基于UWB的拖輪無線測控系統設計

[摘 要]隨著港口吞吐量不斷增加，拖輪作業量也不斷增加，這對傳統的拖輪設備維修和調度管理體制形成了挑戰。本文建立了某港口基于UWB的拖輪無線測控系統，描述了該系統的主要功能，設計了系統的硬件結構和軟件框架體系，實現拖輪運行數據及設備狀態信息的實時無線傳輸，然后由故障診斷及維修決策系統和作業調度系統的分析、處理。

[關鍵詞]拖輪作業 超寬帶 測控系統

一、引言

一般港口輪駁公司負責提供客、貨輪進出港靠離碼頭的頂拖、護航和水上消防等作業。拖輪主要設備的運行狀態、船舶航行安全性及船舶日常管理狀況均對全港生產效率和經濟指標構成直接影響。

隨著港口吞吐量不斷增加，設備利用率迅速提高，對傳統的設備維修管理體制形成嚴重挑戰。因此，應用設備狀態監測和故障診斷技術，實行狀態維修體制，保證設備全天候滿足港口生產要求，已成為輪駁公司迫在眉睫的重大課題。雖然近幾年來，某港輪駁公司一直堅持開展了對DP旋轉機主要部件的油液檢測和周期性預防維修體制，基本保證了設備的正常運行。但由于現有檢測方法以離線檢測為主，人員分散，任務繁重，難免存在檢測缺失、數據不全等問題，無法對設備故障進行有效預測，無法對設備維修做出合理的計劃安排，因此對回轉拖輪的安全生產構成潛在威脅。同時，由于預防維修存在不合理的設備檢修周期，會顯著增加設備維修成本和降低船舶營運效益。隨著現代拖輪系統的日趨高性能化和結構復雜化，出于安全保障和生產效能的考慮，及時準確和動態地掌握拖輪系統的運行狀態以及預測、診斷潛在和存在的故障，成為船舶技術管理的重要內容和追求的目標。而現代通信技術的發展，特別是超寬帶UWB技術的發展為拖輪在線測控系統的實現提供了堅實的基礎。本文結合某港輪駁公司實際情況，建立輪駁公司無線測控系統的總體方案，實現拖輪運行數據及設備狀態信息的實時無線傳輸，經過故障診斷及維修決策系統和作業調度系統的分析、處理和決策，提高拖輪管理技術和科學決策水平。

二、拖輪無線測控系統功能描述

拖輪無線測控系統通過公用或專用無線數字通訊網絡，將拖輪運行數據及設備實時狀態信息傳送到岸基信息管理中心，經過數據管理系統、故障診斷及維修決策系統、作業調度系統的分析、處理和決策，實現船舶運行、設備狀態的實時查詢和控制，提高船舶技術管理和科學決策水平。主要實現功能如下:

(1)在線監測DP旋轉機主要部位工作狀態(振動、溫度等參數);(2)在線監測船舶主機主要運行參數和狀態參數;(3)GPS導航及在岸基信息管理中心完成實時航跡跟蹤;(4)實時分析狀態信息，具有超限報警、趨勢預測等功能;(5)具有智能分析系統，完成遠程故障診斷和船舶維修決策;(6)船舶設備運行狀態數據、船舶航行定位數據、船舶作業調度數據的無線傳輸;(7)船舶設備運行狀態數據、船舶航行定位數據及船舶作業調度數據的存儲、分析、查詢、報表;(8)實現船舶作業的無線實時調度;(9)可擴展部分實時控制功能。

通過對某港實際情況進行分析，考慮到節省系統的初始投資和降低運營成本，系統的基本結構確定為:系統由岸基主站和多個移動分站組成，采用先進的超寬帶無線通信技術構建無線測控網絡，實現岸基主站和分站的實時通信，并在此硬件基礎上開發出一套集成船舶運行數據及設備狀態信息的實時無線傳輸、監測和遠程統一調度管理的軟件系統。整個無線測控系統主要由以下幾個部分組成:(1)微波數字通訊系統;(2)船舶設備狀態監測系統;(3)船舶航跡實時跟蹤系統;(4)岸基信息管理中心;(5)船舶運行及設備狀態數據管理系統;(6)旋轉機遠程故障診斷及維修決策系統;(7)拖輪作業調度系統。

三、拖輪無線測控系統設計

1.系統硬件方案設計

拖輪無線測控系統由岸基主站和多個移動分站組成，采用UWB/GPRS互補機制提高系統監控數據的傳輸可靠性和系統的環境適應能力。系統的基本硬件結構如圖1所示。

其中，岸基中心以拖輪公司現有主服務器為核心，配置無線網橋，在主服務器與各拖輪主計算機之間接收/發送信息。數據管理仍使用公司現有的Oracle數據庫系統。根據權限，公司總經理、副總經理、技術部、調度室及其他各相關人員或部門可以對拖輪測控系統中的相關數據或信息進行查詢、檢索、修改和輸出，并可以生成作業調度指令發送給各個拖輪。岸基中心硬件結構圖如圖2所示。

在拖輪上，以拖輪駕駛艙計算機為主機，對外通過無線網橋與岸基中心主服務器交換信息，對內通過船上小型局域網與拖輪上其他計算機交換信息。拖輪大廳液晶顯示屏是駕駛艙計算機的第二個顯示屏，用來巡回顯示各種公共信息。亦可配置為一臺計算機終端，供船員自主查詢各種公共信息。

輪機機艙監測計算機系統是船舶狀態監測的現場控制器，通過RS232/RS485轉換接口和RS485總線與機艙監測系統相連。負責收集機艙內各種設備狀態信息，并對采集數據進行實時處理、分析和判斷。在出現故障征兆時及時給出報警信號，并請求向岸基中心通報;在正常監測中，按設定周期向岸基中心傳送經處理的設備狀態數據。為了節約成本，拖輪上計算機使用通用小型數據庫。拖輪監測系統硬件結構如圖3所示:

2.軟件框架設計

拖輪無線測控系統軟件由移動分站和岸基主站兩個部分組成，分站主要是完成拖輪運行參數的采集、存儲和發送，以及和岸基的通訊功能;主站要接收分站的參數以及各種信息，對信息存儲、顯示、分析，并進行合適的調度反饋，形成拖輪運行數據及設備狀態信息的實時無線傳輸、監測和遠程統一調度管理的軟件系統。系統軟件結構如圖4所示:

(1)岸基中心軟件結構

岸基軟件系統將根據航運管理的共性，將船舶調度、生產計劃、財務計劃集成一體;采用客戶/ 服務器工作模式，數據庫文件與程序文件完全獨立，基礎資源共享，管理功能相對獨立;模塊化、結構化開發網絡型動態數據庫管理系統，使系統程序模塊既集成度高，又具有相對獨立性;允許多用戶同時操作相同數據庫，根據相應角色權限做出相應的反應，保證數據庫的安全。圖5為岸基中心軟件功能結構圖。

(2)拖輪系統軟件結構

拖輪系統軟件在檢測船舶運行狀態的同時，保證與岸基中心進行及時的通訊:把船舶的運行信息和船員工作狀況信息傳遞到岸基中心，把岸基中心的各種指令信息傳遞到船舶。整個軟件系統采用模塊化設計，在充分保證各個模塊的聯系的前提下，盡量做到保證模塊的獨立，維護整個系統的穩定。圖6為拖輪系統軟件模塊結構圖。

四、結束語

本文針對某港輪駁公司運行的特點，設計了基于UWB的拖輪無線測控系統，實現拖輪運行數據及設備狀態信息的實時無線傳輸和統一管理，經過故障診斷及維修決策系統和作業調度系統的分析、處理和決策，提高拖輪管理和科學決策水平，為實現船岸一體化控制管理奠定堅實基礎。目前該系統正在投入運行中，但也存在一些不足之處，比如傳輸數據出現丟失、系統穩定性不強等問題。

參考文獻:

[1] 熊軍魁:港口拖輪總體優化配置研究[D]. 武漢理工大學，2002

[2] 楊志華:港口拖輪總體配置的仿真研究及應用[D]. 武漢理工大學，2003

[3] 陳 偉:仿真優化方法及其在港口設備配置中的應用研究[D]. 武漢理工大學，2004

[4] 何 濤 朱宏輝: 遺傳算法在拖輪調度中的應用[J]. 物流技術，2008