GR1009932B - Συστημα και μεθοδος καταγραφης και αναλυσης σε πραγματικο χρονο του ακριβους ενεργειακου αποτυπωματος της λειτουργιας πλοιου με χρηση ασυρματου δικτυου ευφυων συλλεκτων δεδομενων με συνυπολογισμο του σφαλματος των μετρησεων σε πραγματικο χρονο - Google Patents

Abstract

Η εφεύρεση αποτελείται από υλικό και λογισμικό. Τα ηλεκτρονικά μέρη του συστήματος είναι Ευφυείς συλλέκτες δεδομένων οι οποίοι συλλέγουν τα σήματα, τα επεξεργάζονται και τα στέλνουν μέσω ασύρματου δικτύου προς τον κεντρικό εξυπηρετητή (server) του συστήματος, Δρομολογητές δεδομένων, οι οποίοι επεκτείνουν το ασύρματο δίκτυο, δρομολογούν τα δεδομένα προς τον εξυπηρετητή (server) και συνδέουν άλλους υπολογιστές στο ασύρματο δίκτυο και Κεντρικός εξυπηρετητής (server) που αποθηκεύει τα δεδομένα, τα επεξεργάζεται και τα προωθεί σε υπηρεσίες υπολογιστικού νέφους. Το σύστημα συνδέεται στα GPS, Speedlog, Gyrocompass, Echosounder, Anemometer, Rudder Angle, Torquemeter, Inertial Measuring Unit, μετρητές βυθίσματος, αισθητήρα μέτρησης εξωτερικής θερμοκρασίας-πίεσης-υγρασίας, μετρητές ποσότητας καταναλισκόμενου καυσίμου, αισθητήρα μέτρησης θερμοκρασίας-πίεσης-υγρασίας μηχανοστασίου, μετρητές παραγόμενης ισχύος ηλεκτρογεννητριών και σε μετρητές καταναλισκόμενης ηλεκτρικής ισχύος από ενεργοβόρα συστήματα, συλλέγοντας τα απαραίτητα δεδομένα με ακρίβεια και με συνυπολογισμό του σφάλματος των μετρήσεων σε πραγματικό χρόνο για τον ακριβή υπολογισμό του ενεργειακού αποτυπώματος του πλοίου.

Description

ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ

ΣΥΣΤΗΜΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΣ ΚΑΤΑΓΡΑΦΗΣ ΚΑΙ ΑΝΑΛΥΣΗΣ ΣΕ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟ ΧΡΟΝΟ ΤΟΥ ΑΚΡΙΒΟΥΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟΥ ΑΠΟΤΥΠΩΜΑΤΟΣ ΤΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΠΛΟΙΟΥ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΑΣΥΡΜΑΤΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ ΕΥΦΥΩΝ ΣΥΛΛΕΚΤΩΝ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΜΕ ΣΥΝΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟ ΤΟΥ ΣΦΑΛΜΑΤΟΣ ΤΩΝ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΣΕ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟ ΧΡΟΝΟ

Τεχνικό πεδίο εφεύρεσης

Η παρούσα εφεύρεση αφορά ένα σύστημα καί μέθοδο μέτρησης, καταγραφής καί ανάλυσης, σε πραγματικό χρόνο, του ενεργειακού αποτυπώματος ενός πλοίου μέσω ασύρματων ευφυών συλλεκτών δεδομένων με ακρίβεια καίμε συνυπολογισμό του σφάλματος καί της αβεβαιότητας των μετρήσεων σε πραγματικό χρόνο. Το ενεργειακό αποτύπωμα ενός πλοίου είναι αυτό που προκύπτει από την λειτουργία των διαφόρων ενεργοβόρων συστημάτων καί υποσυστημάτων αυτού όπως είναι για παράδειγμα το σύστημα πρόωσης, το σύστημα φόρτωσης-εκφόρτωσης καί το σύστημα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας.

Στάθμη προηγούμενης τεχνικής

Διάφορες προτάσεις για την καταγραφή παραμέτρων λειτουργίας των διαφόρων μεθόδων καί συστημάτων των πλοίων έχουν παρουσιαστεί τα τελευταία χρόνια, με σκοπό την:

• Εκτίμηση της συνολικής απόδοσης του πλοίου

• Μέτρηση του βαθμού απόδοσης των επιμέρους συστημάτων

· Καταγραφή των στοιχείων της επιχειρησιακής κατάστασης του πλοίου

Οι περισσότερες προτάσεις καί μέθοδοί αποτελούνται συνήθως εν μέρεί καί από ένα σύστημα συλλογής δεδομένων εντός πλοίου καί παρακολούθησης καί καταγραφής σε πραγματικό χρόνο του ενεργειακού αποτυπώματος του πλοίου, ήτοι της καταναλίσκόμενης ενέργειας των διαφόρων συστημάτων καί υποσυστημάτων αυτού καί του παραγόμενου έργου αυτών με χρήση ασύρματου δικτύου ευφυών συλλεκτών δεδομένων δίασυνδεδεμένων στα κατάλληλα όργανα, αισθητήρες καί ελεγκτές του πλοίου, ώστε να συλλέξουν όλες τις απαραίτητες πληροφορίες για τον υπολογισμό καί τη συνεχή παρακολούθηση του ενεργειακού αποτυπώματος του πλοίου καθώς καί με ανάλυση σημάτων καί μετρήσεων μόνο πρώτου βαθμού στο επίπεδο των ασύρματων συλλεκτών. Ωστόσο, καμία από τις παραπάνω δεν έχει γίνει κοινώς αποδεκτή στην αγορά, λόγω των επιμέρους μειονεκτημάτων που η κάθε μία παρουσιάζει, όπως αναλύεται καί στην συνέχεια. Τέλος, το γεγονός ότι όλες οί προτάσεις έχουν εστιάσει αποκλειστικά στο λογισμικό ανάλυσης των δεδομένων καί όχι στο σύστημα συλλογής αυτών, οδηγεί σε μη ικανοποιητικές λύσεις, ασχέτως του βαθμού ολοκλήρωσης των μοντέλων ανάλυσης. Αυτό αποδείκνύεταί από το γεγονός ότι τα περισσότερα συστήματα χρησιμοποιούν απλούς καταγραφείς (data loggers ή καί PLCs) για την συλλογή των δεδομένων.

Ο τομέας της Ναυτιλίας έχει μια σειρά από ιδιαίτερα χαρακτηριστικά που τον διαφοροποιούν σε σχέση με τις υπόλοιπες βιομηχανίες, χαρακτηριστικά όπως:

• Διασπορά των πλοίων σε όλη την υφήλιο.

• Δύσκολη καί περιορισμένη διασύνδεση των πλοίων με την στεριά.

· Έλλειψη ικανού προσωπικού με γνώσεις ηλεκτρονικών, πληροφορικής καί αυτοματισμών εντός των πλοίων.

Δυσκολία στην αποστολή ανταλλακτικών.

Αυξημένο κόστος στην μεταφορά εξειδικευμένου προσωπικού.

Μεγάλες διακυμάνσεις στην θερμοκρασία καί στην υγρασία του περιβάλλοντος που δουλεύουν τα διάφορα συστήματα.

Αυξημένες δυνάμεις που δέχονταιτα ηλεκτρονικά εντός πλοίου λόγω των δονήσεων. Αυστηρότατη νομοθεσία που διέπειτην λειτουργία της Ναυτιλίας.

Συχνές αλλαγές στο καθεστώς ιδιοκτησίας και διαχείρισης ενός πλοίου. Συχνές αλλαγές στην λειτουργία του πλοίου αναλόγως του ναυλοσυμφώνου που ισχύει κάθε φορά.

Ύπαρξη πολλών αστάθμητων παραγόντων που επηρεάζουν την απόδοση και την λειτουργία των πλοίων.

Δυσκολία στην διαθεσιμότητα του πλοίου για την εγκατάσταση ενός συστήματος, κάτι που οδηγεί στην εγκατάσταση των συστημάτων ενώ το πλοίο είναι σε πλήρη λειτουργία.

Τα παραπάνω ιδιαίτερα χαρακτηριστικά καθιστούν πολύ απαιτητικές τις προδιαγραφές οποιουδήποτε συστήματος απευθύνεται στη Ναυτιλία, ενώ οποιαδήποτε λύση θα πρέπει να έχει εξαρχής σχεδιαστεί λαμβάνοντας υπόψη τις παραπάνω ιδιαιτερότητες.

Μειονεκτήματα προηγούμενης στάθμης της τεχνικής

Οι ιδιαιτερότητες που παρουσιάστηκαν παραπάνω, έχουν οδηγήσει τα διάφορα γνωστά συστήματα και μεθόδους που υπάρχουν αυτή τη στιγμή στην αγορά και αφορούν γενικότερα στη συλλογή δεδομένων από τα πλοία να έχουν κάποια σοβαρά μειονεκτήματα:

1. Δεν πραγματοποιούν συνυπολογισμό του σφάλματος μέτρησης της κάθε παραμέτρου σε πραγματικό χρόνο, με συνέπεια τα αποτελέσματα των μετρήσεων να μην είναι ακριβή, να εισάγεται επιπλέον αβεβαιότητα στην αλυσίδα επεξεργασίας των σημάτων και κατ' επέκταση αυτό να έχει επίδραση στη μη ρεαλιστική απεικόνιση της ενεργειακής συμπεριφοράς του πλοίου.

2. Δεν παρέχουν διασύνδεση με συστήματα τρίτων κατασκευαστών χωρίς καμία πρόσθετη συσκευή, με συνέπεια η τυχόν διασύνδεση να απαιτεί επιπρόσθετες ενέργειες και κόστος για εγκατάσταση συσκευών που εισάγουν επιπλέον στάδια επεξεργασίας της πληροφορίας άρα και μεγαλύτερη πιθανότητα σφάλματος.

3. Οι τυχόν είσοδοι σειριακών πρωτοκόλλων επικοινωνίας και είσοδοι ψηφιακών παλμών, δεν διαθέτουν γαλβανική απομόνωση, με συνέπεια να υπάρχει το ενδεχόμενο το σύστημα να επηρεάσει την λειτουργία των οργάνων και αισθητήρων του πλοίου και να προκληθούν βλάβες, όπως βραχυκυκλώματα και μετάδοση ηλεκτρικού θορύβου που επηρεάζει αρνητικά την ακρίβεια των μετρήσεων.

4. Δεν διαθέτουν μηχανισμούς για την απομακρυσμένη αναβάθμιση και παραμετροποίηση του μηχανισμού συλλογής και ανάλυσης των δεδομένων, με συνέπεια η αποσφαλμάτωση (debugging) της μεθόδου καταγραφής του ενεργειακού αποτυπώματος να καθίσταται πολύ δύσκολη ή και αδύνατη 5. Δεν διαθέτουν μηχανισμούς για πολλαπλά αντίγραφα δεδομένων, ώστε να μην υπάρχει πιθανότητα απώλειας ή παράλλαξης των μετρήσεων που συλλέγονται, με συνέπεια να μην διασφαλίζεται η ακεραιότητα των δεδομένων από τα οποία εξάγονται τα συμπεράσματα σχετικά με την ενεργειακή συμπεριφορά του πλοίου 6. Δεν υπάρχει συγχρονισμός των μετρήσεων, δεδομένου του ότι κάθε φυσικό μέγεθος που συλλέγεται δεν συνοδεύεται από μια χρονική σήμανση με αναφορά στην ώρα UTC, με αποτέλεσμα να μην παρέχονται σαφείς πληροφορίες για την χρονική αλληλουχία των συμβάντων.

7. Δεν διαθέτουν ενσωματωμένο καί εκτενές σύστημα παρακολούθησης του κύκλου ζωής του συστήματος, με επιτήρηση της λειτουργικής κατάστασης των ίδιων των συσκευών συλλογής δεδομένων καθώς καί του δικτύου που αυτές αποτελούν με αποτέλεσμα να μην είναι βέβαιη η ακεραιότητα καί συνέπεια των μετρήσεων. 8. Oι ήδη υπάρχουσες προτάσεις χρησιμοποιούν λύσεις από συστήματα που προορίζονται για άλλες εφαρμογές. Ως εκ τούτου, απαιτείται για την υλοποίηση τους η σύνθεση καί η ολοκλήρωση πολλών επιμέρους συσκευών, κάτι που συμβάλλει στο αυξημένο κόστος καί στην πολυπλοκότητα.

9. Η υλοποίηση των μέχρι τώρα παρουσιασθέντων συστημάτων είναι υλοποίηση λογικών ελέγχου καί όχι υλοποίηση λογικών παρακολούθησης, κάτι που απαιτεί την χρήση ιδιαίτερων αλγόριθμων καί τεχνικών ανάλυσης των σημάτων.

Βάσει των παραπάνω παρατηρήσεων, σχεδιάστηκε καί υλοποιήθηκε το σύστημα μέτρησης, καταγραφής καί ανάλυσης σε πραγματικό χρόνο του ακριβούς ενεργειακού αποτυπώματος ενός πλοίου καί με συνυπολογισμό του σφάλματος μετρήσεων σε πραγματικό χρόνο με τα κατωτέρω χαρακτηριστικά, όπως αναλύεται στη συνέχεια.

Πλεονεκτήματα εφεύρεσης

Τα πλεονεκτήματα της εφεύρεσης που παρουσιάζεται στην παρούσα είναι τα εξής:

1. Η συλλογή των δεδομένων γίνεται από όλα τα διαφορετικά συστήματα ενός πλοίου, μέσω υλικού ειδικά και αποκλειστικά σχεδιασμένου για τη συγκεκριμένη χρήση, ήτοι για τη συλλογή δεδομένων από συστήματα πλοίων. Η ανάλυση των δεδομένων στο επίπεδο του συλλέκτη γίνεται σε πραγματικό χρόνο, ενώ γίνεται υπολογισμός του σφάλματος της κάθε μέτρησης, το οποίο αποστέλλεται μαζί με τη μέτρηση. Η αποστολή των δεδομένων καθώς και του υπολογισμού του σφάλματος της κάθε μέτρησης γίνεται επίσης σε πραγματικό χρόνο. Ο συνυπολογισμός του σφάλματος οδηγεί σε ακριβέστερους υπολογισμούς με συνέπεια ο τελικός χρήστης να έχει μια ρεαλιστική απεικόνιση της συμπεριφοράς του πλοίου.

2. Το σύστημα παρέχει πολύ μεγάλη ευελιξία όσον αφορά την διασύνδεση με συστήματα τρίτων κατασκευαστών καθώς χωρίς καμία πρόσθετη συσκευή (άρα και κόστος) μπορούν να συλλεχθούν δεδομένα με κατάλληλη παραμετροποίηση του λογισμικού, με συνέπεια να μην απαιτούνται επιπλέον στάδια επεξεργασίας της πληροφορίας και να μειώνεται η πιθανότητα σφάλματος. Στα προαναφερθέντα δεδομένα περιλαμβάνονται τα στοιχεία πλοήγησης, οι πληροφορίες από τα συστήματα ελέγχου του φορτίου, οι πληροφορίες από τα ALARM MONITORING SYSTEMS, τα στοιχεία από τις μονάδες διαχείρισης ηλεκτρικής ισχύος, τις πληροφορίες από τους μετρητές μηχανικής ροπής, ροής καυσίμου, καθώς και από τα υποσυστήματα παραγωγής ατμού (Steam production plants, auxiliary boilers).

3. Όλες οι είσοδοι ψηφιακών παλμών και σειριακών πρωτοκόλλων επικοινωνίας, RS422/485 και CAN Bus διαθέτουν γαλβανική απομόνωση ώστε να είναι αδύνατο το σύστημα να επηρεάσει με οποιοδήποτε τρόπο την λειτουργία των οργάνων και αισθητήρων του πλοίου. Τέτοιες περιπτώσεις είναι η μετάδοση ηλεκτρικού θορύβου, οι βρόγχοι γείωσης και τα βραχυκυκλώματα που μπορούν να διαταράξουν την ομαλή λειτουργία ενός συστήματος πάνω στο πλοίο και που επηρεάζουν αρνητικά την ακρίβεια των μετρήσεων.

4. Διαθέτει μηχανισμούς για την απομακρυσμένη αναβάθμιση και παραμετροποίηση του μηχανισμού συλλογής και ανάλυσης των δεδομένων, με συνέπεια να πραγματοποιείται ευχερέστερα η αποσφαλμάτωση (debugging) της μεθόδου καταγραφής του ενεργειακού αποτυπώματος.

5. Υπάρχει τοπική βάση δεδομένων που υλοποιεί την πρακτική του data redundancy (πολλαπλά αντίγραφα δεδομένων) ώστε να μην υπάρχει πιθανότητα απώλειας ή εσκεμμένης παράλλαξης των μετρήσεων που συλλέγονται και να διασφαλίζεται η ακεραιότητα των δεδομένων από τα οποία εξάγονται τα συμπεράσματα σχετικά με την ενεργειακή συμπεριφορά του πλοίου.

6. Υπάρχει συγχρονισμός των μετρήσεων, δεδομένου του ότι κάθε φυσικό μέγεθος που συλλέγεται, συνοδεύεται πάντα από μια χρονική σήμανση με αναφορά την ώρα UTC. Με τον τρόπο αυτό κάθε εισαγωγή στην βάση δεδομένων παρέχει σαφή πληροφορία για την χρονική αλληλουχία των συμβάντων.

7. Μέσω ειδικού λογισμικού που λειτουργεί εντός του πλαισίου του συστήματος, παρακολουθείται συνεχώς η κατάσταση και ο κύκλος ζωής του συστήματος και καταγράφονται συνεχώς οι περιβαλλοντικές συνθήκες (υγρασία και θερμοκρασία), που μπορούν να επιδράσουν στην απόδοση των ηλεκτρονικών διατάξεων και κατά συνέπεια στην ακρίβεια των μετρήσεων.

8. Το σύστημα σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε για την συγκεκριμένη εφαρμογή, δηλαδή για την παρακολούθηση του ενεργειακού αποτυπώματος του πλοίου, λαμβάνοντας υπόψη τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά της Ναυτιλίας που τη διαφοροποιούν τους υπόλοιπου βιομηχανικούς κλάδους.

Όλα τα προαναφερθέντα συντελούν στην άρση των μειονεκτημάτων της υφιστάμενης στάθμης της τεχνικής καί συγκεκριμένα συντελούν στην ακριβή καί ρεαλιστική αποτύπωση των μετρήσεων του ενεργειακού αποτυπώματος του πλοίου με συνυπολογισμό του σφάλματος σε πραγματικό χρόνο.

Απαιτήσεις συστήματος και μεθόδου

Τα χαρακτηριστικά της εφευρέσεως ορίζονται στις αξιώσεις. Συγκεκριμένα, η τεχνολογική στάθμη των διαφόρων προτάσεων που είδαμε προηγουμένως, με τα μειονεκτήματα που παρουσιάστηκαν, σε συνδυασμό με την μελέτη των αναγκών της ναυτιλίας για ένα σύστημα παρακολούθησης του ενεργειακού αποτυπώματος του πλοίου, οδήγησαν στον σχεδίασμά ενός συστήματος που θα πρέπει να πληροί τις παρακάτω προδιαγραφές:

Oι ηλεκτρονικές μονάδες που αποτελούν το σύστημα συλλογής να είναι πιστοποιημένες σύμφωνα με τα ναυτιλιακά πρότυπα λειτουργίας.

Η μετάδοση των δεδομένων και όλων των πληροφοριών που σχετίζονται με το σύστημα, να γίνεται ασύρματα, με πρωτόκολλο ικανό και αξιόπιστο σε περιβάλλον πλοίου, όπου υπάρχουν υψηλά επίπεδα ηλεκτρομαγνητικού θορύβου και πολλές μεταλλικές επιφάνειες που οδηγούν σε πολλές ανακλάσεις.

Το ασύρματο δίκτυο που θα δημιουργούν οι μονάδες συλλογής-μετάδοσης των δεδομένων να είναι στην ελεύθερη ζώνη συχνοτήτων των 2.4GHz.

Η τοπολογία του ασύρματου δικτύου να είναι τύπου πλέγματος (mesh network).

Η ισχύς της ασύρματης μετάδοσης να είναι μικρότερη των 100mW.

Οι μονάδες συλλογής-μετάδοσης δεδομένων να:

ο Περιβάλλονται από προστατευτικό μεταλλικό περίβλημα, που να προστατεύει τα ηλεκτρονικά από τον ηλεκτρομαγνητικό θόρυβο (EMI-shielded) και να υπάρχει η δυνατότητα διασύνδεσης της γείωσης των με την γείωση του πλοίου μέσω φερρίτη.

ο Έχουν επεξεργαστική ισχύ ικανή για ανάλυση σημάτων σε πραγματικό χρόνο και δειγματοληψία έως 1000Hz και η συλλογή, επεξεργασία και αποστολή των δεδομένων να γίνεται σε πραγματικό χρόνο.

ο Διαθέτουν εσωτερικό ρολόι πραγματικού χρόνου με δυνατότητες συγχρονισμού μέσω του ασύρματου δικτύου.

ο Υπάρχει η δυνατότητα αποθήκευσης των μετρήσεων σε SD-Card και USB Flash.

ο Έχουν αυξημένο λειτουργικό εύρος θερμοκρασιών -20° έως 70° C.

ο Μπορούν να τροφοδοτηθούν με 24V DC ή με 100-110VAC ή με 210-230V AC, αφού αυτές είναι οι τρεις επικρατέστερες τάσεις τροφοδοσίας που μπορείς να βρεις σε ένα πλοίο, ενώ η κατανάλωση τους να είναι μικρότερη των 3W.

ο Μπορούν να τροφοδοτήσουν εξωτερικές συσκευές με 24VDC και ισχύ έως 2W.

ο Διαθέτουν έξι (6) σειριακές θύρες διασύνδεσης για την συλλογή των δεδομένων τύπου RS485, τέσσερις (4) ψηφιακές εισόδους πλάτους παλμού 0-24V DC και μία (1) θύρα τύπου CANBus, πλήρως απομονωμένες μεταξύ τους, αλλά και με τα υπόλοιπα κυκλώματα του συλλέκτη, με γαλβανική ή οπτική απομόνωση μεγαλύτερη των 3500V RMS.

ο Διαθέτουν θύρα Ethernet για την διασύνδεση τους σε LAN δίκτυο 10-100MBps.

Οι συσκευές που θα είναι διασυνδεδεμένες στο LAN δίκτυο του πλοίου, θα πρέπει να έχουν την δυνατότητα διασύνδεσης του ασύρματου δικτύου που ανήκουν με το δίκτυο LAN.

Να εξασφαλίζεται η δυνατότητα διασύνδεσης στο ασύρματο δίκτυο οποιοσδήποτε άλλη συσκευή η οποία διαθέτει θύρα USB, μέσω ενός "USB σε Ασύρματο" μετατροπέα.

Να υπάρχει η δυνατότητα επέκτασης της κάλυψης του ασύρματου δικτύου με χαμηλού κόστους συσκευές, οι οποίες θα πρέπει να είναι επίσης χαμηλής κατανάλωσης, ώστε να υπάρχει η δυνατότητα τροφοδοσίας από το δίκτυο φωτισμού ασφαλείας του πλοίου.

Τα δεδομένα όλου του ασύρματου δικτύου να συλλέγονται σε έναν εξυπηρετητή (server). Αυτός να τα αποθηκεύει για διάστημα 6 μηνών, ενώ να αποστέλλει περιοδικά τα νέα δεδομένα μέσω της δορυφορικής διασύνδεσης του πλοίου με τη στεριά.

Στις περιοχές που είναι αδύνατη η δορυφορική διασύνδεση, ο εξυπηρετητής (Server) να αποθηκεύει τα προς μετάδοση δεδομένα και να τα αποστέλλει όταν επανέρχεται η σύνδεση.

Να υπάρχει η δυνατότητα σύνδεσης καί δεύτερου εξυπηρετητή (server) ως λύση εφεδρικού χαρακτήρα.

Το σύστημα να μπορεί να διασυνδεθεί, για να συλλέξει δεδομένα, τουλάχιστον με τα ακόλουθα συστήματα καί κατασκευαστές στο πλοίο:

ο NAVIGATION SYSTEMS (Speedlog, GPS, Anemometer, Autopilot, Rudder Angle, Gyrocompass, Echosounder, Drafts, Inertial Measuring Units, Environmental Parameters): JRC, Furuno, Transas, Kongsberg, Raytheon, Consilium, Garmin, Raymarine, Simrad, Japan Radio, B&G, GEM Electronics, Sperry Marine, Marine Technologies, Veinland, Honeywell, Tokyo Keiki, Kelvin Hughes, Maris, Icom, Koden, Norbit, Navitron, Humminbird, Nexus, Sam Electronics, Maretron, Vaisala.

o CARGO CONTROL SYSTEMS (Cargo Control, Ballast Pumps, Cargo Pumps):

Emerson Rosemount, Kongsberg Autrocargo, Enraf Auxitrol, Hanla Level, Samsung SSAS-TLGS, Musasino, Krohne Cargomaster, Framo, Various Electrical Load Analysers.

o ALARM MONITORING SYSTEMS: Aconis 1000, Aconis 2000, Aconis 2000E, Kongsberg Norcontrol DataChief 2000, Kongsberg Norcontrol DataChief C2, Kongsberg K-Chief 500, Kongsberg K-Chief 600, Kongsberg K-Chief 700, Bemac Uzushio, Samsung SSAS, Lyngsoe Marine U2100, Terasaki.

o POWER MANAGEMENT & MAIN SWITCHBOARD SYSTEMS: Hyundai, Kongsberg K-Chief, Various Power Analysers, Watt transducers, Various Indicators (Power, Current, Voltage).

o TORQUEMETERS: Kyma, Lemag, VAF, Seatechnik, Leutert, Shoyo, Kongsberg, Terasaki, AMS, Aquametro, Hoppe Marine, ABB, Trelleborg, BMT Smart. o FLOWMETERS (Fuel/Lub Oil Consumption): VAF, ABB, Endress Hauser, Krohne, Tokico, Akatuki Seiki, Nitto Seiko, Aquametro, Alfa Laval, Krai, Emerson.

o STEAM PRODUCTION PLANT (AUX Boilers): Aalborg, Mitsubishi, Kangrim. o OTHER (Bow Thruster, Reefers, Cranes, Electric Power Packs, Diesel Power Packs): Framo, Wartsila, Rolls-Royce, ZPMC, ABB, Cummins.

Το σύστημα να μπορεί να συλλέγει τους παρακάτω τύπους σημάτων, είτε απευθείας, είτε με τη βοήθεια των κατάλληλων βιομηχανικών μετατροπέων:

ο Αναλογικά: RTD (ΡΤ100, ΡΤ1000, etc.), 0.. ,20mA, 4.. ,20mA, Voltage, Pneumatic, Frequency, Synchro.

ο Ψηφιακά: Παλμοί τάσης (Open Collector PNP, Open Collector NPN, Reed switch, Relay), Παλμοί ρεύματος (Namur), Κατάσταση (Contacts).

ο Σειριακά Πρωτόκολλα: RS232/422/485 (Modbus RTU, NMEA 0183, Fieldbus, CANBus, SAAB, ASAP, Musasino, MICAD), TCP/IP (Modbus, Rest API), USB (Modbus).

Περιγραφή συστήματος και μεθόδου

To σύστημα MSC (Metis Ship Connect) αποτελείται από υλικό (hardware) καί λογισμικό (software) που σκοπό έχει την παρακολούθηση (monitoring) του ενεργειακού αποτυπώματος της λειτουργίας ενός πλοίου, μέσω της συλλογής δεδομένων από τα διάφορα συστήματα που βρίσκονται σε αυτό. Στην παράγραφο αυτή θα παρουσιαστούν αναλυτικά οι βασικές μονάδες που αποτελούν το σύστημα, τα κύρια χαρακτηριστικά τους και οι κύριες λειτουργίες τους, οι βασικές ιδιότητες του ασύρματου δικτύου, άλλες κρίσιμες πληροφορίες του συστήματος για την κατανόηση του τρόπου λειτουργίας του, ενώ θα παρουσιαστεί ένα γενικό σενάριο συλλογής δεδομένων ώστε να γίνει πλήρως κατανοητή η αρχιτεκτονική του συστήματος καί ο τρόπος λειτουργίας του, όπως καί ένα υλοποιημένο παράδειγμα εφαρμογής του σε πλοίο μεταφοράς ξηρού φορτίου.

Ο σκοπός του MSC είναι η διασύνδεση οποιουδήποτε αισθητήρα, οργάνου καί συστήματος ελέγχου, σε ένα κοινό δίκτυο έτσι ώστε να είναι δυνατή η συλλογή χρήσιμων δεδομένων για την διεξαγωγή εξειδικευμένων αναλύσεων που αφορούν την ενεργειακή απόδοση/ενεργειακό αποτύπωμα ενός πλοίου. Οι αναλύσεις αυτές μπορεί να περιλαμβάνουν, την παρακολούθηση της κατανάλωσης καυσίμου, της απόδοσης της μηχανής, της αποδοτικότητας του συστήματος παραγωγής ατμού, της παραγωγής και κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας κτλ. Ο στόχος του συστήματος είναι να παρέχει πληροφορίες εποπτείας (monitoring) και όχι οποιουδήποτε είδους μηχανισμούς ελέγχου (control). To MSC μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε συνδυασμό με οποιοδήποτε λογισμικό για ανάλυση δεδομένων και deep data mining που ενδεχομένως είναι εγκατεστημένο ως το κύριο σύστημα αυτοματοποιημένης συλλογής δεδομένων.

Το σύστημα MSC έχει τρία κύρια χαρακτηριστικά:

1. Το κυρίως δίκτυο για την μεταφορά δεδομένων είναι ασύρματο, τύπου ZigBee, βασισμένο στο πρωτόκολλο επικοινωνίας ΙΕΕΕ802.15.4.

2. Το πρώτο επίπεδο επεξεργασίας σήματος γίνεται στις συσκευές συλλογής δεδομένων και είναι αρκετά ισχυρό ώστε να εξασφαλίζει την ύπαρξη αξιόπιστων δεδομένων προς χρήση από οποιοδήποτε back-end σύστημα.

3. Το σύστημα υπολογίζει το σφάλμα της κάθε μέτρησης, λαμβάνοντας υπόψιν την δειγματοληψία και την μέθοδο επεξεργασίας.

Συνοπτική Γενική Αρχιτεκτονική Συστήματος

Το διάγραμμα της εικόνας 1 παρουσιάζεται συνοπτικά την γενική αρχιτεκτονική του MSC μέσα σε ένα πλοίο.

Τα μπλε σημεία αντιπροσωπεύουν τις ηλεκτρονικές συσκευές του MSC που εγκαθίστανται πάνω στο πλοίο και παίζουν τον ρόλο των συλλεκτών δεδομένων. Οι συσκευές αυτές διασυνδέουν σε ένα κοινό δίκτυο διάφορες μονάδες του εξοπλισμού του πλοίου με σκοπό τη συλλογή από αυτές των απαραίτητων δεδομένων. Πιο συγκεκριμένα, η σημασία των όρων του διαγράμματος είναι η εξής:

• Αισθητήρες/Όργανα/Μονάδες Ελέγχου: Μπορεί να είναι οποιοσδήποτε αισθητήρας όπως για παράδειγμα θερμοκρασίας, πίεσης κτλ., οποιοδήποτε όργανο όπως GPS, Echosounder, Speedlog, Torquemeter κτλ και οποιοδήποτε μονάδα ελέγχου.

· DFS (Data Fusion Server): Είναι ο κύριος εξυπηρετητής (Server) του συστήματος, στον οποίον λειτουργούν μια σειρά από προγράμματα λογισμικού απαραίτητα για τη συλλογή, αποθήκευση και ομογενοποίηση όλων των δεδομένων από τους συλλέκτες δεδομένων WIC-C, την επεξεργασία τους σε δεύτερο βαθμό, τη δημιουργία ομογενοποιημένων πακέτων δεδομένων και την αποστολή τους στην ξηρά για περαιτέρω ανάλυση.

• WIC-C (Wireless Intelligent Collector-Collector), εικόνες 2 έως 4: Είναι οι συσκευές που συλλέγουν τα σήματα από τους αισθητή ρες/όργανα/μονάδες ελέγχου που έχουν με αυτές συνδεθεί, εξάγουν την απαραίτητη πληροφορία, εκτελούν το πρώτο επίπεδο επεξεργασίας καί μεταδίδουν περιοδικά τα δεδομένα προς στην μονάδα DFS, είτε μέσω του ασύρματου δικτύου ZigBee είτε μέσω του δικτύου LAN του πλοίου. Oι συσκευές WIC-C, που είναι συνδεδεμένες στο LAN του πλοίου, είναι οι συσκευές που δημιουργούν και συντονίζουν τα ασύρματα δίκτυα στις διάφορες περιοχές του πλοίου (δεν είναι επιθυμητό ούτε αποτελεσματικό ένα ασύρματο δίκτυο να καλύψει όλη την έκταση του πλοίου, αλλά είναι προτιμότερο να υπάρχουν παραπάνω από ένα ασύρματα δίκτυα στις κύριες περιοχές αυτού) και προωθούν όλα τα εισερχόμενα δεδομένα, από τις υπόλοιπές συσκευές που έχουν συνδεθεί στα δίκτυα που έχουν αυτές δημιουργήσει, προς τον DFS μέσω του δικτύου LAN.

· WIC-R, εικόνες 8 έως 9: Είναι η ηλεκτρονική συσκευή που κύριο σκοπό έχει να ενισχύει-επεκτείνει ένα ασύρματο δίκτυο που έχει δημιουργήσει ένας WIC-C σε κάποιο χώρο, να συνδέεται στον DFS και να δημιουργεί ένα ασύρματο δίκτυο στην περιοχή που εγκαθίσταται ο DFS και να προωθεί προς αυτόν μέσω της θύρας USB τα πακέτα δεδομένων που λαμβάνει από συλλέκτες και τέλος να διασυνδέει μέσω θύρας USB οποιονδήποτε άλλον υπολογιστή τρίτου συστήματος σε ένα από τα ασύρματα δίκτυα.

Συλλέκτης-Μεταδότης (Wireless Intelligent Collector/Collector - WIC-C)

Ο ασύρματος ευφυής συλλέκτης δεδομένων (WIC-C), εικόνες 2 έως 4, είναι η βασική μονάδα του συστήματος, ο οποίος αναλαμβάνει την συλλογή των δεδομένων από τα διάφορα σημεία, το πρώτο επίπεδο επεξεργασίας αυτών και την μετάδοση αυτών μέσω του ασύρματου δικτύου προς τον τελικό αποδέκτη, τον εξυπηρετητή (DFS). Παρακάτω παρουσιάζονται όλες οι απαραίτητες πληροφορίες για την κατανόηση του τρόπου λειτουργίας του συλλέκτη.

Βασικά Χαρακτηριστικά

Τα κύρια χαρακτηριστικά του WIC-C που συνοδεύονται και από μια περιγραφή των εξωτερικών χαρακτηριστικών του είναι τα εξής:

Υπολογιστική ισχύ 528ΜΗz, αρκετή για την συλλογή σημάτων, ανάλυση αυτών και αποστολή των δεδομένων σε πραγματικό χρόνο.

Λειτουργικό Linux.

Ρολόι πραγματικού χρόνου και συγχρονισμός αυτού μέσω του ασύρματου δικτύου.

Εσωτερική κατανάλωση έως 2.5W και δυνατότητα παροχής τροφοδοσίας 24VDC σε εξωτερικές συσκευές άλλων 2.5W.

Θερμοκρασία λειτουργίας: -20° έως 70° C.

Ισχύς εκπομπής ασύρματης επικοινωνίας 6.3mW.

Δυνατότητα διασύνδεσης με βιομηχανικούς μετατροπείς αναλογικών σημάτων στις σειριακές εισόδους (4, pins 1 έως 12).

Κυτίο προστασίας αλουμινίου με ηλεκτρομαγνητική θωράκιση, δυνατότητα σύνδεσης του πλαισίου με τη γείωση του πλοίου μέσω φερρίτη και δυνατότητα επιτοίχιας τοποθέτησης (1).

Θύρα για μνήμη αποθήκευσης τύπου SD (2).

Τροφοδοσία 100-240VAC ή 18-36VDC (3), γαλβανικά απομονωμένη από τα υπόλοιπα ηλεκτρονικά στοιχεία του συλλέκτη (εισόδους, εξόδους).

• Δυνατότητα παροχής τροφοδοσίας σε εξωτερικά συστήματα 24VDC/100mA, γαλβανικά απομονωμένη από τα υπόλοιπα ηλεκτρονικά στοιχεία του συλλέκτη (4, pins 23/24).

Διεπαφές επικοινωνίας.

ο 2x Micro-USB (5, 6).

ο Ethernet για διασύνδεση σε LAN 10-100MBps (7).

ο Ασύρματη επικοινωνία στα 2.4 GHz μέσω πρωτοκόλλου Zigbee (8).

• Είσοδοι

ο 6 σειριακές είσοδοι τύπου RS422/RS485 Half Duplex, κάθε μία γαλβανικά απομονωμένη από τα υπόλοιπα ηλεκτρονικά στοιχεία του συλλέκτη (εισόδους, εξόδους, τροφοδοσία, κτλ) (4, pins 1 έως 12).

o 4 ψηφιακές είσοδοι, κάθε μία οπτικά απομονωμένη από τα υπόλοιπα ηλεκτρονικά στοιχεία του συλλέκτη (εισόδους, εξόδους, τροφοδοσία, κτλ) για τη συλλογή σημάτων έως 120VDC (4, pins 15 έως 22).

ο 1 σειριακή είσοδος τύπου CANBus γαλβανικά απομονωμένη από τα υπόλοιπα ηλεκτρονικά στοιχεία του συλλέκτη (εισόδους, εξόδους, τροφοδοσία, κτλ) (4, pins 13 και 14).

Δομικά Τεχνικά Χαρακτηριστικά

Στις εικόνες 5 και 6 παρουσιάζονται αναλυτικά τα δομικά τεχνικά χαρακτηριστικά στο εσωτερικό του συλλέκτη WIC-C για να γίνει κατανοητή η λειτουργία του. Συγκεκριμένα ο συλλέκτης στο εσωτερικό του αποτελείται από μια ηλεκτρονική πλακέτα (Printed Circuit Board-PCB), η οποία φιλοξενείτο εξής:

1 . Μονάδες παροχής ενέργειας (Power Supply Blocks)

Υπάρχουν δύο τύποι WIC-C. Ο ένας έχει δυνατότητα τροφοδοσίας από εναλλασσόμενη τάση 100-240VAC ενώ ο άλλος από συνεχή τάση 18-36VDC. Η μοναδική διαφορά στο ηλεκτρικό διάγραμμα του δευτέρου σε σχέση με τον πρώτο είναι ότι ο πρώτος σταθεροποιητής AC/24VDC παρακάμπτεται.

Το κύκλωμα τροφοδοσίας προστατεύεται από varistor και ασφάλειες στην είσοδο του. Κατόπιν η πρώτη μονάδα είναι ένας μετατροπέας 100-240VAC σε συνεχή τάση 24VDC με μέγιστη αποδιδόμενη ισχύ 5W. Η δεύτερη μονάδα είναι ένας μετατροπέας 24VDC σε 5VDC. Με τα 5VDC τροφοδοτούνται κάποιες υπομονάδες του συλλέκτη, συγκεκριμένα το Computer on Module και οι USB θύρες. Η τρίτη μονάδα είναι ένας σταθεροποιητής 5VDC σε 3.3VDC, τάση με την οποία τροφοδοτούνται οι υπόλοιπες υπομονάδες του συλλέκτη, συγκεκριμένα οι σειριακές θύρες (S1-S6 RS485, CanBus), τα LEDs, η EEPROM, η μονάδα ασύρματης επικοινωνίας (Zigbee module) και ο εσωτερικός αισθητήρας υγρασίας/θερμοκρασίας που περιέχει για την παρακολούθηση των περιβαλλοντικών συνθηκών λειτουργίας του.

2. Μονάδα επεξεργασίας (Processing Block).

Η κεντρική επεξεργαστική μονάδα είναι ένα CoM (Computer on Module), τα βασικά χαρακτηριστικά του οποίου είναι:

• Επεξεργαστή της Freescale, τον i.MX 6UltraLite ARM Cortex-A7.

• Ταχύτητα CPU στα 528Μ Hz.

• RAM 512MB

• Flash Memory 4GB για την αποθήκευση των δεδομένων.

Επίσης, μέρος του συνόλου του μπλοκ επεξεργασίας αποτελούν καί τα παρακάτω:

• 8 LEDs για την ένδειξη λειτουργίας της συσκευής και των σειριακών θυρών επικοινωνίας.

• Μνήμη EEPROM για την αποθήκευση του σειριακού αριθμού και διαφόρων άλλων πληροφοριών.

• Ένας αισθητήρας θερμοκρασίας/υγρασίας για την παρακολούθηση των συνθηκών λειτουργίας της συσκευής.

• Ένας βομβητής που χρησιμοποιείται για την παρακολούθηση λειτουργίας όποτε είναι αναγκαίο.

• Ρολόι πραγματικού χρόνου που τροφοδοτείται από εσωτερική μπαταρία.

3. Μονάδες δικτύου (Network Blocks)

Η συσκευή μπορεί να συνδεθεί σε ασύρματο δίκτυο τύπου ZigBee, δίκτυο βασισμένο στο πρωτόκολλο επικοινωνίας ΙΕΕΕ802.15.4, αλλά και σε δίκτυο τύπου Ethernet. Η μονάδα ZigBee επικοινωνεί με τον επεξεργαστή μέσω σειριακής θύρας ενώ η ασύρματη επικοινωνία βρίσκεται στην συχνότητα των 2.4GHz.

4. Μονάδες επικοινωνίας

Συμπληρωματικά με τις δυνατότητες δικτυακής σύνδεσης, η συσκευή διαθέτει μια θύρα USB 2.0 On-The-Go, μία θύρα USB για αποσφαλμάτωση (debugging) και μία υποδοχή για κάρτα SD. Ο σκοπός αυτών των θυρών είναι η αναβάθμιση του λογισμικού, η παραμετροποίηση και το backup των μετρήσεων.

5. Μονάδες διεπαφής

Η συσκευή διασυνδέεται με οποιοδήποτε εξωτερικό αισθητήρα, μετατροπέα σημάτων, μονάδα ελέγχου και συλλογής δεδομένων μέσω:

• Έξι RS485 Half Duplex γαλβανικά απομονωμένων θυρών. Οι θύρες αυτές μπορούν να χρησιμοποιηθούν παράλληλα για να υλοποιήσουν μέχρι τρεις (3) RS485 Full Duplex συνδέσεις.

• Μια CANbus γαλβανικά απομονωμένη θύρα.

• Τέσσερις ψηφιακές θύρες, με οπτική απομόνωση για συλλογή παλμών ή On/Off καταστάσεων. Το ελάχιστο πλάτος του σήματος εισόδου είναι 1.2VDC και το μέγιστο 120VDC. Η ελάχιστη διάρκεια παλμού είναι 8msec.

Οπότε, αν τα σήματα που πρέπει να συλλεχθούν είναι τύπου RS485/RS422/CAN Bus/ψηφιακά συλλέγονται απευθείας από τις αντίστοιχες θύρες του συλλέκτη. Αν δεν είναι των παραπάνω τύπων, για παράδειγμα είναι αναλογικού τύπου (για παράδειγμα DC τάσεις, DC ρεύματα, αντιστάσεις κτλ.) τότε με την βοήθεια κατάλληλων βιομηχανικών μετατροπέων, συνήθως μετατροπέων αναλογικών σημάτων σε σειριακά πρωτόκολλα RS485, οι συλλέκτες μπορούν να συλλέξουν τα υπόλοιπα σήματα που είναι αναγκαία για την παρακολούθηση του ενεργειακού αποτυπώματος ενός πλοίου.

Κύριες Λειτουργίες

Το λειτουργικό σύστημα του WIC-C είναι όπως είπαμε Linux και η αρχιτεκτονική του λογισμικού έχει αρθρωτή δομή, δίνοντας έτσι την απαραίτητη ευελιξία για την παραμετροποίηση της συσκευής ανάλογα με την εφαρμογή. Οι κύριες λειτουργίες της συσκευής είναι:

■ Συλλογή των δεδομένων. Ο συλλέκτης μέσω των σειριακών καί ψηφιακών διεπαφών του υποστηρίζει όλα τα πρωτόκολλα επικοινωνίας που χρησιμοποιούνται στα υποσυστήματα των πλοίων, είτε απευθείας (για παράδειγμα των ευρέως χρησιμοποιούμενων σειριακών πρωτοκόλλων MODBUS καί ΝΜΕΑ0183), είτε με τη βοήθεια κατάλληλων βιομηχανικών μετατροπέων (για συλλογή για παράδειγμα των ευρέως χρησιμοποιούμενων για τη συλλογή πιέσεων καί θερμοκρασιών αναλογικών πρωτοκόλλων 4...20mA καί RTD) οπότε μπορεί να συνδεθεί σε μία πληθώρα αισθητήρων, συσκευών καί οργάνων ελέγχου για την καταγραφή του ενεργειακού αποτυπώματος.

■ Καθαρισμός, επεξεργασία και ομογενοποίηση των δεδομένων. Ο συλλέκτης φιλτράρει τις μετρήσεις, εκτιμά την ακρίβεια τους και υπολογίζει διάφορα χαρακτηριστικά ων σημάτων στο πεδίο του χρόνου και στο πεδίο των συχνοτήτων, όπως την μέση τιμή, την RMS, την περιβάλλουσα, την συχνότητα, την παράγωγο ως προς τον χρόνο με τη χρήση των κατάλληλων αλγόριθμων επεξεργασίας. Επίσης υπολογίζει το σφάλμα της κάθε μέτρησης με βάση την ακρίβεια των αισθητήρων ή χρησιμοποιώντας αλγόριθμους υπολογισμού σφαλμάτων, μετατρέπει τις μετρήσεις στις σωστές μονάδες μέτρησης και υπολογίζει άλλες παραμέτρους εκτελώντας κάθε είδους υπολογισμό στο πεδίο του χρόνου. Τέλος, οι μετρήσεις συγχρονίζονται ως προς UTC και αναπαρίστανται σε μια ενιαία κοινή μορφή.

· Αποθήκευση των δεδομένων. Ο συλλέκτης έχει τη δυνατότητα να αποθηκεύσει αρκετό όγκο δεδομένων, είτε για λόγους επεξεργασίας είτε για ανάκτηση των δεδομένων σε περίπτωση διακοπής της επικοινωνίας με το εξυπηρετητή (DFS). Η συλλογή των δεδομένων μπορεί να γίνει και από την θύρα τύπου SD.

• Αποστολή των δεδομένων. Ο κάθε συλλέκτης μεταδίδειτα δεδομένα είτε ασύρματα μέσω του δικτύου Zigbee σε άλλον συλλέκτη, είτε ενσύρματα μέσω της Ethernet θύρας, προς τον τελικό αποδέκτη, τον εξυπηρετητή (DFS). Οι συλλέκτες που είναι συνδεδεμένοι μέσω Ethernet στο LAN του πλοίου, αναλαμβάνουν επίσης τον ρόλο του συντονιστή του ασύρματου δικτύου. Δημιουργούν δηλαδή το ασύρματο δίκτυο και ελέγχουν την λειτουργία του, ενώ προωθούν μέσω της Ethernet θύρας τους προς το LAN, με τελικό αποδέκτη τον εξυπηρετητή, τα δεδομένα που συλλέγουν οι ίδιοι και τα δεδομένα που τους προωθούν οι υπόλοιποι συλλέκτες που ανήκουν στο ασύρματο δίκτυο που έχουν αυτοί δημιουργήσει.

■ Παρακολούθηση καλής λειτουργίας. Ο συλλέκτης παράγει στατιστικά δεδομένα σχετικά με την κατάστασή του, όπως ο αριθμός των επανεκκινήσεων, ο όγκος των δεδομένων που επεξεργάστηκαν και τα σφάλματα στην διασύνδεση.

Συνοψίζοντας, ο κύριος σκοπός της συσκευής WIC-C είναι να συλλέγει μετρήσεις και δεδομένα από τον εξοπλισμό που έχει συνδεθεί στις σειριακές και ψηφιακές θύρες του και η επεξεργασία και μετάδοση αυτών μέσω του ZigBee δικτύου ή του LAN, διασφαλίζοντας έτσι την ποιότητα των δεδομένων και την ελαχιστοποίηση των χρονικών περιόδων χωρίς μετάδοση.

Υπηρεσίες λογισμικού (Software services)

Η λειτουργία του συλλέκτη πραγματοποιείται από ανεξάρτητες υπηρεσίες (services/daemons) που τρέχουν στον επεξεργαστή αυτού. Οι υπηρεσίες ανταλλάσσουν μεταξύ τους δεδομένα μέσω του τύπου DBUS software bus και κοινών βάσεων δεδομένων τύπου SQLite. Η εικόνα 7 δείχνει τις κύριες υπηρεσίες που τρέχουν σε ένα WIC-C. Συγκεκριμένα:

· Σειριακές διεπαφές. Αυτές οι υπηρεσίες είναι συνδεδεμένες στις φυσικές σειριακές θύρες της συσκευής και υλοποιούν την επικοινωνία με τις εξωτερικά συνδεδεμένες συσκευές. Υποστηρίζουν διάφορα πρωτόκολλα επικοινωνίας όπως τα ευρέως χρησιμοποιούμενα MODBUS, ΝΜΕΑ, κιλ. Βασίζονται σε μία βιβλιοθήκη από τύπου JSON αρχεία που περιγράφουν τις παραμέτρους που συλλέγονται από τα διάφορα συστήματα του πλοίου, όπως οι μετρητές ροπής, το Alarm Monitoring System, τα συστήματα πλοήγησης κτλ. Οι σειριακές υπηρεσίες φιλτράρουν τις μετρήσεις, υπολογίζουν τις τιμές με τις σωστές μονάδες μέτρησης και τις αποθηκεύουν στον κοινό κατάλογο της βάσης δεδομένων.

• Ψηφιακές διεπαφές. Αυτές οι υπηρεσίες δέχονται παλμούς τάσης από τις ψηφιακές θύρες και υπολογίζουν μεγέθη όπως, ροή, ταχύτητα, περιστροφή ανά λεπτό, On/Off καταστάσεις, κτλ. Τα μεγέθη αυτά αποθηκεύονται στην συνέχεια στον κοινό κατάλογο της βάσης δεδομένων.

• Μονάδες επεξεργασίας. Αυτές οι υπηρεσίες μπορούν να εκτελούν οποιαδήποτε διαδικασία για την ανάλυση των μετρούμενων μεγεθών, την ανίχνευση γεγονότων και τον υπολογισμό των διαφόρων δεικτών απόδοσης. Έχουν πρόσβαση σε όλες τις μετρήσεις και τους υπολογισμούς των ποσοτήτων μέσα στον κοινό φάκελο της βάσης δεδομένων και επιστρέφουν τα δεδομένα της ανάλυσης στον ίδιο φάκελο.

• Postman. Ο σκοπός αυτής της υπηρεσίας είναι να προωθεί τις μετρήσεις των μεγεθών στο ασύρματο δίκτυο ZigBee σε προκαθορισμένες χρονικές στιγμές. Όλες οι μετρήσεις μεταδίδονται στο WIC-C που έχει τον ρόλο του συντονιστή του ασύρματου δικτύου.

· Katina. Αν η συσκευή WIC-C λειτουργεί σαν συντονιστής του ασύρματου δικτύου, η υπηρεσία Katina δέχεται όλες τις μετρήσεις από οποιοδήποτε WIC-C είναι συνδεδεμένο στο ίδιο ZigBee δίκτυο και τις αποθηκεύει στον κοινό φάκελο της βάσης δεδομένων.

• AllJoynPostman. Αν ένα WIC-C λειτουργεί σαν συντονιστής δικτύου, τότε η υπηρεσία αυτή εκτελείται για κάθε WIC-C που είναι συνδεδεμένο στο δίκτυο του, έτσι ώστε να προωθεί όλες τις μετρήσεις που ελήφθησαν από αυτό προς το δίκτυο LAN ώστε να συλλεχθούν από τον εξυπηρετητή DFS.

Η παραμετροποίηση των υπηρεσιών γίνεται μέσω ενός κοινού τύπου JSON αρχείου παραμετροποίησης και μπορεί να αλλαχθεί μέσω λογισμικού που έχει αναπτυχθεί για τον σκοπό αυτό και είναι εγκατεστημένο σε όλους τους συλλέκτες WIC-C. Μια εσωτερική υπηρεσία διαχείρισης, εκκινεί τις υπηρεσίες ανάλογα με το αρχείο παραμετροποίησης.

Συλλέκτης-Δρομολογητής (Wireless Intelligent Collector/Router - WIC-R)

Ο ασύρματος συλλέκτης-δρομολογητής δεδομένων (WIC-R), εικόνες 8 έως 9, αναλαμβάνει την επέκταση του ασύρματου δικτύου, την δρομολόγηση των δεδομένων προς τον εξυπηρετητή (DFS) καθώς και την διασύνδεση άλλων υπολογιστών στο ασύρματο δίκτυο Zigbee και κατ' επέκταση στο σύστημα συλλογής δεδομένων. Ο δρομολογητής δεν περιέχει μονάδα επεξεργασίας, αλλά πρακτικά μόνο την ασύρματη μονάδα (Zigbee module), αφού για τον ρόλο που έχει στο σύστημα μόνο αυτή η μονάδα είναι αναγκαία.

Βασικά Χαρακτηριστικά

Τα κύρια χαρακτηριστικά του WIC-R είναι τα εξής:

• Κυτίο προστασίας αλουμινίου (9) με ηλεκτρομαγνητική θωράκιση, δυνατότητα σύνδεσης του πλαισίου με τη γείωση του πλοίου μέσω φερρίτη και δυνατότητα επιτοίχιας τοποθέτησης.

• Διεπαφές επικοινωνίας

ο Micro-USB (10).

ο Ασύρματη επικοινωνία στα 2.4 GHz μέσω πρωτοκόλλου Zigbee (11).

Τροφοδοσία

ο 100-240VAC (12).

ο 10-36VDC (12).

ο USB (10).

Κατανάλωση μικρότερη του 1.5W ώστε να μπορεί να συνδέεται σε χαμηλής ισχύος δίκτυα (πχ στο δίκτυο φωτισμού ασφαλείας του πλοίου).

Θερμοκρασία λειτουργίας: -20° έως 70° C.

Ισχύς εκπομπής ασύρματης επικοινωνίας έως 6.3mW (11).

Δομικά Τεχνικά Χαρακτηριστικά

Στην εικόνα 10 παρουσιάζονται αναλυτικά τα δομικά τεχνικά χαρακτηριστικά στο εσωτερικό του δρομολογητή WIC-R για να γίνει κατανοητή η λειτουργία του. Συγκεκριμένα ο δρομολογητής στο εσωτερικό του αποτελείται από μία ηλεκτρονική πλακέτα (Printed Circuit Board-PCB), η οποία φιλοξενείτο εξής:

1. Μονάδες παροχής ενέργειας (Power Supply Blocks)

Υπάρχουν δύο τύποι WIC-R. Ο ένας έχει δυνατότητα τροφοδοσίας από εναλλασσόμενη τάση 100-240VAC ενώ ο άλλος από συνεχή τάση 18-36VDC. Η μοναδική διαφορά στο ηλεκτρικό διάγραμμα του δευτέρου σε σχέση με τον πρώτο είναι ότι ο πρώτος σταθεροποιητής AC/24VDC παρακάμπτεται.

Το κύκλωμα τροφοδοσίας προστατεύεται από varistor και ασφάλειες στην είσοδο του. Κατόπιν η πρώτη μονάδα είναι ένας μετατροπέας 100-240VAC σε συνεχή τάση 24VDC. Η δεύτερη μονάδα είναι ένας μετατροπέας 24VDC σε 5VDC. Η τρίτη μονάδα είναι ένας σταθεροποιητής 5VDC σε 3.3VDC, τάση με την οποία τροφοδοτείται η ασύρματη μονάδα (Zigbee module). Επίσης, να αναφέρουμε σε αυτό το σημείο ότι ο δρομολογητής μπορεί να τροφοδοτείται και μέσω της θύρας USB.

2. Μονάδες επικοινωνίας

Η συσκευή διαθέτει μία θύρα USB 2.0 On-The-Go, σκοπός της οποίας είναι η σύνδεση υπολογιστών στο ασύρματο δίκτυο, αλλά και η παροχή τροφοδοσίας στην ασύρματη μονάδα (Zigbee module).

Κύριες Λειτουργίες

Ο WIC-R είναι η μονάδα του συστήματος που εκτελεί τρεις βασικές λειτουργίες στο σύστημα:

Επέκταση και. ενίσχυση ασύρματου δι.κτύου. Με την τοποθέτηση τέτοιων συσκευών σε διάφορα μέρη του πλοίου, είναι δυνατή η επέκταση του ασύρματου δικτύου και ενίσχυση του σε σημεία που η ποιότητα του σήματος δεν είναι καλή, με χαμηλό κόστος.

Μετατροπή USB σε ασύρματο. Η μονάδα μπορεί να λειτουργήσει ως "USB to Wireless" μετατροπέας, καθώς μπορεί να διασυνδεθεί σε οποιαδήποτε θύρα USB μιας συσκευής, για παράδειγμα ενός υπολογιστή, και να τη διασυνδέσει στο ασύρματο δίκτυο του συστήματος.

Δρομολόγηση δεδομένων. Η μονάδα δρομολογεί τα δεδομένα που λαμβάνει είτε μέσω του ασύρματου δικτύου, είτε μέσω της θύρας USB. Έτσι, για παράδειγμα μπορεί να συνδεθεί στον υπολογιστή DFS, να δημιουργήσει ένα ασύρματο δίκτυο στο οποίο θα συνδεθούν κάποιοι συλλέκτες, να συλλέγει τα δεδομένα τους και να τα προωθεί μέσω της USB θύρας στον DFS.

Κεντρικός Υπολογιστής-Εξυπηρετητής (Data Fusion Server - DFS)

Ο κεντρικός υπολογιστής-εξυπηρετητής (Data Fusion Server - DFS), εικόνα 11, είναι ο κεντρικός υπολογιστής/εξυπηρετητής (server) του συστήματος. Ο υπολογιστής έχειτα χαρακτηριστικά και τις προδιαγραφές ενός βιομηχανικού υπολογιστή.

Βασικά χαρακτηριστικά

Τα κύρια χαρακτηριστικά του DFS είναι τα εξής:

Λειτουργικό Linux.

Σκληρός δίσκος τεχνολογίας SSD.

Τροφοδοσία 12VDC/5A (60W μέγιστη κατανάλωση).

Διεπαφές επικοινωνίας,

ο 2x USB 2.0 (13).

ο 2χ USB 3.0 (13).

ο 3χ Ethernet (14).

ο ΙΡΜΙ Remote KVM (14).

Ο υπολογιστής εκτελεί τις παρακάτω βασικές υπηρεσίες στο σύστημα:

• Συγκέντρωση και αποθήκευση των δεδομένων για τουλάχιστον 6 μήνες.

• Ομογενοποίηση των δεδομένων.

• Επεξεργασία των δεδομένων σε δεύτερο βαθμό.

• Αποστολή των δεδομένων προς τρίτα συστήματα εντός πλοίου.

• Αποστολή των δεδομένων προς τη στεριά με τη βοήθεια δορυφορικής σύνδεσης. Ασύρματο δίκτυο

Τα βασικά χαρακτηριστικά του ασύρματου δικτύου που δημιουργείται από τα WIC-C και WIC-R είναι τα εξής:

Οι συλλέκτες δημιουργούν μεταξύ τους ένα ασύρματο δίκτυο, για την μεταφορά των δεδομένων στα 2.4GFIZ.

Το ασύρματο πρωτόκολλο επικοινωνίας είναι τύπου Zigbee, πρωτόκολλο ευρέως διαδεδομένο σε βιομηχανικές εφαρμογές το οποίο βασίζεται στο πρωτόκολλο IEEE 802.15.4.

Το ασύρματο δίκτυο είναι τύπου πλέγματος (mesh network). Αυτό σημαίνει ότι όλοι οι συλλέκτες-κόμβοι του δικτύου, οι οποίοι είναι και οι συλλέκτες των δεδομένων, συμμετέχουν στην διακίνηση και δρομολόγηση των δεδομένων.

Οι διαδρομές μεταξύ των κόμβων-συλλεκτών του δικτύου δεν είναι προδιαγεγραμμένες, αλλά εξαρτώνται από την κατάσταση και την απόδοση του δικτύου.

Αν κάποιος συλλέκτης-κόμβος χάσει την επικοινωνία του με το δίκτυο, αυτό αναδιαμορφώνεται για να καλύψει την απώλεια του χαμένου κόμβου. Όποιος συλλέκτης εισέρχεται στο δίκτυο, διαλέγει κανάλι μετάδοσης με γνώμονα αυτό να έχει το χαμηλότερο δυνατό επίπεδο θορύβου.

Κάποιοι συγκεκριμένοι συλλέκτες-κόμβοι έχουν αναλάβει ρόλο συντονιστών των ασύρματων δικτύων. Αυτοί οι συλλέκτες δημιουργούν, συντονίζουν, διαχειρίζονται τα ασύρματα δίκτυα και συλλέγουν τα δεδομένα από τους υπόλοιπους συλλέκτεςκόμβους που έχουν συνδεθεί στο δίκτυο που δημιούργησαν αυτοί.

Οι συλλέκτες-συντονιστές του ασύρματου δικτύου είναι συνδεδεμένοι μέσω της θύρας Ethernet στο δίκτυο LAN του πλοίου, ώστε να δρομολογήσουν-προωθήσουν τα δεδομένα που δέχονται από τους υπόλοιπους συλλέκτες στον τελικό αποδέκτη, τον εξυπηρετητή (server).

Μέσω του ασύρματου δικτύου γίνεται επίσης ο συντονισμός των ρολογιών των συλλεκτών.

Παράμετροι-Φυσικές Ποσότητες

Παρουσιάζεται σε αυτό το σημείο η μεθοδολογία για την σήμανση με το κατάλληλο αναγνωριστικό της κάθε μέτρησης που λαμβάνεται ανά τακτά χρονικά διαστήματα για τις διάφορες φυσικές ποσότητες που παρακολουθούνται σε ένα πλοίο. Με τον όρο φυσική ποσότητα ορίζουμε οποιαδήποτε παράμετρο που μετριέται ή υπολογίζεται από τις συσκευές WIC-C. Σε κάθε παράμετρο δίνουμε ένα μοναδικό αναγνωριστικό νούμερο (ID) που είναι ένας 64bit αριθμός. To ID ορίζει:

• Την πηγή της μέτρησης, από που συλλέχθηκε δηλαδή.

• Το σύστημα (μηχάνημα, είδος εξοπλισμού, asset, κτλ.) με το οποίο σχετίζεται η παράμετρος/φυσική ποσότητα, για παράδειγμα η κύρια μηχανή, οι ηλεκτρογεννήτρια νο2 κτλ.

• Το φυσικό μέγεθος που μετράμε (πχ θερμοκρασία).

• Την ποσότητα/ουσία/στοιχείο που το μέγεθος αναφέρεται, πχ θερμοκρασία πετρελαίου, λαδιού, αέρα, κτλ.

• Την μέθοδο υπολογισμού-διαχείρισης της, για παράδειγμα μπορεί να συλλέγονται πολλές μετρήσεις αλλά να αποστέλλεται μία μέτρηση κάθε συγκεκριμένο χρονικό διάστημα που είναι ο μέσος όρος των μετρήσεων που συλλέχθηκαν στο διάστημα αυτό.

Έτσι δίνουμε ένα μοναδικό αναγνωριστικό στην κάθε παράμετρο που μετράμε, καθιστώντας την μοναδική για το συγκεκριμένο πλοίο. Στο παράδειγμα εγκατάστασης που παρουσιάζεται παρακάτω, θα γίνουν ξεκάθαρα και κατανοητά όλα τα παραπάνω.

Σε κάθε μέτρηση των φυσικών ποσοτήτων που αποθηκεύεται στην βάση δεδομένων, πέραν του ID περιλαμβάνονται επίσης τα εξής:

• Χρονική σήμανση: Η ακριβής χρονική στιγμή κατά την οποία η μέτρηση έγινε ή υπολογίστηκε σε αναπαράσταση UNIX EPOC UTC (δευτερόλεπτα).

• Τιμή: Η τιμή της μέτρησης σε αναπαράσταση διπλού αριθμού (double number). • Σφάλμα μέτρησης: Το εκτιμώμενο σφάλμα της μέτρησης σε αναπαράσταση αριθμού κινητής υποδιαστολής (float number).

• Ρυθμός δειγματοληψίας: Ο τυπικός ρυθμός δειγματοληψίας των μετρήσεων. Σφάλμα Μέτρησης

Η εκτίμηση του σφάλματος για κάθε μέτρηση πραγματοποιείται μέσα στον μηχανισμό συλλογής δεδομένων και στο σύνολο της αλυσίδας επεξεργασίας δεδομένων. Οι κύριοι παράγοντες που λαμβάνονται υπόφιν στο σφάλμα της μέτρησης είναι:

• Η απόκλιση βάσει του φυσικού μοντέλου του αισθητήρα.

· Η ακριβής φυσική τοποθεσία του αισθητήρα.

• Περιβαλλοντικοί παράγοντες που επηρεάζουν την λειτουργία του αισθητήρα. • Η διακριτική ικανότητα του αισθητήρα.

• Η διακριτική ικανότητα του μετατροπέα αναλογικού σε ψηφιακό σήμα μέσα στην μονάδα συλλογής δεδομένων.

· Οι χρονικές ατέλειες των μετρήσεων.

Σε ορισμένες περιπτώσεις, η εκτίμηση του σφάλματος της μέτρησης είναι εφικτή με βάση τις προδιαγραφές των αισθητήρων και των μονάδων συλλογής δεδομένων. Δυστυχώς, στις περισσότερες περιπτώσεις όπου το σύστημα πρέπει να συνεργαστεί με προϋπάρχοντα εξοπλισμό, δεν υπάρχει πρόσβαση σε τέτοιου είδους πληροφορίες. Σε αυτές τις περιπτώσεις, άλλες τεχνικές και αλγόριθμοι πρέπει να εφαρμοστούν για την εκτίμηση της αβεβαιότητας του σφάλματος. Σε κάθε περίπτωση, ο μηχανικός μπορεί να ορίσει μέσα στην συσκευή WIC-C το εκτιμώμενο σφάλμα για κάθε μετρούμενη ποσότητα ή να ενεργοποιήσει τον ενσωματωμένο μηχανισμό για την αυτοματοποιημένο υπολογισμό του σφάλματος μέτρησης, ο οποίος λαμβάνει δείγματα με υψηλή συχνότητα και υπολογίζει την μέση διακύμανση.

Μετά τον ορισμό του σφάλματος μέτρησης, αυτή επανυπολογίζεται σε όλα τα στάδια επεξεργασίας και ανάλυσης είτε μέσα στο WIC-C ή στο υπολογιστικό νέφος (cloud).

Υπάρχουν δύο κύριοι τύποι επεξεργασίας:

• Ο μετασχηματισμός των ποσοτήτων χρησιμοποιώντας μαθηματικές συναρτήσεις.

• Η εκτίμηση της τιμής ενός μεγέθους σε συγκεκριμένο χρονικό σημείο, προκειμένου να συγχρονιστούν οι μετρήσεις ενός συνόλου μεγεθών και να πραγματοποιηθεί μια ανάλυση, να προσομοιωθεί ένα φυσικό μοντέλο ή να τροφοδοτηθεί μια μηχανή τεχνητής νοημοσύνης.

Εκτίμηση σφάλματος κατά την διάρκεια του μετασχηματισμού

Η μαθηματική βιβλιοθήκη, που αναπτύχθηκε και είναι ενσωματωμένη σε όλες τις ρουτίνες είτε μέσα στις συσκευές WIC-C είτε στις υπηρεσίες που τρέχουν στο υπολογιστικό νέφος, εκτελεί οποιοδήποτε μαθηματικό υπολογισμό και υπολογίζει την τιμή και το σφάλμα κάθε παραμέτρου. Αν υποθέσουμε ότι το Μέγεθος Α υπολογίζεται από το Μέγεθος Β με σφάλμα errB και το Μέγεθος C με σφάλμα errC μέσω μια συνάρτησης F(B,C), τότε το αποτέλεσμα θα είναι:

Με αυτό τον τρόπο, η εκτίμηση του σφάλματος σε οποιοδήποτε αποτέλεσμα διασφαλίζεται ανεξάρτητα από την πολυπλοκότητα της μεθόδου ανάλυσης.

Εκτίμηση σφάλματος κατά τον συγχρovισμό

Οι παράμετροι, που συλλέγονται από τις διάφορες πηγές, έχουν διαφορετικές χρονικές σημάνσεις και ρυθμούς δειγματοληψίας. Πριν την διενέργεια οποιουδήποτε υπολογισμού είναι απαραίτητος ο συγχρονισμός των μετρήσεων των αντίστοιχων παραμέτρων. Η διαδικασία συγχρονισμού εξαρτάται από το είδος της παραμέτρου, τον ρυθμό δειγματοληψίας και τον ρυθμό μεταβολής του παρατηρούμενου φυσικού φαινομένου. Για παράδειγμα, η ταχύτητα του πλοίου που αναφέρεται από τον καπετάνιο στην ημερήσια αναφορά, θεωρείται σταθερή μέχρι την επόμενη, αλλά η ταχύτητα που καταγράφεται με υψηλό ρυθμό δειγματοληψίας από το GPS μπορεί να υπολογιστεί σε οποιοδήποτε χρονικό σημείο με την χρήση τεχνικών παρεμβολής. Αυτό εμφανίζεται στα διαγράμματα των εικόνων 12 καί 13.

Κατά την διαδικασία του συγχρονισμού, το σφάλμα των μετρήσεων πρέπει να επανυπολογιστεί καί η μαθηματική βιβλιοθήκη του συστήματος έχει ενσωματωμένο αυτόν τον μηχανισμό. Ο ίδιος μηχανισμός παρεμβολής εφαρμόζεται στην τιμή κάθε μέτρησης καί για την μέγιστη καί ελάχιστη απόκλισή της, ανάλογα με το εκτιμώμενο σφάλμα. Αφού εφαρμοστεί αυτή η μέθοδος, το σφάλμα της εκτιμώμενης τιμής στο ζητούμενο χρονικό σημείο επανυπολογίζεται. Το σχήμα της εικόνας 14 απεικονίζει αυτή την τεχνική.

Αναλυτικά τα βήματα που ακολουθούνται είναι τα παρακάτω

Βήμα 1 : Εκτίμηση του ρυθμού δειγματοληψίας

Στο βήμα αυτό πραγματοποιείται η εκτίμηση του ρυθμού δειγματοληψίας του αρχικού σήματος. Συλλέγονται από την βάση δεδομένων οι 40 τελευταίες τιμές πριν την χρονική στιγμή tN-5+1/2 και ο μέσος ρυθμός δειγματοληψίας υπολογίζεται από τις χρονικές διαφορές δύο συνεχόμενων τιμών. Ο νέος ρυθμός δειγματοληψίας ονομάζεται SRest.

Βήμα 2: Αφαίρεση των αποκλίσεων

Στο βήμα αυτό οι τιμές του αρχικού σήματος καθαρίζονται από τις σημαντικές αποκλίσεις σύμφωνα με το πρότυπο ISO 19030-2:2016. Έχοντας υπολογίσειτον ρυθμό δειγματοληψίας του αρχικού σήματος, ανακαλούνται από την βάση δεδομένων τις τιμές μέσα στην χρονική περίοδο από t2+1/2-10x SRestμέχρι tN-5+1/2+10x SRest- Στην συνέχεια, η περίοδος διαιρείται σε τμήματα των 10 λεπτών και σε κάθε ένα από αυτά εφαρμόζεται το κριτήριο Chauvenet. Συγχωνεύοντας τις τιμές αυτών των τμημάτων έχουμε τελικά ένα νέο διάνυσμα t2+1/2-10x SRestμέχρι tN-5+1/2+10x SRestπου περιέχει τις τιμές χωρίς τις αποκλίσεις.

Βήμα 3: Συγχρονισμός

Στο βήμα αυτό υπολογίζονται οι τιμές του σήματος στις επιθυμητές χρονικές στιγμές [t2+1/2,t3+1/2,t4+1/2,···, tN-5+1/2]. Ως σήμα εισόδου χρησιμοποιούμε την έξοδο του προηγούμενου βήματος. Οι δύο παρακάτω μέθοδοι χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό:

· ISO 19030-2:2016

Η μέθοδος αυτή υπαγορεύει την εφαρμογή ενός φίλτρου μέσων τιμών στο αρχικό σήμα, αν το συγχρονισμένο σήμα έχει μεγαλύτερο ρυθμό δειγματοληψίας από το αρχικό. Αν το συγχρονισμένο σήμα έχει μικρότερο ρυθμό δειγματοληψίας από το αρχικό σήμα, πρέπει να εφαρμοστεί μια απευθείας αντικατάσταση της πλησιέστερης αρχική τιμής.

· Μέθοδος παρεμβολής

Είναι η προεπιλεγμένη μέθοδος για τον συγχρονισμό. Έχει υλοποιηθεί πολυωνυμική παρεμβολή χρησιμοποιώντας τον αλγόριθμό Neville. Σε κάθε επιθυμητό χρονικό σημείο, ο αλγόριθμος παρεμβολής εκτελείται για 2, 3,4, 5 και 6 σημεία καλύπτοντας ένα εύρος πολυωνύμων πρώτης μέχρι πέμπτης τάξης, αποθηκεύοντας σε κάθε περίπτωση το αποτέλεσμα και το λάθος. Φιλτράροντας στην συνέχεια τις οποιεσδήποτε διάσπαρτες υψίσυχνες διακυμάνσεις από το σύνολο των υπολογισμένων τιμών σε ένα χρονικό σημείο, μένει σαν αποτέλεσμα η μέση τιμή της μέτρησης καί του λάθους.

Βήμα 4: Σφάλμα των συγχρονισμένων τιμών

Παρόλο που ο αλγόριθμος παρεμβολής μπορεί να υπολογίσει το λάθος στο αποτέλεσμα, δεν λαμβάνει υπόψιν τα σφάλματα στο σήμα εισόδου που χρησιμοποιείται για την παρεμβολή. Τα λάθη των μετρήσεων χρησιμοποιούνται ως ακολούθως. Δημιουργούνται 2 επιπλέον σύνολα δεδομένων. Τα σύνολα αυτά έχουν τις ίδιες χρονικές σημάνσεις με το διάνυσμα εξόδου από το βήμα 2. Το πρώτο σύνολο περιέχει τις τιμές συν τα σφάλματα. Το δεύτερο περιέχει τις τιμές μείον τα σφάλματα. Οι τιμές από την παρεμβολή υπολογίζονται στα επιθυμητά χρονικά σημεία [t2+1/2,t3+1/2,t4+1/2, ...,tN-5+1/2], χρησιμοποιώντας πρώτα το σύνολο με τις τιμές συν τα σφάλματα και κατόπιν το σύνολο με τις τιμές μείον τα σφάλματα. Καταλήγουμε έτσι να υπάρχουν για κάθε χρονικό σημείο να υπάρχουν τρία ζεύγη παρεμβληθέντων τιμών/παρεμβληθέντων σφαλμάτων. Εκτίμηση σφάλματος σε μετρήσεις με άννωστα χαρακτηριστικά

Σε πολλές περιπτώσεις γίνεται συλλογή μετρήσεων από αισθητήρες ή όργανα των οποίων το σφάλμα και η ακρίβεια δεν είναι γνωστά γιατί ο κατασκευαστής δεν παρέχει την συγκεκριμένη πληροφορία. Στις περιπτώσεις αυτές ακολουθείται μια μέθοδος υπερδειγματοληφίας σε καθορισμένα χρονικά διαστήματα ώστε να γίνει μια εκτίμηση των στατιστικών χαρακτηριστικών του σήματος, χωρίς να επιβαρυνθεί υπολογιστικά η συσκευή WIC-C ή η τοπική βάση δεδομένων.

Δεδομένα αναφοράς

Τα δεδομένα αναφοράς είναι στην ουσία οι οδηγοί για την σωστή λειτουργία του πλοίου και των υποσυστημάτων, καθώς περιγράφουν την ιδανική λειτουργία της παραμέτρου που είναι υπό μέτρηση. Η απόκλιση (deviation) υπολογίζεται για τα συγχρονισμένα σύνολα μετρήσεων (ίδιες χρονικές σημάνσεις, ίδιος ρυθμός δειγματοληψίας, ίδιο μέγεθος δεδομένων) και προκειμένου η στατιστική επεξεργασία να έχει νόημα όλες οι ενδείξεις NaN (Not a Number) αφαιρούνται.

Στατιστική ανάλυση

Η στατιστική ανάλυση του λάθους περιλαμβάνει τις παρακάτω ποσότητες:

Ελάχιστες/μέγιστες τιμές, απόλυτο ελάχιστο/ απόλυτο μέγιστο, χρονικές στιγμές στις οποίες παρατηρήθηκε μια ακραία τιμή, μέση τιμή, διακύμανση, τυπική απόκλιση, ποσοστό του χρόνου όπου κάθε μετρούμενο μέγεθος ήταν εκτός των ορίων

Παραδοχές στα φυσικά μοντέλα υπολογισμού

Στα φυσικά μοντέλα που χρησιμοποιούνται για να περιγράφουν την ενεργειακή συμπεριφορά του πλοίου, υπεισέρχονται φυσικοί παράγοντες των οποίων η τιμή ή δεν είναι γνωστή ή δεν είναι διαθέσιμη σε κάθε χρονική στιγμή. Τέτοιοι παράγοντες περιλαμβάνουν την πυκνότητα ρευστών όπως ο ατμοσφαιρικός αέρας, το θαλασσινό νερό και τα χρησιμοποιούμενα καύσιμα. Εν κατακλείδι, το σύστημα υιοθετεί μια πολυπαραμετρική προσέγγιση για την διασφάλιση της ακρίβειας των μετρήσεων λαμβάνοντας υπόψιν τρεις παράγοντες:

• Το ενδογενές σφάλμα των μετρήσεων

· Τα σφάλματα συγχρονισμού

• Τις παραδοχές στα φυσικά μοντέλα που χρησιμοποιούνται στους μαθηματικούς υπολογισμούς, όπως η τρέχουσα πυκνότητα του νερού ή του αέρα.

Τα στοιχεία αυτά αποτελούν μέρος της παραμετροποίησης των συσκευών WIC-C που αναλαμβάνουν την συλλογή και σε πραγματικό χρόνο διόρθωση και εκτίμηση της ασάφειας των μετρούμενων μεγεθών.

Ανάλυση σημάτων και επεξεργασία μετρήσεων σε 2ο βαθμό.

Μετά την συλλογή και την επεξεργασία πρώτου βαθμού των μετρήσεων, που περιλαμβάνει το αρχικό φιλτράρισμα και την απόρριψη των εσφαλμένων καταχωρήσεων, η οποία γίνεται αυτοματοποιημένα, ακολουθεί η επεξεργασία 2ου βαθμού. Στο στάδιο αυτό εφαρμόζονται τεχνικές μηχανικής μάθησης και αναγνώρισης προτύπων, που έχουν το πλεονέκτημα να αυτόπροσαρμόζονται ανάλογα με τις ιδιαιτερότητες του εκάστοτε πλοίου. Στόχος είναι να επιτυγχάνεται η αυτοματοποιημένη και μη επιτηρούμενη αναγνώριση της κατάστασης λειτουργίας του πλοίου και του ενεργειακού του αποτυπώματος. Το σύστημα έχει σαν είσοδο αναφοράς τα δεδομένα του κατασκευαστή, καθώς και τα αρχεία των δοκιμών ανοιχτής θάλασσας (sea trials), και προσπαθεί να κατηγοριοποιήσει τα εισερχόμενα δεδομένα σε κλάσεις που αντιπροσωπεύουν τις διαφορετικές περιοχές λειτουργίας του πλοίου.

Έστω ότι Τ είναι το σύνολο εκμάθησης των δειγμάτων που διατίθενται για τον καθορισμό των προτύπων ή κλάσεων λειτουργίας, Κ ο επιθυμητός αριθμός των προσδιοριστέων προτύπων, Si(m) η ομάδα των διανυσμάτων εισόδου του Τ που αντιστοιχίζεται στο πρότυπο Ω, στο βήμα m του αλγορίθμου, Nj(m) ο αριθμός τους και Zi(m) το κέντρο της ομάδας Ο παρακάτω αλγόριθμος ελαχιστοποιείτο εξής μέτρο διασποράς μέσα σε κάθε ομάδα:

Γίνεται η αρχική επιλογή του προσδοκώμενου ή επιθυμητού αριθμού ομάδων Κ. Με αυθαίρετο τρόπο επιλέγονται τα αρχικά Κ κέντρα Ζ1(1),...,ΖΚ(1). Τα κέντρα αυτά μπορούν για παράδειγμα να είναι τα πρώτα Κ διανύσματα μετρήσεων του συνόλου Τ .

Τα σημεία x του Τ κατανέμονται στις Κ ομάδες ως εξής. Αν ||. || είναι μια τυχαία συνάρτηση απόστασης και αν:

Τότε το διάνυσμα x συμπεριλαμβάνεται στο Si(m).

Τέλος τα κέντρα επαναπροσδιορίζονται ως εξής:

Συγχρονισμός Ρολογιών των WIC-C

Οι συσκευές WIC-C βασίζονται στον μηχανισμό Chrony για να διασφαλίσουν τον συγχρονισμό των ρολογιών τους, χρησιμοποιώντας πολλαπλές πηγές σαν αναφορά. Ο μηχανισμός Chrony είναι μια πολύπλευρη υλοποίηση του πρωτοκόλλου Network Time Protocol (ΝΤΡ). Μπορεί να συγχρονίσει το ρολόι του συστήματος με ΝΤΡ εξυπηρετητές, ρολόγια αναφοράς (π.χ. GPS δέκτες) και χειροκίνητες εισόδους από πληκτρολόγιο και ρολόι χειρός. Μπορεί επίσης να λειτουργήσει σαν ΝΤΡν4 (RFC 5905) εξυπηρετητής για να παράσχει τον χρονισμό αναφοράς για τους υπόλοιπους υπολογιστές του δικτύου.

Έχει σχεδιαστεί για να λειτουργεί σε ένα μεγάλο εύρος συνθηκών που περιλαμβάνουν διακοπτόμενες δικτυακές συνδέσεις, δίκτυα με μεγάλη συμφόρηση, μεταβαλλόμενη θερμοκρασία (τα συνήθη ρολόγια στους υπολογιστές είναι ευαίσθητα στην θερμοκρασία) καθώς και συστήματα που δεν λειτουργούν συνεχώς ή τρέχουν μέσα σε εικονικές μηχανές.

Η τυπική ακρίβεια μεταξύ δύο συστημάτων που συγχρονίζονται μέσω του διαδικτύου είναι της τάξης των μερικών χιλιοστών του δευτερολέπτου, σε ένα τοπικό δίκτυο LAN είναι της τάξης μερικών δεκάδων εκατομμυριοστών του δευτερολέπτου. Στην περίπτωση της χρονικής σήμανσης με την χρήση hardware μπορεί να επιτευχθεί ακρίβεια ακόμα και κάτω από ένα εκατομμυριοστό του δευτερολέπτου. Ο μηχανισμός υλοποιείται πάνω στο ZigBee δίκτυο.

Οι πηγές των χρονισμών αναφοράς με σειρά προτεραιότητας είναι:

1. GPS.

2. Παγκόσμιος ΝΤΡ εξυπηρετητής.

3. ΝΤΡ εξυπηρετητής ευρυζωνικού δορυφορικού δικτύου.

4. ΝΤΡ εξυπηρετητής μέσα στον METIS server (DFS).

5. ΝΤΡ εξυπηρετητής πάνω στον WIC ZigBee συντονιστή.

6. Εσωτερικό ρολόι πραγματικού χρόνου.

Σενάριο συλλονής δεδομένων

Παρουσιάζεται παρακάτω ένα γενικό θεωρητικό σενάριο συλλογής δεδομένων ώστε να γίνει πλήρως κατανοητή η αρχιτεκτονική του συστήματος καί ο τρόπος λειτουργίας του. Για την παρακολούθηση του ενεργειακού αποτυπώματος των διαφορετικών λειτουργιών ενός πλοίου απαιτείται η παρακολούθηση των εξής διαφορετικών ομάδων δεδομένων:

• Δεδομένα πλεύσης.

• Δεδομένα λειτουργίας κύριας μηχανής.

• Δεδομένα λειτουργίας ηλεκτρογεννητριών.

• Δεδομένα διαχείρισης φορτίου.

· Δεδομένα άλλων συστημάτων που καταναλώνουν/παράγουν ενέργεια.

Δεδομένα πλεύσης. Για την συλλογή των απαραίτητων παραμέτρων πλεύσης, συλλέγονται τα εξής όργανα/συστήματα/παράμετροι:

• GPS για την παρακολούθηση των παραμέτρων του στίγματος, της πορείας πλεύσης καί της ταχύτητας του πλοίου ως προς το έδαφος.

· Speedlog για την παρακολούθηση των παραμέτρων της ταχύτητας του πλοίου ως προς το νερό.

• Gyrocompass για την παρακολούθηση της κατεύθυνσης του πλοίου.

• Echosounder, Anemometer (Wind Indicator) για την παρακολούθηση των εξωτερικών παραμέτρων που επηρεάζουν την πλεύση ενός πλοίου (άνεμος, βάθος θάλασσας).

• Rudder Angle ή Autopilot για την παρακολούθηση της θέσης του τιμονιού.

• Torquemeter για την παρακολούθηση των παραμέτρων πρόωσης του πλοίου (στροφές προπέλας, ισχύς καί ροπή που παραδίδεται στον άξονα της προπέλας).

• Inertial Measuring Unit για την καταγραφή των γραμμικών καί κυκλικών επιταχύνσεων του καραβιού.

• Βυθίσματα του πλοίου (drafts).

• Εξωτερικές ατμοσφαιρικές παράμετροί (πίεση, θερμοκρασία, υγρασία).

Τα δεδομένα πλεύσης συλλέγονται συνήθως απάτην γέφυρα, το δωμάτιο ελέγχου του φορτίου, το δωμάτιο ελέγχου του μηχανοστασίου καί το μηχανοστάσιο.

Δεδομένα λειτουργίας κύριας μηχανής. Για την παρακολούθηση του ενεργειακού αποτυπώματος της κύριας μηχανής, απαιτείται η συλλογή των εξής παραμέτρων:

• Τύπος καταναλισκόμενου πετρελαίου.

• Κατανάλωση πετρελαίου, η οποία συλλέγεται από ροόμετρα καυσίμου.

• Θερμοκρασία πετρελαίου στο ροόμετρο.

· Πυκνότητα πετρελαίου.

• Ατμοσφαιρικές παράμετροί μηχανοστασίου.

• Παραγόμενη ισχύς.

Τα δεδομένα λειτουργίας της κύριας μηχανής συλλέγονται συνήθως από το δωμάτιο ελέγχου του μηχανοστασίου καί από το μηχανοστάσιο.

Δεδομένα λειτουργίας ηλεκτρογεννητριών. Για την παρακολούθηση του ενεργειακού αποτυπώματος των μονάδων παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, των ηλεκτρογεννητριών δηλαδή, απαιτείται των εξής παραμέτρων:

• Τύπος καταναλισκόμενου πετρελαίου.

• Κατανάλωση πετρελαίου, η οποία συλλέγεται από ροόμετρα καυσίμου.

• Θερμοκρασία πετρελαίου στο ροόμετρο.

• Πυκνότητα πετρελαίου.

• Ατμοσφαιρικές παράμετροι μηχανοστασίου.

• Παραγόμενη ισχύς.

Τα δεδομένα λειτουργίας των ηλεκτρογεννητριών συλλέγονται συνήθως από το δωμάτιο ελέγχου του μηχανοστασίου και από το μηχανοστάσιο.

Δεδομένα διαχείρισης φορτίου. Οι παράμετροι που πρέπει να συλλεχθούν για την παρακολούθηση της διαχείρισης του φορτίου, εξαρτώνται από τον τύπο του φορτίου, οπότε υπάρχουν διαφορετικές ανάγκες για καράβια μεταφοράς υγρού φορτίου (tankers), για καράβια μεταφοράς εμπορευματοκιβωτίων (container vessels) και για καράβια μεταφοράς ξηρού φορτίου (bulk carriers). Για τις προηγούμενες κατηγορίες η συλλογή των υπολοίπων στοιχείων είναι στις βασικές της παραμέτρους η ίδια.

1. Πλοία μεταφοράς υγρού φορτίου (tankers). Στα πλοία μεταφοράς υγρού φορτίου, οι παράμετροι που χρειάζεται να συλλέγονται αφορούν τη λειτουργία του συστήματος παραγωγής ατμού, δηλαδή των boilers και του συστήματος των αντλιών του φορτίου:

• Τύπος καταναλισκόμενου πετρελαίου.

· Κατανάλωση πετρελαίου, η οποία συλλέγεται από ροόμετρα καυσίμου.

• Θερμοκρασία πετρελαίου στο ροόμετρο.

• Πυκνότητα πετρελαίου.

• Ατμοσφαιρικές παράμετροι μηχανοστασίου.

• Πιέσεις και στροφές των αντλιών.

Τα δεδομένα διαχείρισης φορτίου συλλέγονται συνήθως από το δωμάτιο ελέγχου του φορτίου, το δωμάτιο ελέγχου του μηχανοστασίου και το μηχανοστάσιο.

2. Πλοία μεταφοράς εμπορευματοκιβωτίων (container vessels). Στα πλοία μεταφοράς εμπορευματοκιβωτίων, είναι αναγκαία η παρακολούθηση της κατανάλωσης ενέργειας των φυγείων-εμπορευματοκιβωτίων (reefer containers). Τα δεδομένα συλλέγονται από αναλυτές ρεύματος που είναι εγκατεστημένοι επάνω στις κεντρικές γραμμές μεταφοράς ρεύματος προς τα ψυγεία. Τα δεδομένα διαχείρισης φορτίου συλλέγονται συνήθως από το δωμάτιο ελέγχου του μηχανοστασίου ή/και το μηχανοστάσιο.

3. Πλοία μεταφοράς ξηρού φορτίου (bulk carriers). Στα πλοία μεταφοράς ξηρού φορτίου, πρέπει να παρακολουθείται η ενεργειακή κατανάλωση του συστήματος των γερανών (cranes), εφόσον υπάρχουν γερανοί στο καράβι. Τα δεδομένα συλλέγονται από αναλυτές ρεύματος που είναι εγκατεστημένοι επάνω στις κεντρικές γραμμές μεταφοράς ρεύματος προς τους γερανούς. Τα δεδομένα διαχείρισης φορτίου συλλέγονται συνήθως από το δωμάτιο ελέγχου του μηχανοστασίου και το μηχανοστάσιο.

Δεδομένα άλλων συστημάτων. Στοιχεία από άλλα συστήματα που καταναλώνουν ή παράγουν ενέργεια, όπως είναι:

• Οι αντλίες υδάτινου έρματος (Water Ballast Pumps). Δεδομένα συλλέγονται από αναλυτές ρεύματος που είναι εγκατεστημένοι στις γραμμές μεταφοράς ηλεκτρικού ρεύματος προς αυτές.

• Bow Thrusters. Συλλογή παραμέτρων όπως είναι το ποσοστό ταχύτητας, οι στροφές ανά λεπτό, κ.α.

• Diesel Power Packs & Electric Power Packs, τα οποία είναι συστήματα παραγωγής ενέργειας. Στα συστήματα αυτά συλλέγονται παράμετροι που αφορούν την παραγόμενη ισχύ και την λειτουργία τους.

Για το σενάριο αυτό θα παρουσιάσουμε, εικόνα 15, μια γενική τοπολογία του συστήματος καταγραφής του ενεργειακού αποτυπώματος με συλλογή από συστήματα που περιλαμβάνονται και στα τρία είδη πλοίων, αφού βασικός σκοπός είναι να παρουσιαστεί η αρχιτεκτονική του και να γίνει κατανοητή η λειτουργία του. Οπότε, ο ακριβής αριθμός των συλλεκτών και η ακριβής τοπολογία τους εξαρτάται από το είδος του πλοίου, το είδος και τον αριθμό των συστημάτων και την τεχνολογία τους, στοιχεία που προσδιορίζονται ύστερα από ενδελεχή μελέτη των συστημάτων και ηλεκτρομηχανολογικών σχεδίων του εκάστοτε πλοίου.

Τα γενικά σημεία που χρειάζεται να αναφέρουμε για την κατανόηση του σχήματος της εικόνας 15 είναι τα εξής:

Εγκαθίστανται δύο εξυπηρετητές (DFS), ένας κύριος (16) καί ένας εφεδρικός (15), οι οποίοι τοποθετούνται σε κάποιο μέρος που υπάρχει πρόσβαση στο LAN του πλοίου και συνδέονται μέσω Ethernet σε αυτό. Για το σενάριο αυτό ας θεωρήσουμε ότι εγκαθίστανται στην γέφυρα του πλοίου (Bridge), στο δωμάτιο που συνήθως βρίσκονται και οι κεντρικοί υπολογιστές του καραβιού (Electric Equipment Room).

Σε μια USB θύρα του κύριου εξυπηρετητή (16) συνδέεται ένας συλλέκτηςδρομολογητής WIC-R (17). Αυτός δημιουργεί, συντονίζει και διαχειρίζεται το ασύρματο δίκτυο που εκτείνεται στον χώρο της γέφυρας.

Στο ασύρματο δίκτυο αυτό θα συνδεθούν, ώστε να στείλουν τα δεδομένα που θα συλλέξουν, όσοι συλλέκτες WIC-C θα εγκατασταθούν μέσα και κοντά στη γέφυρα για να συλλέξουν τα απαραίτητα σήματα (18, 19, 20). Οι συλλέκτες αυτοί συλλέγουν τα περισσότερα από τα δεδομένα πλεύσης, που αναφέρθηκαν παραπάνω:

<■>WIC-C-18: Εξωτερικές ατμοσφαιρικές παράμετροι (πίεση, θερμοκρασία, υγρασία).

<■>WIC-C-19: Inertial Measuring Unit.

<■>WIC-C-20: GPS, Speedlog, Gyrocompass, Echosounder, Anemometer, Rudder Angle.

Ο συλλέκτης-δρομολογητής WIC-R (17) θα προωθήσει μέσω της θύρας USB στον κύριο εξυπηρετητή όσα σήματα συλλέξει από τους συλλέκτες που είναι συνδεδεμένοι (18, 19, 20) στο ασύρματο δίκτυο που έχει αυτός δημιουργήσει.

Από το δίκτυο LAN οι εξυπηρετητές (15, 16) συλλέγουν τα δεδομένα που τους στέλνονται από όλους τους συλλέκτες που βρίσκονται στα υπόλοιπα μέρη του πλοίου εκτός της γέφυρας.

Στο δωμάτιο ελέγχου του φορτίου (Cargo Control Room-CCR), εγκαθίσταται ακόμη ένας συλλέκτης WIC-C (21) ο οποίος δημιουργεί, συντονίζει και διαχειρίζεται το ασύρματο δίκτυο που εκτείνεται στον χώρο του CCR. Επίσης ο συλλέκτης αυτός (21), συνδέεται στο LAN δίκτυο του πλοίου και προωθεί σε αυτό τα δεδομένα που συλλέγει ο ίδιος, στο σενάριο αυτό είναι τα βυθίσματα του πλοίου, αλλά καί τα δεδομένα που του στέλνουν όσοι άλλοι συλλέκτες έχουν εγκατασταθεί στο χώρο του CCR και συλλέγουν δεδομένα (22):

<■>WIC-C-21: Βυθίσματα πλοίου

<■>WIC-C-22: Πιέσεις λειτουργίας και στροφές αντλιών φορτίου (Cargo pumps), για την περίπτωση που το πλοίο είναι τύπου tanker.

• Τελικοί αποδέκτες των δεδομένων που προωθούνται στο LAN από τον WIC-C (21) είναι όπως είπαμε οι δύο εξυπηρετητές (15, 16).

Στο δωμάτιο ελέγχου της μηχανής (Engine Control Room - ECR), εγκαθίσταται ακόμη ένας συλλέκτης WIC-C (23) ο οποίος δημιουργεί, συντονίζει και διαχειρίζεται το ασύρματο δίκτυο που εκτείνεται στον χώρο του ECR και στους χώρους του μηχανοστασίου (Engine Room - ER), οπότε ο συλλέκτης αυτός συνδέεται στο LAN δίκτυο του πλοίου και προωθεί σε αυτό τα δεδομένα που συλλέγει ο ίδιος, αλλά και τα δεδομένα που του στέλνουν οι υπόλοιποι συλλέκτες που έχουνε εγκατασταθεί μέσα στο ECR (28) και στο ER (25, 26, 27):

<■>WIC-C-23: Τύπο καταναλισκό μενού πετρελαίου, Δεδομένα λειτουργίας από το κεντρικό σύστημα ελέγχου (AMS), Δεδομένα από το Torquemeter.

<■>WIC-C-28: Παραγόμενη ισχύ ηλεκτρογεννητριών, Κατανάλωση ψυγείων-εμπορευματοκιβωτίων για την περίπτωση πλοίου τύπου container, Κατανάλωση γερανών για την περίπτωση πλοίου τύπου bulk carrier.

<■>WIC-C-25: Καταναλώσεις κύριας μηχανής, ηλεκτρογεννητριών.

<■>WIC-C-26: Κατανάλωση AUX Boiler.

<■>WIC-C-27: Ατμοσφαιρικές παράμετροι μηχανοστασίου (πίεση, θερμοκρασία, υγρασία).

Με τα δεδομένα που συλλέγουν οι συλλέκτες αυτοί (23, 25, 26, 27, 28) μέσα στο ECR και στο ER, σε συνδυασμό με τα δεδομένα από τους υπόλοιπους, συλλέγονται αρκετά δεδομένα για την αποτελεσματική παρακολούθηση του ενεργειακού αποτυπώματος της λειτουργίας του πλοίου.

Όπου χρειάζεται ενίσχυση ή επέκταση του ασύρματου δικτύου, τοποθετείται κάποιος συλλέκτης-δρομολογητής (24). Αυτό χρειάζεται συνήθως σε χώρους του μηχανοστασίου που βρίσκονται μακριά από τον διαχειριστή του δικτύου (23) και χρειάζεται να τοποθετηθεί κάποιος συλλέκτης για συλλογή κάποιων σημάτων.

Παράδειγμα Εφαρμογής του Συστήματος

Για την καλύτερη κατανόηση του συστήματος, θα παρουσιάσουμε στο σημείο αυτό μια εφαρμογή του συστήματος σε πλοίο μεταφοράς ξηρού φορτίου (bulk carrier). Το πλοίο είναι κατασκευής 2016, μήκους 300 μέτρων με ικανότητα μεταφοράς φορτίου άνω των 200.000 τόνων. Διαθέτει μία κύρια μηχανή, τρεις ηλεκτρογεννήτριες και ένα auxiliary boiler. Δεν διαθέτει γερανούς, οπότε δεν εγκαταστάθηκε εξοπλισμός για την παρακολούθηση της λειτουργίας των. Τα ηλεκτρικά διαγράμματα που παρουσιάζουν τον τρόπο που συλλέχθηκαν τα δεδομένα φαίνονται στις εικόνες 16 και 17.

Για την παρακολούθηση του ενεργειακού αποτυπώματος του πλοίου είναι αναγκαίο να συλλεχθούν τα παρακάτω:

Δεδομένα Πλεύσης: Σήματα από τα GPS, Speedlog, Gyrocompass, Anemometer, Rudder Angle, Drafts (Βυθίσματα).

Δεδομένα λειτουργίας κύριας μηχανής: Τύπος καταναλισκό μενού πετρελαίου, Κατανάλωση πετρελαίου, Ατμοσφαιρικές παράμετροι μηχανοστασίου, Παραγόμενη ισχύς, Αλλες παράμετροι λειτουργίας (Θερμοκρασίες, πιέσεις).

Δεδομένα λειτουργίας ηλεκτρογεννητριών. Τύπος καταναλισκόμενου πετρελαίου, Κατανάλωση πετρελαίου, Παραγόμενη ισχύς, Αλλες παράμετροι λειτουργίας (θερμοκρασίες, πιέσεις).

Για την συλλογή των παραπάνω δεδομένων, εγκαταστάθηκαν μια σειρά από συλλέκτες, δρομολογητές, και εξυπηρετητές όπου αυτό ήταν αναγκαίο. Συγκεκριμένα:

• Στην γέφυρα, συγκεκριμένα στο Chart Table, εγκαταστάθηκε ο κεντρικός εξυπηρετητής του συστήματος (DFS), εικόνα 16-συσκευή 1. Ο DFS συνδέθηκε με το LAN του πλοίου μέσω μιας Ethernet θύρας του σε ένα LAN Switch που ήταν εκεί διαθέσιμο.

• Σε μια USB θύρα του DFS συνδέθηκε ένα WIC-R, εικόνα 16-συσκευή 2, το οποίο δημιούργησε ένα ασύρματο δίκτυο στον χώρο της γέφυρας, οπότε συλλέγει τα δεδομένα από οποιαδήποτε συσκευή συνδεθεί σε αυτό το δίκτυο και μέσω της USB θύρας τα προωθεί στον DFS.

· Στην κονσόλα της γέφυρας (Bridge Control Console-BCC) εγκαταστάθηκε ένας συλλέκτης που συλλέγει δεδομένα από τα GPS, Speedlog, Anemometer, Gyrocompass, εικόνα 16-συσκευή 3. Η σύνδεση έγινε στις αντίστοιχες θύρες εισόδου της μονάδας ECDIS, όπου τα GPS, Speedlog, Anemometer, Gyrocompass ήδη στέλνουν τα δεδομένα τους μέσω σειριακού πρωτοκόλλου RS422/NMEA0183. Στο σημείο αυτό να παρατηρήσουμε ότι το RS422 πρωτόκολλο είναι συμβατό με το RS485HD που δέχεται το WIC-C, οπότε δεν χρειάζεται κανενός είδους μετατροπέας, αλλά συνδέεται απευθείας.

• Στο δωμάτιο ελέγχου της κύριας μηχανής (Engine Control Room-ECR) εγκαταστάθηκε ένας συλλέκτης που δημιουργεί το ασύρματο δίκτυο στον χώρο αυτόν και στον χώρο του μηχανοστασίου (Engine Room-ER), εικόνα 16-συσκευή 4. Η συσκευή αυτή συνδέθηκε στο LAN του πλοίου μέσω ενός LAN Switch. Όλες οι συσκευές μέσα στο ECR και στο ER συνδέονται στον συλλέκτη αυτόν, αποστέλλουν σε αυτόν τα δεδομένα τους και αυτός μέσω της σύνδεσης του στο LAN switch τα προωθεί με τη σειρά του στον DFS.

• Στο δωμάτιο ελέγχου της κύριας μηχανής, μέσα στην κονσόλα ελέγχου της μηχανής (Engine Control Console-ECC), εγκαταστάθηκε ένα συλλέκτης που συλλέγει δεδομένα από το κεντρικό σύστημα ελέγχου του πλοίου (Alarm Monitoring System-AMS), εικόνα 16-συσκευή 5. Ο συλλέκτης αυτός συλλέγει παραμέτρους που αφορούν την λειτουργία της κύριας μηχανής, των ηλεκτρογεννητριών, του aux boiler, τα βυθίσματα του πλοίου, κ.α. και τα προωθεί στον συντονιστή του ασύρματου δικτύου. Το πρωτόκολλο που επικοινωνεί με το AMS είναι RS485HD/Modbus, οπότε ο συλλέκτης συνδέεται απευθείας μέσω μιας σειριακής του πόρτας στο AMS.

• Στο μηχανοστάσιο (Engine Room-ER) εγκαθίσταται ένας συλλέκτης που παρακολουθεί την κατανάλωση πετρελαίου του aux boiler και τις περιβαλλοντικές παραμέτρους του μηχανοστασίου, εικόνα 17-συσκευή 6. Συγκεκριμένα, για την κατανάλωση του πετρελαίου συνδέεται μία ψηφιακή θύρα του συλλέκτη στο ροόμετρο που παρακολουθεί την κατανάλωση του καυσίμου του boiler καί μέσω αυτής ο συλλέκτης συλλέγει τους παλμούς που στέλνει αυτό καί οι οποίοι αντιστοιχούν στην ροή του πετρελαίου. Για την παρακολούθηση της θερμοκρασίας του πετρελαίου που περνάει από το ροόμετρο, εγκαταστάθηκε ένας αισθητήρας θερμοκρασίας τύπου RTD/PT100 στο ροόμετρο. Για την συλλογή του σήματος του αισθητήρα από τον συλλέκτη είναι αναγκαίο να μεσολαβήσει ένας μετατροπέας του αναλογικού σήματος σε σειριακό και ο οποίος φαίνεται στο σχήμα. Ο μετατροπέας αυτός έχει στην είσοδο του τον αισθητήρα, ενώ η έξοδος του είναι συνδεδεμένη σε μια σειριακή θύρα του συλλέκτη. Το πρωτόκολλο επικοινωνίας είναι RS485HD/Modbus. Ο συλλέκτης συλλέγει επιπλέον τις περιβαλλοντικές παραμέτρους του μηχανοστασίου. Αυτό επιτυγχάνεται με την εγκατάσταση ενός μεταδότη υγρασίας/θερμοκρασίας/πίεσης μέσα στο μηχανοστάσιο ο οποίος συνδέεται σε μια σειριακή θύρα του συλλέκτη και μέσω RS485HD/Modbus πρωτοκόλλου επικοινωνίας στέλνει τις απαραίτητες παραμέτρους στον συλλέκτη. · Σε ένα ξεχωριστό δωμάτιο του μηχανοστασίου, συγκεκριμένα στο Purifier Room, εγκαθίσταται ακόμα ένας συλλέκτης για την συλλογή της κατανάλωσης πετρελαίου από την κύρια μηχανή (Main Engine-ME) και τις ηλεκτρογεννήτριες (Generator Engines-GE), εικόνα 17-συσκεύη 7. Η συλλογή των παλμών από τα δύο ροόμετρα γίνεται παράλληλα με τα αντίστοιχα συστήματα ελέγχου της ροής του καραβιού, συνδέοντας δύο ψηφιακές θύρες του συλλέκτη. Η συλλογή των θερμοκρασιών του πετρελαίου στα ροόμετρα γίνεται με την εγκατάσταση δύο αισθητήρων στα δύο ροόμετρα αντίστοιχα, ενώ η συλλογή του αναλογικού τους σήματος γίνεται από έναν μετατροπέα αναλογικού σήματος σε σειριακό ο οποίος και αποστέλλει τα δεδομένα που συλλέγει σε μια σειριακή θύρα του συλλέκτη.

· Ύστερα από μετρήσεις της ποιότητας του ασύρματου δικτύου που έγιναν στο μηχανοστάσιο, κρίθηκε επίσης αναγκαία η τοποθέτηση ενός δρομολογητή (WIC-R) για την ενίσχυση της ποιότητας του, ώστε να διασφαλίζεται η απρόσκοπτη επικοινωνία μεταξύ των δύο συλλεκτών που είναι εγκατεστημένοι στο μηχανοστάσιο και του συντονιστή του δικτύου που είναι εγκατεστημένος στο δωμάτιο ελέγχου της μηχανής, εικόνα 17-συσκευή 8.

Παρακάτω παρουσιάζουμε τις παραμέτρους που συλλέγουμε με την βοήθεια του δικτύου συλλεκτών. Στην δεύτερη στήλη (ID) φαίνεται το ID που δίνουμε σε κάθε παράμετρο και που παρουσιάσαμε παραπάνω. Στην τρίτη στήλη φαίνεται η πλήρης ονομασία της παραμέτρου, στην οποία διακρίνονται τα εξής:

· Σε ποιο μηχάνημα/asset αναφέρεται η παράμετρος που συλλέγεται

• Το φυσικό μέγεθος που μετράμε (πχ θερμοκρασία).

• Την ποσότητα/ουσία/στοιχείο που το μέγεθος αναφέρεται, στην περίπτωση μας πετρέλαιο.

Στην τέταρτη στήλη φαίνεται η πηγή από την οποία συλλέγεται το σήμα, στην πέμπτη ο ρυθμός δειγματοληψίας και στην έκτη οι μονάδες μέτρησης. Για παράδειγμα στην πρώτη σειρά η παράμετρος που παρακολουθείται είναι η ροή πετρελαίου στο ροόμετρο εισόδου από το οποίο περνάει το πετρέλαιο που καταναλώνεται από το Aux Boiler, το σήμα συλλέγεται από το ροόμετρο, η τιμή στέλνεται ανά 15 sec και η μονάδα μέτρησης είναι τα λίτρα/ώρα. Δεν παρουσιάζεται στο σημείο αυτό η μέθοδος υπολογισμού-διαχείρισης της μέτρησης αφού δεν είναι στους σκοπούς παρουσίασης του παραδείγματος.

Claims (6)

ΑΞΙΩΣΕΙΣ

1. Σύστημα καί μέθοδος καταγραφής καί ανάλυσης (Εικόνα 1) του ενεργειακού αποτυπώματος του πλοίου σε πραγματικό χρόνο με χρήση ασύρματου δικτύου ευφυών συλλεκτών δεδομένων, χαρακτηριζόμενη εκ του ότι πραγματοποιεί ακριβή συνυπολογισμό και διόρθωση του σφάλματος των πρωτογενών μετρήσεων σε πραγματικό χρόνο και συγχρονισμό αυτών, εκτελώντας τα ακόλουθα βήματα:

1) συλλογή των μετρήσεων από τους αισθητήρες και τα όργανα του πλοίου (Εικόνα 15) και εισαγωγή τους στο σύστημα

2) τοπική αποθήκευση, επεξεργασία και στατιστική ανάλυσης των μετρήσεων στους ασύρματους ευφυείς συλλέκτες (WIC-C) (Εικόνες 2,3,4)

3) μετάδοση των μετρήσεων από τους ασύρματους ευφυείς συλλέκτες (WIC-R) (Εικόνες 8,9) σε υπηρεσίες υπολογιστικού νέφους μέσω δορυφορικής σύνδεσης, 4) διόρθωση του σφάλματος των μετρήσεων κατά τον συγχρονισμό μέσω της εκτίμησης του ρυθμού δειγματοληψίας των αρχικών μετρήσεων, της αφαίρεσης των αποκλίσεων, του συγχρονισμού των μετρήσεων, του υπολογισμού του σφάλματος των συγχρονισμένων μετρήσεων, αλλά και καταγραφή και διόρθωση του ενδογενούς σφάλματος.

2. Μέθοδος καταγραφής και ανάλυσης (Εικόνα 18) του ενεργειακού αποτυπώματος του πλοίου σε πραγματικό χρόνο με χρήση ασύρματου δικτύου ευφυών συλλεκτών δεδομένων σύμφωνα με την αξίωση 1, χαρακτηριζόμενη εκ του ότι κατά τη διόρθωση του σφάλματος των μετρήσεων κατά τον συγχρονισμό πραγματοποιείται αρχικά εκτίμηση του ρυθμού δειγματοληψίας των αρχικών μετρήσεων συλλέγοντας από την βάση δεδομένων του κεντρικού εξυπηρετητή (server) (Εικόνα 11) τις 40 τελευταίες τιμές πριν την χρονική στιγμή tN-5+1/2και ο μέσος ρυθμός δειγματοληψίας υπολογίζεται από τις χρονικές διαφορές δύο συνεχόμενων μετρήσεων με το νέο ρυθμό δειγματοληψίας να ονομάζεται SRest· 3. Μέθοδος καταγραφής και ανάλυσης (Εικόνα 18) του ενεργειακού αποτυπώματος του πλοίου σε πραγματικό χρόνο με χρήση ασύρματου δικτύου ευφυών συλλεκτών δεδομένων σύμφωνα με την αξίωση 1 και την αξίωση 2, χαρακτηριζόμενη εκ του ότι κατά τη διόρθωση του σφάλματος των μετρήσεων κατά τον συγχρονισμό και μετά την εκτίμηση του ρυθμού δειγματοληψίας, πραγματοποιείται η αφαίρεση των αποκλίσεων μέσω της αποθορυβοποίησης των πρωτογενών μετρήσεων από τις σημαντικές αποκλίσεις σύμφωνα με το πρότυπο ISO 19030-2:2016 και ανακαλούνται από τη βάση δεδομένων οι μετρήσεις μέσα στην χρονική περίοδο από t2+1/2-10x SRestμέχρι tN.5+1/2+10x SRestενώ στην συνέχεια η περίοδος διαιρείται σε τμήματα των 10 λεπτών και σε κάθε ένα από αυτά εφαρμόζεται το κριτήριο Chauvenet, όπου η συγχώνευση των τιμών αυτών των τμημάτων παράγει ένα νέο διάνυσμα t2+1/2-10x SRestμέχρι tN.5+1/2+10x SRestπου περιέχει τις τιμές χωρίς τις αποκλίσεις.

4. Μέθοδος καταγραφής και ανάλυσης (Εικόνα 18) του ενεργειακού αποτυπώματος του πλοίου σε πραγματικό χρόνο με χρήση ασύρματου δικτύου ευφυών συλλεκτών δεδομένων σύμφωνα με τις προηγούμενες αξιώσεις, χαρακτηριζόμενη εκ του ότι κατά τη διόρθωση του σφάλματος των μετρήσεων κατά τον συγχρονισμό, έπειτα από την εκτίμηση του ρυθμού δειγματοληψίας και την αφαίρεση των αποκλίσεων, πραγματοποιείται ο συγχρονισμός των μετρήσεων όπου υπολογίζονται οι τιμές των μετρήσεων στις επιθυμητές χρονικές στιγμές [t2+1/2,t3+1/2,t4+1/2,...,tN-5+1/2] χρησιμοποιώντας ως μέτρηση εισόδου την μέτρηση εξόδου του προηγούμενου βήματος μετά την αφαίρεση των αποκλίσεων, υπολογίζοντας αυτόν τον συγχρονισμό με χρήση του ISO 19030-2:2016 μέσω ενός φίλτρου μέσων τιμών στις αρχικές μετρήσεις στην περίπτωση που η συγχρονισμένη μέτρηση έχει μεγαλύτερο ρυθμό δειγματοληψίας από την αρχική μέτρηση, και μέσω απευθείας αντικατάστασης της πλησιέστερης αρχικής μέτρησης στην περίπτωση που η συγχρονισμένη μέτρηση έχει μικρότερο ρυθμό δειγματοληψίας από την αρχική μέτρηση, αλλά και με χρήση της προεπιλεγμένης μεθόδου παρεμβολής για τον συγχρονισμό, όπου έχει υλοποιηθεί πολυωνυμική παρεμβολή χρησιμοποιώντας τον αλγόριθμο Neville, σύμφωνα με τον οποίον σε κάθε επιθυμητό χρονικό σημείο, ο αλγόριθμος παρεμβολής εκτελείται για 2, 3, 4, 5 και 6 σημεία καλύπτοντας ένα εύρος πολυωνύμων πρώτης μέχρι πέμπτης τάξης, αποθηκεύοντας ανά περίπτωση το αποτέλεσμα και το σφάλμα, εν συνεχεία φιλτράροντας τις οποιεσδήποτε διάσπαρτες υψίσυχνες διακυμάνσεις από το σύνολο των υπολογισμένων μετρήσεων σε ένα χρονικό σημείο, παράγοντας έτσι σαν αποτέλεσμα τη συγχρονισμένη μέση τιμή της μέτρησης και του σφάλματος. (Εικόνα 14).

5. Μέθοδος καταγραφής και ανάλυσης (Εικόνα 18) του ενεργειακού αποτυπώματος του πλοίου σε πραγματικό χρόνο με χρήση ασύρματου δικτύου ευφυών συλλεκτών δεδομένων σύμφωνα με τις προηγούμενες αξιώσεις, χαρακτηριζόμενη εκ του ότι κατά τη διόρθωση του σφάλματος των μετρήσεων κατά τον συγχρονισμό έπειτα από την εκτίμηση του ρυθμού δειγματοληψίας, την αφαίρεση των αποκλίσεων και τον συγχρονισμό των μετρήσεων, πραγματοποιείται ο υπολογισμός του σφάλματος των συγχρονισμένων μετρήσεων, όπου τα σφάλματα των μετρήσεων χρησιμοποιούνται για να δημιουργήσουν 2 επιπλέον σύνολα δεδομένων με τις ίδιες χρονικές σημάνσεις με το διάνυσμα εξόδου μετά την αφαίρεση των αποκλίσεων, όπου το πρώτο σύνολο περιέχει τις τιμές των μετρήσεων συν τα σφάλματα, ενώ το δεύτερο περιέχει τις τιμές των μετρήσεων μείον τα σφάλματα, με τον υπολογισμό των τιμών των μετρήσεων από την παρεμβολή στα επιθυμητά χρονικά σημεία [t2+1/2, t3+1/2, t4+1/2,...,tN-5+1/2], χρησιμοποιώντας πρώτα το σύνολο με τις τιμές συν τα σφάλματα και κατόπιν το σύνολο με τις τιμές μείον τα σφάλματα, καταλήγοντας έτσι σε τρία ζεύγη παρεμβληθέντων τιμών και παρεμβληθέντων σφαλμάτων για κάθε χρονικό σημείο. (Εικόνα 13).

6. Μέθοδος καταγραφής και ανάλυσης (Εικόνα 18) του ενεργειακού αποτυπώματος του πλοίου σε πραγματικό χρόνο με χρήση ασύρματου δικτύου ευφυών συλλεκτών δεδομένων σύμφωνα με τις προηγούμενες αξιώσεις, χαρακτηριζόμενη εκ του ότι μετά τη διόρθωση του σφάλματος των μετρήσεων κατά τον συγχρονισμό, την εκτίμηση του ρυθμού δειγματοληψίας, την αφαίρεση των αποκλίσεων, τον συγχρονισμό των μετρήσεων και τον υπολογισμό του σφάλματος των συγχρονισμένων τιμών, εκτελούνται τα ακόλουθα βήματα:

1) πραγματοποιείται η καταγραφή και διόρθωση του ενδογενούς σφάλματος των μετρήσεων, όπου καταγράφονται τα δεδομένα αναφοράς που περιγράφουν την ιδανική λειτουργία της παραμέτρου που είναι υπό μέτρηση για την σωστή λειτουργία του πλοίου και των υποσυστημάτων

2)υπολογίζεται η απόκλιση (deviation) για τα συγχρονισμένα σύνολα μετρήσεων (ίδιες χρονικές σημάνσεις, ίδιος ρυθμός δειγματοληψίας, ίδιο μέγεθος δεδομένων) αφαιρώντας όλες τις ενδείξεις NaN (Not a Number)

3) πραγματοποιείται στατιστική ανάλυση του σφάλματος, που περιλαμβάνει τις ελάχιστες και μέγιστες τιμές, το απόλυτο ελάχιστο και απόλυτο μέγιστο, τις χρονικές στιγμές στις οποίες παρατηρήθηκε μια ακραία τιμή, τη μέση τιμή, τη διακύμανση, την τυπική απόκλιση, καθώς και το ποσοστό του χρόνου όπου κάθε μετρούμενο μέγεθος ήταν εκτός των ορίων.

7· Σύστημα καταγραφής και ανάλυσης αποτυπώματος του πλοίου σε πραγματι ευφυών συλλεκτών δεδομένων που εφ αξίωση 1 και τις προηγούμενες αξι περιλαμβάνει κεντρικό εξυπηρετητή (s ασύρματου δικτύου, μεταδότες δεδο δρομολογητές δεδομένων (WIC-R) (Εικόν ς (Εικόνα 1 και 15) του ενεργειακού κό χρόνο με χρήση ασύρματου δικτύου αρμόζει τη μέθοδο σύμφωνα με την ιώσεις, χαρακτηριζόμενο εκ του ότι erver) (Εικόνα 11), ευφυείς συλλέκτες μένων (WIC-C) (Εικόνες 2,3,4) και ες 8,9).