智能船舶異常狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、學(xué) 號(hào)： 1049731502297課 程 論 文題 目水路交通監(jiān)控技術(shù)學(xué) 院能動(dòng)學(xué)院專 業(yè)交通運(yùn)輸工程班 級(jí)能動(dòng)153班姓 名周林指導(dǎo)教師毛喆2016年1月15日船舶智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)摘要長航局在總值班室的基礎(chǔ)上，于2006年成立了長江航運(yùn)應(yīng)急指揮中心，負(fù)責(zé)指揮、協(xié)調(diào)和指導(dǎo)長江干線航運(yùn)突發(fā)事件應(yīng)急處置工作。長江航運(yùn)應(yīng)急指揮平臺(tái)能夠充分整合現(xiàn)有技術(shù)和資源做好應(yīng)急處置工作。然而，長江航運(yùn)應(yīng)急指揮平臺(tái)對(duì)船舶的監(jiān)控主要基于現(xiàn)有的AIS與VTS?，F(xiàn)有系統(tǒng)存在不能及時(shí)主動(dòng)的發(fā)現(xiàn)船舶異常狀態(tài)如翻沉或者碰撞。為了克服原有系統(tǒng)的缺點(diǎn)，可以在長江航運(yùn)應(yīng)急指揮平臺(tái)的基礎(chǔ)上增加一種智能船舶異常狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。該

2、系統(tǒng)基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，利用三軸陀螺儀只能監(jiān)控水上船舶狀態(tài)，實(shí)時(shí)向長江航運(yùn)應(yīng)急指揮平臺(tái)報(bào)告船舶狀態(tài)。本文著重介紹了該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和實(shí)現(xiàn)過程。關(guān)鍵詞：監(jiān)控系統(tǒng)；信息處理；智能報(bào)警；船舶1引言長江航運(yùn)應(yīng)急指揮平臺(tái)在對(duì)水上船舶監(jiān)控上主要長江沿線的長江海事局的AIS與VTS系統(tǒng)。但是，目前AIS 的使用還是處于一個(gè)過渡期間，還有許多不足之處需要完善。1、VTS 工作人員利用AIS 能夠自動(dòng)獲得船舶的一系列相關(guān)信息，但是這個(gè)信息獲取是有一個(gè)前提的，那就是船舶必須都安裝了AIS 設(shè)備并且正在使用中。而目前，由于AIS系統(tǒng)昂貴，還有大量的非公約船、公約船該安裝AIS 設(shè)備而還未安裝，或者已安裝了AIS

3、但是設(shè)備并沒有處于實(shí)際使用狀態(tài)，這樣VTS 就不能自動(dòng)獲取這些船舶的信息，而必須依靠雷達(dá)來主動(dòng)探測發(fā)現(xiàn)這些目標(biāo)進(jìn)而對(duì)它們進(jìn)行有效監(jiān)控。2、通常情況下，AIS 所能處理的目標(biāo)數(shù)量是足夠的，但是畢竟是有限的。當(dāng)VTS轄區(qū)內(nèi)的船舶數(shù)量由于港區(qū)封航等突發(fā)原因而大量增加時(shí)，AIS 就有可能存在目標(biāo)錄取不完整的情況，容易因錄取目標(biāo)數(shù)量滿而漏過一些船舶,使得VTS不能對(duì)它們進(jìn)行監(jiān)控。而相比之下，VTS 的雷達(dá)系統(tǒng)所能錄取處理的目標(biāo)數(shù)量遠(yuǎn)大AIS，上述可能性很小。3、AIS和VTS只能在一個(gè)宏觀的角度對(duì)船舶狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)于船舶真正發(fā)生事故或者翻沉等異常狀態(tài)不能主動(dòng)及時(shí)得識(shí)別和報(bào)警。針對(duì)現(xiàn)有的VTS與AIS系

4、統(tǒng)對(duì)船舶異常狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控的不足，現(xiàn)提出一種智能船舶異常狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)能獨(dú)立運(yùn)行或者集成到現(xiàn)有的VTS和AIS系統(tǒng)中作為輔助系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)嵤┍O(jiān)測船舶在上下左右前后六個(gè)方向的重力加速度，以判斷船舶運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)船舶在任一方向上出現(xiàn)異常狀態(tài)，系統(tǒng)能夠自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信息，警示相關(guān)交通管理人員。2系統(tǒng)功能2.1實(shí)時(shí)監(jiān)測船舶狀態(tài)現(xiàn)有的在長江海事局對(duì)船舶的監(jiān)控基本都是采用AIS與VTS系統(tǒng)，這兩個(gè)系統(tǒng)都只能對(duì)船舶進(jìn)行宏觀上的監(jiān)控，無法真正具體的監(jiān)控一艘船舶的實(shí)時(shí)狀態(tài)以及對(duì)船舶航行狀態(tài)的精確化監(jiān)測1-2。船舶智能監(jiān)控系統(tǒng)通過安裝于船上的終端設(shè)備上的傳感器能夠精確的監(jiān)控船舶的航行狀態(tài)，并且通過無線通信模塊將

5、船舶航行狀態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的發(fā)送到監(jiān)控系統(tǒng)中。2.2全自動(dòng)的報(bào)警現(xiàn)有的AIS與VTS系統(tǒng)對(duì)船舶的監(jiān)控基本只能實(shí)現(xiàn)人工判斷，很難在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)船舶的異常狀態(tài)3。船舶智能監(jiān)控系統(tǒng)通過對(duì)船舶航行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和分析，不僅僅能夠?qū)⒋昂叫袪顟B(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)呈現(xiàn)到監(jiān)管人員那里，還能夠自動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)是否異常，當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到數(shù)據(jù)出現(xiàn)異?；蛘咭欢螘r(shí)間內(nèi)無法接收到數(shù)據(jù)將會(huì)自動(dòng)發(fā)出警報(bào)，提醒監(jiān)管人員。3.系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)組成3.1.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)智能船舶異常狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)是一個(gè)結(jié)構(gòu)簡單、功能明確的系統(tǒng)，主要由船載監(jiān)測終端和服務(wù)器接收端兩個(gè)主要部分構(gòu)成一個(gè)船舶異常狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1。圖1 智能船舶異常狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)總體

6、示意圖3.1.2船載終端設(shè)計(jì)在船載終端上，主要有兩個(gè)功能模塊，包括船舶狀態(tài)監(jiān)控模塊和通信模塊。船舶狀態(tài)監(jiān)控模塊主要使用三軸陀螺儀來對(duì)船舶姿態(tài)和運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。陀螺儀(Gyroscope)，是一種用來傳感與維持方向的裝置，基于角動(dòng)量守恒的理論設(shè)計(jì)出來的。陀螺儀主要是由一個(gè)位于軸心且可旋轉(zhuǎn)的輪子構(gòu)成。 陀螺儀一旦開始旋轉(zhuǎn)，由于輪子的角動(dòng)量，陀螺儀有抗拒方向改變的趨向。陀螺儀有單軸陀螺儀和三軸陀螺儀，單軸的只能測量一個(gè)方向的量，也就是一個(gè)系統(tǒng)需要三個(gè)陀螺儀。而三軸陀螺儀可同時(shí)測定6個(gè)方向的位置，移動(dòng)軌跡，加速。所以一個(gè)三軸陀螺儀就能替代三個(gè)單軸陀螺儀。三軸陀螺儀多用于航海、航天等導(dǎo)航、定位系統(tǒng)，能

7、夠精確地確定運(yùn)動(dòng)物體的方位。陀螺儀示意圖如圖2。圖2 陀螺儀如今也多用于智能手機(jī)當(dāng)中，比如最早采用該技的蘋果iPhone 4。其實(shí)iPhone4采用的“三軸陀螺儀”，也叫微機(jī)械陀螺儀也可稱作MEMS陀螺儀。芯片內(nèi)部含有一塊微型磁性體，可以在手機(jī)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的科里奧力作用下向X,Y,Z三個(gè)方向發(fā)生位移，利用這個(gè)原理便可以測出手機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向和加速度。而芯片核心中的另外一部分則可以講有關(guān)的傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為iPhone 4可以識(shí)別的數(shù)字格式，所以，當(dāng)該系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，無論你將iPhone 4上移或者甩動(dòng)，里面的芯片接受指令就會(huì)向iPhone 4的CPU傳輸數(shù)據(jù)，使得iPhone 4能夠做出正確的回應(yīng)

8、。由于純機(jī)械式陀螺儀相對(duì)電子陀螺儀體積更加大而且穩(wěn)定性差，所以在在船載狀態(tài)監(jiān)測終端中，可以選用類似于智能手機(jī)上的微機(jī)械陀螺儀。這樣能夠使監(jiān)測終端更加緊湊并且降低成本便于普及。在船載監(jiān)測終端中嵌入一個(gè)微處理器，對(duì)三軸陀螺儀得到的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和處理，計(jì)算得到相應(yīng)的船舶航行狀態(tài)數(shù)據(jù)。為了保證通信的有效性和實(shí)時(shí)性，在船載監(jiān)測終端的通信模塊采用蜂窩數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。當(dāng)前的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到第四代，也就是我們現(xiàn)在經(jīng)常聽說的4G技術(shù)，除了4G技術(shù)以外，目前廣泛在用的還有3G和2G通信技術(shù)。3G與2G網(wǎng)絡(luò)最主要區(qū)別是在傳輸聲音和數(shù)據(jù)的速度上的提升，它能夠在全球范圍內(nèi)更好地實(shí)現(xiàn)無線漫游，并處理圖像、

9、音樂、視頻流等多種媒體形式，提供包括網(wǎng)頁瀏覽、電話會(huì)議、電子商務(wù)等多種信息服務(wù)，同時(shí)也要考慮與已有第二代系統(tǒng)的良好兼容性。為了提供這種服務(wù)，無線網(wǎng)絡(luò)必須能夠支持不同的數(shù)據(jù)傳輸速度，也就是說在室內(nèi)、室外和行車的環(huán)境中能夠分別支持至少2Mbps(兆比特/每秒)、384kbps(千比特/每秒)以及144kbps的傳輸速度（此數(shù)值根據(jù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境會(huì)發(fā)生變化)。綜合考慮2G、3G和4G在通信速度、穩(wěn)定性以及成本，在船載狀態(tài)監(jiān)測終端的通信模塊中優(yōu)選3G通信作為合適的通信手段。通過將船舶狀態(tài)監(jiān)控模塊和通信模塊集成在一個(gè)高度集成的電路中，可以實(shí)現(xiàn)將整個(gè)船載終端高度集成，大小類似智能手機(jī)，可以很大程度降低成本有利于

10、普及。船載終端模塊設(shè)計(jì)如圖3。三軸陀螺儀微處理器通信模塊圖3船載終端模塊設(shè)計(jì)3.1.3服務(wù)接收端設(shè)計(jì)得益于國內(nèi)移動(dòng)通信的持續(xù)快速發(fā)展，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)在基本實(shí)現(xiàn)國內(nèi)全覆蓋，尤其是長江流域通航地區(qū)都是經(jīng)濟(jì)發(fā)展較為的快速的地區(qū)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)基站數(shù)量龐大。所以，采用依托現(xiàn)有的通信基站基本可以實(shí)現(xiàn)長江流域的信號(hào)接收和全部監(jiān)控。對(duì)于個(gè)別特殊流段，僅僅需要建設(shè)少部分基站便可。船載監(jiān)測終端想監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)通信網(wǎng)絡(luò)傳達(dá)到基站，然后傳輸?shù)姆?wù)器。服務(wù)器端接收有移動(dòng)信號(hào)傳輸?shù)拇盃顟B(tài)個(gè)加速度信號(hào)，當(dāng)收到有船載監(jiān)測終端傳達(dá)的異常信號(hào)是，產(chǎn)生相應(yīng)的警告信息，并推送到VTS或者AIS系統(tǒng)中顯示。3.2船舶異常狀態(tài)說明船載監(jiān)測終端實(shí)時(shí)獲取

11、并監(jiān)測由三軸陀螺儀得到的上下左右前后6個(gè)方向的加速度數(shù)據(jù)和船體姿態(tài)數(shù)據(jù)。由這些數(shù)據(jù)通過相應(yīng)的計(jì)算判斷就可以得到船舶航行的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。船舶在正常直線加速、減速或者勻速航行的狀態(tài)下，水平前后的加速度值都會(huì)有相應(yīng)規(guī)律體現(xiàn)。加速航行過程中水平前后加速度向前，減速航行過程中水平前后加速度方向向后，勻速航行過程中水平前后加速度沒有變化。并且由于船舶往往質(zhì)量非常大，加減速過程中加速度很小，具體合理的加速度值范圍有不同的船型決定。船舶在轉(zhuǎn)彎過程中由于慣性和離心力作用，水平方向上左右的加速度會(huì)發(fā)生變化，并且船舶正常轉(zhuǎn)彎過程中往往速度較慢，轉(zhuǎn)彎的較緩，往往也不會(huì)產(chǎn)生過大的左右方向加速度。豎直方向上加速度的變化往

12、往是由于船舶在航行過程中遇到較大的浪導(dǎo)致船舶在豎直位置上出現(xiàn)較大的變化，產(chǎn)生加速度。圖4 船舶異常狀態(tài)下加速度變化方向當(dāng)船舶出現(xiàn)碰撞事故時(shí)，由于在碰撞中船舶水平方向上速度發(fā)生急劇變化，往往會(huì)產(chǎn)生超出正常值范圍很多的加速度值?；蛘弋?dāng)船舶傾覆的時(shí)候，豎直方向上的加速就會(huì)出現(xiàn)持續(xù)性的顛倒或者值得異常。通過對(duì)船載監(jiān)測終端中的三軸陀螺儀數(shù)據(jù)的分析可以捕捉到船舶的異常狀態(tài)，如圖3。3.3系統(tǒng)工作流程（1）數(shù)據(jù)采集：實(shí)時(shí)獲取并監(jiān)測由三軸陀螺儀得到的上下左右前后6個(gè)方向的加速度數(shù)據(jù)和船體姿態(tài)數(shù)據(jù)。（2）數(shù)據(jù)分析：并通過終端上的微處理器計(jì)算得到相應(yīng)的船體運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，并判斷數(shù)據(jù)是否異常。（3）數(shù)據(jù)發(fā)送：船舶航行

13、狀態(tài)數(shù)據(jù)經(jīng)由船載監(jiān)測終端的通信模塊對(duì)外發(fā)出。若船載監(jiān)測終端在本地檢測到數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，則向服務(wù)端發(fā)送一個(gè)警告信息。（4）數(shù)據(jù)接收：移動(dòng)通信基站接收到數(shù)據(jù)后傳輸?shù)椒?wù)器端，服務(wù)器端對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析處理。（5）數(shù)據(jù)顯示：經(jīng)過服務(wù)器進(jìn)一步處理的船舶狀態(tài)數(shù)據(jù)經(jīng)過匹配將會(huì)被集成到AIS系統(tǒng)和VTS系統(tǒng)中進(jìn)一步完善船舶監(jiān)控信息。（6）事故提醒：如果服務(wù)器端接收到一條船載監(jiān)測終端發(fā)出的警報(bào)信息，將會(huì)立即將相關(guān)警報(bào)信息推送到航運(yùn)應(yīng)急指揮平臺(tái)的監(jiān)控人員那里。4.總結(jié)與展望船舶智能監(jiān)控系統(tǒng)能夠很大程度上彌補(bǔ)VTS和AIS系統(tǒng)在船舶監(jiān)控中的不足，實(shí)現(xiàn)更加主動(dòng)更加精確的船舶狀態(tài)監(jiān)測，并且能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)發(fā)現(xiàn)異常和報(bào)告異常，并在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)事故。將系統(tǒng)整合到長江航運(yùn)應(yīng)急指揮平臺(tái)能夠更加完善現(xiàn)有技術(shù)和資源利用做好應(yīng)急處置工作，為應(yīng)急與救援爭取更多的時(shí)間，提高救援成功率。船舶在水上可能遭遇的特殊狀態(tài)多種多樣，目前船舶智能監(jiān)控系統(tǒng)只能依據(jù)三軸陀螺儀來獲取船舶碰撞，翻沉等異常狀態(tài)。而對(duì)于其他的有礙于航運(yùn)安全的異常狀態(tài)尚且無法監(jiān)測。在未來，希望通過在船載終端中集成更多的傳感器能偶船舶多種狀態(tài)的監(jiān)測，更好的保障長江