基于船聯網的內河船舶裝載量遠程監測系統

于全虎，鄒學義

（江蘇省船舶設計研究所有限公司，江蘇鎮江 212003）

0 引言

至2015年末，全國內河運輸船舶數量15.25萬艘，凈載重量12494.01萬噸，裝機功率3278.81萬千瓦；內河船舶運輸占據水路運輸載重量和裝機功率均約45%，對內河船舶能耗和載運量進行遠程監控與信息共享，無疑是水運行業提高能效，實現節能減排的重要措施。2012年國家物聯網應用示范工程—船聯網建設項目啟動，各地相繼開展了船聯網創新、研究和應用工程。目前內河船聯網的主要應用之一是對運輸船舶進行能耗和載運量監測，最終形成較為完善的營運能效分析及監測。針對當前大部分船舶仍舊使用人工油耗計量方式，導致油耗測量數據誤差大、時效性較差的現狀，綜合電子智能檢測和物聯網技術，國內已研究、研制出船舶油耗在線監測系統及相關設備[1-3]，可實現對船舶油耗進行遠程實時監測和管理。船舶遠程油耗監測數據結合裝載量數據進行綜合分析，可更準確地考核船舶營運效益，為提升船舶的能效設計指數（EEDI）和能效營運指數（EEOI）提供參考。

1 相關技術研究現狀

船舶裝載量的測量是船舶裝載儀的最重要組成部分之一，船舶裝載儀的核心是在一定的硬件支撐下的強大圖形化界面軟件，它可即時計算任意載況（航行狀態或在港狀態）的排水量、艏艉吃水、初穩性和橫搖周期等；計算船體各肋位靜水彎矩、靜水剪力并繪制曲線；估算各裝載情況的船舶中拱、中垂值，圖文顯示總縱強度衡準情況；可繪制穩性曲線及進行穩性衡準（含谷物穩性衡準）；亦可繪制駕駛盲區圖、計算載貨量；控制壓載水注入和排出自動調整船舶縱傾；按裝卸步驟進行裝載順序計算直至裝卸結束等。其功能非常強大且價格昂貴，現有裝載儀基本上只適用于大型運輸船舶。

以往為確保船舶的航行與過閘安全、控制超載營運，船舶吃水超限檢測方法主要有人工檢測、基于圖像處理技術的水尺讀數識別技術、激光水位測量法、超聲波陣列法等。國內目前已開展了相關專題研究，如長江三峽通航管理局湯偉畢等研究了一種應用在升船機上的船舶動態吃水檢測系統及裝置。該檢測系統應用了單波束仰掃技術（基本原理見圖1），將多個單波束超聲波傳感器按順序排列，傳感器發射端發出固定頻率的超聲波，船舶從傳感器陣列經過時，船底反射的超聲波被傳感器陣列接收端接收，從而檢測出船舶動態吃水信息，計算出船舶裝載量[4]。類似這類外部測量方式，不僅基礎建設投資巨大且只在船舶進入船閘時才可測得相應的船舶吃水。

大量在運河及其支流中營運的內河船舶裝載量普遍低于3000噸，船舶造價相對不高，對這部分船舶的吃水和裝載量進行實時監測，既需要滿足監測精度要求，同時系統價格不能太高，才利于推廣應用，可利用已搭建的船聯網為基礎信息平臺進行遠程監控。

帕金森病為一種終身性神經系統疾病,在中老年人群中發病率較高,且隨著老齡化的增長發病幾率日益增加[4]。在臨床研究中帕金森病的病因尚未清楚,其致病機理主要為中腦內黑質致密部神經元退變,紋狀體內神經遞質不足,導致異常多巴胺代謝,從而引起的神經系統慢性退行性病變,使患者有不同程度的神經、精神障礙,嚴重者影響正常生活[7]。

江蘇省以“國家物聯網應用示范工程”為契機，研究組建江蘇段京杭運河和蘇南高等級航道的智能航運信息綜合服務（船聯網）平臺，以達到對航行環境的全方位感知、監控和綜合信息服務的目的，該系統一主二分架構方案見圖2所示[5]，內河船舶裝載量遠程監測系統的運行以該平臺為基礎平臺。

2 系統方案

2.1 總體架構

內河船舶裝載量遠程監測系統采用吃水傳感器探測船舶多個位置的吃水數據，結合數據采集電路等硬件設計，以及數據濾波算法、裝載量計算、傳感器安裝方案等關鍵技術研究，實現了實時采集船舶裝載量和橫傾、縱傾狀態數據，并可與現有船舶遠程能耗監測系統單獨或合并應用。合并應用時兩系統構成的融合系統可實時采集船舶發動機油耗、轉速、船舶裝載量、航速、船舶經緯度等數據，一方面顯示在船舶控制室的顯示屏上，同時將數據發送至航道管理部門專用網絡中心，存儲于后臺數據管理中心，由后臺軟件系統對數據進行統計、分析、搜集，并將相關信息發送到用戶終端或移動智能終端。系統架構設計見圖3所示。

2.2 總體方案

系統測量設備為分別安裝于船艏、船艉左右舷位置的3個吃水傳感器，吃水傳感器低位進水口與舷外水連通，吃水傳感器上的變送器將船舶該處的實時水位轉化成電信號送入采集及控制器，控制器和顯示單元之間通訊，將采集的數據實時傳給上位機監測及處理軟件，利用控制理論算法對吃水傳感器測得的數據進行處理及計算，得到船舶運行時的船舶吃水和裝載量，此外還能設置橫傾角、縱傾角的報警角度?？傮w方案如圖4所示。

2.3 吃水傳感器

目前可以用于船舶吃水測量的傳感器主要有壓力變送式、浮子式、電極式、線程指示式、超聲式、雷達式、激光式等，測量精度、穩定性和維護性存在差異，其中超聲式、雷達式、激光式測量精度較高，穩定性好，但價格較高且維護性較差。選型時需綜合考慮測量精度、性價比、應用場合的各種限制條件，主要有價格、安裝空間、產品特性、被測物屬性、安裝要求和維護成本等。此外，吃水傳感器的數據輸出方式有脈沖輸出、標準電壓輸出、標準電流輸出和數字量通訊方式輸出等，還應結合系統構成時的其它硬件環境條件統籌考慮。通過對可用于船舶吃水測量的傳感器在采購成本、參數指標、輸出特性、電磁兼容性、船用環境條件、安裝要求、維護要求等方面進行研究分析，確定性價比高、維護方便、性能穩定的船用磁性浮子式液位計作為吃水測量傳感器。為確保傳感器在船舶上能安全、可靠、穩定地長期工作，對傳感器的安裝接口形式、材質、浮球比重、量程范圍及零點位置需根據實際情況做明確要求。

2.4 采集及控制器

傳感器輸出信號經過濾波電路之后仍然為模擬量，需要通過A/D轉換芯片將模擬信號轉化成CPU能處理的數字信號，采樣電路中采用MAXIM公司的MAX125[7]作為A/D轉換芯片，為確保采樣模擬信號不出現失真現象，采樣頻率必須至少滿足香農定理，高采樣頻率除了能保證信號的完好性，對進一步提高程序判斷的準確性也特別重要[6,7]。因此，采集電路中設計的采樣頻率為相對較高的1200 Hz。

作為公共必修課，高校思想政治理論課往往采取大班上課的形式，每個教學班有一百人左右。開展活動時，需要將班級學生劃分成小組，每組三到五人，并排好先后順序。如果一個班是由幾個小班或不同專業的人組合而成，可以由各班級輪流展開，具體小組的人員組合由學生自己確定，最大可能地發揮學生的自主性。時事新聞評論可以每周進行一次。每組學生課下進行充分準備，上臺展示前要將展示的內容向教師報告，教師給予具體的指導和修改意見，由小組成員共同修改完善。每組展示的時間最長不超過15分鐘，展示時教師要提醒學生注意時間限制，內容要簡練，新聞要素要有條理，語言不能過于偏激。

采集電路需要解決的是吃水傳感器發出數據的實時采集問題，由于船舶不僅溫、濕度環境惡劣，而且還存在如發電設備、通導設備等多種強弱電設備產生的復雜電磁環境，采樣電路中無法避免高頻干擾信號竄入模擬通道，而電源電路大多數基于工頻分量，為確?？刂破髂苷９ぷ?，采樣電路必須設置模擬低通濾波器，在采樣之前電源信號可以通過低通濾波器，使采集電源信號的頻率分量限制于一定頻帶之內[6]。

1）采集電路

2）DSP微處理器

采用TMS320F2812作為DSP微處理器構成整個采集控制器各功能模塊的核心，由于DSP系統需要有自恢復功能，所以使用MAX706系列多功能微處理器監控器作為CPU監控器，具備監控功能和上電自動復位功能、人工復位功能及低電壓報警功能[6,8]。

排水量的精確計算過程就是船舶橫剖面的分段面積沿船長方向上的積分過程，上述算法一是要確?？傮w精度要求的實現；二是要適應單片機系統的計算能力。通過與精確算法的比較，上述算法的相對誤差完全可以控制在2%以內，經“水運機1098”貨船分別裝載廢鋼、沙石實例檢測相對精度約為1.6%。

她問我你找誰？有事嗎？我說，我他媽的說什么好呢。在這一輩子里，我還從來沒有如此窩囊過。我為自己能夠吃上一頓飽飯就得去乞討？我還是個男人嗎？

小波變換是按照二進制的方式進行時頻分解，但僅對低頻部分進行分解，使得高頻部分的頻率分辨率降低，低頻部分的時間分辨率變差。小波包變換方式可解決小波分析的不足，具有多層次分解的能力，能夠對沒有分解的高頻部分進行分解，提高時頻分辨率。對原始采集信號進行小波包降噪的結果如圖5所示。

4）通信接口

傳感器安裝方案必須依據船舶完工穩性計算資料（空載與滿載的浮態變化范圍），結合傳感器的形式來確定傳感器的具體安裝位置與量程范圍。艉部左、右舷吃水傳感器的進水管分別與原船上江水門的供水總管連接；艏部傳感器安裝在艏部左舷，設計了一個小型專用江水門。由于傳感器的零點無法安裝于船底，必須留有一定的底部距離（定值），其零點位置不能高于空船時的安裝點吃水，傳感器的讀數加上相應定值即為相應測量點的船舶吃水。內河水質含有較多的漂浮雜物和泥沙，為了防止傳感器阻塞故障和便于清理，在傳感器的進水管路上裝設了水濾器。吃水傳感器安裝示意見圖6。

主要采用工業以太網、RS485總線兩種方式與其它設備通信。

可以培養無機化學興趣小組，在課后實驗室可以向興趣小組開放，增加無機化學的探索實驗，培養興趣小組認真細致的實驗態度，嫻熟的操作技巧，為以后專業操作課打下堅實的基礎[5]。同時也可以適當安排興趣小組的同學協助實驗準備教師準備實驗試劑，在協助老師的同時，他們的操作技能也得到了提升。

2.5 數據濾波算法

系統實際運行中采集到的吃水傳感器信號含有大量的噪聲信息，會對船舶裝載量的測量造成干擾，可以采用小波分析方法進行傳感器數據濾波、消噪。

2.5.1 小波分析

傅里葉變換長期是時域和頻域轉換中線性信號的主要處理方法，由于實際瞬變信號范圍遠大于平穩信號且更復雜，所以信號中每時刻的頻域特征都很重要，而傅里葉譜是對信號在整個時域內的積分，無法對局部化信號進行分析。

小波分析是一種新的時頻域信號分析法，對非平穩信號的處理比時頻分析法效果更好，能夠處理時頻變換問題及對傅里葉變換無法處理的高頻信息進一步細化，實現高頻處時間細分和低頻處頻率細分，具有自適應的時頻信號分析能力。小波分析法還是一種窗口面積固定但形狀可變，時間窗和頻率窗都能改變的時域局域化分析法，在低頻部分具有較高的頻率分辨率和較低的時間分辨率，在高頻部分具有較高的時間分辨率和較低的頻率分辨率。小波變換是空間（時間）和頻率的局部變換，能有效地從信號中提取信息，通過伸縮和平移等運算功能對函數或信號進行多尺度的細化分析[9-12]。

（2）提高任課教師的實踐水平，具體可以通過“走出去和引進來”方法實現。走出去就是鼓勵教師參加社會實踐，讓任課教師到銀行國際結算業務部或比較大型的外貿企業進行參觀、實踐。將自身具備的專業知識與實際業務相結合，獲取最新的業務做法，將前沿實踐操作帶進課堂。為了鼓勵教師積極進行調研、培訓、掛職鍛煉，建議高校對教師參加實踐和課堂授課給予同等待遇，同時將實踐能力作為教師職稱評定、崗位競聘、評優評先等晉升的條件之一，從而達到調動教師參與實踐的積極性，全面提高專業教師實踐水平的目的。

2.5.2 小波包分析

溫度檢測器件采用“一線式”數字傳感器18B20，通過簡單編程即可實現9～12位的數字值單總線讀數方式，并可實現被測溫度直讀，系統的抗干擾性也較好[6]。

3 傳感器安裝方案

在后續管護方面，在立項申報時項目實施主體須制定切實可行的后續管護方案，明確責任主體和管護措施，區縣農發辦提供技術支持，管護不力的應追究責任。

4 裝載量計算

4.1 排水量計算

根據船舶3點吃水數據結合型線圖、靜水力數據可計算出船舶排水量：

5）根據船舶靜水力學數據得出船舶排水量：

在自適應加速度分離算法中,首先設定一個加速度閾值,假如加速度計測得數據與重力加速度的相差超出該閾值,表示運動產生的加速度對加速度計測量數據產生了一定的影響,此時進行加速度計分離算法。當運動產生的加速度影響較小時,判定條件為:

a)根據船舶型線圖中型值數據計算出船舶靜水力學數據；

b)用靜水力學數據中相應吃水值對應的總排水量和每米縱傾排水量變化值，分別擬合出吃水與排水量、吃水與每米縱傾排水量變化值的回歸方程；

秀容月明對那踩藕人說：“大哥你別急，我來教教她?！弊呓鼏糖?，說：“你用手扶住身邊那枯荷，用腳尖順著荷梗往下探，踩著硬硬的東西沒有？踩著了就好，你再試試看，它是不是長長的、滑滑的，不扎腳是吧，那就是藕了。這個時候你要有耐心，你用腳趾把藕旁邊的泥剔開……”

c)用吃水與總排水量、吃水與每米縱傾排水量變化值的回歸方程，以及實時的船舶平均吃水得出排水量和每米縱傾排水量變化值；

式（6）中各參數：

Δ ：實時的船舶排水量，t；

目前各國及地區的反貪法的結構形式可以分成三種類型:第一類是按章、節、條文排列的結構形式;第二類是只按條文順序排列的結構形式;第三類是按一、二、三順序排列的結構形式。作為一部具有宏觀指導意義的法律，我國的《反腐敗法》應是一部對反腐敗實體法和程序法、本法的效力、反腐敗機構、舉報、調查、偵察權限、證據制度、起訴、審判、預防等內容分別作出立法規定的重要法律，因此宜用第一種類型作為本法的結構形式。

Δ0：平均吃水得出的排水量，t；

dF：艏垂線處平均吃水，m；

dA：艉垂線處平均吃水，m；

3）按#2接地變保護裝置的復歸鍵，告警信號正電仍存在，后臺光字牌仍亮（#1、3接地變及#1、#2站用變情況相同）

δΔ：平均吃水得出的每米縱傾排水量變化值，t/m；

4.2 船舶裝載量計算

在上述船舶排水量計算方法的基礎上進一步可計算得出船舶裝載量：

3) 緊急停車功能。當發生緊急情況需立即停車時，按下“緊急停車”按鈕，輸出故障停車信號至遙控控制模塊、LCU和DCU控制主機停機，同時直接控制燃油泄放閥動作，確保主機快速停止轉動。

1）船舶空船時用上述方法測量和計算得出船舶空船排水量；

績效審計的目的是審查受托管理責任，確定被審計對象的管理是否有效，審計重點是經濟性、效率性和效果性。因此，有效開展績效審計是加強內部控制監督的一個重要手段，應將被審計對象的財務活動和整體活動有機整合，全方位、全過程地把握活動的績效。

3）溫度檢測電路

5 結語

內河船舶裝載量遠程監測系統應用是基于江蘇省船聯網平臺的搭建，目的是滿足在內河船舶特別是數量龐大的中小型船舶上推廣應用的需求，具備高性價比和實用化的系統精度。研究過程中融合了船舶力學計算原理和TMS320F2812 DSP的計算能力，實現了有效的計算方法及船舶姿態補償。通過對測量傳感器的安裝結構設計、采集信號數字濾波處理，解決了系統設備裝船的電磁兼容性、橫搖與涌浪的干擾及水質條件較差對系統測量的影響等問題，經實船安裝試驗，達到預期效果。

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2017年我國成功實施了海域天然氣水合物首次試采，創造了持續時間最長、產氣總量最大的試采世界紀錄，取得了理論、技術、工程、裝備的自主創新，實現了歷史性突破，向產業化邁出了關鍵一步。

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