基于船联网的内河船舶装载量远程监测系统

2018-04-23于全虎邹学义

船电技术 2018年3期

于全虎，邹学义

（江苏省船舶设计研究所有限公司，江苏镇江 212003）

0 引言

至2015年末，全国内河运输船舶数量15.25万艘，净载重量12494.01万吨，装机功率3278.81万千瓦；内河船舶运输占据水路运输载重量和装机功率均约45%，对内河船舶能耗和载运量进行远程监控与信息共享，无疑是水运行业提高能效，实现节能减排的重要措施。2012年国家物联网应用示范工程—船联网建设项目启动，各地相继开展了船联网创新、研究和应用工程。目前内河船联网的主要应用之一是对运输船舶进行能耗和载运量监测，最终形成较为完善的营运能效分析及监测。针对当前大部分船舶仍旧使用人工油耗计量方式，导致油耗测量数据误差大、时效性较差的现状，综合电子智能检测和物联网技术，国内已研究、研制出船舶油耗在线监测系统及相关设备[1-3]，可实现对船舶油耗进行远程实时监测和管理。船舶远程油耗监测数据结合装载量数据进行综合分析，可更准确地考核船舶营运效益，为提升船舶的能效设计指数（EEDI）和能效营运指数（EEOI）提供参考。

1 相关技术研究现状

船舶装载量的测量是船舶装载仪的最重要组成部分之一，船舶装载仪的核心是在一定的硬件支撑下的强大图形化界面软件，它可即时计算任意载况（航行状态或在港状态）的排水量、艏艉吃水、初稳性和横摇周期等；计算船体各肋位静水弯矩、静水剪力并绘制曲线；估算各装载情况的船舶中拱、中垂值，图文显示总纵强度衡准情况；可绘制稳性曲线及进行稳性衡准（含谷物稳性衡准）；亦可绘制驾驶盲区图、计算载货量；控制压载水注入和排出自动调整船舶纵倾；按装卸步骤进行装载顺序计算直至装卸结束等。其功能非常强大且价格昂贵，现有装载仪基本上只适用于大型运输船舶。

以往为确保船舶的航行与过闸安全、控制超载营运，船舶吃水超限检测方法主要有人工检测、基于图像处理技术的水尺读数识别技术、激光水位测量法、超声波阵列法等。国内目前已开展了相关专题研究，如长江三峡通航管理局汤伟毕等研究了一种应用在升船机上的船舶动态吃水检测系统及装置。该检测系统应用了单波束仰扫技术（基本原理见图1），将多个单波束超声波传感器按顺序排列，传感器发射端发出固定频率的超声波，船舶从传感器阵列经过时，船底反射的超声波被传感器阵列接收端接收，从而检测出船舶动态吃水信息，计算出船舶装载量[4]。类似这类外部测量方式，不仅基础建设投资巨大且只在船舶进入船闸时才可测得相应的船舶吃水。

大量在运河及其支流中营运的内河船舶装载量普遍低于3000吨，船舶造价相对不高，对这部分船舶的吃水和装载量进行实时监测，既需要满足监测精度要求，同时系统价格不能太高，才利于推广应用，可利用已搭建的船联网为基础信息平台进行远程监控。

帕金森病为一种终身性神经系统疾病,在中老年人群中发病率较高,且随着老龄化的增长发病几率日益增加[4]。在临床研究中帕金森病的病因尚未清楚,其致病机理主要为中脑内黑质致密部神经元退变,纹状体内神经递质不足,导致异常多巴胺代谢,从而引起的神经系统慢性退行性病变,使患者有不同程度的神经、精神障碍,严重者影响正常生活[7]。

江苏省以“国家物联网应用示范工程”为契机，研究组建江苏段京杭运河和苏南高等级航道的智能航运信息综合服务（船联网）平台，以达到对航行环境的全方位感知、监控和综合信息服务的目的，该系统一主二分架构方案见图2所示[5]，内河船舶装载量远程监测系统的运行以该平台为基础平台。

2 系统方案

2.1 总体架构

内河船舶装载量远程监测系统采用吃水传感器探测船舶多个位置的吃水数据，结合数据采集电路等硬件设计，以及数据滤波算法、装载量计算、传感器安装方案等关键技术研究，实现了实时采集船舶装载量和横倾、纵倾状态数据，并可与现有船舶远程能耗监测系统单独或合并应用。合并应用时两系统构成的融合系统可实时采集船舶发动机油耗、转速、船舶装载量、航速、船舶经纬度等数据，一方面显示在船舶控制室的显示屏上，同时将数据发送至航道管理部门专用网络中心，存储于后台数据管理中心，由后台软件系统对数据进行统计、分析、搜集，并将相关信息发送到用户终端或移动智能终端。系统架构设计见图3所示。

2.2 总体方案

系统测量设备为分别安装于船艏、船艉左右舷位置的3个吃水传感器，吃水传感器低位进水口与舷外水连通，吃水传感器上的变送器将船舶该处的实时水位转化成电信号送入采集及控制器，控制器和显示单元之间通讯，将采集的数据实时传给上位机监测及处理软件，利用控制理论算法对吃水传感器测得的数据进行处理及计算，得到船舶运行时的船舶吃水和装载量，此外还能设置横倾角、纵倾角的报警角度。总体方案如图4所示。

2.3 吃水传感器

目前可以用于船舶吃水测量的传感器主要有压力变送式、浮子式、电极式、线程指示式、超声式、雷达式、激光式等，测量精度、稳定性和维护性存在差异，其中超声式、雷达式、激光式测量精度较高，稳定性好，但价格较高且维护性较差。选型时需综合考虑测量精度、性价比、应用场合的各种限制条件，主要有价格、安装空间、产品特性、被测物属性、安装要求和维护成本等。此外，吃水传感器的数据输出方式有脉冲输出、标准电压输出、标准电流输出和数字量通讯方式输出等，还应结合系统构成时的其它硬件环境条件统筹考虑。通过对可用于船舶吃水测量的传感器在采购成本、参数指标、输出特性、电磁兼容性、船用环境条件、安装要求、维护要求等方面进行研究分析，确定性价比高、维护方便、性能稳定的船用磁性浮子式液位计作为吃水测量传感器。为确保传感器在船舶上能安全、可靠、稳定地长期工作，对传感器的安装接口形式、材质、浮球比重、量程范围及零点位置需根据实际情况做明确要求。

2.4 采集及控制器

传感器输出信号经过滤波电路之后仍然为模拟量，需要通过A/D转换芯片将模拟信号转化成CPU能处理的数字信号，采样电路中采用MAXIM公司的MAX125[7]作为A/D转换芯片，为确保采样模拟信号不出现失真现象，采样频率必须至少满足香农定理，高采样频率除了能保证信号的完好性，对进一步提高程序判断的准确性也特别重要[6,7]。因此，采集电路中设计的采样频率为相对较高的1200 Hz。

作为公共必修课，高校思想政治理论课往往采取大班上课的形式，每个教学班有一百人左右。开展活动时，需要将班级学生划分成小组，每组三到五人，并排好先后顺序。如果一个班是由几个小班或不同专业的人组合而成，可以由各班级轮流展开，具体小组的人员组合由学生自己确定，最大可能地发挥学生的自主性。时事新闻评论可以每周进行一次。每组学生课下进行充分准备，上台展示前要将展示的内容向教师报告，教师给予具体的指导和修改意见，由小组成员共同修改完善。每组展示的时间最长不超过15分钟，展示时教师要提醒学生注意时间限制，内容要简练，新闻要素要有条理，语言不能过于偏激。

采集电路需要解决的是吃水传感器发出数据的实时采集问题，由于船舶不仅温、湿度环境恶劣，而且还存在如发电设备、通导设备等多种强弱电设备产生的复杂电磁环境，采样电路中无法避免高频干扰信号窜入模拟通道，而电源电路大多数基于工频分量，为确保控制器能正常工作，采样电路必须设置模拟低通滤波器，在采样之前电源信号可以通过低通滤波器，使采集电源信号的频率分量限制于一定频带之内[6]。

1）采集电路

2）DSP微处理器

采用TMS320F2812作为DSP微处理器构成整个采集控制器各功能模块的核心，由于DSP系统需要有自恢复功能，所以使用MAX706系列多功能微处理器监控器作为CPU监控器，具备监控功能和上电自动复位功能、人工复位功能及低电压报警功能[6,8]。

排水量的精确计算过程就是船舶横剖面的分段面积沿船长方向上的积分过程，上述算法一是要确保总体精度要求的实现；二是要适应单片机系统的计算能力。通过与精确算法的比较，上述算法的相对误差完全可以控制在2%以内，经“水运机1098”货船分别装载废钢、沙石实例检测相对精度约为1.6%。

她问我你找谁？有事吗？我说，我他妈的说什么好呢。在这一辈子里，我还从来没有如此窝囊过。我为自己能够吃上一顿饱饭就得去乞讨？我还是个男人吗？

小波变换是按照二进制的方式进行时频分解，但仅对低频部分进行分解，使得高频部分的频率分辨率降低，低频部分的时间分辨率变差。小波包变换方式可解决小波分析的不足，具有多层次分解的能力，能够对没有分解的高频部分进行分解，提高时频分辨率。对原始采集信号进行小波包降噪的结果如图5所示。

4）通信接口

传感器安装方案必须依据船舶完工稳性计算资料（空载与满载的浮态变化范围），结合传感器的形式来确定传感器的具体安装位置与量程范围。艉部左、右舷吃水传感器的进水管分别与原船上江水门的供水总管连接；艏部传感器安装在艏部左舷，设计了一个小型专用江水门。由于传感器的零点无法安装于船底，必须留有一定的底部距离（定值），其零点位置不能高于空船时的安装点吃水，传感器的读数加上相应定值即为相应测量点的船舶吃水。内河水质含有较多的漂浮杂物和泥沙，为了防止传感器阻塞故障和便于清理，在传感器的进水管路上装设了水滤器。吃水传感器安装示意见图6。

主要采用工业以太网、RS485总线两种方式与其它设备通信。

可以培养无机化学兴趣小组，在课后实验室可以向兴趣小组开放，增加无机化学的探索实验，培养兴趣小组认真细致的实验态度，娴熟的操作技巧，为以后专业操作课打下坚实的基础[5]。同时也可以适当安排兴趣小组的同学协助实验准备教师准备实验试剂，在协助老师的同时，他们的操作技能也得到了提升。

2.5 数据滤波算法

系统实际运行中采集到的吃水传感器信号含有大量的噪声信息，会对船舶装载量的测量造成干扰，可以采用小波分析方法进行传感器数据滤波、消噪。

2.5.1 小波分析

傅里叶变换长期是时域和频域转换中线性信号的主要处理方法，由于实际瞬变信号范围远大于平稳信号且更复杂，所以信号中每时刻的频域特征都很重要，而傅里叶谱是对信号在整个时域内的积分，无法对局部化信号进行分析。

小波分析是一种新的时频域信号分析法，对非平稳信号的处理比时频分析法效果更好，能够处理时频变换问题及对傅里叶变换无法处理的高频信息进一步细化，实现高频处时间细分和低频处频率细分，具有自适应的时频信号分析能力。小波分析法还是一种窗口面积固定但形状可变，时间窗和频率窗都能改变的时域局域化分析法，在低频部分具有较高的频率分辨率和较低的时间分辨率，在高频部分具有较高的时间分辨率和较低的频率分辨率。小波变换是空间（时间）和频率的局部变换，能有效地从信号中提取信息，通过伸缩和平移等运算功能对函数或信号进行多尺度的细化分析[9-12]。

（2）提高任课教师的实践水平，具体可以通过“走出去和引进来”方法实现。走出去就是鼓励教师参加社会实践，让任课教师到银行国际结算业务部或比较大型的外贸企业进行参观、实践。将自身具备的专业知识与实际业务相结合，获取最新的业务做法，将前沿实践操作带进课堂。为了鼓励教师积极进行调研、培训、挂职锻炼，建议高校对教师参加实践和课堂授课给予同等待遇，同时将实践能力作为教师职称评定、岗位竞聘、评优评先等晋升的条件之一，从而达到调动教师参与实践的积极性，全面提高专业教师实践水平的目的。

2.5.2 小波包分析

温度检测器件采用“一线式”数字传感器18B20，通过简单编程即可实现9～12位的数字值单总线读数方式，并可实现被测温度直读，系统的抗干扰性也较好[6]。

3 传感器安装方案

在后续管护方面，在立项申报时项目实施主体须制定切实可行的后续管护方案，明确责任主体和管护措施，区县农发办提供技术支持，管护不力的应追究责任。

4 装载量计算

4.1 排水量计算

根据船舶3点吃水数据结合型线图、静水力数据可计算出船舶排水量：

5）根据船舶静水力学数据得出船舶排水量：

在自适应加速度分离算法中,首先设定一个加速度阈值,假如加速度计测得数据与重力加速度的相差超出该阈值,表示运动产生的加速度对加速度计测量数据产生了一定的影响,此时进行加速度计分离算法。当运动产生的加速度影响较小时,判定条件为:

a)根据船舶型线图中型值数据计算出船舶静水力学数据；

b)用静水力学数据中相应吃水值对应的总排水量和每米纵倾排水量变化值，分别拟合出吃水与排水量、吃水与每米纵倾排水量变化值的回归方程；

秀容月明对那踩藕人说：“大哥你别急，我来教教她。”走近乔瞧，说：“你用手扶住身边那枯荷，用脚尖顺着荷梗往下探，踩着硬硬的东西没有？踩着了就好，你再试试看，它是不是长长的、滑滑的，不扎脚是吧，那就是藕了。这个时候你要有耐心，你用脚趾把藕旁边的泥剔开……”

c)用吃水与总排水量、吃水与每米纵倾排水量变化值的回归方程，以及实时的船舶平均吃水得出排水量和每米纵倾排水量变化值；

式（6）中各参数：

Δ ：实时的船舶排水量，t；

目前各国及地区的反贪法的结构形式可以分成三种类型:第一类是按章、节、条文排列的结构形式;第二类是只按条文顺序排列的结构形式;第三类是按一、二、三顺序排列的结构形式。作为一部具有宏观指导意义的法律，我国的《反腐败法》应是一部对反腐败实体法和程序法、本法的效力、反腐败机构、举报、调查、侦察权限、证据制度、起诉、审判、预防等内容分别作出立法规定的重要法律，因此宜用第一种类型作为本法的结构形式。

Δ0：平均吃水得出的排水量，t；

dF：艏垂线处平均吃水，m；

dA：艉垂线处平均吃水，m；

3）按#2接地变保护装置的复归键，告警信号正电仍存在，后台光字牌仍亮（#1、3接地变及#1、#2站用变情况相同）

δΔ：平均吃水得出的每米纵倾排水量变化值，t/m；

4.2 船舶装载量计算

在上述船舶排水量计算方法的基础上进一步可计算得出船舶装载量：

3) 紧急停车功能。当发生紧急情况需立即停车时，按下“紧急停车”按钮，输出故障停车信号至遥控控制模块、LCU和DCU控制主机停机，同时直接控制燃油泄放阀动作，确保主机快速停止转动。

1）船舶空船时用上述方法测量和计算得出船舶空船排水量；

绩效审计的目的是审查受托管理责任，确定被审计对象的管理是否有效，审计重点是经济性、效率性和效果性。因此，有效开展绩效审计是加强内部控制监督的一个重要手段，应将被审计对象的财务活动和整体活动有机整合，全方位、全过程地把握活动的绩效。

3）温度检测电路

5 结语

内河船舶装载量远程监测系统应用是基于江苏省船联网平台的搭建，目的是满足在内河船舶特别是数量庞大的中小型船舶上推广应用的需求，具备高性价比和实用化的系统精度。研究过程中融合了船舶力学计算原理和TMS320F2812 DSP的计算能力，实现了有效的计算方法及船舶姿态补偿。通过对测量传感器的安装结构设计、采集信号数字滤波处理，解决了系统设备装船的电磁兼容性、横摇与涌浪的干扰及水质条件较差对系统测量的影响等问题，经实船安装试验，达到预期效果。

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2017年我国成功实施了海域天然气水合物首次试采，创造了持续时间最长、产气总量最大的试采世界纪录，取得了理论、技术、工程、装备的自主创新，实现了历史性突破，向产业化迈出了关键一步。

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