船舶錨泊可視化遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的研制

王水富++周駿

摘 要：針對(duì)目前船舶錨泊遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)操作精度低、穩(wěn)定性不高、無(wú)可視化操作等缺點(diǎn)， 基于ARM嵌入式系統(tǒng)，進(jìn)行了遙控式船舶錨泊遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)，并在實(shí)驗(yàn)室條件下，對(duì)所研制的船舶錨泊可視化遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)的主控面板進(jìn)行了測(cè)試實(shí)驗(yàn)，測(cè)試實(shí)驗(yàn)表明：碼頭主控系統(tǒng)能接收錨泊現(xiàn)場(chǎng)信息，還能定量計(jì)算船舶走錨概率，并顯示和發(fā)出錨泊預(yù)警信號(hào)，系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間能控制在5秒之內(nèi)，洋流流速檢測(cè)誤差低于5%。

關(guān)鍵詞：船舶錨泊系統(tǒng) 可視化 遠(yuǎn)程控制

目前，國(guó)外對(duì)于船舶錨機(jī)、錨鏈的穩(wěn)定性研究大多集中在錨機(jī)系統(tǒng)的設(shè)備研發(fā)和生產(chǎn)階段，但對(duì)具體海況（比如浙江舟山海域）中錨泊系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性研究不多，相關(guān)產(chǎn)品的操作精度和穩(wěn)定度不高，也沒(méi)有實(shí)現(xiàn)操作過(guò)程的可視化。本文基于ARM嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行了遙控式船舶錨泊遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)，并在實(shí)驗(yàn)室條件下，對(duì)所研制的船舶錨泊可視化遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)的主控面板進(jìn)行了測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

船舶起錨操作運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)描述

1、起錨操縱運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型

為了描述船舶的操縱運(yùn)動(dòng)， 如圖1建立兩個(gè)右手坐標(biāo)系-空間固定坐標(biāo)系 O0X0Y0Z0 和隨船運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系G x y z ， G 為船舶重心， x 軸指向船艏， y 軸指向右舷， z 軸指向龍骨。V 為船速， U為航向角，u、 v 為船舶運(yùn)動(dòng)的速度分量， r 為轉(zhuǎn)艏角速度。運(yùn)用MMG 模型，船舶拋起錨操縱運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，見式（1）：

圖1 參考坐標(biāo)系

式（ 1）中， m、 mx、 my —船舶的質(zhì)量和沿x 軸、 y軸方向運(yùn)動(dòng)的附加質(zhì)量； I z z、J z z —船舶繞z 軸轉(zhuǎn)動(dòng)的慣性矩和附加慣性矩； ur、 vr —船舶運(yùn)動(dòng)對(duì)水流的相對(duì)速度在x 軸、 y 軸的分量； uC、 vC —水流運(yùn)動(dòng)速度在x 軸、y 軸的分量； XH、 YH、 NH—作用于船體上的流體動(dòng)力和力矩； XPR、 YPR、 NPR—螺旋槳和舵產(chǎn)生的水動(dòng)力和力矩， 它們都是相對(duì)水運(yùn)動(dòng)速度ur、 vr 及艏搖角速度r 的函數(shù)； XTOL、 YTOL 、NTOL —與流體動(dòng)力無(wú)關(guān)的外力和力矩（如由風(fēng)、浪、錨、纜、拖輪等產(chǎn)生的）。

根據(jù)船舶運(yùn)動(dòng)的初始條件， 求解式（ 1）得到船舶運(yùn)動(dòng)的速度分量 u、 v 和轉(zhuǎn)艏角速度r ，繼而可根據(jù)式（ 2）求得船舶的運(yùn)動(dòng)軌跡。

式（ 2）中， x 0、 y0 為船舶重心在固定坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。求解式（ 1）的關(guān)鍵在于求得作用于船體的各種力和力矩。

2、錨鏈對(duì)船舶的水平作用力和力矩

錨鏈對(duì)船舶的水平作用力和力矩計(jì)算見式（ 3） ：

式（ 3）中， X C、 YC、 N C 分別為錨鏈作用于船體上的縱向力、 橫向力和力矩； H i 為錨鏈水平作用力，i= 1、2分別表示左錨和右錨； аi 為錨鏈從錨鏈孔到錨位點(diǎn)的方位； L 為船長(zhǎng)。

錨鏈的水平作用力和懸鏈的狀態(tài)有關(guān)， 懸鏈的狀態(tài)可分為兩種： 自懸鏈和約束鏈。

船舶錨系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的組成與工作原理

一種船舶錨泊測(cè)控系統(tǒng)，包括碼頭主控系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)通訊系統(tǒng)和無(wú)線AP設(shè)備，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)通信系統(tǒng)和主控系統(tǒng)之間通過(guò)基于Internet、WiFi的無(wú)線AP設(shè)備實(shí)現(xiàn)信息傳輸；碼頭主控系統(tǒng)由web服務(wù)器和無(wú)線或遠(yuǎn)程pc機(jī)構(gòu)成，兩者通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)相連接，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)通訊系統(tǒng)由錨鏈?zhǔn)芰z測(cè)模塊、海浪聲貝檢測(cè)模塊、海流流速檢測(cè)模塊和現(xiàn)場(chǎng)通訊系統(tǒng)構(gòu)成，鏈?zhǔn)芰z測(cè)模塊、海浪聲貝檢測(cè)模塊和海流流速檢測(cè)模塊通過(guò)并口線與現(xiàn)場(chǎng)通訊系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，現(xiàn)場(chǎng)通訊系統(tǒng)通過(guò)內(nèi)置的無(wú)線模塊實(shí)現(xiàn)與無(wú)線AP設(shè)備的信息傳輸連接。

碼頭主控系統(tǒng)，以嵌入式WEB服務(wù)器為主，采用模糊控制理論，建立錨泊安全預(yù)測(cè)的數(shù)學(xué)模型，內(nèi)嵌于WEB服務(wù)器之中，實(shí)現(xiàn)錨泊設(shè)備的安全預(yù)警和緊急情況下的遠(yuǎn)程控制。

本系統(tǒng)的工作原理為：先將各船只型號(hào)的代碼和對(duì)應(yīng)實(shí)測(cè)的錨鏈?zhǔn)芰Α⒑＠寺晢h和海流流速數(shù)據(jù)輸入到WEB服務(wù)器之中，當(dāng)船舶處于惡劣海況下時(shí)，錨鏈?zhǔn)芰z測(cè)模塊、海浪聲唄檢測(cè)模塊和海流流速檢測(cè)模塊時(shí)刻將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)通過(guò)并口線傳遞給現(xiàn)場(chǎng)通訊系統(tǒng)進(jìn)行處理后，由現(xiàn)場(chǎng)通訊系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給無(wú)線AP設(shè)備，經(jīng)無(wú)線AP設(shè)備傳遞給web服務(wù)器，然后web服務(wù)器將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，比如某魷釣船的最大錨拉力將要8000N時(shí)、海流流3m/s以上或海浪聲唄78dB以上中的其中一個(gè)條件達(dá)到，即判斷出錨泊處于走錨危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)，向船上遠(yuǎn)端發(fā)出預(yù)警信號(hào)，提示船員檢查錨泊狀況或采取措施進(jìn)行人工錨泊操作；當(dāng)滿足兩個(gè)條件時(shí)，碼頭主控系統(tǒng)判斷出錨泊處于走錨危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)，若預(yù)警信號(hào)得不到響應(yīng)或反饋，啟動(dòng)遠(yuǎn)程錨泊操作命令，拋出預(yù)備錨泊設(shè)備，以增強(qiáng)錨泊安全性。

圖2 錨泊可視化遠(yuǎn)程測(cè)控設(shè)計(jì)方案

碼頭主控系統(tǒng)設(shè)置有軟件用戶界面，圖形顯示錨機(jī)工況現(xiàn)狀，實(shí)時(shí)接收和顯示海況數(shù)據(jù)及錨泊受力數(shù)據(jù)，并根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)，判斷錨泊系統(tǒng)的安全系數(shù)；當(dāng)碼頭主控系統(tǒng)判斷出錨泊處于走錨危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)，向船上遠(yuǎn)端發(fā)出預(yù)警信號(hào)，提示船員檢查錨泊狀況或采取措施進(jìn)行人工錨泊操作；當(dāng)碼頭主控系統(tǒng)判斷出錨泊處于走錨危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)，若預(yù)警信號(hào)得不到響應(yīng)或反饋，啟動(dòng)遠(yuǎn)程錨泊操作命令，拋出預(yù)備錨泊設(shè)備，以增強(qiáng)錨泊安全性。

船舶錨泊遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)的測(cè)試試驗(yàn)

首先在實(shí)驗(yàn)室搭建調(diào)試平臺(tái)，其中檢測(cè)端如圖3所示，包括電動(dòng)錨機(jī)、齒輪減速箱、錨鏈繩、鏈輪、滑輪、40公斤無(wú)桿錨模型、交流變壓器、整流橋堆、H 橋驅(qū)動(dòng)控制、單片機(jī)最小系統(tǒng)、錨泊信息通信模塊、錨鏈視頻收發(fā)器等。然后測(cè)試電動(dòng)錨機(jī)的加減速控制、正反轉(zhuǎn)控制、無(wú)線數(shù)據(jù)及視頻傳輸?shù)龋鸩皆龃笸ㄐ啪嚯x測(cè)試系統(tǒng)的通信及控制可靠性。從操作便利和價(jià)格考慮，實(shí)驗(yàn)選用 9 英寸 CRT 模擬電視作為視頻監(jiān)視器。

圖3 錨泊控制系統(tǒng)檢測(cè)端實(shí)物圖 圖4 錨泊現(xiàn)場(chǎng)洋流流速檢測(cè)器圖

測(cè)試實(shí)驗(yàn)所用的洋流流速檢測(cè)器見圖4 ，包括懸浮體、連接桿、壓力傳感器、壓塊、無(wú)線發(fā)射模塊、吊耳、控制芯片等，懸浮體連接在連接桿的一端，連接桿的另一端穿過(guò)外殼和壓力傳感器連接在壓塊上，壓力傳感器位于壓塊和外殼之間，無(wú)線發(fā)射模塊和控制芯片安裝在外殼內(nèi)的下部，兩者通過(guò)信號(hào)線相連接，外殼外部下端還設(shè)有吊耳；連接桿為鈦合金材料，表面粗糙度為0.3 。

洋流流速檢測(cè)器的優(yōu)點(diǎn)是，可以將洋流的流速傳遞到船上信息采集系統(tǒng)，無(wú)需下水測(cè)量，大大節(jié)約了檢測(cè)成本，同時(shí)也更加安全。工作過(guò)程，本裝置通過(guò)吊耳固定在洋流區(qū)域，懸浮體在洋流的沖擊下，帶動(dòng)壓塊壓向壓力傳感器，壓力傳感器通過(guò)控制芯片的處理變成流速信號(hào)，通過(guò)無(wú)線發(fā)射模塊發(fā)射給船上采集系統(tǒng)，采集系統(tǒng)即可讀取所在區(qū)域的流速。

在實(shí)驗(yàn)室完成模塊設(shè)計(jì)與系統(tǒng)集成后，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室測(cè)試。采用這種新型船舶錨泊可視化測(cè)控系統(tǒng)，通過(guò)遠(yuǎn)程測(cè)控就可判斷是否走錨，并可自動(dòng)采取對(duì)應(yīng)的措施，其設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔高效，它的運(yùn)用可基本上杜絕走錨現(xiàn)象，并可以保護(hù)海上建筑設(shè)施。

結(jié)論

測(cè)試結(jié)果表明：錨泊現(xiàn)場(chǎng)采集系統(tǒng)能采集、保存和發(fā)送洋流速度、風(fēng)速、錨鏈?zhǔn)芰Φ刃畔ⅲ渲醒罅髁魉俚葯z測(cè)誤差低于5%；碼頭主控系統(tǒng)能接收錨泊現(xiàn)場(chǎng)信息，還能定量計(jì)算船舶走錨概率，并顯示和發(fā)出錨泊預(yù)警信號(hào)，系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間能控制在5秒之內(nèi)。

（作者單位：揚(yáng)帆集團(tuán)股份有限公司）endprint