智能船舶異常狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

1、學號：1049731502297式修理）火挈課程論文題目水路交通監(jiān)控技術學院能動學院專業(yè)交通運輸工程班級能動153班姓周林指導教師毛菇2016年1月15日船舶智能監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)摘要長航局在總值班室的基礎上，于2006年成立了長江航運應急指揮中心，負責指揮、協(xié)調(diào)和指導長江干線航運突發(fā)事件應急處置工作。長江航運應急指揮平臺能夠充分整合現(xiàn)有技術和資源做好應急處置工作。然而，長江航運應急指揮平臺對船舶的監(jiān)控主要基于現(xiàn)有的AIS與VTS現(xiàn)有系統(tǒng)存在不能及時主動的發(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，可以在長江航運應急指揮平臺的基礎上增加一種智能船舶異常狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于蜂窩

2、網(wǎng)絡通信技術，利用三軸陀螺儀只能監(jiān)控水上船舶狀態(tài)，實時向長江航運應急指揮平臺報告船舶狀態(tài)。本文著重介紹了該系統(tǒng)的結構、功能和實現(xiàn)過程。關鍵詞：監(jiān)控系統(tǒng)；信息處理；智能報警；船舶1.引言長江航運應急指揮平臺在對水上船舶監(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能夠自動獲得船舶的一系列相關信息，但是這個信息獲取是有一個前提的，那就是船舶必須都安裝了AIS設備并且正在使用中。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設備而還未安裝，或者已安裝了AIS但是設備并沒有處于實

3、際使用狀態(tài)，這樣VTS就不能自動獲取這些船舶的信息，而必須依靠雷達來主動探測發(fā)現(xiàn)這些目標進而對它們進行有效監(jiān)控。2、通常情況下，AIS所能處理的目標數(shù)量是足夠的，但是畢竟是有限的。當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，AIS就有可能存在目標錄取不完整的情況，容易因錄取目標數(shù)量滿而漏過一些船舶，使得VTS不能對它們進行監(jiān)控。而相比之下，VTS的雷達系統(tǒng)所能錄取處理的目標數(shù)量遠大AIS,上述可能性很小。3、AIS和VTS只能在一個宏觀的角度對船舶狀態(tài)進行監(jiān)控，對于船舶真正發(fā)生事故或者翻沉等異常狀態(tài)不能主動及時得識別和報警。針對現(xiàn)有的VTS與AIS系統(tǒng)對船舶異常狀態(tài)實時監(jiān)控的不

4、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)能獨立運行或者集成到現(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方向的重力加速度，以判斷船舶運行狀態(tài)。當船舶在任一方向上出現(xiàn)異常狀態(tài)，系統(tǒng)能夠自動發(fā)出報警信息，警示相關交通管理人員。2系統(tǒng)功能2.1 實時監(jiān)測船舶狀態(tài)現(xiàn)有的在長江海事局對船舶的監(jiān)控基本都是采用AIS與VTS系統(tǒng)，這兩個系統(tǒng)都只能對船舶進行宏觀上的監(jiān)控，無法真正具體的監(jiān)控一艘船舶的實時狀態(tài)以及對船舶航行狀態(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船舶航行狀態(tài)數(shù)據(jù)實時的發(fā)送

5、到監(jiān)控系統(tǒng)中。2.2 全自動的報警現(xiàn)有的AIS與VTS系統(tǒng)對船舶的監(jiān)控基本只能實現(xiàn)人工判斷，很難在第一時間發(fā)現(xiàn)船舶的異常狀態(tài)3。船舶智能監(jiān)控系統(tǒng)通過對船舶航行數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測和分析，不僅僅能夠?qū)⒋昂叫袪顟B(tài)數(shù)據(jù)實時呈現(xiàn)到監(jiān)管人員那里，還能夠自動監(jiān)測數(shù)據(jù)是否異常，當系統(tǒng)監(jiān)測到數(shù)據(jù)出現(xiàn)異?；蛘咭欢螘r間內(nèi)無法接收到數(shù)據(jù)將會自動發(fā)出警報，提醒監(jiān)管人員。3.系統(tǒng)設計3.1 系統(tǒng)組成3.1.1 系統(tǒng)總體設計智能船舶異常狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)是一個結構簡單、功能明確的系統(tǒng)，主要由船載監(jiān)測終端和服務器接收端兩個主要部分構成一個船舶異常狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)總體結構如圖1。圖1智能船舶異常狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)總體示意圖3.1.2 船載

6、終端設計在船載終端上，主要有兩個功能模塊，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船舶姿態(tài)和運行狀態(tài)進行監(jiān)控。陀螺儀(Gyroscope),是一種用來傳感與維持方向的裝置，基于角動量守恒的理論設計出來的。陀螺儀主要是由一個位于軸心且可旋轉的輪子構成。陀螺儀一旦開始旋轉，由于輪子的角動量，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方向的量，也就是一個系統(tǒng)需要三個陀螺儀。而三軸陀螺儀可同時測定6個方向的位置，移動軌跡，加速。所以一個三軸陀螺儀就能替代三個單軸陀螺儀。三軸陀螺儀多用于航海、航天等導航、定位系統(tǒng)，能夠精確地確定運動物體的

7、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當中，比如最早采用該技的蘋果iPhone4。其實iPhone4采用的“三軸陀螺儀”，也叫微機械陀螺儀也可稱作MEMS陀螺儀。芯片內(nèi)部含有一塊微型磁性體，可以在手機進行旋轉運動時產(chǎn)生的科里奧力作用下向X,YZ三個方向發(fā)生位移，利用這個原理便可以測出手機的運動方向和加速度。而芯片核心中的另外一部分則可以講有關的傳感器數(shù)據(jù)轉換為iPhone4可以識別的數(shù)字格式，所以，當該系統(tǒng)運行時，無論你將iPhone4上移或者甩動，里面的芯片接受指令就會向iPhone4的CPU傳輸數(shù)據(jù)，使得iPhone4能夠做出正確的回應。由于純機械式陀螺儀相對電子陀螺儀體

8、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上的微機械陀螺儀。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)測終端中嵌入一個微處理器，對三軸陀螺儀得到的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行實時分析和處理，計算得到相應的船舶航行狀態(tài)數(shù)據(jù)。為了保證通信的有效性和實時性，在船載監(jiān)測終端的通信模塊采用蜂窩數(shù)據(jù)網(wǎng)絡技術。當前的移動通信網(wǎng)絡技術已經(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，除了4G技術以外，目前廣泛在用的還有3G和2G通信技術。3G與2G網(wǎng)絡最主要區(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)更好地實現(xiàn)無線漫游，并處理圖像、音樂、視頻流等多種媒體形式，提供包括

9、網(wǎng)頁瀏覽、電話會議、電子商務等多種信息服務，同時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，無線網(wǎng)絡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)絡環(huán)境會發(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。船載通過將船舶狀態(tài)監(jiān)控模塊和通信模塊集成在一個高度集成的電路中，可以實現(xiàn)將整個船載終端高度集成，大小類似智能手機，可以很大程度降低成本有利于普及。終端模塊設計如圖3。圖3船

10、載終端模塊設計3.1.3 服務接收端設計得益于國內(nèi)移動通信的持續(xù)快速發(fā)展，移動網(wǎng)絡在基本實現(xiàn)國內(nèi)全覆蓋，尤其是長江流域通航地區(qū)都是經(jīng)濟發(fā)展較為的快速的地區(qū)移動網(wǎng)絡基站數(shù)量龐大。所以，采用依托現(xiàn)有的通信基站基本可以實現(xiàn)長江流域的信號接收和全部監(jiān)控。對于個別特殊流段，僅僅需要建設少部分基站便可。船載監(jiān)測終端想監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)通信網(wǎng)絡傳達到基站，然后傳輸?shù)姆掌?。服務器端接收有移動信號傳輸?shù)拇盃顟B(tài)個加速度信號，當收到有船載監(jiān)測終端傳達的異常信號是，產(chǎn)生相應的警告信息，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)測終端實時獲取并監(jiān)測由三軸陀螺儀得到的上下左右前后6個方向的加速度數(shù)據(jù)和

11、船體姿態(tài)數(shù)據(jù)。由這些數(shù)據(jù)通過相應的計算判斷就可以得到船舶航行的瞬時動態(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有相應規(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發(fā)生變化，并且船舶正常轉彎過程中往往速度較慢，轉彎的較緩，往往也不會產(chǎn)生過大的左右方向加速度。豎直方向上加速度的變化往往是由于船舶在航行過程中遇到較大的浪導致船舶在豎直位置上出

12、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船舶出現(xiàn)碰撞事故時，由于在碰撞中船舶水平方向上速度發(fā)生急劇變化，往往會產(chǎn)生超出正常值范圍很多的加速度值?；蛘弋敶皟A覆的時候，豎直方向上的加速就會出現(xiàn)持續(xù)性的顛倒或者值得異常。通過對船載監(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：實時獲取并監(jiān)測由三軸陀螺儀得到的上下左右前后6個方向的加速度數(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算得到相應的船體運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，并判斷數(shù)據(jù)是否異常。(3)數(shù)據(jù)發(fā)送：船舶航行狀態(tài)數(shù)據(jù)經(jīng)由船載監(jiān)測終端的通信模塊對外發(fā)出。若船載監(jiān)測終端

13、在本地檢測到數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，則向服務端發(fā)送一個警告信息。(4)數(shù)據(jù)接收：移動通信基站接收到數(shù)據(jù)后傳輸?shù)椒掌鞫?，服務器端對接收的?shù)據(jù)進行進一步分析處理。(5)數(shù)據(jù)顯示：經(jīng)過服務器進一步處理的船舶狀態(tài)數(shù)據(jù)經(jīng)過匹配將會被集成到AIS系統(tǒng)和VTS系統(tǒng)中進一步完善船舶監(jiān)控信息。(6)事故提醒：如果服務器端接收到一條船載監(jiān)測終端發(fā)出的警報信息，將會立即將相關警報信息推送到航運應急指揮平臺的監(jiān)控人員那里。4 .總結與展望船舶智能監(jiān)控系統(tǒng)能夠很大程度上彌補VTS和AIS系統(tǒng)在船舶監(jiān)控中的不足，實現(xiàn)更加主動更加精確的船舶狀態(tài)監(jiān)測，并且能夠?qū)崿F(xiàn)自動發(fā)現(xiàn)異常和報告異常，并在第一時間發(fā)現(xiàn)事故。將系統(tǒng)整合到長江航運應急指揮平臺能夠更加完善現(xiàn)有技術和資源利用做好應急處置工作，為應急與救援爭取更多的時間，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)。而對于其他的有礙于航運安全的異常狀態(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