基于船岸一體化的江海直達(dá)船舶在航動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建

石 磊，初秀民，柳晨光

(武漢理工大學(xué)a.智能交通系統(tǒng)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(dá)船舶在航動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建

石 磊a，b，初秀民a，b，柳晨光a，b

(武漢理工大學(xué)a.智能交通系統(tǒng)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(xiàn)對在航船舶航行狀態(tài)的全面監(jiān)控和船岸之間的信息發(fā)布,以船舶機(jī)艙信息、駕駛臺信息、駕駛?cè)瞬僮餍畔?以及通航環(huán)境信息為感知對象,結(jié)合3G通信、移動互聯(lián)網(wǎng)及數(shù)字濾波等技術(shù),基于信息物理系統(tǒng),構(gòu)建在航船舶和船務(wù)公司一體化的監(jiān)控系統(tǒng)。上海集海船務(wù)公司應(yīng)用表明,系統(tǒng)可以實現(xiàn)機(jī)艙和駕駛臺狀態(tài)監(jiān)控、油耗分析、信息發(fā)布等多種功能。

船舶運輸;船岸一體化;動態(tài)監(jiān)控;數(shù)字濾波;信息物理系統(tǒng)

江海直達(dá)船在運輸時間和成本上的優(yōu)勢使其駛?cè)肓丝焖侔l(fā)展的道路［1］。為了保障航行安全和進(jìn)一步地提高江海直達(dá)船的運營效率,航運公司需要建立船岸之間的信息發(fā)布平臺和全面的監(jiān)控江海直達(dá)船的航行狀態(tài)。相關(guān)的在航動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)研究只是針對航行狀態(tài)信息中的某一方面［2-5］,沒有具體的實現(xiàn),也沒有考慮到船岸間進(jìn)行信息發(fā)布的問題。因此,從船岸一體化的角度,利用物理信息系統(tǒng)(Cyber-Physical Systems, CPS),感知駕駛臺和機(jī)艙信息,構(gòu)建江海直達(dá)船在航動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體框架

基于船岸一體化的江海直達(dá)船舶在航動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的總體框架見圖1。

系統(tǒng)由感知層、通信層、用戶層組成。該系統(tǒng)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(tǒng)框架

1)感知層。系統(tǒng)感知層由3個部分組成,即船舶機(jī)艙信息采集、船舶駕駛臺與通航環(huán)境信息采集。其中,船舶機(jī)艙信息采集部分是由工控機(jī)中的采集程序順序采集開關(guān)量、脈沖量、數(shù)字量、模擬量實現(xiàn),船舶駕駛臺與通航環(huán)境信息采集是由基于低功耗、高性能的STM32F103ZCT芯片設(shè)計的硬件采集板實現(xiàn)。在航監(jiān)控系統(tǒng)的船端部分將經(jīng)過船端數(shù)據(jù)處理平臺處理的信息提供給船端的用戶。

2)通信層。系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ),后者通過互聯(lián)網(wǎng)/局域網(wǎng)進(jìn)行通信。通信平臺為系統(tǒng)的各個功能層提供通信通道,能實現(xiàn)船端和岸端間的信息發(fā)布。

3)控制層。系統(tǒng)中的控制層主要是岸端數(shù)據(jù)管理與處理平臺,監(jiān)管層是岸端(船務(wù)公司管理人員)。

2 船舶機(jī)艙信息采集

2.1 主機(jī)油耗信息采集

主機(jī)油耗成本占航運公司運營成本的較大比重,船舶油耗監(jiān)控一直受到航運公司的關(guān)注。主機(jī)油耗檢測可以實現(xiàn)船舶油耗控制管理的自動化,減輕航運公司的工作負(fù)擔(dān)。主機(jī)油耗檢測系統(tǒng)主要分為船端油耗信息采集單元和岸端油耗數(shù)據(jù)分析單元兩部分。

船端油耗信息采集單元包括主機(jī)油耗流量傳感器和測量主機(jī)轉(zhuǎn)速的脈沖傳感器。船舶航行時,流入主機(jī)的燃油通過精密流量傳感器時,產(chǎn)生電信號并經(jīng)過工控機(jī)處理后傳給數(shù)據(jù)處理平臺。

岸端油耗數(shù)據(jù)分析單元則利用采集的燃油流量和主機(jī)轉(zhuǎn)速等其他信息計算出主機(jī)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(guān)信息采集

根據(jù)“岸端”航運企業(yè)的需求分析(見表1),需要采集的機(jī)艙信息包括:集控室的報警信息(包括主機(jī)、輔機(jī)及舵機(jī),等),主機(jī)和輔機(jī)的運行參數(shù),船舶電站的參數(shù)(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(fā)現(xiàn)報警信息為開關(guān)量,主機(jī)轉(zhuǎn)速是脈沖信號,主輔機(jī)的其他運行參數(shù)為電壓或者電流的模擬量,船舶電站的參數(shù)也是模擬量。

表1 機(jī)艙數(shù)值信息需求

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

圖2 系統(tǒng)采集框架

3 船舶駕駛臺與通航環(huán)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(jī)艙車鐘令、主機(jī)油門操作、舵操作、雷達(dá)數(shù)據(jù)及回聲測深儀數(shù)據(jù),等。而通航環(huán)境信息主要是指航道的水文信息,如水深、風(fēng)速、風(fēng)向及能見度,等。

船舶駕駛臺與通航環(huán)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(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖3。

MCU是采用STM32F103ZCT6芯片的模塊,其主要任務(wù)是將采集到的船舶駕駛臺和通航環(huán)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(tǒng)的光耦和磁耦更有優(yōu)勢,既克服了光耦功耗大、速率低、對環(huán)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(huán)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(tài)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(tài)信息中的風(fēng)速風(fēng)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(fù)責(zé)將船舶航行狀態(tài)信息采集終端采集的信息實時傳輸?shù)桨抖藬?shù)據(jù)處理平臺。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

船舶駕駛臺與通航環(huán)境信息采集系統(tǒng)軟件的總體流程見圖4,程序正常運行在主循環(huán),在主循環(huán)中實現(xiàn)模擬信號的采集、報文生成和發(fā)送、保存數(shù)據(jù)等操作。

圖4 船舶駕駛臺與通航環(huán)境信息采集流程

如果定時器中斷產(chǎn)生,主循環(huán)會暫停執(zhí)行,程序進(jìn)入定時器中斷,在中斷內(nèi)處理串口數(shù)據(jù),中斷程序運行完后,程序會接著執(zhí)行主循環(huán)。為保證系統(tǒng)的魯棒性,程序增加了看門狗功能,當(dāng)程序崩潰時可通過重啟芯片來恢復(fù)系統(tǒng)功能。圖4中, 1#報文是指船舶駕駛臺與通航環(huán)境報文,2#報文是舵角報文。

4 信息數(shù)據(jù)的濾波處理

在感知信息時存在不同干擾及噪聲,需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理,提高數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性與可靠性,降低偽數(shù)據(jù)對系統(tǒng)造成的影響。系統(tǒng)中由串行通信模塊采集的信息(航速、航向、水深、風(fēng)速及風(fēng)向,等)可以通過濾波電容對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)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(xiàn)。電流信號有正負(fù)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(yīng)關(guān)系。車鐘信息是指船舶航行時操作主機(jī)的指令信息,分為前進(jìn)擋、空擋和倒車檔。江海直達(dá)船舶有兩個主機(jī),因此有兩個車鐘手柄來控制主機(jī)。車鐘信號是通過采集車鐘手柄控制的電位器電壓來實現(xiàn)的。手柄移動時會改變對應(yīng)電位器的阻值,通過電位器上兩點電壓的變化實現(xiàn)對主機(jī)的轉(zhuǎn)速的控制。在進(jìn)行車鐘和舵角采集時,現(xiàn)場的強(qiáng)電設(shè)備較多,不可避免地會產(chǎn)生尖脈沖干擾,這種干擾一般持續(xù)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(xù)n個數(shù)據(jù)進(jìn)行排序,去掉其中最大和最小的2個數(shù)據(jù),將剩余數(shù)據(jù)示平均值［6］。算法實現(xiàn)的主要步驟如下。

1)對存入數(shù)組中的數(shù)據(jù)利用快速排序法進(jìn)行排序;

2)舍掉數(shù)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(shù)據(jù)。

濾波算法處理后的結(jié)果見圖5。

圖5 防脈沖干擾平均值濾波法算法結(jié)果

5 綜合信息管理系統(tǒng)與應(yīng)用

5.1 綜合信息管理系統(tǒng)

基于船岸一體化的江海直達(dá)船舶在航動態(tài)綜合信息管理系統(tǒng)主要由信息采集、船端數(shù)據(jù)處理平臺、通信平臺、岸端數(shù)據(jù)處理與管理平臺(包括機(jī)艙信息處理及通訊服務(wù)器和駕駛臺及通航環(huán)境信息及通訊服務(wù)器)、應(yīng)用處理服務(wù)器和在航動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)(包括船端和岸端兩部分)等組成,框架見圖6。

1)機(jī)艙信息處理及通訊服務(wù)器存儲著機(jī)艙設(shè)備實時的狀態(tài)參數(shù),該服務(wù)器上運行著實時動態(tài)數(shù)據(jù)解析軟件。該軟件對通過移動網(wǎng)絡(luò)傳來的機(jī)艙報文實時解析并存儲到數(shù)據(jù)庫。

2)駕駛臺及通航環(huán)境信息及通信服務(wù)器存儲著船舶航行狀態(tài)數(shù)據(jù)、駕駛員操作數(shù)據(jù)以及通航環(huán)境信息數(shù)據(jù),該服務(wù)器上運行著實時動態(tài)數(shù)據(jù)解析軟件。該軟件對通過移動網(wǎng)絡(luò)傳來的駕駛臺及通航環(huán)境信息報文實時解析并存儲到數(shù)據(jù)庫。

圖6 綜合信息管理系統(tǒng)框架

3)應(yīng)用處理服務(wù)器上部署的數(shù)據(jù)處理引擎主要是為提供服務(wù)做各種復(fù)雜的、大批量的計算。

①主機(jī)油耗監(jiān)測。一方面可以督促船員改進(jìn)不良駕駛習(xí)慣;另一面可以代替人工數(shù)據(jù)統(tǒng)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(jù)船舶的位置和靠港情況動態(tài)地制定船舶營運安排,可以進(jìn)一步增加江海直達(dá)船的優(yōu)勢。

③極端天氣提醒。船公司向在航船舶發(fā)送洪峰、臺風(fēng)和大霧等災(zāi)害天氣的預(yù)警,便于提前做好防范預(yù)案。

④事故時刻狀態(tài)回放。根據(jù)事故發(fā)生的時間,查看船舶當(dāng)時的機(jī)艙狀態(tài)信息、船舶駕駛臺信息和通航環(huán)境信息,有利于對事故原因進(jìn)行分析,為今后的航行和管理提供經(jīng)驗。

⑤駕駛指導(dǎo)。遇到突發(fā)情況和極端天氣,船上需要駕駛指導(dǎo)時,船公司根據(jù)船舶當(dāng)前的狀態(tài)提供遠(yuǎn)程駕駛指導(dǎo)。

⑥駕駛臺和機(jī)艙信息顯示。船務(wù)公司可以實時查看機(jī)艙設(shè)備的運行狀態(tài)和駕駛臺的船舶航行狀態(tài)信息。

5.2 系統(tǒng)應(yīng)用

上海集海船務(wù)公司的“集海之杰”集裝箱輪是江海直達(dá)船舶,其航線為張家港至上海洋山港。在該船實現(xiàn)了基于船岸一體化的江海直達(dá)船舶在航動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用。船上采用的中國電信CDMA通道發(fā)送和接收信息,船公司利用web網(wǎng)頁實現(xiàn)在航動態(tài)監(jiān)控等各種功能。岸端系統(tǒng)終端見圖7。

圖7 岸端系統(tǒng)終端示意

6 結(jié)束語

所構(gòu)建的系統(tǒng)實現(xiàn)了對江海直達(dá)船舶的航行狀態(tài)的全面監(jiān)控和船岸間的信息發(fā)布。系統(tǒng)提供的在航信息顯示、主機(jī)油耗監(jiān)測、信息發(fā)布等功能提高了公司的管理效率;極端天氣提醒、駕駛指導(dǎo)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(shù)據(jù)的挖掘利用是接下來需要研究的內(nèi)容。

［1］陳瑞權(quán),鄭玄亮.江海直達(dá)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(jiān)控系統(tǒng)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(tài)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［J］.大連海事大學(xué)學(xué)報, 2002(3):20-22.

［4］高迪駒,沈愛弟,康 偉.內(nèi)河船舶無線遠(yuǎn)程監(jiān)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(shù)字信息系統(tǒng)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(tǒng)數(shù)字濾波算法［J］.中國慣性技術(shù)學(xué)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(xué)基金(61273234,51479155);湖北省自然科學(xué)基金創(chuàng)新群體項目(2013 CFA007);交通運輸部信息化技術(shù)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