景区锂电池船舶远程运维系统研发与应用

纪厚芝

（厦门市泛能科技有限公司，福建 厦门 361021）

随着新能源汽车的普及，人们对新能源尤其是锂电池的认知水平显著提高，在这个大环境影响下，锂电池船舶逐渐从个别区域示范项目延伸至每年几百艘的应用水平，涉及的船型包括游览客船、客渡船、拖轮、江海直达集装箱船等[1]。

2020～2022 年，国务院、交通运输部及部分省市陆续发布锂电池船舶发展指导意见及补贴政策，锂电池船舶在未来将会有更大增长空间。不同于新能源汽车，锂电池船舶定制程度较高，且目前大多数船长、轮机工程师等对锂电池船舶系统了解程度一般，这对锂电池船舶运维管理提出了更高的要求。

1 远程运维系统需求分析

现阶段船舶还是以传统柴油机为主动力，这种船型的维护保养一般由轮机员负责，以桂林两江四湖景区为例，该景区配备2 名轮机员，进行常规的维护保养。很多规模较小的景区，甚至不设专门的维保岗位，由船长兼职常规维保工作。相对于常规柴油机动力船舶，锂电池船舶新增锂电池组、BMS 电池管理系统、电力推进系统、直流配电系统等，涉及船舶电气、自动控制、新能源技术等多专业学科交叉，对船东运维人员提出了更高的要求。主要存在以下问题：①学习成本高。锂电池船舶涉及知识面广，专业性强，紧靠交船时几个工作日的培训，相关驾驶及维保人员很难深入了解，若额外增加培训课程，会增加成本，且短时间内无法掌握，需要在使用过程中发现问题、解决问题，才能逐渐掌握；②运维难度大。由于对锂电池船舶系统不了解，经常会由于操作失误导致系统运行不起来，严重时造成设备损害，影响航班运营，造成不必要的经济损失；③后期保养迷惘。无法掌握日常锂电池系统使用、维护状况，不确定是否存在故障隐患。

鉴于以上存在的问题，本文设计了一种基于云服务平台的锂电池船舶远程运维系统，本系统主要有两大内容：①数据可视化，实时展示；②健康管理。通过4G/5G 信号将锂电池船舶关键数据实时传送到云端服务器，经过数据中心处理，1∶1 再现实船监控人机界面，用户可通过电脑或手机客户端实时查看(技术上也可以实现双向远程界面控制，涉及安全问题该功能禁用，可在极端应急情况联系厂家应急使用)，便于在锂电池船舶交付时锂电推进系统集成商远程陪航一段时间，指导船长更好使用锂电池船舶。在有重大社会活动时，可远程护航，保障航行安全[2]。同时，后期可以通过大数据分析锂电池组单体电压变化、单体压差变化等锂电池一致性问题，便于及时联系厂家进行维护，延长锂电池组使用寿命，降低锂电池船舶的使用、维保学习成本，推动新能源船舶产业的发展。

2 远程运维系统设计

2.1 系统拓扑结构设计

锂电池船舶远程运维系统主要由船端数据采集装置、4G/5G 通信网络、云服务器及客户端组成，如图1所示。

图1 远程运维系统架构

针对不同类型、不同配置的锂电池船舶，配套定制化的数据采集装置。用户可根据船舶航行水域信号覆盖情况，选择4G 或5G 信号，4G 具有信号覆盖面广，5G信号具有低延时的特点。各个船舶的数据情况最终都传送到云端服务器，经过数据处理及界面设计，用户可通过电脑或者手机客户端查看船舶运行状况。同时，船舶运行历史数据会存储在云服务器端，便于后期进行大数据挖掘以及特殊状况下提供远程黑匣子信息。

2.2 功能设计

锂电池船舶远程运维系统主要功能是远程监控数据监测与数据分析管理，包括数据采集、数据传输、数据显示、故障报警等功能。

项目管理：锂电池船舶分类管理，可根据区域分组、客户分组或自定义分组进行不同项目归类管理。用户权限设定、添加、修改、删除等。

在客户终端实时显示系统关键参数，包括锂电池总电压、单体最高电压、单体最低电压、放电电流、电池温度、SOC、锂电池系统故障代码、推进电机功率、推进电机转速、电网运行状态、推进系统故障代码等。

故障诊断、报警：设置系统正常运行参数阈值超出正常阈值范围，进行故障报警动作，并提醒运维人员进行故障诊断。

大数据管理：船舶关键数据实时存储，大数据调用、分析、数据处理、故障评估等。

3 远程运维平台硬件与软件设计

3.1 数据采集与传输

船端数据采集架构如图2 所示。主要采集推进系统、能量管理系统及锂电池组关键数据。本文PCS 推进控制系统主要针对船舶电力推进系统，舰船综合电力推进系统涵盖配电系统及PMS 能量管理系统，是未来船舶的发展方向。推进系统主要参数包括：电机转速、电机功率、轴承温度、绕组温度、DC/AC 模块温度、故障报警信息等。能量管理系统主要采集直流配电系统信号反馈、运行状况等。BMS（Battery Management System）电池管理系统主要功能包括电芯电压采集、电池组电流采集、温度采集、电池均衡、SOC 计算、电池组充放电动态监测等，是锂电池组管理核心[3]。锂电池组主要采集每组锂电池总压、单体最高电压、单体最低电压、温度、放电电流、SOC、故障信号报警等。

图2 船端数据采集架构

研发基于PLC 的整船控制系统，将推进系统、能量管理系统、BMS 电池管理系统数据转换为RS485/Modbus 总线通讯协议，与整船控制系统进行数据交换、数据处理。经过处理的数据与4G/5G 远程通讯模块进行网关数据配置，定义变量地址、数据类型、数据存储时间等，如图3 所示。由于船舶数据量较大，本系统默认存储间隔为1 分钟。后期可以根据用户需求更改。

图3 通讯网关配置

3.2 云平台设计

云服务平台选择第三方私有化云平台，技术成熟，运行稳定。该平台具有设备通讯连接、图形化开发引擎、大数据分析引擎、基础云平台等功能，架构如图4 所示，支持通过 mqtt 协议接入第三方数据船端采集硬件，支持对平台进行二次开发。平台主要是以完成数据的深度计算、统计和分析为主，再整合设备监控、计划任务、故障诊断等综合业务信息；实现数据信息的“可视化”标识，以及数据的云存储、云发布、云应用等[4]。平台采用主流的微服务架构，对服务发现注册、配置中心、消息总线、负载均衡、断路器、数据监控等都有着完善的解决方案[5]。数据通过分布式消息队列进行分类解析和转发，实现高性能的实时数据存储、数据计算和历史数据持久化存储。实时存储采用Redis 高效缓存，读写数据可达到10 万次/秒。历史数据库是针对MySql 进行深入改造，引入了高性能NoSQL 技术和数据多级编码压缩技术，优化了传统MySql 的索引处理机制，大大提高了数据的并发读写能力和超大数据集存储能力，支持10 亿条记录的秒级读写响应。

图4 物联网云平台架构图

云平台上提供强大的工控组态系统，用户可以在线绘制设备运行状态的流程图画面，利用平台提供的基础图元库，绘制出各种形状的设备静态图和动画效果，如图5 所示。通过数据连接可关联平台的实时数据以及历史数据等，在 web 画面上进行实时在线监控。针对新能源船舶特点，通过平台内置的图形化组态设计锂电池船舶远程运维界面。终端设备可以通过云服务器调取每艘船舶的运行数据，并进行大数据分析，将实时数据生成的数学模型与标准模型对比，实现船舶的远程健康管理，将故障问题排除在萌芽阶段，保证锂电池船舶的航行安全。

图5 远程监控界面设计

3.3 实船应用

本系统已实船安装60 套，涉及新疆喀纳斯湖、无锡古运河、桂林漓江等景区游船，用户反馈良好，有效地解决了船员培训、远程协助维护问题。图6～8 为实时截取的主界面、客户管理界面及故障报警界面。

图6 远程监控主界面

图7 客户管理

图8 故障问题报警

如图9 所示（截取时间2023 年3 月27 日，15 时23 分31 秒），本项目为温州某景区锂电池游船，用户可在客户端查看当前船舶运行状态。本界面与驾控台实船界面一致，便于系统集成商远程监测船舶运行状况，船岸联动、低成本、高效率解决船员培训及故障诊断等问题。图10 为2023 年2 月份本船配备的3 组锂电池总压变化情况，通过曲线可以看出3 组电池均运行在正常范围区间，状态良好。同样可以查看推进系统及锂电池组其他历史数据信息。

图9 1:1 远程再现实船监控人机界面

图10 2023 年2 月3 组锂电池总压变化曲线

4 结语

锂电池船舶远程运维系统的实际应用切实解决了船东船舶维保问题，降低了新能源船舶的使用门槛。未来可以将本系统拓展至混动力、氢燃料电池等多种类型、各种用途的新能源船舶。同时，不断收集用户的使用反馈，优化系统方案配置，更加人性化、智能化服务于客户，推动新能源船舶产业的发展。