工程船舶安全狀態在線監測系統研究與開發

劉國生，陶 明，王小鋒，劉烈暉，袁子豪

（中交廣州航道局有限公司，廣東 廣州 510300）

0 引 言

隨著生產經營規模的擴大，疏浚公司的工程船隊（群）正在不斷發展壯大，這些工程船遍布世界各地的海上施工區域，在復雜的工況及環境下，需保證設備運轉時間，以盡可能地提高單船產能。因此，如何有效管理公司船隊（群），加強施工生產安全監督，減少或避免海上機損事故，建立事故預警長效機制，是新時期值得疏浚公司重視的課題。

國外對此非常重視，早在2006年日本東亞建設公司就應用傳感器、計算機和無線通信等技術研制“工程船拖航安全監視系統”，在非自航疏浚工程船長距離無人調遣拖航過程中，為岸基人員提供即時的調遣船狀態信息，監視船舶的航行安全狀況。

本文以國內的疏浚工程船為系統研發對象，基于先進的工業技術及工藝，創新思路，突破傳統的安全監督報警方式，升級改造現有疏浚工程船老舊的安全監測報警裝置，構建岸基-船-船間現場工況數據及報警參數交互通信網絡，提供系統化、自動化或智能化的工程船安全生產在線監測方案。

1 現狀分析

目前在海上從事疏浚施工作業的工程船所配置的安全監測報警裝置主要有艙底漏水報警裝置、火警及煙霧感測裝置和主機設備重要部位參數（如溫度、壓力等）監測裝置，一些船上安裝報警監控系統（Alarm Monitoring System，AMS）及用于指導船舶避讓的電子海圖系統。然而，許多老舊工程船的安全監測報警裝置存在一系列問題，包括：功能單一，智能化或自動化程度較低，裝置或設備間基本上是獨立運行的，只能關注較少的或孤立不相關的安全參數；沒有對船體空間姿態臨界危險參數進行監測；存在事故判斷延遲、報警準確率低等問題；主要以聲和光的方式發出告警提示，報警原因信息不全面；沒有施工設備運行工況趨勢分析及事件診斷評估功能，即事故預測預報功能不強；監測裝置本身無故障自我診斷能力，不具備第三方對本船裝置的狀態進行監督的功能；報警信息不能同步向岸基有關部門和同施工區域的同公司其他船舶發布，因此無法快速獲得后方專家的在線技術支持；未與企業網絡互聯，無法共享現場實時數據資源。

2 系統方案

“工程船舶安全狀態在線監測系統”是一個網絡化的船舶安全監測方案，綜合運用現代傳感器、自動化及儀器儀表、網絡通信和工控計算機等成熟工業技術和工藝，由“岸基監控中心（應用TMC遠程監測軟件，下文簡稱‘TMC’）” 、無線移動網絡及系統通信協議和各工程船上配置的“工況數據智能采集裝置（應用LMU嵌入式計算機數據采集分析軟件，下文簡稱‘LMU’）”等3部分構成。TMC通過由無線移動通信設備及系統通信協議構成的WLAN鏈路，鎖定跟蹤企業船隊所有工程船的LMU，遙測各船的工況信息數據，建立共享實時工程數據庫，捕獲船隊可能發生的異常事件，及時向企業有關部門發布事件信息。LMU則負責全天候采集和記錄現場工況信息數據，應用基于快速診斷算法的在線工況數據分析，獲取本船發生異常事件時的特征參數，當發現異常情況時，立即向本船、TMC和指定對象發布報警信息，實現快速異常事件響應處理。

通過在本船LMU和異地TMC對船舶工況數據進行在線分析處理，實現本船和TMC同時對本船安全狀態的實時監測。另外，該系統還可對自身的工作狀態進行診斷監測，及時發現自身可能出現的問題或故障，保證系統的有效性。

該系統以在線共享企業現場船舶工況數據為基礎，可在保障和加強施工船舶安全生產監督力度、提高設備完好率、建立企業長效事故預警和遠程在線專家故障診斷分析機制等方面發揮技術支撐作用，是解決海上工程船生產安全監測報警問題的方案之一（見圖1）。

3 系統原理

3.1 LMU原理

LMU裝置主要承擔傳感器群數據采集與記錄、現場異常事件快速診斷分析和事故預警與發布等功能。由傳感器群及控制總線構成的現場實時測量網絡是LMU最基礎的設備，在線采集、存儲能客觀反映挖泥船當前生產安全狀態的關鍵物理量數據，由嵌入式計算機對這些數據進行快速診斷分析處理，給出該船此時狀況的評估信息及LMU自身運行狀態是否良好的自我診斷信息。LMU具有較高的自動化和智能化水平，獨立運行，盡可能減少或避免人為干預和現場環境對監測結果的影響。LMU與該船有著相同的工作壽命，且全天24h不間斷運行。LMU構成見圖2。

圖1 系統構成方案原理圖

圖2 系統設備構成及說明示意

3.1.1 傳感器群數據采集與記錄

針對疏浚類工程船的特征，目前可通過傳感器獲得涉及船舶安全的物理數據（或理解為可獲得的該船基本生命特征參數），主要包括：船位空間坐標、耙頭坐標、耙管姿態、橋梁角度、船體吃水線及排水量、船體傾斜姿態、船首方向、對地航速、艙底漏水狀態、泥艙裝艙艙位（或艙容）、機械量振動頻譜、艙內噪聲（聲響）等級、艙內溫度、火警及煙霧、拖纜張力（當拖帶非自航船時）、風速、風向、涌浪和主機參數（包括：油溫、水溫、軸溫、排溫、壓差、潤滑狀態、主軸振動頻譜和扭矩等）等。每艘船根據自身具體情況及設計要求，從中選擇所需的被監測物理數據，據此在該船上布置和安裝相應的傳感器總線網絡及配套設備。LMU包含一個低功耗嵌入式工控計算機，控制采集傳感器設備輸出的數據信息。

LMU兼有黑匣子的部分數據記錄功能：其存儲器始終刷新紀錄最近一段時間內的本船傳感器數據、異常事件點和系統通信中斷前后一段時間內的狀態數據信息；同時，具有事故事件發生前后數據記錄的回放功能。LMU獨立供電工作，具有低功耗的性能。通過管理電源系統，保證船電中斷時 LMU仍能維持360h以上的工作時間。

3.1.2 現場異常事件快速診斷分析

LMU對船舶工況數據的動態變化過程進行在線快速算法分析，根據故障診斷策略獲取該船可能發生的異常事件。基本思路是：

1) 船體空間姿態的計算分析。可根據船體傾斜、吃水線、排水量（或艙容）、泥艙泥漿液位及裝載量（針對耙吸式挖泥船）和全球定位系統（Global Positioning System，GPS）坐標等方面的傳感器，測量計算船體的傾斜度及傾斜度變化率、吃水線及吃水線變化率，判斷船體水面姿態參數的數值是否接近或超出預先設定的危險窗口值，同時給出這些參數的變化趨勢，提前給出當前該船安全程度等級的評估報告，以盡可能早地捕獲可能發生沉船事故的征兆。

2) 應用FFT算法對機械類設備關鍵部位振動信號的頻譜進行診斷分析（見圖3），獲取船機類故障隱患。例如：將傳感器當前輸出的主軸承旋轉振動信號的頻譜特征值與參考基準值相比對，了解其磨損程度及特性衰退趨勢；通過與機體振動信號的參考基準值相比對，抓捕機體安裝基座螺絲松脫現象等。另外，若檢測到船體突然產生強烈的振動信號，或機艙、泵艙內產生巨大的峰值聲響，將作為受到嚴重撞擊或沖擊事件處理。

圖3 振動與噪聲信號分析波形

3) 通過對監測點的溫度、壓力等工程變量的變化趨勢和變化速率進行檢測和計算，在該監測值達到臨界報警值之前發出預警信息，提醒人們注意。

4) LMU在監測船舶狀態的同時，對自身的工作狀態進行診斷分析，例如：某傳感器故障或斷線、與TMC通信鏈路中斷、LMU裝置故障及供電電源異常等，及時發現自身可能產生的故障，立即報警處理，從而保證系統的有效性。

5) LMU解決傳統方式對船舶狀態了解的滯后性和片面性。通過對被檢測參數進行診斷分析，對其變化趨勢進行動態評估，盡可能早地發現和預測船舶安全事故現象，提前采取措施，防止問題進一步擴大；同時，為事故發生后分析原因及責任和制訂整改措施提供原始數據信息的回放、查詢。

6) 不論該工程船處于何種狀態（如：施工作業、調遣航行、錨地系泊、停靠碼頭、入廠維護檢修等），LMU都不會停止工作，除非該船已作報廢處理。3.1.3 事故預警與發布

若該船無任何異常，LMU將保持沉默，僅在規定時刻向TMC發報平安信息。若TMC沒有收到由LMU定期發來的報平安信息，異地監測人員立即通過其他途徑與該船聯系，確認原因。

當LMU發現被監測的狀態數據跳出報警窗口（如：船傾斜姿態超限、偵測到船體劇烈振動等）或有異常發展趨勢、系統自身出現故障（如：斷電、某個傳感器損壞等）等情況時，LMU立即進入異常事件處理程序，首先在本船發出報警信息，然后通過UHF/VHF電臺向鄰近的同公司其他工程船發送報警信息（如：當非自航船調遣時，向前面的拖船發出報警信息），同時由GPRS/CDMA/3G或短信平臺構成的遠程無線數據鏈路向異地TMC報送本船異常事件報警信息，此時已向3個對象同時發布報警信息，通過這種冗余報警方式保證報警信息被傳遞出去。LMU工作流程見圖4。

圖4 LMU工作流程

3.2 岸基監控中心（TMC）

TMC是基于地理信息系統（Geographic Information System，GIS）平臺的分布式疏浚船隊（群）動態信息測控網絡系統主機（見圖5和圖6），其主要功能為：

1) 通過GPRS/3G等無線通信鏈路與所有LMU構成星形通信網絡，遙測現場數據信息。

2) 在GIS電子地圖上顯示各工程船LMU當前的現場狀態信息。圖6中深灰色塊部分為參數超限報警提示信息。

3) 系統服務器全天24h不間斷運行，鎖定監測船隊所有工程船上LMU的狀態，主動發現丟失報平安消息的LMU，及時響應所有LMU發來的報警請求信息，并向相關職能部門發出提示信息。

4) 建立實時數據庫，記錄、存儲、處理各LMU的數據信息，實現船隊中船舶工況信息數據資源共享。

5) 為后方專家、工程技術人員開展遠程故障診斷分析及技術服務提供現場數據，使其具備現場信息感知能力。

6) 制訂事故等級評估和應急事件處理預案，建立事故分析處理專家知識庫，使現場船隊可即時得到后方專家、工程技術人員及其他資源的支持。

7) TMC將作為提高設備完好率、增強企業處理異常事件或故障診斷及預警能力的技術支撐平臺。

圖5 TMC工作流程

3.3 無線移動網絡及通信協議

通過無線移動網絡及通信協議鏈路，各船的LMU都與TMC的GIS服務器聯網，TMC集中管理公司所有工程船，即根據設計制訂的系統通信協議鎖定每艘工程船，確保其始終受到TMC的跟蹤監督，同時各LMU會主動與TMC聯系，探查TMC的狀態。

通常，若LMU沒有發現本船及LMU自身有任何異常情況，該船只在規定的時刻通過GPRS/3G或短信平臺及UHF/VHF電臺等無線通信網絡向TMC和拖船（非自航船調遣時）發送包含該船地理位置坐標的報平安信息（俗稱心跳監測），此時TMC的GIS電子地圖上將顯示所有“心跳”正常的工程船標識。若因故障或其他原因導致通信中斷，TMC沒有在規定的時間內收到某船LMU的“心跳”信息，則將進入異常事件處理程序。實際上， TMC也工作在無人值守狀態，LMU與TMC保持通信協議鏈路，使二者同時被對方監測，形成本地與異地并存的冗余監控體系，及時發現“工程船舶安全狀態在線監測系統”自身的異常情況，增強系統的有效性和可信度。

TMC主要通過2種通信協議方式訪問各LMU：

1) 船名查巡方式。為獲得各船LMU采集的傳感器信息，TMC將通過命令點名要求指定的LMU將本船工況數據傳送給TMC。

2) 監聽方式。當船隊中的某船出現異常事件或到發送報平安信息時刻，LMU將主動向TMC發送報文信息。

系統中配置的UHF/VHF電臺是為實現非自航工程船遠距離無人值守拖航調遣（如：非自航船調遣時，向前面的拖船發出報警信息）和向鄰近的同公司其他工程船發送報警信息而設計的近距離無線通信方式，其與移動通信GPRS/3G構成了冗余報警信息傳輸鏈路。

圖6 在TMC的GIS平臺上顯示的各船狀態數據

4 系統應用測試情況

2008年研制“30m3抓斗式非自航挖泥船計算機監控系統”時，在該船的數據采集方案中布置了LMU傳感器網絡，先期接入GPS、船體姿態和吃水等方面的傳感器，并分別開發LMU嵌入式計算機數據采集分析軟件、基于GIS平臺的TMC遠程監測軟件和遵循通信協議手冊的岸-基網絡通信軟件，從而構成一個 “工程船舶安全狀態在線監測系統”應用測試系統。2009年6月1日，在30m3抓斗式挖泥船從廣州調遣到營口拔魚圈工地的過程中，通過移動通信網絡試驗測試該船安裝的LMU與設在廣州公司本部的TMC GIS服務器進行數據交換的性能，此時LMU作為該船的智能值守儀器，向拖船或TMC提供該船的航行狀態數據信息，TMC計算機顯示畫面見圖7。

圖7 工程船調遣航行位置坐標跟蹤畫面

此次測試驗證了系統的主要功能：管理人員能通過異地計算機遠程在線監測工程船海上空間姿態、大地坐標、船體吃水、航向、航跡及聲響等數據信息，同時在施工時能獲得設備運行的相關工況參數及現場施工數據。實際測試使用結果表明：“工程船舶安全狀態在線監測系統”能全天 24h不間斷地監測海上工程船，是企業船隊生產安全監督的重要保障。