实时信息采集的船舶运动分析系统

张暑军

(承德石油高等专科学校，河北承德067000)

实时信息采集的船舶运动分析系统

张暑军

(承德石油高等专科学校，河北承德067000)

摘要:以船舶运动作为研究对象，提出一种基于实时信息采集的船舶运动分析方法，并给出船舶运动分析系统的设计方案。该运动分析系统首先利用传感器进行船舶运动数据的采集，然后通过硬件接口将采集到的输入数据传送给计算机，对数据进行处理、存储与管理，实现对船舶运动状态的分析。该船舶运动分析系统的设计符合船舶向自动化、智能化发展的要求。

关键词:运动分析;信息采集;传感器

Ship motion analysis system based on real time information acquisition

ZHANG Shu-jun
(Chengde Petroleum College，Chengde 067000，China)

Abstract:In this paper the ship motions were studied，and a ship motion analysis method based on real-time information collection was proposed，the design scheme of the system was presented．The motion analysis system used sensors to collect motion data，then the input data were transmitted to the computer through the hardware interface．After that，the computer software realized the analysis of ship motion state by processed，storage and managed the input data．The ship motion analysis system designed in this paper could meet the requirement of ship to automatic and intelligent development．

Key words:motion analysis; data acquisition;sensor

0　引言

随着海上交通运输业的繁荣发展，船舶安全问题成为人们关注的重点问题，航道船舶数量的增多、活动的频繁使得航道交通环境日益恶化，对船舶运动进行实时监测与分析能够为船舶驾驶员提供真实、科学的决策数据，从而能够有效增强船舶预防风险的能力、提高船舶的安全。因此，本文对船舶运动分析进行研究，提出了一种基于实时信息采集方法的船舶运动分析系统。本文结构安排如下:首先给出了船舶运动分析系统的整体设计方案，然后对该方案中的主要内容做出详细介绍，主要包括传感器、数据处理方法及软件功能设计等。

1　船舶运动分析系统

随着传感器技术、信号处理技术、计算机软硬件技术的快速发展，船舶运动测量的仪器和设备也得到了长足发展，使得船舶分析系统逐渐趋向于自动化、集中化与智能化［1］。本文提出的船舶运动分析系统的设计方案运用计算机技术，将测量技术、数据处理与存储技术、嵌入式的监测系统进行集成，形成了自动化的船舶运动分析系统。系统的整体设计方案如图1所示。

整个方案包括以下3部分内容［2］:

1)传感器设备:用于采集船舶运动的相关数据;

2)计算机控制:用来对采集的数据进行处理、存储与管理;

图1　系统的设计方案Fig.1　The design scheme of the system

3)外接设备:用来给除了运动分析系统以外的其他仪器或设备提供数据，以便进行其他分析和研究。

1.1传感器

船舶运动数据包括很多，例如船舶位置、速度、航向、以及航行的环境信息等。较为常用的传感器参见表1。

表1　传感器介绍Tab.1　Sensors introduced

根据传感器的测量要求，本文将传感器的安装分布如图2所示。

图2　传感器安装分布图Fig.2　The sensor installation distribution map

1.2数据处理

数据获取后，需要对数据进行处理，以便对船舶运动进行进一步分析。本文介绍以下2种常用处理方法:

1)最小二乘法

设某一物理量的测量序列数据表示为:

设最佳估计值为a，那么利用最小二乘法则有:

其中vi为Ai的剩余误差。

因为:

则有:

图3　数据处理流程Fig.3　Data processing flow

矩阵的最小二乘法如下:

设测量的线性函数方程为:

式中: kij为系数; yi(i = 1，2，…n)为第i个测量值; Zj(j = 1，2，…N)为第j个待求的参数。

设Zj的最佳估计值为Z^j(j = 1，2，…N)，那么yi的估计值则为:

剩余方程组则为:

变为矩阵形式则为:

所以有:

测量值方差估计值为:

待求参数协方差估计值矩阵为:

2)快速傅里叶变换

快速傅里叶变换是离散傅里叶变换的一种快速变换算法。

FFT:

1.3软件功能设计

本文设计的船舶运动分析系统的软件部分主要

包括以下几个功能模块:

1)显示界面，用来显示相关运动分析的结果;

2)系统检测，通过对采集的数据处理，设定报警机制;

3)系统设置，完成传感器及其他外接仪器的相关参数;

4)数据管理与存储;

5)其他辅助功能。

图4　系统界面设计Fig.4　UI design

2　结语

本文对船舶运动分析进行研究，提出一种实时信息采集的船舶运动分析方法，并给出了实时信息采集的船舶运动分析系统的设计方案。该系统首先利用传感器进行船舶运动数据的采集，然后通过硬件接口将采集到的输入数据传送给计算机，对数据进行处理、存储与管理，实现对船舶运动状态的分析结果的显示与预警。该船舶运动分析系统的设计符合船舶向自动化、智能化发展的要求。

参考文献:

［1］张海涛，哈建林．舟骨舶自动化发展趋势［J］．中国水运(理论版)，2006(5) :10－11．

［2］贾欣乐，王国峰，李志华，等．单人驾驶台航海信息综合处理与显示系统［J］．大连海事大学学报，1996，22(3) :1－5．

［3］黄雄飞，苑秉成，陈喜．平台姿态与多普勒声呐深度测量的关系研究［J］舰船科学技术，2008，30(3) :93－94，106．HUANG Xiong-fei，YUAN Bing-cheng，CHEN Xi．A study of the relationship between platform attitude and depth measuring of Doppler sonar［J］．Ship Science and Technology，2008，30(3) :93－94，106．

［4］张建东．回声测试仪数字系统设计［D］．南京:南京理工大学，2007:1－10．

［5］徐德伦，于定勇．随机海浪理论［M］．北京:高等教育出版社，2001．

作者简介:张暑军(1974－)，男，硕士，讲师，研究方向为软件技术、计算机与信息技术。

收稿日期:2014－12－07;修回日期: 2014－12－28

文章编号:1672－7649(2015) 07－0124－04doi:10.3404/j.issn.1672－7649.2015.07.028

中图分类号:U665．26

文献标识码:A