艦船進(jìn)出港物理場目標(biāo)特性監(jiān)測系統(tǒng)

1 引 言

采用可靠性高的數(shù)據(jù)采集儀器和先進(jìn)的信號處理技術(shù)對設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測，使得對機(jī)械設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測有了正確的數(shù)據(jù)表達(dá)和合理的分析處理功能，并且借助于適當(dāng)?shù)娘@示儀器來顯示設(shè)備狀態(tài)的變化。文獻(xiàn)[1]研究了一種基于現(xiàn)場總線技術(shù)和信息融合理論的遠(yuǎn)程船舶內(nèi)燃機(jī)狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)。文獻(xiàn)[2]將水聲聲吶技術(shù)應(yīng)用于水閘船舶監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計過程并采用定點、定時抽樣及回波測距原理，通過實時數(shù)據(jù)信號處理及智能專家分析技術(shù)，對水閘船舶通行進(jìn)行科學(xué)管理。文獻(xiàn)[3]采用纖維光學(xué)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)了對船體的監(jiān)測。

為了能夠在艦船進(jìn)出港時，較準(zhǔn)確地對其進(jìn)行綜合檢測，需要對艦船的各個物理場目標(biāo)特性進(jìn)行實時監(jiān)測。為此，我們對艦船的各個物理場目標(biāo)特性的信息進(jìn)行采集，同時考慮噪聲、環(huán)境以及檢測設(shè)備等因素影響，需要對所采集的信息進(jìn)行校正處理，并將原始數(shù)據(jù)和處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，然后與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，并給出監(jiān)測報告。隨著艦船投入使用，它的各個物理場目標(biāo)特性也將有所變化，那么用于比較的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)也得隨之調(diào)整，應(yīng)考慮使用年限、性能與使用時間之間的影響。此外，為了全面了解艦船的工作狀況，將根據(jù)艦船進(jìn)出港的歷史記錄對各物理場的趨勢進(jìn)行預(yù)測。因此，需要解決以下3個問題：

1) 各物理場目標(biāo)特性的信息采集及校正處理；

2) 采集并經(jīng)過校正后的信息數(shù)據(jù)與基準(zhǔn)數(shù)據(jù)的比較；

3) 各物理場的趨勢分析。

2 信息采集和校正處理

2.1 信息采集

由于艦船航向、航跡造成與監(jiān)測設(shè)備距離的改變，以及濕度、溫度和能見度等環(huán)境因素都會對各個物理場目標(biāo)特性造成影響，需要對艦船狀態(tài)和各種環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集。鑒于磁場、電場、聲場、紅外場、電磁波場、核輻射場等物理場對艦船的影響較大，這里要采集的物理場目標(biāo)特性主要是磁場、電場、聲場、紅外場、電磁波場、核輻射場等的目標(biāo)特性信息?？紤]到采集信息的傳感器的位置、型號等信息對所測量的信息也有影響，還得記錄下各個傳感器的位置、型號等信息。

2.2 校正處理

對采集的信息數(shù)據(jù)不能立即用于比較，需要進(jìn)行校正。然而，磁場、電場、聲場、紅外場、電磁波場、核輻射場的影響因素不完全相同，例如：對紅外場監(jiān)測結(jié)果有影響的因素很多，諸如高度、斜程、水蒸汽、二氧化碳等吸收散射，但以蒸汽影響最大。而對磁場來說，影響最大的是測量時的磁探頭距艦船位置。因此，對不同的物理場，校正處理的方法也不一樣。這里以磁場為例，進(jìn)行說明。

對磁場校正一般有以下兩個過程：

2) 修正。由于潮位的變化，探頭在垂直位置的測量深度會改變，同時在每一時刻，測量磁探頭離艦船的距離會改變。因此，該時刻該磁場探頭測得的磁場分量Hm應(yīng)換算到標(biāo)準(zhǔn)深度下的值：

3 物理特性比較及趨勢分析

進(jìn)行信息比較所需要用到的信息包括比較參數(shù)、比較標(biāo)準(zhǔn)和比較公式，為了方便比較，這些信息也將保存在數(shù)據(jù)庫中。其中，標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫中的初始標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)主要源于一些常識信息、各個型號艦船的產(chǎn)品說明中的各項指標(biāo)和專家經(jīng)驗等。當(dāng)然，這些信息也并非一成不變的。系統(tǒng)本身可以從經(jīng)驗或現(xiàn)有知識中學(xué)習(xí)，通過系統(tǒng)的自學(xué)習(xí)，使系統(tǒng)經(jīng)?？偨Y(jié)經(jīng)驗和規(guī)律，修正錯誤，增加信息，從而豐富系統(tǒng)本身的信息庫，在很大程度上能夠根據(jù)艦船的使用時間、具體環(huán)境等情況進(jìn)行調(diào)整和判斷艦船的狀態(tài)。從而，形成新的、更貼近艦船實際的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

得到了比較標(biāo)準(zhǔn)后，再從庫中提取的比較參量、比較公式，將經(jīng)過校正后的物理場目標(biāo)特性數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)按比較公式進(jìn)行比較，并給出在允許范圍內(nèi)艦船正常的比較結(jié)果或目標(biāo)特性超出標(biāo)準(zhǔn)允許范圍艦船異常的比較結(jié)果。對艦船異常狀態(tài)發(fā)出報警信號并詳細(xì)提示，彈出異常報告表。

通過調(diào)出艦船以往進(jìn)出港的物理場目標(biāo)特性的歷史數(shù)據(jù)，對艦船物理場目標(biāo)特性趨勢進(jìn)行分析，并繪出該艦船物理場目標(biāo)特性的趨勢圖，從而對艦船狀況進(jìn)行預(yù)測。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)綜述

該系統(tǒng)是在JBuilder 9.0平臺上開發(fā)的[4]，采用的是C/S模式，客戶端將傳感器信息數(shù)據(jù)、修正和換算后的環(huán)境狀態(tài)量、校正后的目標(biāo)艦船航行狀態(tài)，及由各監(jiān)測設(shè)備測量獲取并經(jīng)專用的信號處理設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后的艦船的各種物理場目標(biāo)特性信息數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器端的FTP服務(wù)器，并保存在指定的目錄下。在服務(wù)器上安裝FTP服務(wù)器軟件Serv-u和Oracle 9i數(shù)據(jù)庫[5]。其中，在服務(wù)器上配置Serv-u，客戶端就可以在各個物理場處理計算機(jī)將原始數(shù)據(jù)及預(yù)處理后的數(shù)據(jù)上傳至指定文件夾。Oracle 9i數(shù)據(jù)庫用來存儲傳感器信息數(shù)據(jù)、修正和換算后的環(huán)境狀態(tài)量、修正和換算后的目標(biāo)艦船航行狀態(tài)，及由各監(jiān)測設(shè)備測量獲取并經(jīng)專用的信號處理設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后的艦船的各種物理場目標(biāo)特性信息數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù)，并允許數(shù)據(jù)的查詢、修改、添加和刪除。該系統(tǒng)的部署圖如圖1所示。

圖1 艦船進(jìn)出港物理場目標(biāo)特性監(jiān)測系統(tǒng)部署

系統(tǒng)設(shè)定3種登陸權(quán)限：操作員、監(jiān)測人員、管理員。其中，操作員是客戶端用來實現(xiàn)文件上傳的用戶；監(jiān)測人員可以對艦船物理場目標(biāo)特性進(jìn)行查詢和實時監(jiān)測；而管理員可以對艦船物理場目標(biāo)特性進(jìn)行查詢、實時監(jiān)測及數(shù)據(jù)管理。

該系統(tǒng)界面共有5個下拉菜單：

用戶管理、歷史查詢、實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)上傳。其中:

1) 用戶管理包含兩個子菜單，即切換用戶和用戶信息修改；

2) 歷史查詢包括7個子菜單，查詢整體、查詢磁場、查詢電場、查詢聲場、查詢紅外場、查詢電磁波場和查詢核輻射場；

3) 實時監(jiān)測包括兩個子菜單，即開啟實時監(jiān)測和查看實時監(jiān)測狀態(tài)；

4) 數(shù)據(jù)管理包括2個子菜單，即登錄用戶數(shù)據(jù)管理和監(jiān)測數(shù)據(jù)管理；

5) 數(shù)據(jù)上傳是指實時數(shù)據(jù)上傳。

4.2 數(shù)據(jù)上傳

數(shù)據(jù)上傳是供客戶端的操作員將傳感器信息數(shù)據(jù)、校正后的環(huán)境狀態(tài)量、修正和換算后的目標(biāo)艦船航行狀態(tài)，以及由各監(jiān)測設(shè)備測量獲取并經(jīng)專用的信號處理設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后的艦船的各種物理場目標(biāo)特性信息數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器端的FTP服務(wù)器，并保存在指定的目錄下。操作員用指定的用戶名和密碼登錄，待系統(tǒng)對其身份的合法性進(jìn)行驗證并通過后，就可以將數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器。在服務(wù)器端，利用FTP服務(wù)器軟件Serv-u作為上傳數(shù)據(jù)接收和暫存工具，并將磁場、電場、聲場、紅外場、電磁波場、核輻射場的數(shù)據(jù)放在對應(yīng)目錄下，在每個目錄中，再對該場的數(shù)據(jù)分類存放。

4.3 數(shù)據(jù)查詢

數(shù)據(jù)查詢包括對異常信息報告表、物理特性表、標(biāo)準(zhǔn)特性表、艦船參數(shù)表、環(huán)境參數(shù)表、校正前物理特性表、原始數(shù)據(jù)表、艦船參數(shù)表和監(jiān)測器件信息表等信息的查詢。監(jiān)測人員或管理員用指定的用戶名和密碼登錄，待系統(tǒng)對其身份進(jìn)行合法性驗證后，就可對“歷史查詢”菜單中的“查詢整體”、“查詢磁場”、“查詢電場”、“查詢聲場”、“查詢紅外場”、“查詢電磁波場”和“查詢核輻射場”子菜單進(jìn)行操作。打開這些子菜單后，只要選擇艦船的型號和對應(yīng)的進(jìn)出港時間，就可以查詢艦船參數(shù)、環(huán)境參數(shù)、監(jiān)測器件信息和物理場特性的原始數(shù)據(jù)及校正后的數(shù)據(jù)，如果監(jiān)測時發(fā)現(xiàn)物理特性出現(xiàn)異常，則還可以查看相關(guān)的異常信息報告。具體情況如圖2所示。

圖2 紅外場物理特性查詢界面

4.4 實時監(jiān)測

實時監(jiān)測主要包括兩個功能：

1) 開啟實時監(jiān)測，系統(tǒng)就會不斷去查看是否有數(shù)據(jù)上傳，如果有就將這些上傳的數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫；

2) 查看實時監(jiān)測的狀態(tài)，確定所上傳的數(shù)據(jù)已經(jīng)全部寫入數(shù)據(jù)庫后，就可以調(diào)用比較代碼，從庫中提取比較參量、比較的公式，比較物理場目標(biāo)特性數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，并生成比較報告表。同時，通過分析該艦船歷史數(shù)據(jù)，對其未來的趨勢進(jìn)行預(yù)測。

開啟實時監(jiān)測功能后，系統(tǒng)就會調(diào)用輪詢程序，將在FTP服務(wù)器指定的目錄下檢查是否有新的文件上傳完畢。倘若有則先按物理場來讀取信息文件。對于每個物理場，再按文件的種類來讀取，一類讀取完畢后再讀取下一類，直到該艦船的各個物理場目標(biāo)特性數(shù)據(jù)全部寫入數(shù)據(jù)庫。其中，數(shù)據(jù)讀取程序的信息主要分為兩大類：

▲ 艦船的基本信息、環(huán)境信息、處理后的物理特性數(shù)據(jù)；

▲ 采集后未進(jìn)行任何處理的原始數(shù)據(jù)。

對于前者，讀取程序會將這些信息存放在不同表中；對于后者，將以整個文件形式存放。

通過不斷查看實時監(jiān)測的狀態(tài)，監(jiān)測艦船的物理特性信息數(shù)據(jù)是否成功從FTP服務(wù)器指定的目錄下寫入Oracle數(shù)據(jù)庫中指定的表，如果寫入不成功，則繼續(xù)監(jiān)測，否則，接著進(jìn)行后續(xù)的工作。對于物理特性成功寫入Oracle數(shù)據(jù)庫的物理場，從標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)表和物理特性表中取出對應(yīng)的需要比較的參數(shù)項，從比較公式表中取出比較公式進(jìn)行比較，并給出比較結(jié)果報告表，顯示并將該物理場報告表存在Oracle數(shù)據(jù)庫中。這樣，逐次比較各個物理場目標(biāo)特性，生成相應(yīng)的比較結(jié)果報告。

但是僅僅給出結(jié)果報告是不夠的，為了對艦船狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測，還要給出各個物理場的目標(biāo)特性趨勢圖。這里，通過查詢各個物理特性的歷史記錄，并對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行多項式擬合，從而得到其趨勢圖。

實時監(jiān)測的流程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)監(jiān)測流程圖

5 結(jié) 語

本文介紹了對艦船狀況監(jiān)測和預(yù)測的原理及實現(xiàn)技術(shù)，系統(tǒng)完善后，將對監(jiān)測進(jìn)出港艦船、發(fā)現(xiàn)艦船故障、及時消除故障發(fā)揮較好的作用。

[1] 喻方平，金曉軍，楊建國，等.船舶內(nèi)燃機(jī)遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)[J].武漢交通科技大學(xué)學(xué)報，2000，24(6)：619-621.

[2] 張俊，顧亞平，查雨，等.水閘船舶監(jiān)測系統(tǒng)[J].儀器儀表學(xué)報，2006，27(6.增刊)：1907-1908.

[3] SAGVOLDEN G, PRAN K, VINES L. Fiber optic system for ship hull monitoring[C].The Optical Fiber Sensors Conference Technical Digest，2002.

[4] 劉曉華，張健，趙潔.精通JBuilder2006[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[5] 趙松濤.Oracle 9i中文版數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)管理[M].北京：人民郵電出版社，2003.