船舶環境舒適度的好壞,如何評價?研究人員提出新方法

針對傳統船舶有線的通信方式需鋪設大量的電纜，抗幹擾性差、維修難度大，以及舒適度評價系統需要廣泛採集全船艙室溫溼度的問題，東南大學、鎮江賽爾尼柯自動化有限公司的研究人員盧泉篠、王之民、陳松濤、時斌，在2020年第10期《電氣技術》雜誌上撰文，選用傳輸距離遠、抗幹擾性強的LoRa技術搭建船舶艙室的環境數據無線感知系統。

以各艙室為數據採集節點，運用傳感器採集相關環境參數，根據艙室類型設置若干獨立網關，採用LoRa技術將節點數據無線發送至相應網關，進而利用WiFi將各網關收集的數據發送至上層控制系統，最終在環境舒適度評價模型中進行預計平均熱感覺指標的計算與評價。

目前，國內外對船舶艙室微氣候環境的研究處於起步階段，如：有學者通過對實船熱環境的系統研究和船員對熱環境的評價及滿意度調查，針對不同情況提出預計平均熱感覺指標（predicted mean vote, PMV）的修正方程；有學者計算不同環境條件下的PMV-預測不滿意百分比（predicted percentage of dissatisfied, PPD）值及系統熱負荷，分析了船舶艙室溫溼度對其熱舒適性和能耗的影響；有學者採用振動加速度指標，針對船舶震動、噪聲舒適度提出基於煩惱模型的評價方法。

適宜的艙室環境可以提高船員的工作效率，也能夠為乘客提供更舒適的乘坐體驗。與陸地環境不同，船舶由於空間限制，艙室內往往緊密布置大量設備，通風不暢，冷熱變化迅速。船舶艙室的熱環境受多方面因素的影響，包括船舶內外的溫溼度、壓力、風速、振動、噪聲等。

傳統船舶艙室的環境數據傳輸主要通過現場總線、船舶電力線載波技術等有線傳輸方式。由於採集結構複雜、布線困難，該方式採集數據的可靠性、抗幹擾性差，工作人員主要依據歷史數據評價艙室微氣候環境的舒適度。此外，有線數據傳輸方式也存在造價高、施工難度大、維修難度大等問題。而利用無線數據傳輸技術，將信息傳感設備實時採集到的船舶環境數據發送至伺服器中進行環境舒適度評價，可以形成一個高效的網絡，極大地節省人力物力成本，方便管理和控制。

針對上述問題，東南大學等單位的研究人員提出基於LoRa技術的船舶環境舒適度評價系統，設置終端節點實時監測艙室環境參數，從而及時反饋舒適度信息。隨著無線數據傳輸方式的快速發展，無線傳輸與船舶通信系統結合使得船舶環境數據傳輸系統無線化、智能化，建立實時變化的舒適度評價系統已成為必然趨勢。

1 環境舒適度評價系統

環境舒適度評價系統將有助於構建船舶艙室良好的微氣候環境，為船員、旅客提供舒適的工作與生活環境。人體在皮膚平均溫度和最佳排汗率都滿足舒適度要求時處於熱舒適的狀態。在已知環境溫度的情況下，可以根據戈夫-格雷奇公式計算飽和水蒸氣分壓力。

PMV是由人體所做的機械功、人體能量代謝率、服裝熱阻、環境溫度、平均輻射溫度、風速、水蒸氣分壓力這7個參數計算而來的。其中，人體所做的機械功、人體能量代謝率和服裝熱阻需要根據艙室的功能以及人員在艙室內的生活狀態來確定；環境溫度、平均輻射溫度和風速可由每個艙室的終端節點採集；水蒸氣分壓力則要根據相對溼度和環境溫度進行計算。最後得出的PMV值根據表1判斷。

表1 PMV七點式生理感覺標尺

研究人員基於船舶的每個艙室構建終端節點，如圖1所示，傳感器測量環境溫度、相對溼度、平均輻射溫度和風速，利用LoRa技術將終端節點測量到的環境數據無線傳輸給網關，網關打包接收到的環境數據並發送到上層控制系統，從而構建全船無線數據傳輸系統，頂層控制系統對接收到的環境數據進行計算分析和環境舒適度評價。

圖1 船舶環境舒適度評價系統

2 船舶艙室節點數據採集

為實時計算船舶各艙室的PMV值，需要終端節點測量環境溫度、相對溼度、平均輻射溫度和風速4個參數。

環境溫度較高時，人體會感到燥熱和出汗；環境溫度較低時，人體會感到寒冷。依據國家標準GB/T 13409—92，選擇船舶起居處設計溫度為24℃，可根據季節、氣象條件和地區差異與變化作±3%的調整。

相對溼度是水蒸氣分壓力與同一溫度下飽和水蒸氣分壓力的比值，相對溼度過低時，人體表麵皮膚容易乾燥皸裂；相對溼度較高時，人體表面的汗液不容易揮發，會造成悶熱感和不適感。因此，相對溼度設置為50%，可根據季節、氣象條件和地區差異與變化作±5%的調整，此時人體舒適感較好。

船舶各艙室終端節點的溫溼度傳感器選用DHT11溫溼度一體化模塊，其由1個電阻式測溼元件和1個負溫度係數（negative temperature coefficient, NTC）測溫元件組成，精度溼度±5%RH，溫度±2℃，量程溼度20%～90%RH，溫度0℃～50℃，可以滿足船舶環境的溫溼度測量要求。DHT11與ARM的電氣連接如圖2所示，由於在終端節點中兩者之間的距離小於20m，數據連接線上使用上拉電阻，其作用是傳感器待機時保持DATA口為高電平。

圖2 DHT11與ARM的電氣連接

DATA口處理ARM和DHT11之間的通信和同步，採用單總線、雙向傳輸的通信方式，每次通信約需要4ms，其數據格式見表2。校驗和在數據傳輸正確時，為前四者之和的末8位，校驗正確後DHT11將數據發出。

表2 DHT11數據傳輸格式

平均輻射溫度是指船舶艙室內部各表面對人體有熱輻射作用的平均溫度，各表面的溫度和人與表面間的相對位置關係影響人體和各表面的輻射熱交換。實際船舶艙室內各表面溫度並不相同，可以採用黑球溫度計測量平均輻射溫度。

風速是指空氣流動的速度，影響室內空氣的更新速度和人體的對流換熱。對於船舶長期封閉的艙室環境來說，室內空氣流通可以及時帶走機器運轉產生的空氣汙染物和船員排出的二氧化碳，有利於構建更適宜的艙室環境。由於本文主要研究的是船舶艙室內部的熱舒適環境，艙室內風速取0.1m/s。

3 數據無線傳輸系統

3.1 LoRa技術

LoRa技術是美國Semrtech企業研發的物理層技術，其窄帶擴頻技術提升了抗幹擾能力。作為目前主流的幾種無線數據傳輸方式之一，LoRa技術具有功耗低、成本低、覆蓋範圍廣、抗幹擾能力強等優點，適用於傳輸距離較長且傳輸數據量較小的工作環境。

LoRa模塊可快速布設於船舶中，從而完善船舶的通信系統，甚至在船舶本身的通信系統故障時快速接入完成通信功能。在運營商信號較弱的碼頭、海上等場景，LoRa技術優勢明顯，可以為船舶提供優質的網絡服務，且投入成本較低、布設和維修難度較低、功耗較小，可在新舊船舶中廣泛應用。

大多數的網絡採用網狀拓撲，其優點是網絡規模擴張快，但其節點之間轉發消息迂迴滯後，系統架構複雜，功耗也較大。LoRa技術採用星狀拓樸，網關星狀連接終端節點，但終端節點並不綁定惟一網關，終端節點的上行數據可發送給多個網關，因此減少了信息傳遞的迂迴通道，可以提高信息傳輸的效率。

因此，研究人員基於LoRa技術構建無線傳感網絡，採集船舶艙室的環境參數。選用型號為ATK-LORA- 01的LoRa模塊，其工作頻率為410～441MHz，步進信道為1MHz，共32個信道，發送AT指令即可配置串口速率、發射功率、空中速率、工作模式等模塊參數。

LoRa模塊與ARM的電氣連接如圖3所示。

圖3 LoRa模塊與ARM的電氣連接

該模塊為TTL電平，根據MD0和AUX引腳的狀態進入不同的功能，見表3。

表3 ATK-LORA-01模塊功能

發送AT指令配置模塊為：串口波特率9600bit/s，空中速率19.2kbit/s，模塊地址0～65535，工作模式為一般模式，發送狀態為定向傳輸。採用定向傳輸功能，修改發送模塊的地址和信道即可指定數據發送到任意地址和信道，從而實現組網和中繼功能。

發送模塊的數據格式為地址+信道+數據；接受模塊的數據格式為數據。

3.2 核心架構

基於LoRa技術的船舶環境數據無線採集系統利用各類傳感器、數據網絡等設施，採集船舶輔機艙室內外的環境數據，為船舶環境舒適度評價提供數據支撐。

該系統的核心架構層次包括3層，分別為艙室終端節點、網關和上位機。多個終端節點對應一個網關，多個網關對應一個上位機，構建全船的無線數據傳輸網絡。

如圖4所示，艙室終端節點包括ARM Cortex- M4F處理器、DHT11模塊和LoRa發送模塊。DHT11模塊將測量到的溫溼度數據發送到處理器中編碼處理後發送給LoRa發送模塊，通信方式為串口通信。LoRa發送模塊將環境數據無線傳輸給網關的LoRa接收模塊。

圖4 無線傳輸系統核心架構層次

網關包括ARM Cortex-M4F處理器、LoRa接收模塊和UART-WiFi（串口-無線）模塊。LoRa接收模塊在接收到環境數據後採用串口通信傳輸至ARM。UART-WiFi模塊的型號為ATK-ESP8266，採用串口與ARM通信，內置TCP/IP協議棧，實現串口與WiFi之間的轉換，與ARM的電氣連接如圖5所示。

圖5 UART-WiFi模塊與ARM的電氣連接

考慮到船舶上運營商網絡信號並不穩定，選擇UART-WiFi模塊工作在AP模式下，模塊本身作為熱點實現上位機與模塊的直接通信和區域網無線控制。上位機中的TLINK雲平臺可顯示連接的所有終端節點的環境數據並繪製實時曲線圖。

3.3 網關配置

船舶艙室類型較多，不同功能艙室的環境舒適度要求存在差異，因此對環境舒適度評價採用分類評價的方式。將艙室數據分類傳輸至相應網關，再由網關整合後，利用WiFi較快的傳輸速度將環境數據大批量發送至上位機，從而提高信息傳輸的效率。

ATK-LORA-01的空中速率最高為19.2kbit/s，傳輸距離為3km，可以覆蓋全船。ATK-ESP8266的無線傳輸速率最高可達54Mbit/s，傳輸距離為30m左右，應將網關設置在上位機附近。計算得一個網關可以對應2880個終端節點，實際應用中船舶終端節點的數量並不會超過這個數字，因此每個網關對應的終端節點數量應主要考慮不同艙室環境數據分類的清晰化和管理的方便性。

船舶中需要進行環境舒適度評價的艙室主要分為以下幾類：居住艙室、航行控制艙室、公共艙室、工作艙室、衛生艙室、後勤艙室，其中公共艙室主要包括餐廳、休閒室，工作艙室包括會議室、指揮室等，後勤艙室包括廚房、洗衣房等。

全船設置4個網關，其中環境舒適度要求較高的居住艙室和航行控制艙室分別單獨使用一個網關，公共艙室、工作艙室共用一個網關，衛生、後勤艙室共用一個網關。上位機採用輪巡加優先級的方式對網關數據的傳輸進行管理，優先傳輸居住艙室和航行控制艙室的環境數據，同級網關採用輪巡的方式進行傳輸。

3.4 算例

ISO 7730中推薦PMV的適宜範圍為-0.5≤PWV≤0.5，考慮船舶環境的特殊性和提高船舶能源利用效率，本文針對不同功能的艙室，建立不同的PMV值評價標準，見表4。

表4 船舶艙室PMV值適宜範圍

在船舶中央控制室工作人員接收到各艙室的實時PMV值時，可根據表4判斷是否處於舒適範圍，並根據判斷結果進行後續的能量管理工作。

船舶環境舒適度評價系統將終端節點採集到的環境溫度、相對溼度和根據艙室的特定功能以及人員在艙室中活動的不同狀態確定的服裝熱阻、人體能量代謝率等參數代入計算，從而對船舶艙室的環境舒適度進行實時評價，其理論模型如圖6所示。

圖6 環境舒適度評價系統理論模型

選取夏季某時刻船舶各典型艙室的環境數據進行算例分析。經多次計算得知迭代30次後計算結果可達到穩定，其PMV值計算結果見表5。根據表5可知，該算例中的居住艙室、衛生艙室是符合環境舒適度評價要求的，其他艙室內的人員會感到明顯不適，需船舶控制人員進行相關調整。

表5 夏季船舶艙室PMV值計算

總結

研究人員基於LoRa技術搭建了船舶艙室的環境舒適度評價系統，每個船舶艙室的終端節點傳感器採集該艙室的環境溫度、相對溼度、平均輻射溫度等環境參數，使用LoRa模塊無線發送到LoRa網關，再由WiFi發送至上位機，最後在頂層控制系統中進行PMV值的計算和艙室環境舒適度評價。

該系統的優點是LoRa技術可以依據自身需要搭建網絡部署，具有較強的實用性、可靠性和可擴展性，在船舶環境數據的無線採集中有顯著的應用優勢，為船舶環境舒適度評價提供可靠的數據支撐。

其次，可以實時判斷艙室內微氣候環境的舒適度，實現船舶各艙室的大數據融合，並且本文有針對性地給出了每個艙室的PMV值範圍，便於船舶管理人員實時控制艙室輔機的風機負荷、水泵負荷和空調系統等，提高全船的能源管理效率。

但是不同環境下環境舒適度存在一定的差異，船舶的舒適度也可以進一步考慮搖擺、震動、噪聲、空氣汙染等影響因素。如何高效低成本地設立終端節點實時測量這些影響因素並綜合考慮，建立新的、更符合我國船舶需要的船舶舒適度評價標準也將成為以後研究的主流方向。

本文編自《電氣技術》，標題為「基於LoRa技術的船舶環境舒適度評價系統」，作者為盧泉篠、王之民 等。