内河航标维护船监控系统设计研究

吕永祥

(长江航道局，湖北武汉 430010)

内河航标维护船监控系统设计研究

吕永祥

(长江航道局，湖北武汉 430010)

文章分析了内河航标船舶数字化监控系统的功能需求，提出了由数据采集、数据传输和数据应用3个子系统组成的系统整体架构，设计了船岸通信协议，构建了内河航标船舶机舱监控系统与船舶航行状态监控系统，同时开发了航标维护船舶信息管理软件。

内河航道;航标工作船;数字化监控系统

0 引言

内河航标维护船舶是航道管理与养护工作最重要的装备，大力推进内河航标维护船舶管理维护的信息化、数字化、智能化建设，将为实现内河航道现代化发展提供重要支撑。航标维护船是内河航道养护工程船舶最常用的装备，对其机务进行数字化管理将有利于提高航道的维护能力。

本文将构建内河航标船舶机舱监控系统与船舶航行状态监控系统，通过船岸通信，实时上传船舶主要设备关键技术参数、事件报警数据、安全信息、航行参数、测深数据等信息至三级机务中心站，实现对船舶的实时远程监测监控，同时开发了航标维护船舶信息管理系统。

1 数字化监控系统总体架构

1.1 功能需求分析

为了提高现有内河航标维护船智能化、科学化管理水平，内河航标维护船数字化管理系统应具有船端航行监控、作业管理、船端机务管理、状态异常报警、预警处理5个主要功能，如图1所示。

图1 数字机务管理功能图

船端航行监控即实现对航标船舶AIS(automatic identification system，自动识别系统)信息监控，使航标维护船能实时地知道本船信息，如船速、航行、位置等信息，也能获取本船周围的航行环境信息，使航标船舶监控实现现场化、信息化。作业管理系统是指实时采集航标船舶作业数据并将数据通过特定网络传输给航道局的系统，该系统实现了远程监管功能，同时也提高了航标维护船高效作业水平。机务管理功能是利用传感器采集主机、辅机、舵机等设备的各种信息并将这些信息通过总线传输给驾驶舱监控的功能，机务管理系统可以让驾驶人员实时了解各种重要设备的运行参数，从而使它们在最佳条件下运行，降低了设备出现故障的概率，机务管理系统使航标维护船设备监管进入了智能化、现场化、自动化时代。异常报警功能是通过监测航标船舶运行的各种信息，包括航标维护船自身信息和周围信息，自身信息主要是指主机、辅机、舵机等信息;周围信息主要是指TCPA(time to closest point of approach，最近会遇时间)和DCPA(distance to closest point of approach，最近会遇距离)、桥梁、沉船、水深等信息。异常报警系统可以使航标船舶工作人员提前知道本船发生的警险，为工作人员采取应对措施赢取宝贵时间。预警处理功能主要是监管人员根据以前处理措施以及专家知识库，实现对当前出现的各种报警信息自动生成辅助决策信息的功能［1］。

1.2 整体架构

根据以上航标维护船舶机务管理的功能分析可知，内河航标维护船舶数字化管理系统是以各种传感器的采集信息为基础，由数据采集子系统、数据传输子系统和数据应用子系统3部分组成，三者相辅相成、缺一不可，如图2所示［2］。

数据采集系统是获取航标维护船上安装的传感器采集所得数据，包括位置数据、AIS数据和机务数据 (主机、齿轮、油压、温度、转速、电压等数据)，是数字化管理系统中其他应用的基础。数据传输系统是获取采集的各种传感器信息，进行分析和处理后，与其他系统的信息 (如AIS，雷达信息)等助航信息进行融合，通过无线传输上传到管理中心。数据应用系统是利用传感器采集数据和融合数据，为航标维护船或航道局内部监管提供船舶监控、机务监控、航行监控、信息预警、专家决策等应用服务，为航道船舶监管提供更全面、实时的监控信息。

2 数据采集与传输子系统设计

2.1 监测数据分析

由于内河航标维护船属于航道维护公共服务性船舶，其主要任务是管理和维护航标，故其测点主要为机舱数据和作业数据两大类。其中机舱数据主要有左主机、右主机、电站、辅机、舵机、其他设备、测深业务等数据。数据测点如图3所示。

左 (右)主机测点主要是监测主机的一系列信息，如转速、主机水温、主机油压、齿轮箱油温、齿轮箱油压、主机水温、主机超速等信息。电站测点包括电站电压、电站电流、发电机过载3种信息。辅机测点包括辅机水温和辅机油压2种信息。舵机测点有舵角、油泵电源故障、油泵运行异常3种信息。其他测点主要是一些其他设备的测点信息，如艉轴转速、主配电板失电、主配电板绝缘低、舱底水位等信息。测深也是航标维护船的一项任务，测量水深和位置 (GPS)等信息。

2.2 动态信息采集

根据以上测点的各自特点，本文通过以下3种模式采集船舶的传感器动态信息。

1)开关量采集模式。开关量采集模式通常是通过采集输入信息的高低电平，然后经过电平转换器进行处理，将其处理成采集系统可识别的数字逻辑电平，最后将数字逻辑电平输入到系统的采集终端中采集。在本测点中，发电机过载、油泵电源故障、油泵运行异常、主配电板失电、主配电板绝缘低等信息采集属于开关量采集。

2)模拟量采集模式。模拟量采集在信息采集系统中占据领导地位，大多数信息采集都是通过模拟量采集来完成。模拟量采集分为电流采集和电压采集。其中电流采集占据主要地位，传感器输出4～20 mA微弱电流经电流采集板进行处理，将电流信号转换成数字信号，再经过标定和修正处理后，即可获得传感器的采集信息;电压采集主要是通过运放将电压信号缩小 (或放大)在0～5 V范围内，先进行RC低通滤波来增强其抗干扰能力和减小噪声信号影响，再将处理后的信号通过A/D(模/数)转换成数字信号，经标定和修正处理，即可获得传感器采集信息，如上述测点中的主机水温、电站电流、电站电压等。

3)数据总线接口模式。当前部分航标维护船的厂家生产的数字传感器具有标准的总线接口，如485总线、422总线、CAN总线和以太网，其协议层大多采用profibus－DP和modbus协议［3］。通过这些协议，只需要按照设备标准的通信协议就可直接获取传感器的运行状态信息，如上述测点中的AIS、GPS、测深仪、计程仪等信息［4］。

2.3 数据传输子系统架构

航标维护船舶船载系统与指定的机务中心地区分站进行双向通信，必要时也可以直接与中心站进行双向通信。其传输系统架构如图4所示。

所有船舶与中心站的连接均需要通过安全验证;所有管理终端或工作站与中心站的连接均需要通过安全验证。数据传输过程采用高强度加密算法对传输报文进行加密，保证传输数据的安全完整。船端的运行数据、作业数据、设备数据均保存在中心服务器内，所有船舶的历史数据至少保存365天。船端采用无线移动通信技术上传数据，选用3G通信网络设备，同时兼容2G网络［5］。

图4 数据传输子系统架构图

2.4 数据传输协议

内河航标维护船数据通信采用IP网络协议，传输协议可选用TCP或者UDP。船岸通信协议采用数字航道系统中定义的规范数据结构，如图5和表1、表2所示。

图5 数字航道D－T网络协议报文格式图

表1 报文头字段

表2 航道业务数据内容体TLV格式说明

3 数字化管理系统软件设计

3.1 机舱监控子系统

机舱监控子系统采用统一美观的设计风格，提供丰富的机舱监控功能，运行高效、稳定。

3.2 船载监测子系统

船载监测子系统 (OMS)用于获取待上传到中心站的数据，包括工况、报警、船位和测深数据，并在此基础上做一些汇总计算工作。船载监测子系统提供了面向不同机舱监控系统的接口，是一种内部接口，无论是旧船改造，还是新船建造，都经由OMS对外提供统一编码的测点数据，供机务中心的实时监视和汇总统计，形成报警汇总表。

3.3 机务中心子系统

机务中心采用WEB技术，在任意计算机上使用标准的网络浏览器即可使用，通过用户管理控制访问权限。航标维护船工作位置监视显示当前权限范围内所有航标船的位置及工作状态。航标维护船远处报警界面可实现实时报警。

4 结语

数字化管理是航道维护装备的发展趋势。航标是内河最重要的助航设施，航标维护船是航标养护必备的装备。本文对内河航标维护船舶数字化管理技术进行了研究，对船舶监控参数进行了分析，设计了船岸通信子系统，实现了实时上传船舶主要设备关键技术参数、事件报警数据、航行参数、测深数据、安全信息等至机务中心站，实现对船舶实时远程监测监控。同时设计了航标维护船载诊断服务子系统，根据柴油机热工报警信息初步诊断故障原因，并提出对策。

目前船载故障诊断功能处于低级阶段，在下一步系统设计将增加传感器 (费用较昂贵)的高级诊断功能技术接口，如瞬时转速、油液在线监测诊断等，达到真正意义上的故障诊断功能，实现航标维护船舶在线智能诊断，同时将航标维护船舶监控信息融入维修管理系统中，实现航标维护船舶资产的数字化管理。

［1］郭江华，侯馨光，陈国钧，等.船舶柴油机故障诊断技术研究 ［J］.中国航海，2005(4):75－78.

［2］郑士君，褚建新，陈正杰，等.远洋船舶在线监控系统的研究 ［J］.中国航海，2008，31(14):335－340.

［3］万曼影，盛伟瑜，李巍.全数字式机舱监测报警系统［J］.中国造船，2002(2):90－94.

［4］徐绍衡.基于信息平台的船舶监控系统 ［J］.机电设备，2007，24(3):22－25.

［5］贾靖，胡以怀，常勇，等.基于GPRS技术的船舶主机远程监控系统 ［J］.中国水运，2007，5(12):101－102.

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

西部交通科技建设项目 (201132854810)

吕永祥 (1959-)，男，湖北洪湖人，高级工程师，大学本科，从事航道信息化研究。

2012－04－09