船舶环境舒适度的好坏，如何评价？研究人员提出新方法
针对传统船舶有线的通信方式需铺设大量的电缆，抗干扰性差、维修难度大，以及舒适度评价系统需要广泛采集全船舱室温湿度的问题，东南大学、镇江赛尔尼柯自动化有限公司的研究人员卢泉篠、王之民、陈松涛、时斌，在2020年第10期《电气技术》杂志上撰文，选用传输距离远、抗干扰性强的LoRa技术搭建船舶舱室的环境数据无线感知系统。以各舱室为数据采集节点，运用传感器采集相关环境参数，根据舱室类型设置若干独立网关，采用LoRa技术将节点数据无线发送至相应网关，进而利用WiFi将各网关收集的数据发送至上层控制系统，最终在环境舒适度评价模型中进行预计平均热感觉指标的计算与评价。
目前，国内外对船舶舱室微气候环境的研究处于起步阶段，如：有学者通过对实船热环境的系统研究和船员对热环境的评价及满意度调查，针对不同情况提出预计平均热感觉指标（predicted mean vote, PMV）的修正方程；有学者计算不同环境条件下的PMV-预测不满意百分比（predicted percentage of dissatisfied, PPD）值及系统热负荷，分析了船舶舱室温湿度对其热舒适性和能耗的影响；有学者采用振动加速度指标，针对船舶震动、噪声舒适度提出基于烦恼模型的评价方法。适宜的舱室环境可以提高船员的工作效率，也能够为乘客提供更舒适的乘坐体验。与陆地环境不同，船舶由于空间限制，舱室内往往紧密布置大量设备，通风不畅，冷热变化迅速。船舶舱室的热环境受多方面因素的影响，包括船舶内外的温湿度、压力、风速、振动、噪声等。传统船舶舱室的环境数据传输主要通过现场总线、船舶电力线载波技术等有线传输方式。由于采集结构复杂、布线困难，该方式采集数据的可靠性、抗干扰性差，工作人员主要依据历史数据评价舱室微气候环境的舒适度。此外，有线数据传输方式也存在造价高、施工难度大、维修难度大等问题。而利用无线数据传输技术，将信息传感设备实时采集到的船舶环境数据发送至服务器中进行环境舒适度评价，可以形成一个高效的网络，极大地节省人力物力成本，方便管理和控制。针对上述问题，东南大学等单位的研究人员提出基于LoRa技术的船舶环境舒适度评价系统，设置终端节点实时监测舱室环境参数，从而及时反馈舒适度信息。随着无线数据传输方式的快速发展，无线传输与船舶通信系统结合使得船舶环境数据传输系统无线化、智能化，建立实时变化的舒适度评价系统已成为必然趋势。环境舒适度评价系统将有助于构建船舶舱室良好的微气候环境，为船员、旅客提供舒适的工作与生活环境。人体在皮肤平均温度和最佳排汗率都满足舒适度要求时处于热舒适的状态。在已知环境温度的情况下，可以根据戈夫-格雷奇公式计算饱和水蒸气分压力。PMV是由人体所做的机械功、人体能量代谢率、服装热阻、环境温度、平均辐射温度、风速、水蒸气分压力这7个参数计算而来的。其中，人体所做的机械功、人体能量代谢率和服装热阻需要根据舱室的功能以及人员在舱室内的生活状态来确定；环境温度、平均辐射温度和风速可由每个舱室的终端节点采集；水蒸气分压力则要根据相对湿度和环境温度进行计算。最后得出的PMV值根据表1判断。研究人员基于船舶的每个舱室构建终端节点，如图1所示，传感器测量环境温度、相对湿度、平均辐射温度和风速，利用LoRa技术将终端节点测量到的环境数据无线传输给网关，网关打包接收到的环境数据并发送到上层控制系统，从而构建全船无线数据传输系统，顶层控制系统对接收到的环境数据进行计算分析和环境舒适度评价。为实时计算船舶各舱室的PMV值，需要终端节点测量环境温度、相对湿度、平均辐射温度和风速4个参数。环境温度较高时，人体会感到燥热和出汗；环境温度较低时，人体会感到寒冷。依据国家标准GB/T 13409—92，选择船舶起居处设计温度为24℃，可根据季节、气象条件和地区差异与变化作±3%的调整。相对湿度是水蒸气分压力与同一温度下饱和水蒸气分压力的比值，相对湿度过低时，人体表面皮肤容易干燥皲裂；相对湿度较高时，人体表面的汗液不容易挥发，会造成闷热感和不适感。因此，相对湿度设置为50%，可根据季节、气象条件和地区差异与变化作±5%的调整，此时人体舒适感较好。船舶各舱室终端节点的温湿度传感器选用DHT11温湿度一体化模块，其由1个电阻式测湿元件和1个负温度系数（negative temperature coefficient, NTC）测温元件组成，精度湿度±5%RH，温度±2℃，量程湿度20%～90%RH，温度0℃～50℃，可以满足船舶环境的温湿度测量要求。DHT11与ARM的电气连接如图2所示，由于在终端节点中两者之间的距离小于20m，数据连接线上使用上拉电阻，其作用是传感器待机时保持DATA口为高电平。DATA口处理ARM和DHT11之间的通信和同步，采用单总线、双向传输的通信方式，每次通信约需要4ms，其数据格式见表2。校验和在数据传输正确时，为前四者之和的末8位，校验正确后DHT11将数据发出。平均辐射温度是指船舶舱室内部各表面对人体有热辐射作用的平均温度，各表面的温度和人与表面间的相对位置关系影响人体和各表面的辐射热交换。实际船舶舱室内各表面温度并不相同，可以采用黑球温度计测量平均辐射温度。风速是指空气流动的速度，影响室内空气的更新速度和人体的对流换热。对于船舶长期封闭的舱室环境来说，室内空气流通可以及时带走机器运转产生的空气污染物和船员排出的二氧化碳，有利于构建更适宜的舱室环境。由于本文主要研究的是船舶舱室内部的热舒适环境，舱室内风速取0.1m/s。LoRa技术是美国Semrtech企业研发的物理层技术，其窄带扩频技术提升了抗干扰能力。作为目前主流的几种无线数据传输方式之一，LoRa技术具有功耗低、成本低、覆盖范围广、抗干扰能力强等优点，适用于传输距离较长且传输数据量较小的工作环境。LoRa模块可快速布设于船舶中，从而完善船舶的通信系统，甚至在船舶本身的通信系统故障时快速接入完成通信功能。在运营商信号较弱的码头、海上等场景，LoRa技术优势明显，可以为船舶提供优质的网络服务，且投入成本较低、布设和维修难度较低、功耗较小，可在新旧船舶中广泛应用。大多数的网络采用网状拓扑，其优点是网络规模扩张快，但其节点之间转发消息迂回滞后，系统架构复杂，功耗也较大。LoRa技术采用星状拓朴，网关星状连接终端节点，但终端节点并不绑定惟一网关，终端节点的上行数据可发送给多个网关，因此减少了信息传递的迂回通道，可以提高信息传输的效率。因此，研究人员基于LoRa技术构建无线传感网络，采集船舶舱室的环境参数。选用型号为ATK-LORA- 01的LoRa模块，其工作频率为410～441MHz，步进信道为1MHz，共32个信道，发送AT指令即可配置串口速率、发射功率、空中速率、工作模式等模块参数。该模块为TTL电平，根据MD0和AUX引脚的状态进入不同的功能，见表3。发送AT指令配置模块为：串口波特率9600bit/s，空中速率19.2kbit/s，模块地址0～65535，工作模式为一般模式，发送状态为定向传输。采用定向传输功能，修改发送模块的地址和信道即可指定数据发送到任意地址和信道，从而实现组网和中继功能。发送模块的数据格式为地址+信道+数据；接受模块的数据格式为数据。基于LoRa技术的船舶环境数据无线采集系统利用各类传感器、数据网络等设施，采集船舶辅机舱室内外的环境数据，为船舶环境舒适度评价提供数据支撑。该系统的核心架构层次包括3层，分别为舱室终端节点、网关和上位机。多个终端节点对应一个网关，多个网关对应一个上位机，构建全船的无线数据传输网络。如图4所示，舱室终端节点包括ARM Cortex™- M4F处理器、DHT11模块和LoRa发送模块。DHT11模块将测量到的温湿度数据发送到处理器中编码处理后发送给LoRa发送模块，通信方式为串口通信。LoRa发送模块将环境数据无线传输给网关的LoRa接收模块。网关包括ARM Cortex™-M4F处理器、LoRa接收模块和UART-WiFi（串口-无线）模块。LoRa接收模块在接收到环境数据后采用串口通信传输至ARM。UART-WiFi模块的型号为ATK-ESP8266，采用串口与ARM通信，内置TCP/IP协议栈，实现串口与WiFi之间的转换，与ARM的电气连接如图5所示。考虑到船舶上运营商网络信号并不稳定，选择UART-WiFi模块工作在AP模式下，模块本身作为热点实现上位机与模块的直接通信和局域网无线控制。上位机中的TLINK云平台可显示连接的所有终端节点的环境数据并绘制实时曲线图。船舶舱室类型较多，不同功能舱室的环境舒适度要求存在差异，因此对环境舒适度评价采用分类评价的方式。将舱室数据分类传输至相应网关，再由网关整合后，利用WiFi较快的传输速度将环境数据大批量发送至上位机，从而提高信息传输的效率。ATK-LORA-01的空中速率最高为19.2kbit/s，传输距离为3km，可以覆盖全船。ATK-ESP8266的无线传输速率最高可达54Mbit/s，传输距离为30m左右，应将网关设置在上位机附近。计算得一个网关可以对应2880个终端节点，实际应用中船舶终端节点的数量并不会超过这个数字，因此每个网关对应的终端节点数量应主要考虑不同舱室环境数据分类的清晰化和管理的方便性。船舶中需要进行环境舒适度评价的舱室主要分为以下几类：居住舱室、航行控制舱室、公共舱室、工作舱室、卫生舱室、后勤舱室，其中公共舱室主要包括餐厅、休闲室，工作舱室包括会议室、指挥室等，后勤舱室包括厨房、洗衣房等。全船设置4个网关，其中环境舒适度要求较高的居住舱室和航行控制舱室分别单独使用一个网关，公共舱室、工作舱室共用一个网关，卫生、后勤舱室共用一个网关。上位机采用轮巡加优先级的方式对网关数据的传输进行管理，优先传输居住舱室和航行控制舱室的环境数据，同级网关采用轮巡的方式进行传输。ISO 7730中推荐PMV的适宜范围为-0.5≤PWV≤0.5，考虑船舶环境的特殊性和提高船舶能源利用效率，本文针对不同功能的舱室，建立不同的PMV值评价标准，见表4。在船舶中央控制室工作人员接收到各舱室的实时PMV值时，可根据表4判断是否处于舒适范围，并根据判断结果进行后续的能量管理工作。船舶环境舒适度评价系统将终端节点采集到的环境温度、相对湿度和根据舱室的特定功能以及人员在舱室中活动的不同状态确定的服装热阻、人体能量代谢率等参数代入计算，从而对船舶舱室的环境舒适度进行实时评价，其理论模型如图6所示。选取夏季某时刻船舶各典型舱室的环境数据进行算例分析。经多次计算得知迭代30次后计算结果可达到稳定，其PMV值计算结果见表5。根据表5可知，该算例中的居住舱室、卫生舱室是符合环境舒适度评价要求的，其他舱室内的人员会感到明显不适，需船舶控制人员进行相关调整。研究人员基于LoRa技术搭建了船舶舱室的环境舒适度评价系统，每个船舶舱室的终端节点传感器采集该舱室的环境温度、相对湿度、平均辐射温度等环境参数，使用LoRa模块无线发送到LoRa网关，再由WiFi发送至上位机，最后在顶层控制系统中进行PMV值的计算和舱室环境舒适度评价。该系统的优点是LoRa技术可以依据自身需要搭建网络部署，具有较强的实用性、可靠性和可扩展性，在船舶环境数据的无线采集中有显著的应用优势，为船舶环境舒适度评价提供可靠的数据支撑。其次，可以实时判断舱室内微气候环境的舒适度，实现船舶各舱室的大数据融合，并且本文有针对性地给出了每个舱室的PMV值范围，便于船舶管理人员实时控制舱室辅机的风机负荷、水泵负荷和空调系统等，提高全船的能源管理效率。但是不同环境下环境舒适度存在一定的差异，船舶的舒适度也可以进一步考虑摇摆、震动、噪声、空气污染等影响因素。如何高效低成本地设立终端节点实时测量这些影响因素并综合考虑，建立新的、更符合我国船舶需要的船舶舒适度评价标准也将成为以后研究的主流方向。本文编自《电气技术》，标题为“基于LoRa技术的船舶环境舒适度评价系统”，作者为卢泉篠、王之民 等。
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