基于3G网络的船舶燃油监测系统设计与实现

摘要：介绍了一种基于3G网络的船舶燃油远程监测系统。系统采用3G网络和组态软件开发了系统监测平台。运用组态软件的网桥通信和WEB应用方案，集成智能化传感器、ARM等工控领域技术，实现了远程的燃油油耗与柴油机工况参数的采集、传输和控制等功能。

关键词：船舶 油耗 流量监测 组态 3G网络

0 引言

船舶燃油消耗是航运企业最主要成本之一，企业、船东及租船人对燃油费用非常关注。在燃油监控管理方面，国内大型航运企业使用卫星通信的远程燃油监控系统，如中远集装箱运输有限公司开发的《中远集运燃油监控系统》，具备确定单船动态燃油定额、形成标准统计报告图表、监控船舶燃油消耗状况、燃油超标原因分析与报警、调整与优化航行方案等功能[1]。但由于目前中小型航运企业的船舶船岸卫星通信功能尚不具备，加上卫星通信成本较高，中小型航运企业的船舶基本上都没有燃油消耗累积装置和远程的监测系统，仍然采用人工测量与分析的方法。

为了满足现代航运企业管理的需要，本系统采用GPRS通信网络及组态软件等集成技术，实现了船舶燃油远程实时监测。GPRS通信是一种已经被广泛使用的通信方式，是基于移动运营商现有的通信网络，可将无线通信与国际互联网等多媒体通信相结合的新一代移动通信系统。GPRS/3G网络全球覆盖，具有数据收发速度快，传输距离远，联接迅速，收费合理，安全方便，可直接与Internet网互通，是实现移动网络通信的简易、高效、廉价的选择[2]。

1 船舶燃油监测系统设计

1.1功能设计

（1）数据采集。系统可实现燃油消耗实时监测，历史数据查询，燃油流量的自动累计，对船舶油耗及柴油机工况进行判断分析。

（2）数据合理分析。系统可对采集数据进行统计分析，指导驾驶员合理分配和以节能航速行驶。

（3）远程监控管理。管理人员通过互联网随时掌握船舶动态与柴油机工况数据，为船舶运营决策及调度提供支持。

（4） 船舶GPS地理定位。通过船载终端系统（AIS）或百度地理系统（GIS）的系统集成，对船舶进行船舶定位、航速、轨迹等查询，给船舶安全航行管理、港口调度等带来方便。

1.2 系统软硬件组成

船舶燃油监测系统由具有监控管理平台的服务器和安装在船舶的终端硬件组成，主要由四部分组成，如图1所示。

（1）数据远程测控终端：以Cortex-M3内核的ARM STM32F107VCT6为核心控制器，集成GPS+GPRS定位通信模块，组成了采集、控制和通信于一体的测控终端（RTU）。STM32控制器硬件资源丰富，具有多种I/O 接口，船舶燃油等采集信号可直接接入到测控终端，终端还带独立的数据存储空间，方便现场采集数据存贮;测控终端拥有RS485、CAN通讯接口，方便联接现场监控显示和实现数据远程透明传输。无线通信规约采用宏电DDP协议，与国内主流的组态软件实现无缝连接。

（2）燃油流量的检测装置：流量传感器可根据现场情况及企业需求，采用校准信号4-20mA或者脉冲开关信号输出的智能传感器，如采用防爆、无源输出触点的定容积旋转活塞式流量计。

（3）数据服务中心：由采用力控软件开发监控管理平台的WEB服务器和数据库服务器及防火墙组成，为了安全起见，还要有一台从机作为冗余。WEB服务器提供Browse/Server方式游览，监测界面（HMI）等。数据库服务器用于接收船舶采集上来的数据，进行贮存处理。WEB服务器需要有一个固定的IP或网络域名。

（4）客户端或工作站：是一个完全的“瘦”客户端，不需要安装特殊的驱动程序或支持软件，只要连接到Internet上，通过访问数据中心的服务器的网站即可查看船舶燃油的运行状态和历史记录等。

2 船舶燃油监测系统设计与实现

2.1监测系统软件平台的建立

由于工控组态软件具有丰富的[IO通讯]、Internet的WEB、数据分析处理等功能，而且编程开发容易，开发界面友好，能满足了本系统开发需要。系统采用北京力控科技公司的组态软件作为采集数据的管理、服务器开发平台。组态开发是一种面向对象的设计开发环境，具有灵活多样的组态方式，丰富的脚本语言编译，如程序模块和函数，各种现场IO设备通讯，内置TCP/IP协议、数据库管理器、报表统计等特点，使得本监测系统开发设计更加的高效，实现了船舶燃油状态数据显示、报警与事件查询、日常管理报表与分析、历史数据查询、打印系统、用户管理等功能。如图2所示。

2.2数据服务中心、GPRS通信RTU客户端设置

中心服务器需要安装与运行力控的组态软件、Web服务器及网桥CommBridge控件，力控提供的是标准的Web服务器，符合标准的HTTP 通讯协议，配置时需有数据中心公网固定IP，设置好Web 服务器的IP和数据服务器的IP 及端口，就可以构建Intranet/Internet网络应用，访问的HMI首页。

GPRS通信RTU与串口设备之间完全是全透明方式传输，GPRS通信RTU发出的数据包为标准的TCP/IP网络数据包，数据中心的计算机只要能连接到Internet或移动网络，就可接收到RTU发出的数据包。RTU客户端的设备关键是要设置好设备ID号或设备SIM卡号码、与中心服务器IP地址参数配置、通讯的规约参数。

中心服务器用户端数据的获取，即服务器的数据与底层数据通信主要借助于网桥CommBridge方式实现，在力控组态软件编程环境下，其本身提供了GPRS机制，GPRS通信的实现只在于正确设置以下项目：通信设备IP地址、通信方式（TCP/IP、网桥）、终端设备选择、以及进行数据库变量定义。

2.3 船舶地理系统设计开发

利用力控组态软件的浏览器控件，将WEB地理系统嵌入到力控中，根据客户需求制定了2套方案。

（1）针对小型内河船舶，因没安装船舶自动识别系统设备（简称“AIS”），采用力控+GPRS+GPS模块集成的办法，地理系统采用百度地图，通过百度地图应用程序编程接口（API）开发WEB的功能嵌入到力控系统中，提供船舶基本地图、船速、位置搜索、轨迹跟踪。

（2）根据目前我国航行300总吨以上沿海航行的船舶都安装了AIS设备，已配备全球定位系统（GPS），可采用基于WEB构架的“船讯网”的数据应用程序编程接口（API），API是一组JavaScript函数，使用这些函数，简单便捷地把船讯网的海图和船位服务嵌入到力控中，使得动态采集船舶船位、船速等数据，非常的方便[4]。

2.4 燃油流量检测方案

系统在实验测试阶段，开始是使用容积式旋转活塞式流量计。但在推广使用过程中，由于企业需求和船舶安装现场情况差异较大，对价格要求也很高，传感器的选用做了几种 方案的考虑。

（1）采用安装在油柜上的电容多层扫描液位计或翻板式液位智能传感器，通过测量油柜液位换算的方法实现燃油