艦船進(jìn)出港物理場(chǎng)目標(biāo)特性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1 引 言

采用可靠性高的數(shù)據(jù)采集儀器和先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)對(duì)設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，使得對(duì)機(jī)械設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)有了正確的數(shù)據(jù)表達(dá)和合理的分析處理功能，并且借助于適當(dāng)?shù)娘@示儀器來(lái)顯示設(shè)備狀態(tài)的變化。文獻(xiàn)[1]研究了一種基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和信息融合理論的遠(yuǎn)程船舶內(nèi)燃機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)。文獻(xiàn)[2]將水聲聲吶技術(shù)應(yīng)用于水閘船舶監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)過(guò)程并采用定點(diǎn)、定時(shí)抽樣及回波測(cè)距原理，通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信號(hào)處理及智能專(zhuān)家分析技術(shù)，對(duì)水閘船舶通行進(jìn)行科學(xué)管理。文獻(xiàn)[3]采用纖維光學(xué)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)船體的監(jiān)測(cè)。

為了能夠在艦船進(jìn)出港時(shí)，較準(zhǔn)確地對(duì)其進(jìn)行綜合檢測(cè)，需要對(duì)艦船的各個(gè)物理場(chǎng)目標(biāo)特性進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。為此，我們對(duì)艦船的各個(gè)物理場(chǎng)目標(biāo)特性的信息進(jìn)行采集，同時(shí)考慮噪聲、環(huán)境以及檢測(cè)設(shè)備等因素影響，需要對(duì)所采集的信息進(jìn)行校正處理，并將原始數(shù)據(jù)和處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，然后與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，并給出監(jiān)測(cè)報(bào)告。隨著艦船投入使用，它的各個(gè)物理場(chǎng)目標(biāo)特性也將有所變化，那么用于比較的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)也得隨之調(diào)整，應(yīng)考慮使用年限、性能與使用時(shí)間之間的影響。此外，為了全面了解艦船的工作狀況，將根據(jù)艦船進(jìn)出港的歷史記錄對(duì)各物理場(chǎng)的趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。因此，需要解決以下3個(gè)問(wèn)題：

1) 各物理場(chǎng)目標(biāo)特性的信息采集及校正處理；

2) 采集并經(jīng)過(guò)校正后的信息數(shù)據(jù)與基準(zhǔn)數(shù)據(jù)的比較；

3) 各物理場(chǎng)的趨勢(shì)分析。

2 信息采集和校正處理

2.1 信息采集

由于艦船航向、航跡造成與監(jiān)測(cè)設(shè)備距離的改變，以及濕度、溫度和能見(jiàn)度等環(huán)境因素都會(huì)對(duì)各個(gè)物理場(chǎng)目標(biāo)特性造成影響，需要對(duì)艦船狀態(tài)和各種環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集。鑒于磁場(chǎng)、電場(chǎng)、聲場(chǎng)、紅外場(chǎng)、電磁波場(chǎng)、核輻射場(chǎng)等物理場(chǎng)對(duì)艦船的影響較大，這里要采集的物理場(chǎng)目標(biāo)特性主要是磁場(chǎng)、電場(chǎng)、聲場(chǎng)、紅外場(chǎng)、電磁波場(chǎng)、核輻射場(chǎng)等的目標(biāo)特性信息?？紤]到采集信息的傳感器的位置、型號(hào)等信息對(duì)所測(cè)量的信息也有影響，還得記錄下各個(gè)傳感器的位置、型號(hào)等信息。

2.2 校正處理

對(duì)采集的信息數(shù)據(jù)不能立即用于比較，需要進(jìn)行校正。然而，磁場(chǎng)、電場(chǎng)、聲場(chǎng)、紅外場(chǎng)、電磁波場(chǎng)、核輻射場(chǎng)的影響因素不完全相同，例如：對(duì)紅外場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果有影響的因素很多，諸如高度、斜程、水蒸汽、二氧化碳等吸收散射，但以蒸汽影響最大。而對(duì)磁場(chǎng)來(lái)說(shuō)，影響最大的是測(cè)量時(shí)的磁探頭距艦船位置。因此，對(duì)不同的物理場(chǎng)，校正處理的方法也不一樣。這里以磁場(chǎng)為例，進(jìn)行說(shuō)明。

對(duì)磁場(chǎng)校正一般有以下兩個(gè)過(guò)程：

2) 修正。由于潮位的變化，探頭在垂直位置的測(cè)量深度會(huì)改變，同時(shí)在每一時(shí)刻，測(cè)量磁探頭離艦船的距離會(huì)改變。因此，該時(shí)刻該磁場(chǎng)探頭測(cè)得的磁場(chǎng)分量Hm應(yīng)換算到標(biāo)準(zhǔn)深度下的值：

3 物理特性比較及趨勢(shì)分析

進(jìn)行信息比較所需要用到的信息包括比較參數(shù)、比較標(biāo)準(zhǔn)和比較公式，為了方便比較，這些信息也將保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中。其中，標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)中的初始標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)主要源于一些常識(shí)信息、各個(gè)型號(hào)艦船的產(chǎn)品說(shuō)明中的各項(xiàng)指標(biāo)和專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)等。當(dāng)然，這些信息也并非一成不變的。系統(tǒng)本身可以從經(jīng)驗(yàn)或現(xiàn)有知識(shí)中學(xué)習(xí)，通過(guò)系統(tǒng)的自學(xué)習(xí)，使系統(tǒng)經(jīng)?？偨Y(jié)經(jīng)驗(yàn)和規(guī)律，修正錯(cuò)誤，增加信息，從而豐富系統(tǒng)本身的信息庫(kù)，在很大程度上能夠根據(jù)艦船的使用時(shí)間、具體環(huán)境等情況進(jìn)行調(diào)整和判斷艦船的狀態(tài)。從而，形成新的、更貼近艦船實(shí)際的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

得到了比較標(biāo)準(zhǔn)后，再?gòu)膸?kù)中提取的比較參量、比較公式，將經(jīng)過(guò)校正后的物理場(chǎng)目標(biāo)特性數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)按比較公式進(jìn)行比較，并給出在允許范圍內(nèi)艦船正常的比較結(jié)果或目標(biāo)特性超出標(biāo)準(zhǔn)允許范圍艦船異常的比較結(jié)果。對(duì)艦船異常狀態(tài)發(fā)出報(bào)警信號(hào)并詳細(xì)提示，彈出異常報(bào)告表。

通過(guò)調(diào)出艦船以往進(jìn)出港的物理場(chǎng)目標(biāo)特性的歷史數(shù)據(jù)，對(duì)艦船物理場(chǎng)目標(biāo)特性趨勢(shì)進(jìn)行分析，并繪出該艦船物理場(chǎng)目標(biāo)特性的趨勢(shì)圖，從而對(duì)艦船狀況進(jìn)行預(yù)測(cè)。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)綜述

該系統(tǒng)是在JBuilder 9.0平臺(tái)上開(kāi)發(fā)的[4]，采用的是C/S模式，客戶(hù)端將傳感器信息數(shù)據(jù)、修正和換算后的環(huán)境狀態(tài)量、校正后的目標(biāo)艦船航行狀態(tài)，及由各監(jiān)測(cè)設(shè)備測(cè)量獲取并經(jīng)專(zhuān)用的信號(hào)處理設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后的艦船的各種物理場(chǎng)目標(biāo)特性信息數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器端的FTP服務(wù)器，并保存在指定的目錄下。在服務(wù)器上安裝FTP服務(wù)器軟件Serv-u和Oracle 9i數(shù)據(jù)庫(kù)[5]。其中，在服務(wù)器上配置Serv-u，客戶(hù)端就可以在各個(gè)物理場(chǎng)處理計(jì)算機(jī)將原始數(shù)據(jù)及預(yù)處理后的數(shù)據(jù)上傳至指定文件夾。Oracle 9i數(shù)據(jù)庫(kù)用來(lái)存儲(chǔ)傳感器信息數(shù)據(jù)、修正和換算后的環(huán)境狀態(tài)量、修正和換算后的目標(biāo)艦船航行狀態(tài)，及由各監(jiān)測(cè)設(shè)備測(cè)量獲取并經(jīng)專(zhuān)用的信號(hào)處理設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后的艦船的各種物理場(chǎng)目標(biāo)特性信息數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù)，并允許數(shù)據(jù)的查詢(xún)、修改、添加和刪除。該系統(tǒng)的部署圖如圖1所示。

圖1 艦船進(jìn)出港物理場(chǎng)目標(biāo)特性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)部署

系統(tǒng)設(shè)定3種登陸權(quán)限：操作員、監(jiān)測(cè)人員、管理員。其中，操作員是客戶(hù)端用來(lái)實(shí)現(xiàn)文件上傳的用戶(hù)；監(jiān)測(cè)人員可以對(duì)艦船物理場(chǎng)目標(biāo)特性進(jìn)行查詢(xún)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；而管理員可以對(duì)艦船物理場(chǎng)目標(biāo)特性進(jìn)行查詢(xún)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)管理。

該系統(tǒng)界面共有5個(gè)下拉菜單：

用戶(hù)管理、歷史查詢(xún)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)上傳。其中:

1) 用戶(hù)管理包含兩個(gè)子菜單，即切換用戶(hù)和用戶(hù)信息修改；

2) 歷史查詢(xún)包括7個(gè)子菜單，查詢(xún)整體、查詢(xún)磁場(chǎng)、查詢(xún)電場(chǎng)、查詢(xún)聲場(chǎng)、查詢(xún)紅外場(chǎng)、查詢(xún)電磁波場(chǎng)和查詢(xún)核輻射場(chǎng)；

3) 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)包括兩個(gè)子菜單，即開(kāi)啟實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和查看實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)狀態(tài)；

4) 數(shù)據(jù)管理包括2個(gè)子菜單，即登錄用戶(hù)數(shù)據(jù)管理和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理；

5) 數(shù)據(jù)上傳是指實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳。

4.2 數(shù)據(jù)上傳

數(shù)據(jù)上傳是供客戶(hù)端的操作員將傳感器信息數(shù)據(jù)、校正后的環(huán)境狀態(tài)量、修正和換算后的目標(biāo)艦船航行狀態(tài)，以及由各監(jiān)測(cè)設(shè)備測(cè)量獲取并經(jīng)專(zhuān)用的信號(hào)處理設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后的艦船的各種物理場(chǎng)目標(biāo)特性信息數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器端的FTP服務(wù)器，并保存在指定的目錄下。操作員用指定的用戶(hù)名和密碼登錄，待系統(tǒng)對(duì)其身份的合法性進(jìn)行驗(yàn)證并通過(guò)后，就可以將數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器。在服務(wù)器端，利用FTP服務(wù)器軟件Serv-u作為上傳數(shù)據(jù)接收和暫存工具，并將磁場(chǎng)、電場(chǎng)、聲場(chǎng)、紅外場(chǎng)、電磁波場(chǎng)、核輻射場(chǎng)的數(shù)據(jù)放在對(duì)應(yīng)目錄下，在每個(gè)目錄中，再對(duì)該場(chǎng)的數(shù)據(jù)分類(lèi)存放。

4.3 數(shù)據(jù)查詢(xún)

數(shù)據(jù)查詢(xún)包括對(duì)異常信息報(bào)告表、物理特性表、標(biāo)準(zhǔn)特性表、艦船參數(shù)表、環(huán)境參數(shù)表、校正前物理特性表、原始數(shù)據(jù)表、艦船參數(shù)表和監(jiān)測(cè)器件信息表等信息的查詢(xún)。監(jiān)測(cè)人員或管理員用指定的用戶(hù)名和密碼登錄，待系統(tǒng)對(duì)其身份進(jìn)行合法性驗(yàn)證后，就可對(duì)“歷史查詢(xún)”菜單中的“查詢(xún)整體”、“查詢(xún)磁場(chǎng)”、“查詢(xún)電場(chǎng)”、“查詢(xún)聲場(chǎng)”、“查詢(xún)紅外場(chǎng)”、“查詢(xún)電磁波場(chǎng)”和“查詢(xún)核輻射場(chǎng)”子菜單進(jìn)行操作。打開(kāi)這些子菜單后，只要選擇艦船的型號(hào)和對(duì)應(yīng)的進(jìn)出港時(shí)間，就可以查詢(xún)艦船參數(shù)、環(huán)境參數(shù)、監(jiān)測(cè)器件信息和物理場(chǎng)特性的原始數(shù)據(jù)及校正后的數(shù)據(jù)，如果監(jiān)測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)物理特性出現(xiàn)異常，則還可以查看相關(guān)的異常信息報(bào)告。具體情況如圖2所示。

圖2 紅外場(chǎng)物理特性查詢(xún)界面

4.4 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主要包括兩個(gè)功能：

1) 開(kāi)啟實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)就會(huì)不斷去查看是否有數(shù)據(jù)上傳，如果有就將這些上傳的數(shù)據(jù)寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)；

2) 查看實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的狀態(tài)，確定所上傳的數(shù)據(jù)已經(jīng)全部寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)后，就可以調(diào)用比較代碼，從庫(kù)中提取比較參量、比較的公式，比較物理場(chǎng)目標(biāo)特性數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，并生成比較報(bào)告表。同時(shí)，通過(guò)分析該艦船歷史數(shù)據(jù)，對(duì)其未來(lái)的趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

開(kāi)啟實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能后，系統(tǒng)就會(huì)調(diào)用輪詢(xún)程序，將在FTP服務(wù)器指定的目錄下檢查是否有新的文件上傳完畢。倘若有則先按物理場(chǎng)來(lái)讀取信息文件。對(duì)于每個(gè)物理場(chǎng)，再按文件的種類(lèi)來(lái)讀取，一類(lèi)讀取完畢后再讀取下一類(lèi)，直到該艦船的各個(gè)物理場(chǎng)目標(biāo)特性數(shù)據(jù)全部寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)。其中，數(shù)據(jù)讀取程序的信息主要分為兩大類(lèi)：

▲ 艦船的基本信息、環(huán)境信息、處理后的物理特性數(shù)據(jù)；

▲ 采集后未進(jìn)行任何處理的原始數(shù)據(jù)。

對(duì)于前者，讀取程序會(huì)將這些信息存放在不同表中；對(duì)于后者，將以整個(gè)文件形式存放。

通過(guò)不斷查看實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的狀態(tài)，監(jiān)測(cè)艦船的物理特性信息數(shù)據(jù)是否成功從FTP服務(wù)器指定的目錄下寫(xiě)入Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)中指定的表，如果寫(xiě)入不成功，則繼續(xù)監(jiān)測(cè)，否則，接著進(jìn)行后續(xù)的工作。對(duì)于物理特性成功寫(xiě)入Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)的物理場(chǎng)，從標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)表和物理特性表中取出對(duì)應(yīng)的需要比較的參數(shù)項(xiàng)，從比較公式表中取出比較公式進(jìn)行比較，并給出比較結(jié)果報(bào)告表，顯示并將該物理場(chǎng)報(bào)告表存在Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)中。這樣，逐次比較各個(gè)物理場(chǎng)目標(biāo)特性，生成相應(yīng)的比較結(jié)果報(bào)告。

但是僅僅給出結(jié)果報(bào)告是不夠的，為了對(duì)艦船狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)，還要給出各個(gè)物理場(chǎng)的目標(biāo)特性趨勢(shì)圖。這里，通過(guò)查詢(xún)各個(gè)物理特性的歷史記錄，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，從而得到其趨勢(shì)圖。

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的流程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)流程圖

5 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了對(duì)艦船狀況監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)的原理及實(shí)現(xiàn)技術(shù)，系統(tǒng)完善后，將對(duì)監(jiān)測(cè)進(jìn)出港艦船、發(fā)現(xiàn)艦船故障、及時(shí)消除故障發(fā)揮較好的作用。

[1] 喻方平，金曉軍，楊建國(guó)，等.船舶內(nèi)燃機(jī)遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)[J].武漢交通科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，24(6)：619-621.

[2] 張俊，顧亞平，查雨，等.水閘船舶監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2006，27(6.增刊)：1907-1908.

[3] SAGVOLDEN G, PRAN K, VINES L. Fiber optic system for ship hull monitoring[C].The Optical Fiber Sensors Conference Technical Digest，2002.

[4] 劉曉華，張健，趙潔.精通JBuilder2006[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[5] 趙松濤.Oracle 9i中文版數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)管理[M].北京：人民郵電出版社，2003.