基于CAN總線的船舶自動(dòng)舵監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周韜 張顯庫 李博

摘? 要： 為了減少船舶駕駛?cè)藛T使用自動(dòng)舵設(shè)備航行時(shí)引發(fā)的事故，并且方便船舶相關(guān)人員查看相關(guān)故障信息。以Visual Basic為編程語言，采用雙CAN總線通信、串口通信，設(shè)計(jì)能實(shí)時(shí)監(jiān)控自動(dòng)舵信息并提供報(bào)警信息的系統(tǒng)，并詳細(xì)說明該系統(tǒng)的構(gòu)架、功能、信息傳輸接口和界面設(shè)計(jì)。以某段航線為例，在該系統(tǒng)上進(jìn)行仿真測試，結(jié)果表明，該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)并且正確地顯示航行信息，對超出安全閾值的信息能及時(shí)產(chǎn)生報(bào)警并且存入數(shù)據(jù)庫。該系統(tǒng)對減少船舶航行事故有很大幫助，對整體自動(dòng)舵的安全使用很有意義。

關(guān)鍵詞： 自動(dòng)舵; 監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng); 顯示航行信息; 仿真測試; 實(shí)時(shí)監(jiān)控; 功能說明

中圖分類號： TN830.1?34; TP301.6? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2019）16?0117?05

0? 引? 言

自動(dòng)舵設(shè)備作為船舶駕駛臺的重要組成部分，可以實(shí)現(xiàn)改變航向、航向保持、航跡保持等船舶航行功能，這些功能極大地減輕了船舶駕駛員的負(fù)擔(dān)。隨著船舶航運(yùn)的發(fā)展，大型商船越來越離不開自動(dòng)舵設(shè)備的使用。自動(dòng)舵設(shè)備的普及，減輕了船員的工作強(qiáng)度，節(jié)省了燃油，在正常使用的情況下船舶可以更快地到達(dá)目的港。然而，據(jù)悉，海難事故大多是人為產(chǎn)生的[1]，在船舶安裝有自動(dòng)舵設(shè)備后仍然會產(chǎn)生船舶碰撞、擱淺、上灘等事故。由此可知，很有必要設(shè)置自動(dòng)舵監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)，以實(shí)時(shí)監(jiān)控船舶的狀態(tài)，并且對故障進(jìn)行報(bào)警和定位。

遠(yuǎn)洋船舶遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是船上人員與陸地端的船舶公司信息溝通的重要工具。為了滿足陸地端公司對遠(yuǎn)洋船舶更有效的監(jiān)控，崔文彬等應(yīng)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對船舶機(jī)艙監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)[2]。船舶日益現(xiàn)代化、智能化與快節(jié)奏營運(yùn)，船舶的監(jiān)控和管理是發(fā)展的趨勢，船舶機(jī)艙遠(yuǎn)程在線監(jiān)控可以減少事故的發(fā)生，但是機(jī)艙數(shù)據(jù)繁多，不易管理，孟維明等提出統(tǒng)一化分類的方法，為機(jī)艙數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化奠定了基礎(chǔ)[3]。為了監(jiān)控各時(shí)段主機(jī)狀態(tài)參數(shù)偏離標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行程度，找出安全隱患，宋立國等建立了基于熵權(quán)的船舶主機(jī)狀態(tài)監(jiān)控及評價(jià)模型，實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)參數(shù)，進(jìn)行全時(shí)段的數(shù)據(jù)分析[4]。為了提升船舶機(jī)艙監(jiān)控系統(tǒng)水平，甘輝兵等給出了適合船舶機(jī)艙數(shù)據(jù)挖掘的聚類算法，為船舶機(jī)艙監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用提出了一種新的思路[5]。為了提高船舶安全航行能力，朱冠良提出了嵌入式技術(shù)的船舶實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，監(jiān)控模塊由信息采集模塊、信號處理模塊、核心控制模塊和輸出模塊組成[6]。隨著船舶航運(yùn)的發(fā)展，船舶數(shù)量也在增多，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)船舶數(shù)量過多，不便于監(jiān)控。為了實(shí)現(xiàn)對重點(diǎn)船舶、重點(diǎn)區(qū)域的監(jiān)控，王捷等設(shè)計(jì)、開發(fā)了基于AIS信息的船舶實(shí)時(shí)個(gè)性化安全監(jiān)控系統(tǒng)，進(jìn)一步保障了船舶的航行安全[7]。在世界海難事故中，人為因素占事故總量的70%，其中，人員疲勞是人為因素的主要原因[8]。為了減少因人員疲勞導(dǎo)致海難事故數(shù)量，周鋒等提出了一種基于視頻流跟蹤的駕駛臺值班報(bào)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過對比兩個(gè)時(shí)刻值班人員的位置差異來判定值班人員的清醒狀態(tài)[9]。隨著船舶航運(yùn)的發(fā)展，常規(guī)的機(jī)艙監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足日趨智能化和數(shù)字化的船舶機(jī)艙設(shè)備的監(jiān)控要求，黃丞結(jié)合K?CHIEF600系統(tǒng)提出了基于CAN總線的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，為散貨船設(shè)計(jì)了機(jī)艙監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)[10]。

文獻(xiàn)[2?10]有對駕駛臺防駕駛員疲勞的監(jiān)控、有海岸到船的遠(yuǎn)程監(jiān)控、有船舶防污染的監(jiān)控，但對于船舶自動(dòng)舵的監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)未有文獻(xiàn)提及。船舶自動(dòng)舵監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)應(yīng)用了雙CAN總線技術(shù)、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫技術(shù)、最新Windows環(huán)境下的Visual Basic編程技術(shù)，分別與舵機(jī)裝置和自動(dòng)舵主機(jī)通信、與船舶VDR通信，是一個(gè)只針對自動(dòng)舵設(shè)備的監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控自動(dòng)舵設(shè)備的工作狀態(tài)信息，可以實(shí)現(xiàn)錯(cuò)誤提示、故障報(bào)警和日志記錄等功能，系統(tǒng)有效地減少了因使用自動(dòng)舵設(shè)備而引發(fā)的事故，促進(jìn)了船舶自動(dòng)化水平的提升。

1? CAN總線

1.1? CAN現(xiàn)場總線技術(shù)

CAN不僅是一種串行通信總線，而且是一種把大量現(xiàn)場級設(shè)備和操作級設(shè)備相連的工業(yè)通信系統(tǒng)。高速以太網(wǎng)發(fā)展勢頭良好，因其具有廣泛的技術(shù)基礎(chǔ)和低廉的開發(fā)成本。盡管如此，具體到船舶方面，因?qū)崟r(shí)性與可靠性都非常良好[11]，所以CAN總線的應(yīng)用仍然有較好的前景。CAN總線上任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的最大傳輸距離與其位速率有關(guān)，位速率對應(yīng)的最大傳輸距離具體如表1所示。

1.2? CAN總線通信

CAN通信協(xié)議描述了設(shè)備之間信息是如何傳遞的，CAN總線實(shí)際的通信是發(fā)生在每一設(shè)備上相鄰的兩層，而設(shè)備只通過模型物理層的物理介質(zhì)互聯(lián)。CAN的結(jié)構(gòu)定義了模型的最下面的兩層：數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。信號能夠使用差分電壓傳送，CAN驅(qū)動(dòng)器能夠因此而避免噪聲和容錯(cuò)。這兩條信號線被稱為“CAN_H”和“CAN_L”，用CAN_H比CAN_L高表示的邏輯“0”被稱為“顯性”位，而用CAN_L比CAN_H高表示的邏輯“1”叫作“隱性”位，如圖2所示。數(shù)據(jù)鏈路層定義了報(bào)文傳輸?shù)母袷胶投〞r(shí)協(xié)議，有兩種描述符都能達(dá)到8 B的數(shù)據(jù)，如圖3所示。

2? 監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)

2.1? 監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)硬件配備

1） 示意圖。在線監(jiān)測與故障報(bào)警平臺示意圖見圖4。監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)控制面板由7個(gè)按鍵（輕觸型）組成，分別為向上（UP）、向下（DOWN）、翻頁（PAGE）、確認(rèn)（ENTER）、試驗(yàn)（TEST）、調(diào)光（¤）、消音（）。按鍵功能說明如表2所示。

2） 具體配置

控制面板，外觀包括嵌裝的蓋板及底板。蓋板表面設(shè)置有單指示色按鈕組件，底板上包括PCB電路板與單片機(jī)（可采用Arduino/51/32單片機(jī)，輸出采用USB串口），PCB電路板上設(shè)置有兩種LED燈珠，按鍵背光由兩種顏色燈珠（白色燈珠：見圖4;紅色燈珠：汽車控制面板背光）兩種按鈕背光可切換。整體尺寸：寬330.00 mm，高180.00 mm，按鍵尺寸：寬45.00 mm，高18.00 mm。布局圖如圖4所示，屏幕尺寸：寬197.80 mm，高150.80 mm。

3） 具體尺寸

所有按鍵寬45 mm，高18 mm。所有字體均為微軟雅黑。

4） 輸入輸出接口

輸入輸出接口包括：

① 兩路CAN 2.0接口（分別與兩套舵機(jī)裝置的在線監(jiān)測裝置和自動(dòng)舵主機(jī)通信）;

② 一路CAN 2.0接口（與VDR通信）;

③ 一路RS 422接口（與VDR通信）;

④ 一路LAN網(wǎng)口（擴(kuò)展LAN設(shè)備用）;

⑤ 一路DC 24 V電源輸入接口。

2.2? 監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)船舶的實(shí)際需要，監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)中、英文，白天、夜間模式，界面設(shè)計(jì)美觀，如圖5、圖6所示。

自動(dòng)舵監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)從CAN總線獲取數(shù)據(jù)，其示意圖見圖7。自動(dòng)舵主操、副操、主機(jī)以及在線報(bào)警監(jiān)控系統(tǒng)所有的數(shù)據(jù)都在CAN總線中，通過與CAN總線通信實(shí)現(xiàn)了多對多的數(shù)據(jù)交換，加快了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?。系統(tǒng)中，操作面板、蜂鳴器都是串口通信，蜂鳴器采用的是ARDUINO電板，系統(tǒng)通過串口寫入特定的字符就會引發(fā)蜂鳴報(bào)警聲。

2.3? 監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)監(jiān)控信息及報(bào)警信息

監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)連接著舵機(jī)與自動(dòng)舵主機(jī)，其監(jiān)控的數(shù)據(jù)有36種，具體如表3所示。報(bào)警信息包含開關(guān)量報(bào)警和模擬量報(bào)警。開關(guān)量體現(xiàn)的是“0”或是“1”，非此即彼的選擇;模擬量體現(xiàn)的是數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)超過相應(yīng)閾值就報(bào)警。船舶自動(dòng)舵報(bào)警信息種類有指令控制箱故障、船速丟失、航向變化過快、航跡超差、航向丟失、船舶姿態(tài)信息丟失、船速過低等。

[監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)類型 監(jiān)控?cái)?shù)據(jù) 船舶姿態(tài)信息 經(jīng)度、緯度、羅經(jīng)航向、對地航向、對水航速、對地航速、橫搖角、縱搖角、實(shí)際航向、主機(jī)轉(zhuǎn)速 船舶航行信息 設(shè)定航向、航向偏差、航線號、偏航距離 環(huán)境參數(shù) 真風(fēng)風(fēng)速、真風(fēng)風(fēng)向、相對風(fēng)速、相對風(fēng)向、海流流速、海流流向、實(shí)際水深 舵機(jī)參數(shù) 失電、斷相、過載、過濾器、液位低、油溫高、控制失電、舵機(jī)不動(dòng)、液壓鎖定 指令控制箱信息 反饋舵角、執(zhí)行舵令、指令控制箱1、指令控制箱2、指令控制箱3、指令控制箱4 ]

3? 仿真測試

主機(jī)將RS 422接收信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換直接發(fā)送至CAN總線中，參考NMEA0183協(xié)議報(bào)文格式進(jìn)行報(bào)文設(shè)置，總共分為：氣象信息報(bào)文、導(dǎo)航信息報(bào)文、位置信息報(bào)文、海深信息報(bào)文、操舵狀態(tài)報(bào)文、船舶參數(shù)報(bào)文、舵參數(shù)報(bào)文、報(bào)警參數(shù)報(bào)文、報(bào)警信息報(bào)文。其中，氣象信息報(bào)文如下：

$WEMES，HHMMSS.SS，DD.MM，QQQ.PPP，DD.MM，QQQ.PPP，DD.MM，QQQ.PPP，DD.MM，DD.MM，DD.MM，AAAA*CC

例：$WEMES，092204.99，16.11，030.012，12.14，027.112，01.24，040.111，24.40，49.70，01.24，0000*1F

幀ID（0x04B）表示如下：

字段0：$WEMESS，語句ID，表明該語句為天氣信息;

字段1：UTC時(shí)間，hhmmss.ss，時(shí)分秒格式;

字段2：絕對風(fēng)速dd.mm（前導(dǎo)位數(shù)不足則補(bǔ)0）;

字段3：絕對風(fēng)向（000.000°～360.000°）;

字段4：相對風(fēng)速dd.mm（前導(dǎo)位數(shù)不足則補(bǔ)0）;

字段5：相對風(fēng)向（000.000°～360.000°）;

字段6：海流流速dd.mm（前導(dǎo)位數(shù)不足則補(bǔ)0）;

字段7：海流流向（000.000°～360.000°）;

字段8：溫度;

字段9：濕度;

字段10：大氣壓強(qiáng);

字段11：校驗(yàn)值。

系統(tǒng)運(yùn)行流程圖如圖8所示。系統(tǒng)實(shí)時(shí)對相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，并且判斷該數(shù)據(jù)是否超出所設(shè)定的閾值。經(jīng)測試，系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)、有效地接收相關(guān)數(shù)據(jù)并且對超過閾值的信息發(fā)出聲光警報(bào)，存入數(shù)據(jù)庫。具體測試界面如圖9所示。

4? 結(jié)? 論

本文設(shè)計(jì)的監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)通過CAN總線接收船舶自動(dòng)舵系統(tǒng)數(shù)據(jù)，羅經(jīng)、測深儀、風(fēng)速風(fēng)向儀等航海儀器通過RS 422串口將數(shù)據(jù)送到CAN總線中，監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并且與相應(yīng)閾值進(jìn)行比較，超過閾值的進(jìn)行報(bào)警并且存儲于數(shù)據(jù)庫中。由于本文設(shè)計(jì)的監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)是通過處理各航海設(shè)備傳輸?shù)紺AN總線的數(shù)據(jù)，所以會有一定的延遲，但是系統(tǒng)初步實(shí)現(xiàn)了對自動(dòng)舵設(shè)備的監(jiān)控報(bào)警功能。為解決系統(tǒng)有延遲的問題，可以從硬件上入手，即監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)直接與各傳感器相連接。綜上所述，本文所設(shè)計(jì)的監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了船舶航行中對自動(dòng)舵設(shè)備的監(jiān)控及報(bào)警功能，系統(tǒng)能有效地防止人員因使用自動(dòng)舵設(shè)備而產(chǎn)生的船舶事故，對船舶安全航行具有重大的意義。

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