石 磊，初秀民，柳晨光

(武汉理工大学a.智能交通系统研究中心;b.水路公路交通安全控制与装备教育部工程研究中心，武汉430063)

基于船岸一体化的江海直达船舶在航动态监控系统构建

石 磊a，b，初秀民a，b，柳晨光a，b

(武汉理工大学a.智能交通系统研究中心;b.水路公路交通安全控制与装备教育部工程研究中心，武汉430063)

为实现对在航船舶航行状态的全面监控和船岸之间的信息发布,以船舶机舱信息、驾驶台信息、驾驶人操作信息,以及通航环境信息为感知对象,结合3G通信、移动互联网及数字滤波等技术,基于信息物理系统,构建在航船舶和船务公司一体化的监控系统。上海集海船务公司应用表明,系统可以实现机舱和驾驶台状态监控、油耗分析、信息发布等多种功能。

船舶运输;船岸一体化;动态监控;数字滤波;信息物理系统

江海直达船在运输时间和成本上的优势使其驶入了快速发展的道路［1］。为了保障航行安全和进一步地提高江海直达船的运营效率,航运公司需要建立船岸之间的信息发布平台和全面的监控江海直达船的航行状态。相关的在航动态监控系统研究只是针对航行状态信息中的某一方面［2-5］,没有具体的实现,也没有考虑到船岸间进行信息发布的问题。因此,从船岸一体化的角度,利用物理信息系统(Cyber-Physical Systems, CPS),感知驾驶台和机舱信息,构建江海直达船在航动态监控系统。

1 系统总体框架

基于船岸一体化的江海直达船舶在航动态监控系统的总体框架见图1。

系统由感知层、通信层、用户层组成。该系统按地域分为船端和岸端两个部分,感知层在船端,而通信层和用户层在船端和岸端都存在。

图1 系统框架

1)感知层。系统感知层由3个部分组成,即船舶机舱信息采集、船舶驾驶台与通航环境信息采集。其中,船舶机舱信息采集部分是由工控机中的采集程序顺序采集开关量、脉冲量、数字量、模拟量实现,船舶驾驶台与通航环境信息采集是由基于低功耗、高性能的STM32F103ZCT芯片设计的硬件采集板实现。在航监控系统的船端部分将经过船端数据处理平台处理的信息提供给船端的用户。

2)通信层。系统的通信平台包括船端的通信平台和船公司的通信平台,前者以移动通信网络为基础,后者通过互联网/局域网进行通信。通信平台为系统的各个功能层提供通信通道,能实现船端和岸端间的信息发布。

3)控制层。系统中的控制层主要是岸端数据管理与处理平台,监管层是岸端(船务公司管理人员)。

2 船舶机舱信息采集

2.1 主机油耗信息采集

主机油耗成本占航运公司运营成本的较大比重,船舶油耗监控一直受到航运公司的关注。主机油耗检测可以实现船舶油耗控制管理的自动化,减轻航运公司的工作负担。主机油耗检测系统主要分为船端油耗信息采集单元和岸端油耗数据分析单元两部分。

船端油耗信息采集单元包括主机油耗流量传感器和测量主机转速的脉冲传感器。船舶航行时,流入主机的燃油通过精密流量传感器时,产生电信号并经过工控机处理后传给数据处理平台。

岸端油耗数据分析单元则利用采集的燃油流量和主机转速等其他信息计算出主机的瞬时耗油量和历史耗油量。瞬时耗油量的计算公式为

式中:Qt——瞬时耗油量;

t——微小的时间段;

∑Qf——t时段通过流量传感器的燃油量。

2.2 相关信息采集

根据“岸端”航运企业的需求分析(见表1),需要采集的机舱信息包括:集控室的报警信息(包括主机、辅机及舵机,等),主机和辅机的运行参数,船舶电站的参数(包括电站的电压、电流及频率)。通过在船舶集控室中的实际检测发现报警信息为开关量,主机转速是脉冲信号,主辅机的其他运行参数为电压或者电流的模拟量,船舶电站的参数也是模拟量。

表1 机舱数值信息需求

考虑到机舱振动较大且干扰较多,选择了带隔离功能且较稳定的采集设备(型号为C2000 MDI8、C2000 MDV8、MR-M6280-9S、RP118X)。船舶机舱信息采集的见图2。

图2 系统采集框架

3 船舶驾驶台与通航环境信息采集

船舶驾驶台信息主要是指船舶操作信息,如航速、航向、船舶车钟令、机舱车钟令、主机油门操作、舵操作、雷达数据及回声测深仪数据,等。而通航环境信息主要是指航道的水文信息,如水深、风速、风向及能见度,等。

船舶驾驶台与通航环境信息采集终端主要由控制器MCU、电源模块、串行通信模块、AD采样模块、隔离模块、SD卡存储模块以及DTU模块组成。系统结构见图3。

MCU是采用STM32F103ZCT6芯片的模块,其主要任务是将采集到的船舶驾驶台和通航环境信息传到信息处理平台。隔离模块主要是用来防止外部电路对MCU的干扰,该隔离模块采用电容耦合方式,其比传统的光耦和磁耦更有优势,既克服了光耦功耗大、速率低、对环境要求高、静电释放(ESD)和抗电磁干扰(EMI)性能不好的缺点,又克服了磁耦抗电磁干扰性能差、对环境温度要求较苛刻的缺点。AD采样模块,主要完成船舶航行状态信息中车钟信号、舵角信号等模拟信号的采集工作。串行信息采集模块是用来完成船舶航行状态信息中的风速风向、水深、能见度及航速航向等串行信息的采集工作。DTU模块主要是负责将船舶航行状态信息采集终端采集的信息实时传输到岸端数据处理平台。

图3 系统结构示意

船舶驾驶台与通航环境信息采集系统软件的总体流程见图4,程序正常运行在主循环,在主循环中实现模拟信号的采集、报文生成和发送、保存数据等操作。

图4 船舶驾驶台与通航环境信息采集流程

如果定时器中断产生,主循环会暂停执行,程序进入定时器中断,在中断内处理串口数据,中断程序运行完后,程序会接着执行主循环。为保证系统的鲁棒性,程序增加了看门狗功能,当程序崩溃时可通过重启芯片来恢复系统功能。图4中, 1#报文是指船舶驾驶台与通航环境报文,2#报文是舵角报文。

4 信息数据的滤波处理

在感知信息时存在不同干扰及噪声,需要对数据进行滤波处理,提高数据的稳定性与可靠性,降低伪数据对系统造成的影响。系统中由串行通信模块采集的信息(航速、航向、水深、风速及风向,等)可以通过滤波电容对采集的数据进行处理,而由A/D采样模块采集的车钟信号、舵角信号需要利用滤波算法。

以舵角和车钟为例对滤波过程进行说明。

舵角信息代表船舶在某一时刻舵叶偏离中心的角度,分为左偏和右偏。一般船舶的舵角信息通过采集舵角显示仪表盘上输入的电流信号实现。电流信号有正负之分,电流信号范围为-500～+500μA。其中:-500～0μA代表左舵;0～+500μA代表右舵。舵角范围是-35°～+35°。电流与舵角为线性对应关系。车钟信息是指船舶航行时操作主机的指令信息,分为前进挡、空挡和倒车档。江海直达船舶有两个主机,因此有两个车钟手柄来控制主机。车钟信号是通过采集车钟手柄控制的电位器电压来实现的。手柄移动时会改变对应电位器的阻值,通过电位器上两点电压的变化实现对主机的转速的控制。在进行车钟和舵角采集时,现场的强电设备较多,不可避免地会产生尖脉冲干扰,这种干扰一般持续时间短,峰值大,为此采用了防脉冲干扰平均值滤波方法。

防脉冲干扰平均值滤波法的算法是:对连续n个数据进行排序,去掉其中最大和最小的2个数据,将剩余数据示平均值［6］。算法实现的主要步骤如下。

1)对存入数组中的数据利用快速排序法进行排序;

2)舍掉数组中最大和最小的元素;

3)将剩下n-2个元素的平均值作为此次采集的数据。

滤波算法处理后的结果见图5。

图5 防脉冲干扰平均值滤波法算法结果

5 综合信息管理系统与应用

5.1 综合信息管理系统

基于船岸一体化的江海直达船舶在航动态综合信息管理系统主要由信息采集、船端数据处理平台、通信平台、岸端数据处理与管理平台(包括机舱信息处理及通讯服务器和驾驶台及通航环境信息及通讯服务器)、应用处理服务器和在航动态监控系统(包括船端和岸端两部分)等组成,框架见图6。

1)机舱信息处理及通讯服务器存储着机舱设备实时的状态参数,该服务器上运行着实时动态数据解析软件。该软件对通过移动网络传来的机舱报文实时解析并存储到数据库。

2)驾驶台及通航环境信息及通信服务器存储着船舶航行状态数据、驾驶员操作数据以及通航环境信息数据,该服务器上运行着实时动态数据解析软件。该软件对通过移动网络传来的驾驶台及通航环境信息报文实时解析并存储到数据库。

图6 综合信息管理系统框架

3)应用处理服务器上部署的数据处理引擎主要是为提供服务做各种复杂的、大批量的计算。

①主机油耗监测。一方面可以督促船员改进不良驾驶习惯;另一面可以代替人工数据统计和指定航次能耗报表,提高公司运营效率。

②船舶运营计划。船公司可以根据船舶的位置和靠港情况动态地制定船舶营运安排,可以进一步增加江海直达船的优势。

③极端天气提醒。船公司向在航船舶发送洪峰、台风和大雾等灾害天气的预警,便于提前做好防范预案。

④事故时刻状态回放。根据事故发生的时间,查看船舶当时的机舱状态信息、船舶驾驶台信息和通航环境信息,有利于对事故原因进行分析,为今后的航行和管理提供经验。

⑤驾驶指导。遇到突发情况和极端天气,船上需要驾驶指导时,船公司根据船舶当前的状态提供远程驾驶指导。

⑥驾驶台和机舱信息显示。船务公司可以实时查看机舱设备的运行状态和驾驶台的船舶航行状态信息。

5.2 系统应用

上海集海船务公司的“集海之杰”集装箱轮是江海直达船舶,其航线为张家港至上海洋山港。在该船实现了基于船岸一体化的江海直达船舶在航动态监控系统的应用。船上采用的中国电信CDMA通道发送和接收信息,船公司利用web网页实现在航动态监控等各种功能。岸端系统终端见图7。

图7 岸端系统终端示意

6 结束语

所构建的系统实现了对江海直达船舶的航行状态的全面监控和船岸间的信息发布。系统提供的在航信息显示、主机油耗监测、信息发布等功能提高了公司的管理效率;极端天气提醒、驾驶指导等功能保障了船舶的安全航行。提高多种信息间的融合性以及数据的挖掘利用是接下来需要研究的内容。

［1］陈瑞权,郑玄亮.江海直达型液化天然气运输船营运分析［J］.中国航海,2013(4):139-142.

［2］黄洪琼,张萍,杜文胜,等.基于虚拟仪器的船舶监控系统研究［J］.中国造船,2011(4):253-258.

［3］贾传荧,史国友,贾银山,等.基于电子海图的船舶动态监控系统设计与实现［J］.大连海事大学学报, 2002(3):20-22.

［4］高迪驹,沈爱弟,康 伟.内河船舶无线远程监测嵌入式控制器研制［J］.中国造船,2010(3):206-213.

［5］段 新,褚 健,施一明.船舶综合数字信息系统研究与探讨［J］.中国造船,2010(1):183-190.

［6］王 珏,潘高峰,黄晓娟,等.船载GPS测姿系统数字滤波算法［J］.中国惯性技术学报,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

国家自然科学基金(61273234,51479155);湖北省自然科学基金创新群体项目(2013 CFA007);交通运输部信息化技术研究(2013-364-548-200)

石 磊(1989-),男,硕士生

研究方向:水路信息化

E-mail:331217726@qq.com