呂永祥

(長(zhǎng)江航道局，湖北武漢 430010)

內(nèi)河航標(biāo)維護(hù)船監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

呂永祥

(長(zhǎng)江航道局，湖北武漢 430010)

文章分析了內(nèi)河航標(biāo)船舶數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)的功能需求，提出了由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)應(yīng)用3個(gè)子系統(tǒng)組成的系統(tǒng)整體架構(gòu)，設(shè)計(jì)了船岸通信協(xié)議，構(gòu)建了內(nèi)河航標(biāo)船舶機(jī)艙監(jiān)控系統(tǒng)與船舶航行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，同時(shí)開發(fā)了航標(biāo)維護(hù)船舶信息管理軟件。

內(nèi)河航道;航標(biāo)工作船;數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)

0 引言

內(nèi)河航標(biāo)維護(hù)船舶是航道管理與養(yǎng)護(hù)工作最重要的裝備，大力推進(jìn)內(nèi)河航標(biāo)維護(hù)船舶管理維護(hù)的信息化、數(shù)字化、智能化建設(shè)，將為實(shí)現(xiàn)內(nèi)河航道現(xiàn)代化發(fā)展提供重要支撐。航標(biāo)維護(hù)船是內(nèi)河航道養(yǎng)護(hù)工程船舶最常用的裝備，對(duì)其機(jī)務(wù)進(jìn)行數(shù)字化管理將有利于提高航道的維護(hù)能力。

本文將構(gòu)建內(nèi)河航標(biāo)船舶機(jī)艙監(jiān)控系統(tǒng)與船舶航行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，通過船岸通信，實(shí)時(shí)上傳船舶主要設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)、事件報(bào)警數(shù)據(jù)、安全信息、航行參數(shù)、測(cè)深數(shù)據(jù)等信息至三級(jí)機(jī)務(wù)中心站，實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)監(jiān)控，同時(shí)開發(fā)了航標(biāo)維護(hù)船舶信息管理系統(tǒng)。

1 數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)

1.1 功能需求分析

為了提高現(xiàn)有內(nèi)河航標(biāo)維護(hù)船智能化、科學(xué)化管理水平，內(nèi)河航標(biāo)維護(hù)船數(shù)字化管理系統(tǒng)應(yīng)具有船端航行監(jiān)控、作業(yè)管理、船端機(jī)務(wù)管理、狀態(tài)異常報(bào)警、預(yù)警處理5個(gè)主要功能，如圖1所示。

圖1 數(shù)字機(jī)務(wù)管理功能圖

船端航行監(jiān)控即實(shí)現(xiàn)對(duì)航標(biāo)船舶AIS(automatic identification system，自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng))信息監(jiān)控，使航標(biāo)維護(hù)船能實(shí)時(shí)地知道本船信息，如船速、航行、位置等信息，也能獲取本船周圍的航行環(huán)境信息，使航標(biāo)船舶監(jiān)控實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)化、信息化。作業(yè)管理系統(tǒng)是指實(shí)時(shí)采集航標(biāo)船舶作業(yè)數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)通過特定網(wǎng)絡(luò)傳輸給航道局的系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)管功能，同時(shí)也提高了航標(biāo)維護(hù)船高效作業(yè)水平。機(jī)務(wù)管理功能是利用傳感器采集主機(jī)、輔機(jī)、舵機(jī)等設(shè)備的各種信息并將這些信息通過總線傳輸給駕駛艙監(jiān)控的功能，機(jī)務(wù)管理系統(tǒng)可以讓駕駛?cè)藛T實(shí)時(shí)了解各種重要設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，從而使它們?cè)谧罴褩l件下運(yùn)行，降低了設(shè)備出現(xiàn)故障的概率，機(jī)務(wù)管理系統(tǒng)使航標(biāo)維護(hù)船設(shè)備監(jiān)管進(jìn)入了智能化、現(xiàn)場(chǎng)化、自動(dòng)化時(shí)代。異常報(bào)警功能是通過監(jiān)測(cè)航標(biāo)船舶運(yùn)行的各種信息，包括航標(biāo)維護(hù)船自身信息和周圍信息，自身信息主要是指主機(jī)、輔機(jī)、舵機(jī)等信息;周圍信息主要是指TCPA(time to closest point of approach，最近會(huì)遇時(shí)間)和DCPA(distance to closest point of approach，最近會(huì)遇距離)、橋梁、沉船、水深等信息。異常報(bào)警系統(tǒng)可以使航標(biāo)船舶工作人員提前知道本船發(fā)生的警險(xiǎn)，為工作人員采取應(yīng)對(duì)措施贏取寶貴時(shí)間。預(yù)警處理功能主要是監(jiān)管人員根據(jù)以前處理措施以及專家知識(shí)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前出現(xiàn)的各種報(bào)警信息自動(dòng)生成輔助決策信息的功能［1］。

1.2 整體架構(gòu)

根據(jù)以上航標(biāo)維護(hù)船舶機(jī)務(wù)管理的功能分析可知，內(nèi)河航標(biāo)維護(hù)船舶數(shù)字化管理系統(tǒng)是以各種傳感器的采集信息為基礎(chǔ)，由數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)應(yīng)用子系統(tǒng)3部分組成，三者相輔相成、缺一不可，如圖2所示［2］。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是獲取航標(biāo)維護(hù)船上安裝的傳感器采集所得數(shù)據(jù)，包括位置數(shù)據(jù)、AIS數(shù)據(jù)和機(jī)務(wù)數(shù)據(jù) (主機(jī)、齒輪、油壓、溫度、轉(zhuǎn)速、電壓等數(shù)據(jù))，是數(shù)字化管理系統(tǒng)中其他應(yīng)用的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)是獲取采集的各種傳感器信息，進(jìn)行分析和處理后，與其他系統(tǒng)的信息 (如AIS，雷達(dá)信息)等助航信息進(jìn)行融合，通過無(wú)線傳輸上傳到管理中心。數(shù)據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)是利用傳感器采集數(shù)據(jù)和融合數(shù)據(jù)，為航標(biāo)維護(hù)船或航道局內(nèi)部監(jiān)管提供船舶監(jiān)控、機(jī)務(wù)監(jiān)控、航行監(jiān)控、信息預(yù)警、專家決策等應(yīng)用服務(wù)，為航道船舶監(jiān)管提供更全面、實(shí)時(shí)的監(jiān)控信息。

2 數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

由于內(nèi)河航標(biāo)維護(hù)船屬于航道維護(hù)公共服務(wù)性船舶，其主要任務(wù)是管理和維護(hù)航標(biāo)，故其測(cè)點(diǎn)主要為機(jī)艙數(shù)據(jù)和作業(yè)數(shù)據(jù)兩大類。其中機(jī)艙數(shù)據(jù)主要有左主機(jī)、右主機(jī)、電站、輔機(jī)、舵機(jī)、其他設(shè)備、測(cè)深業(yè)務(wù)等數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)測(cè)點(diǎn)如圖3所示。

左 (右)主機(jī)測(cè)點(diǎn)主要是監(jiān)測(cè)主機(jī)的一系列信息，如轉(zhuǎn)速、主機(jī)水溫、主機(jī)油壓、齒輪箱油溫、齒輪箱油壓、主機(jī)水溫、主機(jī)超速等信息。電站測(cè)點(diǎn)包括電站電壓、電站電流、發(fā)電機(jī)過載3種信息。輔機(jī)測(cè)點(diǎn)包括輔機(jī)水溫和輔機(jī)油壓2種信息。舵機(jī)測(cè)點(diǎn)有舵角、油泵電源故障、油泵運(yùn)行異常3種信息。其他測(cè)點(diǎn)主要是一些其他設(shè)備的測(cè)點(diǎn)信息，如艉軸轉(zhuǎn)速、主配電板失電、主配電板絕緣低、艙底水位等信息。測(cè)深也是航標(biāo)維護(hù)船的一項(xiàng)任務(wù)，測(cè)量水深和位置 (GPS)等信息。

2.2 動(dòng)態(tài)信息采集

根據(jù)以上測(cè)點(diǎn)的各自特點(diǎn)，本文通過以下3種模式采集船舶的傳感器動(dòng)態(tài)信息。

1)開關(guān)量采集模式。開關(guān)量采集模式通常是通過采集輸入信息的高低電平，然后經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換器進(jìn)行處理，將其處理成采集系統(tǒng)可識(shí)別的數(shù)字邏輯電平，最后將數(shù)字邏輯電平輸入到系統(tǒng)的采集終端中采集。在本測(cè)點(diǎn)中，發(fā)電機(jī)過載、油泵電源故障、油泵運(yùn)行異常、主配電板失電、主配電板絕緣低等信息采集屬于開關(guān)量采集。

2)模擬量采集模式。模擬量采集在信息采集系統(tǒng)中占據(jù)領(lǐng)導(dǎo)地位，大多數(shù)信息采集都是通過模擬量采集來(lái)完成。模擬量采集分為電流采集和電壓采集。其中電流采集占據(jù)主要地位，傳感器輸出4～20 mA微弱電流經(jīng)電流采集板進(jìn)行處理，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)過標(biāo)定和修正處理后，即可獲得傳感器的采集信息;電壓采集主要是通過運(yùn)放將電壓信號(hào)縮小 (或放大)在0～5 V范圍內(nèi)，先進(jìn)行RC低通濾波來(lái)增強(qiáng)其抗干擾能力和減小噪聲信號(hào)影響，再將處理后的信號(hào)通過A/D(模/數(shù))轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，經(jīng)標(biāo)定和修正處理，即可獲得傳感器采集信息，如上述測(cè)點(diǎn)中的主機(jī)水溫、電站電流、電站電壓等。

3)數(shù)據(jù)總線接口模式。當(dāng)前部分航標(biāo)維護(hù)船的廠家生產(chǎn)的數(shù)字傳感器具有標(biāo)準(zhǔn)的總線接口，如485總線、422總線、CAN總線和以太網(wǎng)，其協(xié)議層大多采用profibus－DP和modbus協(xié)議［3］。通過這些協(xié)議，只需要按照設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議就可直接獲取傳感器的運(yùn)行狀態(tài)信息，如上述測(cè)點(diǎn)中的AIS、GPS、測(cè)深儀、計(jì)程儀等信息［4］。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)架構(gòu)

航標(biāo)維護(hù)船舶船載系統(tǒng)與指定的機(jī)務(wù)中心地區(qū)分站進(jìn)行雙向通信，必要時(shí)也可以直接與中心站進(jìn)行雙向通信。其傳輸系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。

所有船舶與中心站的連接均需要通過安全驗(yàn)證;所有管理終端或工作站與中心站的連接均需要通過安全驗(yàn)證。數(shù)據(jù)傳輸過程采用高強(qiáng)度加密算法對(duì)傳輸報(bào)文進(jìn)行加密，保證傳輸數(shù)據(jù)的安全完整。船端的運(yùn)行數(shù)據(jù)、作業(yè)數(shù)據(jù)、設(shè)備數(shù)據(jù)均保存在中心服務(wù)器內(nèi)，所有船舶的歷史數(shù)據(jù)至少保存365天。船端采用無(wú)線移動(dòng)通信技術(shù)上傳數(shù)據(jù)，選用3G通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，同時(shí)兼容2G網(wǎng)絡(luò)［5］。

圖4 數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.4 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

內(nèi)河航標(biāo)維護(hù)船數(shù)據(jù)通信采用IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，傳輸協(xié)議可選用TCP或者UDP。船岸通信協(xié)議采用數(shù)字航道系統(tǒng)中定義的規(guī)范數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如圖5和表1、表2所示。

圖5 數(shù)字航道D－T網(wǎng)絡(luò)協(xié)議報(bào)文格式圖

表1 報(bào)文頭字段

表2 航道業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)內(nèi)容體TLV格式說(shuō)明

3 數(shù)字化管理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)艙監(jiān)控子系統(tǒng)

機(jī)艙監(jiān)控子系統(tǒng)采用統(tǒng)一美觀的設(shè)計(jì)風(fēng)格，提供豐富的機(jī)艙監(jiān)控功能，運(yùn)行高效、穩(wěn)定。

3.2 船載監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)

船載監(jiān)測(cè)子系統(tǒng) (OMS)用于獲取待上傳到中心站的數(shù)據(jù)，包括工況、報(bào)警、船位和測(cè)深數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)上做一些匯總計(jì)算工作。船載監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)提供了面向不同機(jī)艙監(jiān)控系統(tǒng)的接口，是一種內(nèi)部接口，無(wú)論是舊船改造，還是新船建造，都經(jīng)由OMS對(duì)外提供統(tǒng)一編碼的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，供機(jī)務(wù)中心的實(shí)時(shí)監(jiān)視和匯總統(tǒng)計(jì)，形成報(bào)警匯總表。

3.3 機(jī)務(wù)中心子系統(tǒng)

機(jī)務(wù)中心采用WEB技術(shù)，在任意計(jì)算機(jī)上使用標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)瀏覽器即可使用，通過用戶管理控制訪問權(quán)限。航標(biāo)維護(hù)船工作位置監(jiān)視顯示當(dāng)前權(quán)限范圍內(nèi)所有航標(biāo)船的位置及工作狀態(tài)。航標(biāo)維護(hù)船遠(yuǎn)處報(bào)警界面可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)報(bào)警。

4 結(jié)語(yǔ)

數(shù)字化管理是航道維護(hù)裝備的發(fā)展趨勢(shì)。航標(biāo)是內(nèi)河最重要的助航設(shè)施，航標(biāo)維護(hù)船是航標(biāo)養(yǎng)護(hù)必備的裝備。本文對(duì)內(nèi)河航標(biāo)維護(hù)船舶數(shù)字化管理技術(shù)進(jìn)行了研究，對(duì)船舶監(jiān)控參數(shù)進(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)了船岸通信子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)上傳船舶主要設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)、事件報(bào)警數(shù)據(jù)、航行參數(shù)、測(cè)深數(shù)據(jù)、安全信息等至機(jī)務(wù)中心站，實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)監(jiān)控。同時(shí)設(shè)計(jì)了航標(biāo)維護(hù)船載診斷服務(wù)子系統(tǒng)，根據(jù)柴油機(jī)熱工報(bào)警信息初步診斷故障原因，并提出對(duì)策。

目前船載故障診斷功能處于低級(jí)階段，在下一步系統(tǒng)設(shè)計(jì)將增加傳感器 (費(fèi)用較昂貴)的高級(jí)診斷功能技術(shù)接口，如瞬時(shí)轉(zhuǎn)速、油液在線監(jiān)測(cè)診斷等，達(dá)到真正意義上的故障診斷功能，實(shí)現(xiàn)航標(biāo)維護(hù)船舶在線智能診斷，同時(shí)將航標(biāo)維護(hù)船舶監(jiān)控信息融入維修管理系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)航標(biāo)維護(hù)船舶資產(chǎn)的數(shù)字化管理。

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In this paper，the function requirements of inland buoy maintenance ship＇s digitalized monitor system are analysed，the systematic whole framework composed of data collection，data transmission and data application is proposed，ship－shore communication protocol is designed.Engine room monitoring system and navigation status of inland buoy maintenance ship are constructed，and corresponding information management software is developed.

inland waterway;buoy maintenance ship;digitalized monitoring system

U644.8

C

1001－8328(2012)05－0032－04

西部交通科技建設(shè)項(xiàng)目 (201132854810)

呂永祥 (1959-)，男，湖北洪湖人，高級(jí)工程師，大學(xué)本科，從事航道信息化研究。

2012－04－09