智能船舶异常状态监测系统设计与实现

1、学号：1049731502297式修理）火挈课程论文题目水路交通监控技术学院能动学院专业交通运输工程班级能动153班姓周林指导教师毛菇2016年1月15日船舶智能监控系统的设计与实现摘要长航局在总值班室的基础上，于2006年成立了长江航运应急指挥中心，负责指挥、协调和指导长江干线航运突发事件应急处置工作。长江航运应急指挥平台能够充分整合现有技术和资源做好应急处置工作。然而，长江航运应急指挥平台对船舶的监控主要基于现有的AIS与VTS现有系统存在不能及时主动的发现船舶异常状态如翻沉或者碰撞。为了克服原有系统的缺点，可以在长江航运应急指挥平台的基础上增加一种智能船舶异常状态监控系统。该系统基于蜂窝

2、网络通信技术，利用三轴陀螺仪只能监控水上船舶状态，实时向长江航运应急指挥平台报告船舶状态。本文着重介绍了该系统的结构、功能和实现过程。关键词：监控系统；信息处理；智能报警；船舶1.引言长江航运应急指挥平台在对水上船舶监控上主要长江沿线的长江海事局的AIS与VTS系统。但是，目前AIS的使用还是处于一个过渡期间，还有许多不足之处需要完善。1、VTS工作人员利用AIS能够自动获得船舶的一系列相关信息，但是这个信息获取是有一个前提的，那就是船舶必须都安装了AIS设备并且正在使用中。而目前，由于AIS系统昂贵，还有大量的非公约船、公约船该安装AIS设备而还未安装，或者已安装了AIS但是设备并没有处于实

3、际使用状态，这样VTS就不能自动获取这些船舶的信息，而必须依靠雷达来主动探测发现这些目标进而对它们进行有效监控。2、通常情况下，AIS所能处理的目标数量是足够的，但是毕竟是有限的。当VTS辖区内的船舶数量由于港区封航等突发原因而大量增加时，AIS就有可能存在目标录取不完整的情况，容易因录取目标数量满而漏过一些船舶，使得VTS不能对它们进行监控。而相比之下，VTS的雷达系统所能录取处理的目标数量远大AIS,上述可能性很小。3、AIS和VTS只能在一个宏观的角度对船舶状态进行监控，对于船舶真正发生事故或者翻沉等异常状态不能主动及时得识别和报警。针对现有的VTS与AIS系统对船舶异常状态实时监控的不

4、足，现提出一种智能船舶异常状态监控系统，系统能独立运行或者集成到现有的VTS和AIS系统中作为辅助系统。该系统能够实施监测船舶在上下左右前后六个方向的重力加速度，以判断船舶运行状态。当船舶在任一方向上出现异常状态，系统能够自动发出报警信息，警示相关交通管理人员。2系统功能2.1 实时监测船舶状态现有的在长江海事局对船舶的监控基本都是采用AIS与VTS系统，这两个系统都只能对船舶进行宏观上的监控，无法真正具体的监控一艘船舶的实时状态以及对船舶航行状态的精确化监测1-2。船舶智能监控系统通过安装于船上的终端设备上的传感器能够精确的监控船舶的航行状态，并且通过无线通信模块将船舶航行状态数据实时的发送

5、到监控系统中。2.2 全自动的报警现有的AIS与VTS系统对船舶的监控基本只能实现人工判断，很难在第一时间发现船舶的异常状态3。船舶智能监控系统通过对船舶航行数据的实时监测和分析，不仅仅能够将船舶航行状态数据实时呈现到监管人员那里，还能够自动监测数据是否异常，当系统监测到数据出现异常或者一段时间内无法接收到数据将会自动发出警报，提醒监管人员。3.系统设计3.1 系统组成3.1.1 系统总体设计智能船舶异常状态监测系统是一个结构简单、功能明确的系统，主要由船载监测终端和服务器接收端两个主要部分构成一个船舶异常状态监测系统。系统总体结构如图1。图1智能船舶异常状态监测系统总体示意图3.1.2 船载

6、终端设计在船载终端上，主要有两个功能模块，包括船舶状态监控模块和通信模块。船舶状态监控模块主要使用三轴陀螺仪来对船舶姿态和运行状态进行监控。陀螺仪(Gyroscope),是一种用来传感与维持方向的装置，基于角动量守恒的理论设计出来的。陀螺仪主要是由一个位于轴心且可旋转的轮子构成。陀螺仪一旦开始旋转，由于轮子的角动量，陀螺仪有抗拒方向改变的趋向。陀螺仪有单轴陀螺仪和三轴陀螺仪，单轴的只能测量一个方向的量，也就是一个系统需要三个陀螺仪。而三轴陀螺仪可同时测定6个方向的位置，移动轨迹，加速。所以一个三轴陀螺仪就能替代三个单轴陀螺仪。三轴陀螺仪多用于航海、航天等导航、定位系统，能够精确地确定运动物体的

7、方位。陀螺仪示意图如图2。图2陀螺仪如今也多用于智能手机当中，比如最早采用该技的苹果iPhone4。其实iPhone4采用的“三轴陀螺仪”，也叫微机械陀螺仪也可称作MEMS陀螺仪。芯片内部含有一块微型磁性体，可以在手机进行旋转运动时产生的科里奥力作用下向X,YZ三个方向发生位移，利用这个原理便可以测出手机的运动方向和加速度。而芯片核心中的另外一部分则可以讲有关的传感器数据转换为iPhone4可以识别的数字格式，所以，当该系统运行时，无论你将iPhone4上移或者甩动，里面的芯片接受指令就会向iPhone4的CPU传输数据，使得iPhone4能够做出正确的回应。由于纯机械式陀螺仪相对电子陀螺仪体

8、积更加大而且稳定性差，所以在在船载状态监测终端中，可以选用类似于智能手机上的微机械陀螺仪。这样能够使监测终端更加紧凑并且降低成本便于普及。在船载监测终端中嵌入一个微处理器，对三轴陀螺仪得到的监测数据进行实时分析和处理，计算得到相应的船舶航行状态数据。为了保证通信的有效性和实时性，在船载监测终端的通信模块采用蜂窝数据网络技术。当前的移动通信网络技术已经发展到第四代，也就是我们现在经常听说的4G技术，除了4G技术以外，目前广泛在用的还有3G和2G通信技术。3G与2G网络最主要区别是在传输声音和数据的速度上的提升，它能够在全球范围内更好地实现无线漫游，并处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式，提供包括

9、网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务，同时也要考虑与已有第二代系统的良好兼容性。为了提供这种服务，无线网络必须能够支持不同的数据传输速度，也就是说在室内、室外和行车的环境中能够分别支持至少2Mbps（兆比特/每秒）、384kbps（千比特/每秒）以及144kbps的传输速度（此数值根据网络环境会发生变化）。综合考虑2G、3G和4G在通信速度、稳定性以及成本，在船载状态监测终端的通信模块中优选3G通信作为合适的通信手段。船载通过将船舶状态监控模块和通信模块集成在一个高度集成的电路中，可以实现将整个船载终端高度集成，大小类似智能手机，可以很大程度降低成本有利于普及。终端模块设计如图3。图3船

10、载终端模块设计3.1.3 服务接收端设计得益于国内移动通信的持续快速发展，移动网络在基本实现国内全覆盖，尤其是长江流域通航地区都是经济发展较为的快速的地区移动网络基站数量庞大。所以，采用依托现有的通信基站基本可以实现长江流域的信号接收和全部监控。对于个别特殊流段，仅仅需要建设少部分基站便可。船载监测终端想监测数据经通信网络传达到基站，然后传输的服务器。服务器端接收有移动信号传输的船舶状态个加速度信号，当收到有船载监测终端传达的异常信号是，产生相应的警告信息，并推送到VTS或者AIS系统中显示。3.2 船舶异常状态说明船载监测终端实时获取并监测由三轴陀螺仪得到的上下左右前后6个方向的加速度数据和

11、船体姿态数据。由这些数据通过相应的计算判断就可以得到船舶航行的瞬时动态数据。船舶在正常直线加速、减速或者匀速航行的状态下，水平前后的加速度值都会有相应规律体现。加速航行过程中水平前后加速度向前，减速航行过程中水平前后加速度方向向后，匀速航行过程中水平前后加速度没有变化。并且由于船舶往往质量非常大，加减速过程中加速度很小，具体合理的加速度值范围有不同的船型决定。船舶在转弯过程中由于惯性和离心力作用，水平方向上左右的加速度会发生变化，并且船舶正常转弯过程中往往速度较慢，转弯的较缓，往往也不会产生过大的左右方向加速度。竖直方向上加速度的变化往往是由于船舶在航行过程中遇到较大的浪导致船舶在竖直位置上出

12、现较大的变化，产生加速度。图4船舶异常状态下加速度变化方向当船舶出现碰撞事故时，由于在碰撞中船舶水平方向上速度发生急剧变化，往往会产生超出正常值范围很多的加速度值。或者当船舶倾覆的时候，竖直方向上的加速就会出现持续性的颠倒或者值得异常。通过对船载监测终端中的三轴陀螺仪数据的分析可以捕捉到船舶的异常状态，如图3。3.3 系统工作流程(1)数据采集：实时获取并监测由三轴陀螺仪得到的上下左右前后6个方向的加速度数据和船体姿态数据。(2)数据分析：并通过终端上的微处理器计算得到相应的船体运行状态数据，并判断数据是否异常。(3)数据发送：船舶航行状态数据经由船载监测终端的通信模块对外发出。若船载监测终端

13、在本地检测到数据出现异常，则向服务端发送一个警告信息。(4)数据接收：移动通信基站接收到数据后传输到服务器端，服务器端对接收的数据进行进一步分析处理。(5)数据显示：经过服务器进一步处理的船舶状态数据经过匹配将会被集成到AIS系统和VTS系统中进一步完善船舶监控信息。(6)事故提醒：如果服务器端接收到一条船载监测终端发出的警报信息，将会立即将相关警报信息推送到航运应急指挥平台的监控人员那里。4 .总结与展望船舶智能监控系统能够很大程度上弥补VTS和AIS系统在船舶监控中的不足，实现更加主动更加精确的船舶状态监测，并且能够实现自动发现异常和报告异常，并在第一时间发现事故。将系统整合到长江航运应急指挥平台能够更加完善现有技术和资源利用做好应急处置工作，为应急与救援争取更多的时间，提高救援成功率。船舶在水上可能遭遇的特殊状态多种多样，目前船舶智能监控系统只能依据三轴陀螺仪来获取船舶碰撞，翻沉等异常状态。而对于其他的有碍于航运安全的异常状态尚且无法监测。在未来，希望通过在船载终端中集成更多的传感器能偶船舶多种状态的监测，更好的保