基于船岸一體化的江海直達船舶在航動態監控系統構建

石 磊，初秀民，柳晨光

(武漢理工大學a.智能交通系統研究中心;b.水路公路交通安全控制與裝備教育部工程研究中心，武漢430063)

基于船岸一體化的江海直達船舶在航動態監控系統構建

石 磊a，b，初秀民a，b，柳晨光a，b

(武漢理工大學a.智能交通系統研究中心;b.水路公路交通安全控制與裝備教育部工程研究中心，武漢430063)

為實現對在航船舶航行狀態的全面監控和船岸之間的信息發布,以船舶機艙信息、駕駛臺信息、駕駛人操作信息,以及通航環境信息為感知對象,結合3G通信、移動互聯網及數字濾波等技術,基于信息物理系統,構建在航船舶和船務公司一體化的監控系統。上海集海船務公司應用表明,系統可以實現機艙和駕駛臺狀態監控、油耗分析、信息發布等多種功能。

船舶運輸;船岸一體化;動態監控;數字濾波;信息物理系統

江海直達船在運輸時間和成本上的優勢使其駛入了快速發展的道路［1］。為了保障航行安全和進一步地提高江海直達船的運營效率,航運公司需要建立船岸之間的信息發布平臺和全面的監控江海直達船的航行狀態。相關的在航動態監控系統研究只是針對航行狀態信息中的某一方面［2-5］,沒有具體的實現,也沒有考慮到船岸間進行信息發布的問題。因此,從船岸一體化的角度,利用物理信息系統(Cyber-Physical Systems, CPS),感知駕駛臺和機艙信息,構建江海直達船在航動態監控系統。

1 系統總體框架

基于船岸一體化的江海直達船舶在航動態監控系統的總體框架見圖1。

系統由感知層、通信層、用戶層組成。該系統按地域分為船端和岸端兩個部分,感知層在船端,而通信層和用戶層在船端和岸端都存在。

圖1 系統框架

1)感知層。系統感知層由3個部分組成,即船舶機艙信息采集、船舶駕駛臺與通航環境信息采集。其中,船舶機艙信息采集部分是由工控機中的采集程序順序采集開關量、脈沖量、數字量、模擬量實現,船舶駕駛臺與通航環境信息采集是由基于低功耗、高性能的STM32F103ZCT芯片設計的硬件采集板實現。在航監控系統的船端部分將經過船端數據處理平臺處理的信息提供給船端的用戶。

2)通信層。系統的通信平臺包括船端的通信平臺和船公司的通信平臺,前者以移動通信網絡為基礎,后者通過互聯網/局域網進行通信。通信平臺為系統的各個功能層提供通信通道,能實現船端和岸端間的信息發布。

3)控制層。系統中的控制層主要是岸端數據管理與處理平臺,監管層是岸端(船務公司管理人員)。

2 船舶機艙信息采集

2.1 主機油耗信息采集

主機油耗成本占航運公司運營成本的較大比重,船舶油耗監控一直受到航運公司的關注。主機油耗檢測可以實現船舶油耗控制管理的自動化,減輕航運公司的工作負擔。主機油耗檢測系統主要分為船端油耗信息采集單元和岸端油耗數據分析單元兩部分。

船端油耗信息采集單元包括主機油耗流量傳感器和測量主機轉速的脈沖傳感器。船舶航行時,流入主機的燃油通過精密流量傳感器時,產生電信號并經過工控機處理后傳給數據處理平臺。

岸端油耗數據分析單元則利用采集的燃油流量和主機轉速等其他信息計算出主機的瞬時耗油量和歷史耗油量。瞬時耗油量的計算公式為

式中:Qt——瞬時耗油量;

t——微小的時間段;

∑Qf——t時段通過流量傳感器的燃油量。

2.2 相關信息采集

根據“岸端”航運企業的需求分析(見表1),需要采集的機艙信息包括:集控室的報警信息(包括主機、輔機及舵機,等),主機和輔機的運行參數,船舶電站的參數(包括電站的電壓、電流及頻率)。通過在船舶集控室中的實際檢測發現報警信息為開關量,主機轉速是脈沖信號,主輔機的其他運行參數為電壓或者電流的模擬量,船舶電站的參數也是模擬量。

表1 機艙數值信息需求

考慮到機艙振動較大且干擾較多,選擇了帶隔離功能且較穩定的采集設備(型號為C2000 MDI8、C2000 MDV8、MR-M6280-9S、RP118X)。船舶機艙信息采集的見圖2。

圖2 系統采集框架

3 船舶駕駛臺與通航環境信息采集

船舶駕駛臺信息主要是指船舶操作信息,如航速、航向、船舶車鐘令、機艙車鐘令、主機油門操作、舵操作、雷達數據及回聲測深儀數據,等。而通航環境信息主要是指航道的水文信息,如水深、風速、風向及能見度,等。

船舶駕駛臺與通航環境信息采集終端主要由控制器MCU、電源模塊、串行通信模塊、AD采樣模塊、隔離模塊、SD卡存儲模塊以及DTU模塊組成。系統結構見圖3。

MCU是采用STM32F103ZCT6芯片的模塊,其主要任務是將采集到的船舶駕駛臺和通航環境信息傳到信息處理平臺。隔離模塊主要是用來防止外部電路對MCU的干擾,該隔離模塊采用電容耦合方式,其比傳統的光耦和磁耦更有優勢,既克服了光耦功耗大、速率低、對環境要求高、靜電釋放(ESD)和抗電磁干擾(EMI)性能不好的缺點,又克服了磁耦抗電磁干擾性能差、對環境溫度要求較苛刻的缺點。AD采樣模塊,主要完成船舶航行狀態信息中車鐘信號、舵角信號等模擬信號的采集工作。串行信息采集模塊是用來完成船舶航行狀態信息中的風速風向、水深、能見度及航速航向等串行信息的采集工作。DTU模塊主要是負責將船舶航行狀態信息采集終端采集的信息實時傳輸到岸端數據處理平臺。

圖3 系統結構示意

船舶駕駛臺與通航環境信息采集系統軟件的總體流程見圖4,程序正常運行在主循環,在主循環中實現模擬信號的采集、報文生成和發送、保存數據等操作。

圖4 船舶駕駛臺與通航環境信息采集流程

如果定時器中斷產生,主循環會暫停執行,程序進入定時器中斷,在中斷內處理串口數據,中斷程序運行完后,程序會接著執行主循環。為保證系統的魯棒性,程序增加了看門狗功能,當程序崩潰時可通過重啟芯片來恢復系統功能。圖4中, 1#報文是指船舶駕駛臺與通航環境報文,2#報文是舵角報文。

4 信息數據的濾波處理

在感知信息時存在不同干擾及噪聲,需要對數據進行濾波處理,提高數據的穩定性與可靠性,降低偽數據對系統造成的影響。系統中由串行通信模塊采集的信息(航速、航向、水深、風速及風向,等)可以通過濾波電容對采集的數據進行處理,而由A/D采樣模塊采集的車鐘信號、舵角信號需要利用濾波算法。

以舵角和車鐘為例對濾波過程進行說明。

舵角信息代表船舶在某一時刻舵葉偏離中心的角度,分為左偏和右偏。一般船舶的舵角信息通過采集舵角顯示儀表盤上輸入的電流信號實現。電流信號有正負之分,電流信號范圍為-500～+500μA。其中:-500～0μA代表左舵;0～+500μA代表右舵。舵角范圍是-35°～+35°。電流與舵角為線性對應關系。車鐘信息是指船舶航行時操作主機的指令信息,分為前進擋、空擋和倒車檔。江海直達船舶有兩個主機,因此有兩個車鐘手柄來控制主機。車鐘信號是通過采集車鐘手柄控制的電位器電壓來實現的。手柄移動時會改變對應電位器的阻值,通過電位器上兩點電壓的變化實現對主機的轉速的控制。在進行車鐘和舵角采集時,現場的強電設備較多,不可避免地會產生尖脈沖干擾,這種干擾一般持續時間短,峰值大,為此采用了防脈沖干擾平均值濾波方法。

防脈沖干擾平均值濾波法的算法是:對連續n個數據進行排序,去掉其中最大和最小的2個數據,將剩余數據示平均值［6］。算法實現的主要步驟如下。

1)對存入數組中的數據利用快速排序法進行排序;

2)舍掉數組中最大和最小的元素;

3)將剩下n-2個元素的平均值作為此次采集的數據。

濾波算法處理后的結果見圖5。

圖5 防脈沖干擾平均值濾波法算法結果

5 綜合信息管理系統與應用

5.1 綜合信息管理系統

基于船岸一體化的江海直達船舶在航動態綜合信息管理系統主要由信息采集、船端數據處理平臺、通信平臺、岸端數據處理與管理平臺(包括機艙信息處理及通訊服務器和駕駛臺及通航環境信息及通訊服務器)、應用處理服務器和在航動態監控系統(包括船端和岸端兩部分)等組成,框架見圖6。

1)機艙信息處理及通訊服務器存儲著機艙設備實時的狀態參數,該服務器上運行著實時動態數據解析軟件。該軟件對通過移動網絡傳來的機艙報文實時解析并存儲到數據庫。

2)駕駛臺及通航環境信息及通信服務器存儲著船舶航行狀態數據、駕駛員操作數據以及通航環境信息數據,該服務器上運行著實時動態數據解析軟件。該軟件對通過移動網絡傳來的駕駛臺及通航環境信息報文實時解析并存儲到數據庫。

圖6 綜合信息管理系統框架

3)應用處理服務器上部署的數據處理引擎主要是為提供服務做各種復雜的、大批量的計算。

①主機油耗監測。一方面可以督促船員改進不良駕駛習慣;另一面可以代替人工數據統計和指定航次能耗報表,提高公司運營效率。

②船舶運營計劃。船公司可以根據船舶的位置和靠港情況動態地制定船舶營運安排,可以進一步增加江海直達船的優勢。

③極端天氣提醒。船公司向在航船舶發送洪峰、臺風和大霧等災害天氣的預警,便于提前做好防范預案。

④事故時刻狀態回放。根據事故發生的時間,查看船舶當時的機艙狀態信息、船舶駕駛臺信息和通航環境信息,有利于對事故原因進行分析,為今后的航行和管理提供經驗。

⑤駕駛指導。遇到突發情況和極端天氣,船上需要駕駛指導時,船公司根據船舶當前的狀態提供遠程駕駛指導。

⑥駕駛臺和機艙信息顯示。船務公司可以實時查看機艙設備的運行狀態和駕駛臺的船舶航行狀態信息。

5.2 系統應用

上海集海船務公司的“集海之杰”集裝箱輪是江海直達船舶,其航線為張家港至上海洋山港。在該船實現了基于船岸一體化的江海直達船舶在航動態監控系統的應用。船上采用的中國電信CDMA通道發送和接收信息,船公司利用web網頁實現在航動態監控等各種功能。岸端系統終端見圖7。

圖7 岸端系統終端示意

6 結束語

所構建的系統實現了對江海直達船舶的航行狀態的全面監控和船岸間的信息發布。系統提供的在航信息顯示、主機油耗監測、信息發布等功能提高了公司的管理效率;極端天氣提醒、駕駛指導等功能保障了船舶的安全航行。提高多種信息間的融合性以及數據的挖掘利用是接下來需要研究的內容。

［1］陳瑞權,鄭玄亮.江海直達型液化天然氣運輸船營運分析［J］.中國航海,2013(4):139-142.

［2］黃洪瓊,張萍,杜文勝,等.基于虛擬儀器的船舶監控系統研究［J］.中國造船,2011(4):253-258.

［3］賈傳熒,史國友,賈銀山,等.基于電子海圖的船舶動態監控系統設計與實現［J］.大連海事大學學報, 2002(3):20-22.

［4］高迪駒,沈愛弟,康 偉.內河船舶無線遠程監測嵌入式控制器研制［J］.中國造船,2010(3):206-213.

［5］段 新,褚 健,施一明.船舶綜合數字信息系統研究與探討［J］.中國造船,2010(1):183-190.

［6］王 玨,潘高峰,黃曉娟,等.船載GPS測姿系統數字濾波算法［J］.中國慣性技術學報,2009(3):284-287.

Construction of Dynamic Monitoring System in Navigation of River-to-sea Ship Based on Ship-shore Integration

SHI Leia,b,CHU Xiu-m ina,b,LIU Chen-guanga,b
(a.Intelligent Transportation System Research Center; b.Engineering Research Center for Transportation Safety,Ministry of Education, Wuhan University of Technology,Wuhan 430063,China)

In order to realizing comprehensivemonitoring of sailing ship and information release between ship and company, the dynamic monitoring system in the navigation of river-to-sea ship was constructed based on the ship-shore integration.The system is developed based on the cyber-physical systems,taking the information of engine room,bridge,the driver operating and the navigation environment as the objectof perception,combiningwith themethods of3rd-generation,web network and digital filter. The system is verified to be able to realize a lot of functions,such as engine room and the bridge conditionmonitoring,analysis of fuel consumption and information release.

shipping;ship-shore integration;dynamic monitoring;digital filter;cyber-physical system

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.03.027

U672.74

A

1671-7953(2015)03-0114-05

2014-12-08

修回日期:2015-01-03

國家自然科學基金(61273234,51479155);湖北省自然科學基金創新群體項目(2013 CFA007);交通運輸部信息化技術研究(2013-364-548-200)

石 磊(1989-),男,碩士生

研究方向:水路信息化

E-mail:331217726@qq.com