RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

Studio e sperimentazione di un sistema di comunicazione ad onde convogliate in impianti elettrici navali

Università di riferimento

Università degli Studi di PISA - SISTEMI ELETTRICI E AUTOMAZIONE - ()

Responsabile dell'Unità di ricerca

Marco Raugi

Descrizione

Le moderne navi da crociera e gli yatchs sono equipaggiati con un insieme di carichi standard come sistemi di illuminazione, sistemi di sicurezza, pompe, batterie, sistemi di telecomunicazioni ecc.; in aggiunta a questi la presenza di carichi elettrici “speciali” come sistemi di intrattenimento a bordo, sistemi per la voce, telefonia, connessione ad internet ecc (congiuntamente ad un sistema complesso ed efficiente di sicurezza e controllo) fa si che il sistema elettrico sia estremamente complesso.
Considerati tutti i carichi suddetti ed il fatto che una nave è equipaggiata con un proprio sistema di alimentazione (generatori) e spesso spesso un sistema di propulsione elettrica, possiamo senza dubbio affermare che, dal punto di vista elettrico, una nave può essere considerata cone un ambiente elettrico non differente da una città con abitazioni, industrie ed un proprio sistema di generazione di potenza.
Inoltre il particolare sistema di messa a terra ed il basso numero di livelli di tensione (uno o due nella maggioranza dei casi) fanno delle navi un sistema elettrico tipologicamente a se stante.
In conclusione il sistema elettrico di una nave è un ambiente che necessita di uno studio approfondito al fine di poter valutare le sue performance nel suo funzionamento come sistema di telecomunicazioni basato sulla tecnologia PLC.
Il lavoro effettuato da questa unità di ricerca sarà dedicato ai differenti aspetti della modellazione del canale ed alle prove sul campo del prototipo finale; è possibile suddividere la ricerca in tre distinte attività, così ripartite nei gruppi di lavoro (GL) del progetto:

Attività 1 (GL1 e GL2): Misure a bordo, modellazione e caratterizzazione del canale.
Attività 2 (GL4):Studio della stima in tempo reale del canale.
Attività 3 (GL7):Messa a punto di un simulatore PLC completo e test di funzionamento a bordo.

1) All'inizio della prima attività verrà portato a termine lo studio dello stato dell'arte al fine di riassumere tutte le soluzioni attualmente trovate relative all'utilizzo della tecnologia PLC a bordo di veicoli. In particolare verranno evidenziate le attuali tecniche utilizzate nei veicoli che potranno essere usate in ambito marittimo.
In seguito verranno analizzate le caratteristiche generali di un sistema elettrico in differenti navi, partendo dalla conoscenza degli schemi elettrici forniti dalla Benetti.
La disponibilità della esatta topologia della rete di potenza e dei carichi, congiuntamente alla supervisione dei tecnici e degli ingegneri delle Benetti, consentirà l'evidenziazione di un insieme di possibili canali di trasmissione.
L'elevata esperienza di questa unità di ricerca nella modellazione delle linee di transmissione, anche in presenza di carichi non lineari e di incertezza nella conoscenza dei parametri elettrici, congiuntamente agli ultimi risultati ottenuti in campo della tecnologia PLC, forniranno come risultato un accurato modello del canale.
Inoltre i dati forniti dalla Benetti consentiranno di eseguire un insieme di simulazioni che permetteranno l'ottenimento di informazioni sensibili quali l'ampiezza e la fase della risposta all'impulso, distorsione del segnale, caratteristica delle riflessioni ecc. anche tenendo in conto le differenti configurazioni possibili della rete e le configurazioni dei diversi carichi tipici dell'ambiente marittimo.
Verrà poi eseguita una campagna di misure a bordo di una o più imbarcazioni messe a disposizione dalla Benetti, al fine di scegliere un insieme di parametri utili alla validazione del primo insieme di simulazioni.
Questo lavoro sarà fondamentale per la seconda parte di questo stadio della ricerca, ossia di fornire linee guida generali per la caratterizzazzione del canale. Infatti i risultati precedentemente ottenuti consentiranno di definire un insieme di parametri misurabili a bordo di imbarcazioni per poi essere utilizzati per ottenere un modello del canale o per verificare un modello in precedenza utilizzato.
In pratica verranno utilizzati sia un approccio top down che un approccio bottom up in modo da poter giungere ad un modello più accurato possibile.
Queste attività di ricerca verranno svolte in collaborazione con le unità di Cagliari, Roma, Bari e Catania.

2) Durante la seconda attività i ricercatori di questa unità affronteranno il problema della stima in tempo reale del canale di trasmissione.
La necessità di effettuare una stima in tempo reale del canale nasce dal fatto che, in accordo a quanto precedentemente detto, il canale PL C è tempo variante a causa della presenza di carichi non lineari e delle variazioni di carico. La conoscenza a priori e la modellazione del canale è necessaria per comprendere il suo comportamento in frequenza, per scegliere il percorso migliore e per verificare le caratteristiche in molte differenti condizioni di carico (teoricamente in tutte le possibili combinazioni). Una volta che il sistema è implementato, il canale continua a presentare le sue caratteristiche di variabilità durante il normale funzionamento, infulendo negativamente sulla qualità della trasmissione e sulla abilità del ricevitore di decodificare correttamente in simboli trasmessi.
In letteratura sono disponibili poche differenti tecniche per risolvere il problema; questa unità di ricerca si concentrerà sull'uso delle reti neurali.
Come ben noto le reti neurali sono uno strumento molto flessibile per stimare la dinamica di sistemi non conosciuti deterministicamente; vengono allenate con un insieme di segnali caratteristici del fenomeno studiato ed in genere non richiedono calcoli matematici complessi. Tutto ciò le rende utili per questo tipo di applicazione.
Il lavoro dell'unità di ricerca sarà focalizzato allo studio degli effetti di disturbi presenti in questo ambiente sulle perfomance dell'approccio neurale ed a come questo approccio possa essere ottimizzato al fine di renderlo immune ai disturbi, in modo da ottenere una migliore stima del canale. In particulare verrà sviluppato un algoritmo adattivo capace di identificare la tipologia del disturbo in un certo istante (ad esempio una variazione nel tempo, una distorsione non lineare prodotta da un amplificatore di potenza, rumore) e consequentemente adattare i pesi della rete neurale per rigettare la sorgente di disturbo. Di fatto le variazioni temporali e le non linearità hanno bisogno di differenti (spesso opposti) medoti di aggiornare i pesi della rete neurale al fine di ridurre l'errore; è quindi importante conoscere il disturbo preponderante in ogni istante.
Un ulteriore lavoro sarà quello di migliorare le prestazioni ottenibili con un approccio neurale in presenza di distorsioni tipiamente prodotte da amplificatori di potenza, utilizzando un sistema di codifica OFDM con differenti costellazioni QAM.
Lo strumento così ottenuto sarà testato inizialmente attraverso simulazioni al PC utilizzando il canale PLC precedentemente ottenuto durante la attività 1, in modo da testarlo in numerose diverse situazioni e comparare i risultati ottenuti.
L'ultima parte di questa attività sarà dedicata alla definizione di un set di casi pratici da poter essere implementati su un sistema reale nell'ultimo GL del progetto.

3) Nell'ultima attività del progetto tutti i risultati, teorici e sperimentali ottenuti in tutte le fasi precedenti da tutte le unità di ricerca coinvolte nel progetto confluiranno in un simulatore di un sistema PLC completo (dal trasmettitore al ricevitore, incluso lo stimatore del canale) in modo da poter verificare tutti i risultati ottenuti dalle unità.
A questo punto se saranno verificate delle discrepanze, queste saranno utilizzate per migliorare le prestazioni del sistema (software/hardware).
Il passo finale sarà la messa a punto di un prototipo di trasmettitore/ricevitore e testarlo sulle imbarcazioni messe a disposizione dalla Benetti.