
5）供电部分
设备内置的磷酸铁锂电池组用于为设备供电，也可以通过充电接口直接向设备进行供电。电源管理系统用于对磷酸铁锂电池组进行保护，确保电池组始终处于稳定可靠的工作状态，保证设备的安全性。同时，电源管理系统支持MODBUS协议，可向MCU提供电池剩余电量等工作状态信息。
6）其他部分
声光报警器用于发出燃油泄漏报警；故障灯用于指示设备发生故障；工作指示灯用于指示设备工作状态；电量指示灯用于指示设备内置电池组的剩余电量；RS485接口用于对设备的软件参数进行配置。
船舶供油作业过程中，当监控部位出现燃油泄漏事故时，泄漏燃油使对射型光纤传感器探头检测区域的光通量发生变化。当光通量超过报警阈值，光纤放大器输出信号发生改变。微控制单元MCU检测到光纤放大器的输出信号改变，启动声光报警器，发出现场报警。同时，将检测数据通过LoRa模组发送到通信主机，进行远程报警。
3.2 通信主机通信主机的核心组件主要包括微控制器MCU、LoRa模组、时间基准同步模块等，如图3所示。核心组件的基本功能与报警器相同。此外，通信主机通过RS485接口线缆与系统服务器进行通信，接收来自服务器的控制指令，并接收来自各报警器的状态反馈信息。
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图 3 主机内部结构及原理图 Fig. 3 Internal structure and schematic diagram of host device |
报警器和通信主机的微控制单元MCU采用小华半导体有限公司的HC32L190产品，集成12位1Msps高精度SARADC，1个12位DAC，以及集成了比较器、运放、内置高性能PWM 定时器、多路UART、SPI、I2C等通讯外设，具有高整合度、高抗干扰、高可靠性和超低功耗的特点。产品内核采用Cortex-M0+内核，配合成熟的Keil & IAR调试开发软件，支持C语言及汇编语言，汇编指令。超低功耗MCU适用于传感器应用、物联网应用、报警系统等典型场景。
4.2 LoRa模组LoRa模组采用成都亿佰特电子科技有限公司的E22-400T22S型LoRa无线通信模块。产品基于SEMTECH公司SX1262射频芯片，工作频段410.125～493.125 MHz。E22-400T22S采用全新一代LoRa扩频调制技术，与传统SX1278方案相比，X1262方案传输距离更远、速度更快、功耗更低、体积更小；支持空中唤醒、无线配置、载波监听、自动中维、通信密钥等功能，支持分包长度设定。
产品支持0.3～62.5 kb/s的数据传输速率，支持全球免许可的ISM 433 MHz频段，典型通信距离5 km，完全满足船舶供油作业中，各工位报警器的通信距离要求。
4.3 光纤放大器报警器的光纤放大器采用深圳市华怡丰科技有限公司的FR-J16P型双数显光纤传感器（PNP输出）。产品出光量长期稳定，使用简便，性能可靠，维护工作量小；可简便调节传感器的投光量，无需改变光纤及反应时间，即可实现稳定检测；功耗低，正常工作时，平均功耗不超过600 mW，有利于提高便携式设备的续航时间。
4.4 光纤传感器光纤传感器采用深圳市华怡丰科技有限公司的FT-S16型对射型矩阵光纤传感器。产品采用不锈钢金属网保护套，抗拉耐磨，提高设备的耐用性；主体牢固，压铸金属外壳可保护传感器头部，外壳内部使用环氧树脂填充可防止撞击造成的裂痕及液体浸入传感器头内部造成的破损，能够进一步提高设备的耐用性和可靠性。
对射型矩阵光纤传感器能够降低传感器的误报警概率，并能够保证燃油泄漏检测报警的高准确性，对于船舶供油关键操作，具有十分重要的意义。
4.5 时间基准同步模块时间基准同步模块采用深圳市威尔迈电子有限公司研发的BLX8563型CMOS实时时钟模块。产品提供一个可编程时钟输出，一个中断输出和掉电检测器，所有的地址和数据通过I2 C总线接口串行传递，最大总线速度为400 kb/s，最适合低功耗的应用场景。
4.6 磷酸铁锂电池组磷酸铁锂电池组采用东莞市赛凌能源科技有限公司定制的12.8 V 3.2 Ah电池组。产品内置BMS保护系统，支持输出过压保护、输出过流保护、输出过短保护、干扰抑制保护、输入过压保护、输入过流保护、电池过充电压保护、电池过压电流保护、电池过放电流保护、电池过放电流保护等重要功能，确保电池组始终处于稳定可靠的工作状态，保证设备的安全性。
5 实船应用检验 5.1 实船试运行2023年3月，监测报警系统安装于“XX”供油船，进行了为期一年多的试运行。在整个试运行期间，船舶供油作业时，由“XX”供油船提供数个便携式的报警器给受油船，受油船值班人员将报警器布置在燃油舱透气孔等关键位置，以保证供油作业过程中，对可能出现的燃油泄漏事故进行报警，确保能够将燃油泄漏事故造成的损害将至最低。截至2024年3月，系统的运行统计数据如表1所示。
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表 1 系统运行统计数据 Tab.1 System operation statistical data |
经过实船的试运行测试，设备均能第一时间发出准确的燃油泄漏报警，设备可靠性通过了实船的实践检验，得到了船方（供油船、受油船）、海事机关的高度肯定。在防止船舶污染海洋环境方面，本文提出的系统方案能够发挥关键作用。
5.2 相关工程问题1）抗同频干扰问题
在试运行期间，“XX”供油船在日照港作业期间，通信系统受同频干扰严重，导致网络性能严重下降，数据信息大量丢失。根据无线通信技术原理，当干扰信号与真实信号均采用了相同的载波频率时，接收机将同时接收干扰信号和真实信号，相关信号进入调制解调环节后对通信质量造成不同程度的影响，甚至会将真实信号淹没[9]。
针对LoRa同频干扰问题，研发团队立即着手进行设备升级，改变原有的固定工作频率方案，参照跳频抗干扰技术的基本原理，在网络的收发信机中，增加了时间基准同步模块，为通信主机及各工位的报警器（从机）提供近似的统一时间基准。
在工作频率受到同频干扰时，收发信机的工作频点按照当前的时间帧，以特定跳频序列在预先设定的工作频段内（410.125～493.125 MHz）一组频点中进行跳变，保证无线通信系统的畅通。
本系统采用的跳频抗干扰的基本原理如图4所示。
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图 4 一种便捷的LoRa抗同频干扰方法 Fig. 4 A convenient method for LoRa resistance to co-channel interference |
2）设备的防爆认证问题
燃油泄漏监测报警器设备有金属机壳进行防护，发生电火花的可能性极低。光纤传感器探头的检测区域采用的是波长620 nm的红色调制光，不存在点燃油气的可能。尽管如此，但基于供油作业的关键安全考虑，燃油泄漏监测报警器设备正筹备按照GB/T3836-2021的防爆标准申请防爆认证标志。
3）设备OTA升级问题
由于设备供船舶使用，鉴于船舶船期的影响，如采用上船进行设备固件升级，则会产生巨大的人力和物力成本。目前，研发团队正在开展设备的OTA升级研发工作。通过OTA方式，对安装在不同船舶上的设备进行固件升级，不断对系统进行完善，为用户提供更可靠、更好的服务。
6 结 语基于LoRa无线通信技术的船舶燃油泄漏监测报警系统能够对管道连接处、储油舱透气孔、加油站管封板等关键部位的燃油泄漏进行实时监测及报警，最大限度地降低船舶供油作业过程中，油品泄漏事故风险，减小生态环境污染和财产损失，具有无电检测、安全性高、运行稳定、使用方便等突出优点。通过实船试运行测试，系统达到了预期的设计要求，通过了实船的实践检验。本文提出的原创技术方案，以解决领域的实际问题和迫切问题为出发点，充分运用了创新创业教育的创新思维与创新方法，拓展了新兴通信技术的海上应用场景，具有广阔的工程技术转化前景，同时，也体现了鲜明的跨学科和多学科交叉的特性和属性，取得了丰富的科研和教研成果，推动前沿领域的科技创新与应用。
| [1] |
温小飞, 许克荣, 王海荣, 等. 基于LoRa的无人艇运行状态监测系统[J]. 舰船科学技术, 2022, 44(21): 63-68. DOI:10.3404/j.issn.1672-7649.2022.21.014 |
| [2] |
魏源通, 戴亚文. 基于LoRa的工业监测自组网系统设计[J]. 计算机测量与控制, 2019, 27(2): 225-228. |
| [3] |
李伟杰, 戴亚文. 基于 LoRa 的工业温度无线采集系统设计[J]. 自动化与仪表, 2019, 34(1): 37-40. |
| [4] |
廖志远. 基于 LoRa 技术的船舶航行环境智能监测系统[J]. 舰船科学技术, 2021, 43(9A): 76-78. |
| [5] |
肖智中. 基于 LoRa 技术的船舶交通信号控制[J]. 舰船科学技术, 2022, 43(1A): 70-72. |
| [6] |
肖长诗, 陈芊芊, 文元桥, 等. 基于LoRa的封闭水域船舶自动识别系统设计[J]. 船海工程, 2019, 48(1): 158-162,167. DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2019.01.037 |
| [7] |
朱琪. LoRa无线传感网信道质量评估与组网方法研究[D]. 武汉: 武汉理工大学, 2021.
|
| [8] |
贾蒙. 低功耗长距离无线传感器网络链路质量研究[D]. 天津: 天津大学, 2020.
|
| [9] |
安少明. 船舶无线通信系统抗干扰技术研究[J]. 电子元器件与信息技术, 2021, 5(12): 153−154+172.
|