工程船舶安全狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)研究與開發(fā)

劉國生，陶 明，王小鋒，劉烈暉，袁子豪

（中交廣州航道局有限公司，廣東 廣州 510300）

0 引 言

隨著生產(chǎn)經(jīng)營規(guī)模的擴(kuò)大，疏浚公司的工程船隊(duì)（群）正在不斷發(fā)展壯大，這些工程船遍布世界各地的海上施工區(qū)域，在復(fù)雜的工況及環(huán)境下，需保證設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間，以盡可能地提高單船產(chǎn)能。因此，如何有效管理公司船隊(duì)（群），加強(qiáng)施工生產(chǎn)安全監(jiān)督，減少或避免海上機(jī)損事故，建立事故預(yù)警長效機(jī)制，是新時(shí)期值得疏浚公司重視的課題。

國外對(duì)此非常重視，早在2006年日本東亞建設(shè)公司就應(yīng)用傳感器、計(jì)算機(jī)和無線通信等技術(shù)研制“工程船拖航安全監(jiān)視系統(tǒng)”，在非自航疏浚工程船長距離無人調(diào)遣拖航過程中，為岸基人員提供即時(shí)的調(diào)遣船狀態(tài)信息，監(jiān)視船舶的航行安全狀況。

本文以國內(nèi)的疏浚工程船為系統(tǒng)研發(fā)對(duì)象，基于先進(jìn)的工業(yè)技術(shù)及工藝，創(chuàng)新思路，突破傳統(tǒng)的安全監(jiān)督報(bào)警方式，升級(jí)改造現(xiàn)有疏浚工程船老舊的安全監(jiān)測報(bào)警裝置，構(gòu)建岸基-船-船間現(xiàn)場工況數(shù)據(jù)及報(bào)警參數(shù)交互通信網(wǎng)絡(luò)，提供系統(tǒng)化、自動(dòng)化或智能化的工程船安全生產(chǎn)在線監(jiān)測方案。

1 現(xiàn)狀分析

目前在海上從事疏浚施工作業(yè)的工程船所配置的安全監(jiān)測報(bào)警裝置主要有艙底漏水報(bào)警裝置、火警及煙霧感測裝置和主機(jī)設(shè)備重要部位參數(shù)（如溫度、壓力等）監(jiān)測裝置，一些船上安裝報(bào)警監(jiān)控系統(tǒng)（Alarm Monitoring System，AMS）及用于指導(dǎo)船舶避讓的電子海圖系統(tǒng)。然而，許多老舊工程船的安全監(jiān)測報(bào)警裝置存在一系列問題，包括：功能單一，智能化或自動(dòng)化程度較低，裝置或設(shè)備間基本上是獨(dú)立運(yùn)行的，只能關(guān)注較少的或孤立不相關(guān)的安全參數(shù)；沒有對(duì)船體空間姿態(tài)臨界危險(xiǎn)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測；存在事故判斷延遲、報(bào)警準(zhǔn)確率低等問題；主要以聲和光的方式發(fā)出告警提示，報(bào)警原因信息不全面；沒有施工設(shè)備運(yùn)行工況趨勢分析及事件診斷評(píng)估功能，即事故預(yù)測預(yù)報(bào)功能不強(qiáng)；監(jiān)測裝置本身無故障自我診斷能力，不具備第三方對(duì)本船裝置的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)督的功能；報(bào)警信息不能同步向岸基有關(guān)部門和同施工區(qū)域的同公司其他船舶發(fā)布，因此無法快速獲得后方專家的在線技術(shù)支持；未與企業(yè)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，無法共享現(xiàn)場實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)資源。

2 系統(tǒng)方案

“工程船舶安全狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)”是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)化的船舶安全監(jiān)測方案，綜合運(yùn)用現(xiàn)代傳感器、自動(dòng)化及儀器儀表、網(wǎng)絡(luò)通信和工控計(jì)算機(jī)等成熟工業(yè)技術(shù)和工藝，由“岸基監(jiān)控中心（應(yīng)用TMC遠(yuǎn)程監(jiān)測軟件，下文簡稱‘TMC’）” 、無線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)及系統(tǒng)通信協(xié)議和各工程船上配置的“工況數(shù)據(jù)智能采集裝置（應(yīng)用LMU嵌入式計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集分析軟件，下文簡稱‘LMU’）”等3部分構(gòu)成。TMC通過由無線移動(dòng)通信設(shè)備及系統(tǒng)通信協(xié)議構(gòu)成的WLAN鏈路，鎖定跟蹤企業(yè)船隊(duì)所有工程船的LMU，遙測各船的工況信息數(shù)據(jù)，建立共享實(shí)時(shí)工程數(shù)據(jù)庫，捕獲船隊(duì)可能發(fā)生的異常事件，及時(shí)向企業(yè)有關(guān)部門發(fā)布事件信息。LMU則負(fù)責(zé)全天候采集和記錄現(xiàn)場工況信息數(shù)據(jù)，應(yīng)用基于快速診斷算法的在線工況數(shù)據(jù)分析，獲取本船發(fā)生異常事件時(shí)的特征參數(shù)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常情況時(shí)，立即向本船、TMC和指定對(duì)象發(fā)布報(bào)警信息，實(shí)現(xiàn)快速異常事件響應(yīng)處理。

通過在本船LMU和異地TMC對(duì)船舶工況數(shù)據(jù)進(jìn)行在線分析處理，實(shí)現(xiàn)本船和TMC同時(shí)對(duì)本船安全狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。另外，該系統(tǒng)還可對(duì)自身的工作狀態(tài)進(jìn)行診斷監(jiān)測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)自身可能出現(xiàn)的問題或故障，保證系統(tǒng)的有效性。

該系統(tǒng)以在線共享企業(yè)現(xiàn)場船舶工況數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，可在保障和加強(qiáng)施工船舶安全生產(chǎn)監(jiān)督力度、提高設(shè)備完好率、建立企業(yè)長效事故預(yù)警和遠(yuǎn)程在線專家故障診斷分析機(jī)制等方面發(fā)揮技術(shù)支撐作用，是解決海上工程船生產(chǎn)安全監(jiān)測報(bào)警問題的方案之一（見圖1）。

3 系統(tǒng)原理

3.1 LMU原理

LMU裝置主要承擔(dān)傳感器群數(shù)據(jù)采集與記錄、現(xiàn)場異常事件快速診斷分析和事故預(yù)警與發(fā)布等功能。由傳感器群及控制總線構(gòu)成的現(xiàn)場實(shí)時(shí)測量網(wǎng)絡(luò)是LMU最基礎(chǔ)的設(shè)備，在線采集、存儲(chǔ)能客觀反映挖泥船當(dāng)前生產(chǎn)安全狀態(tài)的關(guān)鍵物理量數(shù)據(jù)，由嵌入式計(jì)算機(jī)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行快速診斷分析處理，給出該船此時(shí)狀況的評(píng)估信息及LMU自身運(yùn)行狀態(tài)是否良好的自我診斷信息。LMU具有較高的自動(dòng)化和智能化水平，獨(dú)立運(yùn)行，盡可能減少或避免人為干預(yù)和現(xiàn)場環(huán)境對(duì)監(jiān)測結(jié)果的影響。LMU與該船有著相同的工作壽命，且全天24h不間斷運(yùn)行。LMU構(gòu)成見圖2。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成方案原理圖

圖2 系統(tǒng)設(shè)備構(gòu)成及說明示意

3.1.1 傳感器群數(shù)據(jù)采集與記錄

針對(duì)疏浚類工程船的特征，目前可通過傳感器獲得涉及船舶安全的物理數(shù)據(jù)（或理解為可獲得的該船基本生命特征參數(shù)），主要包括：船位空間坐標(biāo)、耙頭坐標(biāo)、耙管姿態(tài)、橋梁角度、船體吃水線及排水量、船體傾斜姿態(tài)、船首方向、對(duì)地航速、艙底漏水狀態(tài)、泥艙裝艙艙位（或艙容）、機(jī)械量振動(dòng)頻譜、艙內(nèi)噪聲（聲響）等級(jí)、艙內(nèi)溫度、火警及煙霧、拖纜張力（當(dāng)拖帶非自航船時(shí)）、風(fēng)速、風(fēng)向、涌浪和主機(jī)參數(shù)（包括：油溫、水溫、軸溫、排溫、壓差、潤滑狀態(tài)、主軸振動(dòng)頻譜和扭矩等）等。每艘船根據(jù)自身具體情況及設(shè)計(jì)要求，從中選擇所需的被監(jiān)測物理數(shù)據(jù)，據(jù)此在該船上布置和安裝相應(yīng)的傳感器總線網(wǎng)絡(luò)及配套設(shè)備。LMU包含一個(gè)低功耗嵌入式工控計(jì)算機(jī)，控制采集傳感器設(shè)備輸出的數(shù)據(jù)信息。

LMU兼有黑匣子的部分?jǐn)?shù)據(jù)記錄功能：其存儲(chǔ)器始終刷新紀(jì)錄最近一段時(shí)間內(nèi)的本船傳感器數(shù)據(jù)、異常事件點(diǎn)和系統(tǒng)通信中斷前后一段時(shí)間內(nèi)的狀態(tài)數(shù)據(jù)信息；同時(shí)，具有事故事件發(fā)生前后數(shù)據(jù)記錄的回放功能。LMU獨(dú)立供電工作，具有低功耗的性能。通過管理電源系統(tǒng)，保證船電中斷時(shí) LMU仍能維持360h以上的工作時(shí)間。

3.1.2 現(xiàn)場異常事件快速診斷分析

LMU對(duì)船舶工況數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)變化過程進(jìn)行在線快速算法分析，根據(jù)故障診斷策略獲取該船可能發(fā)生的異常事件。基本思路是：

1) 船體空間姿態(tài)的計(jì)算分析?？筛鶕?jù)船體傾斜、吃水線、排水量（或艙容）、泥艙泥漿液位及裝載量（針對(duì)耙吸式挖泥船）和全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）坐標(biāo)等方面的傳感器，測量計(jì)算船體的傾斜度及傾斜度變化率、吃水線及吃水線變化率，判斷船體水面姿態(tài)參數(shù)的數(shù)值是否接近或超出預(yù)先設(shè)定的危險(xiǎn)窗口值，同時(shí)給出這些參數(shù)的變化趨勢，提前給出當(dāng)前該船安全程度等級(jí)的評(píng)估報(bào)告，以盡可能早地捕獲可能發(fā)生沉船事故的征兆。

2) 應(yīng)用FFT算法對(duì)機(jī)械類設(shè)備關(guān)鍵部位振動(dòng)信號(hào)的頻譜進(jìn)行診斷分析（見圖3），獲取船機(jī)類故障隱患。例如：將傳感器當(dāng)前輸出的主軸承旋轉(zhuǎn)振動(dòng)信號(hào)的頻譜特征值與參考基準(zhǔn)值相比對(duì)，了解其磨損程度及特性衰退趨勢；通過與機(jī)體振動(dòng)信號(hào)的參考基準(zhǔn)值相比對(duì)，抓捕機(jī)體安裝基座螺絲松脫現(xiàn)象等。另外，若檢測到船體突然產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)信號(hào)，或機(jī)艙、泵艙內(nèi)產(chǎn)生巨大的峰值聲響，將作為受到嚴(yán)重撞擊或沖擊事件處理。

圖3 振動(dòng)與噪聲信號(hào)分析波形

3) 通過對(duì)監(jiān)測點(diǎn)的溫度、壓力等工程變量的變化趨勢和變化速率進(jìn)行檢測和計(jì)算，在該監(jiān)測值達(dá)到臨界報(bào)警值之前發(fā)出預(yù)警信息，提醒人們注意。

4) LMU在監(jiān)測船舶狀態(tài)的同時(shí)，對(duì)自身的工作狀態(tài)進(jìn)行診斷分析，例如：某傳感器故障或斷線、與TMC通信鏈路中斷、LMU裝置故障及供電電源異常等，及時(shí)發(fā)現(xiàn)自身可能產(chǎn)生的故障，立即報(bào)警處理，從而保證系統(tǒng)的有效性。

5) LMU解決傳統(tǒng)方式對(duì)船舶狀態(tài)了解的滯后性和片面性。通過對(duì)被檢測參數(shù)進(jìn)行診斷分析，對(duì)其變化趨勢進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)估，盡可能早地發(fā)現(xiàn)和預(yù)測船舶安全事故現(xiàn)象，提前采取措施，防止問題進(jìn)一步擴(kuò)大；同時(shí)，為事故發(fā)生后分析原因及責(zé)任和制訂整改措施提供原始數(shù)據(jù)信息的回放、查詢。

6) 不論該工程船處于何種狀態(tài)（如：施工作業(yè)、調(diào)遣航行、錨地系泊、?？看a頭、入廠維護(hù)檢修等），LMU都不會(huì)停止工作，除非該船已作報(bào)廢處理。3.1.3 事故預(yù)警與發(fā)布

若該船無任何異常，LMU將保持沉默，僅在規(guī)定時(shí)刻向TMC發(fā)報(bào)平安信息。若TMC沒有收到由LMU定期發(fā)來的報(bào)平安信息，異地監(jiān)測人員立即通過其他途徑與該船聯(lián)系，確認(rèn)原因。

當(dāng)LMU發(fā)現(xiàn)被監(jiān)測的狀態(tài)數(shù)據(jù)跳出報(bào)警窗口（如：船傾斜姿態(tài)超限、偵測到船體劇烈振動(dòng)等）或有異常發(fā)展趨勢、系統(tǒng)自身出現(xiàn)故障（如：斷電、某個(gè)傳感器損壞等）等情況時(shí)，LMU立即進(jìn)入異常事件處理程序，首先在本船發(fā)出報(bào)警信息，然后通過UHF/VHF電臺(tái)向鄰近的同公司其他工程船發(fā)送報(bào)警信息（如：當(dāng)非自航船調(diào)遣時(shí)，向前面的拖船發(fā)出報(bào)警信息），同時(shí)由GPRS/CDMA/3G或短信平臺(tái)構(gòu)成的遠(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)鏈路向異地TMC報(bào)送本船異常事件報(bào)警信息，此時(shí)已向3個(gè)對(duì)象同時(shí)發(fā)布報(bào)警信息，通過這種冗余報(bào)警方式保證報(bào)警信息被傳遞出去。LMU工作流程見圖4。

圖4 LMU工作流程

3.2 岸基監(jiān)控中心（TMC）

TMC是基于地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）平臺(tái)的分布式疏浚船隊(duì)（群）動(dòng)態(tài)信息測控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主機(jī)（見圖5和圖6），其主要功能為：

1) 通過GPRS/3G等無線通信鏈路與所有LMU構(gòu)成星形通信網(wǎng)絡(luò)，遙測現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息。

2) 在GIS電子地圖上顯示各工程船LMU當(dāng)前的現(xiàn)場狀態(tài)信息。圖6中深灰色塊部分為參數(shù)超限報(bào)警提示信息。

3) 系統(tǒng)服務(wù)器全天24h不間斷運(yùn)行，鎖定監(jiān)測船隊(duì)所有工程船上LMU的狀態(tài)，主動(dòng)發(fā)現(xiàn)丟失報(bào)平安消息的LMU，及時(shí)響應(yīng)所有LMU發(fā)來的報(bào)警請(qǐng)求信息，并向相關(guān)職能部門發(fā)出提示信息。

4) 建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，記錄、存儲(chǔ)、處理各LMU的數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)船隊(duì)中船舶工況信息數(shù)據(jù)資源共享。

5) 為后方專家、工程技術(shù)人員開展遠(yuǎn)程故障診斷分析及技術(shù)服務(wù)提供現(xiàn)場數(shù)據(jù)，使其具備現(xiàn)場信息感知能力。

6) 制訂事故等級(jí)評(píng)估和應(yīng)急事件處理預(yù)案，建立事故分析處理專家知識(shí)庫，使現(xiàn)場船隊(duì)可即時(shí)得到后方專家、工程技術(shù)人員及其他資源的支持。

7) TMC將作為提高設(shè)備完好率、增強(qiáng)企業(yè)處理異常事件或故障診斷及預(yù)警能力的技術(shù)支撐平臺(tái)。

圖5 TMC工作流程

3.3 無線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)及通信協(xié)議

通過無線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)及通信協(xié)議鏈路，各船的LMU都與TMC的GIS服務(wù)器聯(lián)網(wǎng)，TMC集中管理公司所有工程船，即根據(jù)設(shè)計(jì)制訂的系統(tǒng)通信協(xié)議鎖定每艘工程船，確保其始終受到TMC的跟蹤監(jiān)督，同時(shí)各LMU會(huì)主動(dòng)與TMC聯(lián)系，探查TMC的狀態(tài)。

通常，若LMU沒有發(fā)現(xiàn)本船及LMU自身有任何異常情況，該船只在規(guī)定的時(shí)刻通過GPRS/3G或短信平臺(tái)及UHF/VHF電臺(tái)等無線通信網(wǎng)絡(luò)向TMC和拖船（非自航船調(diào)遣時(shí)）發(fā)送包含該船地理位置坐標(biāo)的報(bào)平安信息（俗稱心跳監(jiān)測），此時(shí)TMC的GIS電子地圖上將顯示所有“心跳”正常的工程船標(biāo)識(shí)。若因故障或其他原因?qū)е峦ㄐ胖袛啵琓MC沒有在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)收到某船LMU的“心跳”信息，則將進(jìn)入異常事件處理程序。實(shí)際上， TMC也工作在無人值守狀態(tài)，LMU與TMC保持通信協(xié)議鏈路，使二者同時(shí)被對(duì)方監(jiān)測，形成本地與異地并存的冗余監(jiān)控體系，及時(shí)發(fā)現(xiàn)“工程船舶安全狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)”自身的異常情況，增強(qiáng)系統(tǒng)的有效性和可信度。

TMC主要通過2種通信協(xié)議方式訪問各LMU：

1) 船名查巡方式。為獲得各船LMU采集的傳感器信息，TMC將通過命令點(diǎn)名要求指定的LMU將本船工況數(shù)據(jù)傳送給TMC。

2) 監(jiān)聽方式。當(dāng)船隊(duì)中的某船出現(xiàn)異常事件或到發(fā)送報(bào)平安信息時(shí)刻，LMU將主動(dòng)向TMC發(fā)送報(bào)文信息。

系統(tǒng)中配置的UHF/VHF電臺(tái)是為實(shí)現(xiàn)非自航工程船遠(yuǎn)距離無人值守拖航調(diào)遣（如：非自航船調(diào)遣時(shí)，向前面的拖船發(fā)出報(bào)警信息）和向鄰近的同公司其他工程船發(fā)送報(bào)警信息而設(shè)計(jì)的近距離無線通信方式，其與移動(dòng)通信GPRS/3G構(gòu)成了冗余報(bào)警信息傳輸鏈路。

圖6 在TMC的GIS平臺(tái)上顯示的各船狀態(tài)數(shù)據(jù)

4 系統(tǒng)應(yīng)用測試情況

2008年研制“30m3抓斗式非自航挖泥船計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)”時(shí)，在該船的數(shù)據(jù)采集方案中布置了LMU傳感器網(wǎng)絡(luò)，先期接入GPS、船體姿態(tài)和吃水等方面的傳感器，并分別開發(fā)LMU嵌入式計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集分析軟件、基于GIS平臺(tái)的TMC遠(yuǎn)程監(jiān)測軟件和遵循通信協(xié)議手冊的岸-基網(wǎng)絡(luò)通信軟件，從而構(gòu)成一個(gè) “工程船舶安全狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)”應(yīng)用測試系統(tǒng)。2009年6月1日，在30m3抓斗式挖泥船從廣州調(diào)遣到營口拔魚圈工地的過程中，通過移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)測試該船安裝的LMU與設(shè)在廣州公司本部的TMC GIS服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的性能，此時(shí)LMU作為該船的智能值守儀器，向拖船或TMC提供該船的航行狀態(tài)數(shù)據(jù)信息，TMC計(jì)算機(jī)顯示畫面見圖7。

圖7 工程船調(diào)遣航行位置坐標(biāo)跟蹤畫面

此次測試驗(yàn)證了系統(tǒng)的主要功能：管理人員能通過異地計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程在線監(jiān)測工程船海上空間姿態(tài)、大地坐標(biāo)、船體吃水、航向、航跡及聲響等數(shù)據(jù)信息，同時(shí)在施工時(shí)能獲得設(shè)備運(yùn)行的相關(guān)工況參數(shù)及現(xiàn)場施工數(shù)據(jù)。實(shí)際測試使用結(jié)果表明：“工程船舶安全狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)”能全天 24h不間斷地監(jiān)測海上工程船，是企業(yè)船隊(duì)生產(chǎn)安全監(jiān)督的重要保障。