（交通信息工程及控制专业论文）疏浚驳船载运状态智能监测模型研究.pdf

保护知识产权声明 舢帅i | f 伽| f i | | f i | 舢 y 17 4 8 5 6 3 行的研究工作及取 ，论文中不包含其 法享有和承担由此 本人完全了解集美大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意集美大学可以 用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 作者( 签名) ： 导师( 签名) ： 时间： 沙卜6 疏浚驳船载运状态智能监测模型研究 摘要 本文的研究主要是从港航管理部门对于疏浚驳船载运状态监控的现实需要出发，鉴于 大型船舶载运状态的相关监测设备和方法不能直接应用于疏浚驳船，提出根据疏浚驳船位 置信息和吃水变化信息来判别驳船载运状态的智能监测模型，解决目前国内对于疏浚驳船 载运状态监控不便的难题。有效的疏浚驳船载运状态监控一方面可以帮助人们了解驳船的 实时载运状态，另一方面也可以帮助港航管理部门辨别疏浚驳船在海上有无随意倾倒泥 沙的违规行为。 论文结合厦门市科技计划课题的实际研究，以厦门港疏浚驳船为监控对象，对 课题采集得到的驳船吃水变化信息和g p s 船位信息进行滤波优化处理后，采取理论 分析和实践检验等手段研究监测模型，实现了对疏浚驳船载运状态的监控。 首先，本文从课题的研究背景和国内外研究现状出发，综述目前大型船舶载运 状态监控的设备和方法，比较大型船舶和疏浚驳船在载运状态监控方便的区别，分 析得出上述设备和方法不适合直接应用于疏浚驳船载运状态监控的原因；再就本论 文研究的疏浚驳船载运状态监测模型的信息采集装置和采集原理进行了概述，提出 了研究方案和技术路线，为后文的继续研究奠定理论基础。 其次，在理论分析的基础上，结合课题研究和相关参考文献，对海上影响驳船 吃水变化信息的干扰因素进行模型分析，探索水流、船舶周期性摇摆、舷外水密度 等干扰因素的形成原因和特点，发现上述因素的影响规律。同时，研究了驳船吃水 变化信息和驳船位置数据的滤波处理方法，介绍了信号野值、均值和趋势项处理、 递推平均滤波和数据平滑拟合等处理方法。 再次，通过先期海上调研得到有关驳船吃水变化信息和位置等实际数据，结合 实验室模拟数据，运用模糊数学的综合评判理论和数理统计的相关理论对疏浚驳船 载运状态( 满载、半载、空载) 提出了一些初步的监测模型，并利用m a t l a b 仿真 工具进行模型仿真和分析，再待后续的研究试验来验证该监测模型。 最后，介绍整个载运状态监控系统的体系规划以及硬件、软件设计，并且结合 厦门港疏浚驳船载运状态监控系统的实际应用来验证监测模型的效果。调研测试结 果表明该系统基本满足港航管理部门监控疏浚驳船载运状态的业务需要，同时也为 将来模型的改进提供了数据基础。 本文根据驳船吃水变化信息和g p s 船位信息来研究综合判断疏浚驳船载运状态 的监测模型，为岸上监管部门及时了解港口疏浚驳船的载运状态和运动规律，防止 驳船超载和随意倾倒泥沙等现象提供了科学的方法，提高了港口航道疏浚作业的正规 化和监管效率。同时为监管取证提供科学、可靠的数据支持，也为将来研究更成熟的应 i 了一些基础研究。 算法 r e s e a r c ho nt h ei n t e l l i g e n tm o n i t o r i n gm o d e l o fd r e d g i n g b a r g e sl o a d i n gc o n d i t i o n s a b s t r a c t t h i sp a p e ri sm a i n l yb a s e do nt h ep r a c t i c a ln e e do fh a r b o rm a n a g e m e n ta d m i n i s t r a t i o n , t o w a r dt h em o n i t o r i n go fd r e d g i n gb a r g e sl o a d i n gc o n d i t i o n s i nv i e wo ft h er e l a t e dl a r g es h i p s m o n i t o r i n ge q u i p m e n t sa n dm e t h o d sc a l ln o tb ed i r e c t l ya p p l i e d t od r e d g i n gb a r g e s ，b a s e do nt h e i n f o r m a t i o no fb a r g e sl o c a t i o na n dd r a f tc h a n g e ，i te s t a b l i s h e sm o n i t o r i n gm o d e lo fd r e d g i n g b a r g e ，sl o a d i n gc o n d i t i o n s i tc a l ls o l v et h ec u r r e n td o m e s t i cl o a d i n g c o n d i t i o n sm o n i t o ri s s u eo f d r e d g i n gb a r g e sa n do t h e rs i m i l a rm i n it y p ev e s s e l s e f f e c t i v em o n i t o r i n go fd r e d g i n gb a r g e s l o a d i n gc o n d i t i o n s ，n o to n l yc a l lh e l pp e o p l eu n d e r s t a n dt h er e a ll o a d i n gc o n d i t i o n so fd r e d g i n g b a r g e ，b u ta l s oh e l ph a r b o rm a n a g e m e n ta d m i n i s t r a t i o ni d e n t i f yt h ev i o l a t eb e h a v i o r t h e yc a n j u d g et h ed r e d g i n gb a r g e i sr a n d o m l yd u m p i n gs e d i m e n to rn o t t h et h e s i sc o m b i n e st h er e s e a r c hp r o j e c t so nx i a m e nc i t ys c i e n c ea n dt e c h n o l o g yp l a n , t a k e sx i a m e np o r td r e d g i n gb a r g e sa sm o n i t o r e do b j e c t s i tc o l l e c t sa n df i l t e r so nt h es h i p sd r a f t c h a n g e si n f o r m a t i o na n dg p sp o s i t i o ni n f o r m a t i o n ，t h e no n t h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dp r a c t i c a l t e s t s 。i tr e a l i z e st h em o n i t o ro fd r e d g i n gb a r g e sl o a d i n gc o n d i t i o n s f i r s t l y , a c c o r d i n gt ot h eb a c k g r o u n do fr e s e a r c hp r o j e c t sa n dt h es t a t u sq u o i nd o m e s t i ca n d a b r o a d ，t h i st h e s i ss u m m a r i z e st h em o n i t o r i n ge q u i p m e n t sa n dm e t h o d so fl a r g es h i p s l o a d i n g c o n d i t i o n sp r e s e n t l y , a n a l y s e st h em o n i t o r i n go fd r e d g i n gb a r g e sl o a d i n gc o n d i t i o n s ，c o m p a r e s t h ed i s t i n c t i o nb e t w e e nt h el a r g es h i p sa n dd r e d g i n gb a r g e s ，a n dt h e ni n t r o d u c e st h ei n f o r m a t i o n a c q u i s i t i o nd e v i c e sa n da c q u i s i t i o np r i n c i p l e s ，i nc o n n e c t i o nw i t ht h ed r e d g i n gb a r g e sl o a d i n g c o n d i t i o n sm o n i t o r i n g , p r o p o s e sr e s e a r c hp r o g r a m sa n dt e c h n i c a ll i n e i tc a r lp r o v i d et h e o r e t i c a l b a s i sf o rt h ec o n t i n u a lr e s e a r c hi nf o l l o w u pc o n t e n t s e c o n d l y , o nt h eb a s i so ft h e o r e t i c a la n a l y s i s ，c o m b i n i n gt h er e s e a r c ho np r o j e c ta n dr e l a t e d r e f e r e n c e s ，a n a l y s e st h em o d e lo f i n t e r f e r e n c ef a c t o r s ，w h i c ha f f e c t sb a r g e sd r a f tc h a n g e so nt h e s e a , s e a r c h e sf o rm ef o r m m i o nc a u s e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fi n t e r f e r e n c ef a c t o r s ，s u c h 勰t h e o c e a nc u r r e n t ，s h i p sc y c l i c a ls w i n g ，w a t e rd e n s i t yo u t b o a r d ，d i s c o v e r st h ei n f l u e n c er u l e so f t 1 1 e s ef a c t o r s m e a n w h i l e ，w i t hr e g a r dt ot h eb a r g e s d r a f tc h a n g e sd a t aa n dl o c a t i o nd a t a , i t s t u d i e st h e f i l t e r i n gm e t h o d s ，i n t r o d u c e s t h ea p p r o a c h e so fs i g n a le r r o r , m e a na n dt r e n d p r o c e s s i n g ，r e c u r s i v ea v e r a g ef i l t e r i n ga n d d a t as m o o t h n e s sc o m b i n a t i o na n ds oo n a g a i 玛t h r o u g hp r e l i m i n a r yr e s e a r c h , g a i n st h er e f e r e n c ed a t ao fd r e d g eb a r g e ，c o m b i n i n g w i t ht h el a b o r a t o r ys i m u l a t i o nd a t a , p r o p o s e ss o m ep r e l i m i n a r ym o n i t o r i n gm o d e lo ft h e d r e d g i n gb a r g e sl o a d i n gc o n d i t i o n s ( f u l l ，h a l f , e m p t y ) ，u s i n gc o m p r e h e n s i v e e v a l u a t i o no ff u z z y t i t s i m i l a rm i n it y p ev e s s e l ss u c ha sd r e d g i n gb a r g e ，i ta l s op r o v i d e ss o m en e c e s s a r yb a s i sr e s e a r c h f o rm o r em a t u r er e s e a r c ho nt h em o n i t o r i n gm o d e lf o rt h ef u t u r e k e y w o r d s ：d r e d g eb a r g e ，l o a d i n gc o n d i t i o n s ，m o n i t o r i n gm o d a l ，s h i p sd r a f t ，d a t a a c q u i s i t i o n ，f i l t e r i n ga l g o r i t h m i v 录 1 1 景。1 析2 4 1 ! ； 6 1 3 论文章节安排。7 第2 章信息采集、干扰模型的建立和滤波处理的研究8 2 1 船舶吃水变化和位置数据采集及量化8 2 1 1 数据实时采集装置概述8 2 1 2 采样原理与采样频率的选择8 2 1 3 信息采集后的量化处理一1 0 2 2 数据干扰模型的建立l l 2 2 1 水流影响特征模型的建立l l 2 2 2 船舶周期性摇摆影响规律模型的建立1 l 2 2 3 其他干扰因素的影响1 3 2 3 船舶吃水和位置数据的滤波处理1 3 2 3 1 去除采集信号的野值1 4 2 3 2 采集信号的均值和趋势项处理1 4 2 3 3 递推平均滤波法15 2 3 4 最小二乘法数据平滑拟合1 6 2 4 本章小结l8 第3 章载运状态判别模型的研究1 9 v 3 1 载运状态判别的总体研究思路1 9 3 2 实船调研采集驳船吃水变化数据2 0 3 2 1 实船调研2 0 3 2 2 数据记录与分析2 1 3 3 疏浚驳船吃水变化最大阈值的确定2 3 3 3 1 模糊理论的引入：2 3 3 3 2 模糊综合评判理论的建立2 5 3 3 3 模糊判别模型的模拟数据计算2 6 3 4 疏浚驳船吃水变化率最大阈值的确定4 0 3 4 1 疏浚驳船吃水变化率的定义4 0 3 4 2 吃水变化率最大阈值的确定4 1 3 5 疏浚驳船载运状态判别模型：4 1 3 5 1 模拟超值滤波判别模型4 2 3 5 2 正态白噪声判别模型4 3 3 6 本章小结。4 6 第4 章利用m a t l a b 进行模型仿真处理4 7 4 1 仿真工具的介绍和初始化4 7 4 2 仿真方案及结果4 7 4 2 1 水流影响模型的仿真4 7 4 2 2 船舶周期摇摆规律模型的仿真4 9 4 2 3 舷外水密度影响模型的仿真5 3 4 2 4 数据拟合的仿真5 4 4 2 5 载运状态监测模型的仿真5 6 4 3 本章小结5 8 第5 章厦门港实际应用分析5 9 5 1 监控系统体系结构整体规划设计5 9 5 2 监控系统总体硬件和软件构成5 9 v n 6 3 6 4 6 5 6 5 6 5 6 7 6 8 7 1 7 8 主要符号表 s n r s i g n a lt on o i s er a t i o信噪比 m a t l a b m a t r i xl a b o r a t o r y 矩阵实验室 g mi n i t i a lm e t a c e n t r i ch e i g h t 初稳性高度 r t u r e m o t et e r m i n a lu n it 远程终端设备 g i s g e o g r a p h i ci n f o r m a ti o ns y s t e m 地理信息系统 m t um a x i m u mt r a n s m i s s i o nu n i t 最人传输单元 g p s g l o b a lp o s iti o ns y s t e m 全球定位系统 e c d i se l e c t r o n i cc h a r td is p l a ya n di n f o r m a ti o n 电子海图显示与 s y s t e m信息系统 集美大学硕士学位论文疏浚驳船载运状态智能监测模型研究 第1 章引言 1 1 研究背景和国内外研究现状 1 1 1 疏浚驳船载运状态监控的研究背景 随着国家对沿海港口深水航道建设步伐的不断加快，港口疏浚工程作业已经成 为港口建设的重要组成部分。目前疏浚船舶的种类和数量都在不断增加，我国现有 疏浚船舶约4 0 0 0 多艘，基本具有了世界上所有的疏浚船舶类型。为提高疏浚船舶 的清淤疏浚效率和监控效率，加强船舶作业安全，安装在其上的自动化产品进一步 向信息化、网络化和智能化方向发展。 航道是港口发展的生命线、主动脉，为确保大型船舶进出港的安全，港口疏浚 已成为我国各大港口通航环境建设的主要工作。据江苏水利等资料分析u 1 1 ， 未来1 0 年间国内疏浚市场巨大，沿海疏浚每年约有1 0 0 亿元投资，主要用于大型 深水航道的建设和维护、建港和临港工业区建设配套的大型陆域吹填项目以及港口 航道的扩建升级。以福建省港口建设为例，每年用于港口航道疏浚工程的资金都在 亿元以上，由于港口疏浚工程量大，疏浚驳船数量和类型众多，并且疏浚驳船运输 作业远离岸边，岸上监管部门对其在海上疏浚运输疏浚泥沙的监管具有一定困难。 同时，一些港口疏浚工程承建单位为了谋取私利，常常不行驶至指定淤泥倾倒区倾 倒疏浚泥沙，而是在航行过程中随意就近倾倒，甚至将泥沙倾倒在港区的航道上， 这不仅严重破坏港口航道的通航环境，严重威胁进出港船舶航行安全，也严重破坏 港区海域的海洋生态环境m 咱1 。 据不完全统计，最近几年来，由于港口疏浚驳船存在乱倾倒泥沙的现象，导致 厦门西海域3 0 白暨豚保护区遭受严重破坏，2 0 0 6 年造成厦门、漳州、泉州近海 养殖业直接损失1 2 0 0 万元。如何有效地预防和制止疏浚驳船乱倾倒泥沙现象的发 生已成为港航、海洋与渔业等涉海部门管理工作中面临的主要难题之一。 为了减少疏浚驳船就近随意倾倒泥沙，甚至将泥沙倾倒在附近航道上的违规行 为，同时也为了防止疏浚驳船超载现象，保障海上人命和财产安全，提高疏浚驳船 的监管和执法效率，建设港口航道附近海域的数字化管理显得尤为重要1 。研发可靠 的疏浚驳船载运状态监控系统和设备对于各相关涉海单位共享驳船监管数据，更好地 对港口航道海域的疏浚驳船实施动态管理，维持良好的港口通航环境和船舶交通秩序， 提高港口航道疏浚作业效率，减少水上交通事故和海洋污染，推进港航管理部门的信息 化、现代化建设意义重大。1 。 面对疏浚驳船监管方面存在的问题，港航管理部门有必要跟上目前信息化、现代化 建设的大步伐，采用现代先进设备和技术进行日常管理工作，尽快地采用一整套智能化 载运状态监控系统及设备势在必行。 1 集美大学硕士学位论文疏浚驳船载运状态智能监测模型研究 1 1 2 国内外研究现状和存在的问题分析 如何有效地监控疏浚驳船载运状态并对其随意抛泥的违规行为进行取证，仍是 当前许多国家的港航监管部门面临的难题之一。在海上船舶交通监管服务领域，国 内外陆续出现了很多先进的监控船舶载运状态的设备和方法。对于大型船舶，可以 通过液位测量雷达系统或超声波系统测量船舶吃水来判别船舶载运状态，这些方法 在一定程度上可以帮助实时地掌握船舶载运状态，促进了船舶的智能化管理。 这些方法的特点介绍如下： ( 1 ) 液位测量雷达系统l i h , i h j 高精度液位测量雷达系统采用基于f m c w 雷达体制的微波测量系统，由于微波 测距为非接触式，因此不受环境限制；并且此套测量系统的调频连续波( f m c w ) 雷 达具有发射功率小、距离分辨率高等特点，利用回波信号的相位谱信息可使测距精 度提高到毫米级，从而满足测量系统的精度要求。系统主要包括微波发射接收 ( t x r x ) 单元，v c o 控制单元，回波信号放大、滤波和隔离单元，信号采样及存储 单元，基于d s p ( 数字信号处理器) 的数据处理单元及天线等。 图1 1f m c w 雷达高精度液位测量系统框图 它的显著优点是非接触式微波测量，不受环境限制，适合测量油船舱内液位， 适合测量通常具有毒性、腐蚀性的化学品或原油等，应用于大型船舶；缺点是设备 成本高、工艺复杂且不适合小型疏浚驳船上剧烈摇摆的现场环境。 ( 2 ) 超声波系统测量“w 超声波系统测量是利用超声波测距的基本原理，它是一种非接触式的测量方 法。与其它方法相比，例如电磁或光学的方法，它不受光线、被测对象颜色等因素 的影响；对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境下也 有一定的适应能力。它的分辨力很高，因而其准确度也较其它方法为高；而且超声 波传感器具有结构简单、信号处理可靠、体积小等特点。因此超声波系统测量在液 位测量、物体识别、车辆自动导航等方面有着广泛的应用。 该测量方法，最大的误差就是超声波测距误差，尽管目前使用了各种方法以减 小测距误差，但仍存在各种难以克服的偏差，比如：波速误差、记时误差、传感器 反应速度、回波信号处理时间、程序中设置传播速度与当前条件下的实际值之间的 差别、数据处理过程中整数与小数相乘出现的近似计算误差等等。经过广大科研工 2 集美人学硕七学位论文疏浚驳船载运状态智能监测模型研究 作者多年的测量和实践，总结得出对超声波测距误差影响最大的两个因素是温度和 湿度。因此，该仪器有待进一步升级改进，如采用温度传感器补偿声速等，从而减 小误差，提高测量精度。 超声波测量系统的显著优点是抗潮湿、耐腐蚀，具有抗冲击、移植性好的特点， 适合海上船舶的使用环境；缺点是容易受海上环境湿度、温度等因子的影响，需要 设计补偿方法。 ( 3 ) 压力式传感器系统心u 该传感器选用固态压阻式的压力传感器，它采用半导体集成电路工艺制成的硅 压阻应变片，应变电阻以扩散方式融合在硅弹性应变体内，对应力实现无误差的电 转换，这种器件的优点是具有耐潮湿、耐震动、耐离心力、温漂小、灵敏度高、线 性度好、输出大等特点；缺点是容易受船舶航行速度、水流速度、船舶摇摆、涌动 以及波浪等众多因素的影响。 ( 4 ) 人工水尺测量心纠 在风浪条件下，人工观察吃水的精度难以达到5 ，即使是在风平浪静的理想状 态下，由于人们存在主观性和船舶摇摆等原因，读数精度也在l 1 5 之间。该 方法优点是传统目测、成本低廉、结构简单；缺点是容易受到船舶摇摆等影响而产 生较大读数误差，并且观测效率低，还增加了船上观测人员的危险性。 上述方法应用在大型船舶载运状态测量方面取得了较好的效果，一定程度上提 高了船舶载运状态数据采集与处理系统的可靠性，给船舶载运状态智能监测带来了 极大的方便。但是这些方法基本上都是应用在大型船舶监控领域，不太适合应用于 港口疏浚驳船等小型船舶。 图1 2 不i 一载运状态卜的疏浚驳船 目前，国内外有一些科研院所正在积极地研究针对疏浚驳船载运状态的监测方 法，在一定程度上促进了疏浚驳船载运状态的监控水平。 这些方法的特点介绍如下： ( 1 ) 国内出现了一种用于驳船水尺计重的船舶吃水测量仪3 。，该测量仪的主 体为一带容腔的容器，在该容器的上部有一个与大气相通的开口，容器的下部有一 集美大学硕士学位论文疏浚驳船载运状态智能监测模型研究 个细微通道，该通道可以方便海水进出容器的容腔；通过细微通道的作用可将海浪 干扰降低到0 0 1 c m 以下，这样有利于测量出船舶吃水值。 ( 2 ) 有些监管部门利用g p s 定位系统对疏浚驳船进行施工位置监测，虽然可 以实时地掌握驳船的位置和航迹，但是无法得知其载运状态，给一些不行驶至指定 倾倒区倾倒泥沙的违规行为留有余地，监管部门无法进行违规取证比制。 ( 3 ) 一些国外发达国家采用在疏浚驳船上安装c c t v 视频设备来监控港口疏浚 驳船的泥沙倾倒工作，并掌握其载运状态。虽然这种c c t v 视频监控方式具有直观 的优点，但是目前我国9 0 的疏浚驳船船体老旧、吨位较小，并且c c t v 视频监控 设备要求外供电源稳定，设备成本较高，易遭受人为破坏且安装维护麻烦。因此， c c t v 视频监控疏浚驳船载运状态的方法难以在我国应用推广。 此外，还出现了疏浚驳船货舱液面探测仪、倾倒设备控制记录仪等监测设备和 方法，但是这些设备对环境要求都较高。对于疏浚驳船这种小型船舶而言，海上实 际运输作业情况复杂恶劣，船舶摇摆和水流等因素都会使得采集到的船舶吃水变化 信息产生较大误差，所以，单独依靠这些设备采集吃水信息来判断疏浚驳船载运状 态并不完全可靠，上述这些设备的实际应用还存在一定困难。 为了防止海上疏浚驳船随意抛泥的违规行为，提高疏浚驳船的清淤疏浚效率， 同时提高判断载运状态的准确率，协助监管部门对疏浚驳船实施有效的载运状态监 控，目前急需一种能方便、准确、安全的载运状态判别方法。 1 2 选题由来、研究目的和内容 1 2 1 选题由来与研究方案探索 本篇论文所要进行的疏浚驳船载运状态智能监测模型的全部研究工作和计划， 来源于厦门市科技计划项目“港口疏浚驳船载运状态监控系统的研发 ( 项目编号： 3 5 0 2 2 2 0 0 7 3 0 2 3 ) 。该项目经相关领导及专家审核，一致认为该项目设计方案的设计 结合了厦门港航道疏浚监控管理的具体业务需要，规划设计的系统采用了先进的软 件、硬件、网络、通讯、数据压缩、数据传输等技术，满足了厦门港海上航道疏浚 监管执法、海上船舶交通安全等港口管理工作的需要。 该项目拟借助g i s 技术、计算机技术、无线通信技术、传感器技术等现代技术 手段，融合港区电子海图信息、疏浚驳船吃水变化信息、驳船g p s 船位信息等，构 建具有可靠的疏浚驳船载运状态分析功能的监控系统，帮助监管部门实现对疏浚驳 船载运状态的实时监控。 本论文依托厦门市科技计划项目的实际研究，研究方案主要有： ( 1 ) 查阅有关数据采集与处理方面的相关文献资料，在实际调研中对安装在 驳船上的吃水检测传感器测得的数据进行记录，并对数据采集系统收集到的驳船各 个航行状态数据进行归类统计，如驳船静止、加速航行、减速航行、匀速航行等， 4 集美大学硕士学位论文疏浚驳船载运状态智能监测模型研究 比较不同水流情况下的数据差别，进行规律分析，总结提出干扰模型。 ( 2 ) 滤波的关键在于识别和区分异常数据和非异常数据，为此需要研究国内 外有关数字滤波算法方面的书籍资料，结合有关流体力学和船舶原理方面的知识， 联系疏浚驳船吃水信息测量的实际情况，建立合理的抑制干扰滤波算法模型并进行 仿真模拟。 ( 3 ) 疏浚船舶载运状态的监测模型研究方案。采用理论分析和实际调研相结 合的方法，在调研中特别关注驳船装泥和卸泥时的吃水信息采集，并对诸如最大吃 水变化量、吃水变化速率、吃水变化时间等因子进行量化处理，重点研究此时的数 据特点，研究出根据吃水变化和驳船位置来综合判断疏浚船舶载运状态的模型，利 用m a t l a b 等仿真工具进行模型仿真。 ( 4 ) 利用v i s u a lc + + 6 o ) b 开发工具，采用s o l 数据库，构建基于i h os - 5 7 国 际标准电子海图的船舶载运状态监控平台，具体实现上述提出的算法，并进行实船 测试，数据对比分析，验证模型的可靠性，改进模型。 1 2 2 研究目的与意义 近年来，深圳、上海、天津、厦门等国内港口管理部门，采用执法船跟踪监控 和渔民自行监督等方式来监管疏浚驳船倾倒过程，但这种被动的监管方式，不仅带 来巨大的成本，而且往往无法及时发现倾倒过程，即使发现，也难以提取科学、有 效的证据材料。上世纪9 0 年代末，国内有关研究机构曾研发疏浚驳船货舱液面探 测仪、倾倒设备控制记录仪等，经试验，由于这样的设备对环境要求较高，无法实 用；2 0 0 3 年厦门港务部门在疏浚驳船安装了g p s 监控终端，对疏浚驳船进行航程实 时监控，一定程度上遏制了违规倾倒，但由于无法获取疏浚驳船载运状态数据，对 疏浚驳船“一边航行，一边倾倒等违规行为过程仍无法监控，单纯依靠g p s 航迹 监控，无法获取有力的证据。 目前一些针对疏浚驳船载运状态的监测方法的应用，一定程度上提高了驳船载 运状态数据采集与处理系统的可靠性，提高了疏浚船舶的监控效率，对疏浚驳船载 运状态的判别都起到了一定的积极作用，但都存在二些有待改进的地方。 根据我国疏浚驳船的实际情况，通过疏浚驳船g p s 位置信息和吃水变化信息的 采集、滤波、处理，借助港区电子海图平台和现代通讯手段，硬件和软件相结合， 采用g p s 位置监控和装载状态监控两种手段相结合，综合分析疏浚驳船位置数据和 船舶吃水变化数据来综合判断疏浚船舶载运状态的新方法，准确率高，实用性强， 有效判别驳船有无倾倒泥沙行为，可以大大改善疏浚驳船的监管盲区，做到对疏浚 驳船有效的监管。 本论文提出一种可靠的根据g p s 船位和吃水变化信息来综合判别疏浚驳船载运 状态的监测模型。经过查阅相关资料，目前国内还未出现有关利用g p s 船位和吃水 集美大学硕士学位论文疏浚驳船载运状态智能监测模型研究 变化信息来判别疏浚驳船载运状态的监测模型的论文和报道，专门针对港口疏浚驳 船载运状态的监测模型及其应用领域在国内尚属于初步研究阶段，该研究领域新 颖，针对性强，为港航部门的驳船监管等工作提供了一种非常有效、直观、快速及时的 监控管理手段。 最终的研究成果能够很快投入到实际的疏浚驳船监管应用，将大大改善目前港口航 道疏浚驳船载运状态监控效率低、盲区大、信息不直观的状况，较好地解决疏浚驳船监 管难题，研究成果还可以进一步推广到其他小型船舶吃水监测工作中。因此，该监 测模型的研究具有一定的学术和应用价值。 1 2 3 研究内容与技术路线 借鉴国内外其他一些学者的研究经验，研发一种高效实用的疏浚船舶智能化监 控系统及设备，突破口在于如何设计精准可靠的船舶吃水变化信息采集及处理系 统，以及实时根据船舶位置信息和吃水信息解算和判别船舶装载状态。 本文结合厦门市科技计划重点课题的实际研究，针对如何对疏浚驳船载运状态 实施全面地监控提出了一些新的研究内容：通过采集疏浚驳船吃水变化信息和g p s 船位信息，探索不同干扰因素的形成原因和特点，提出这些干扰因素的影响规律模 型，包括船舶周期性摇摆和水流等因素的影响，研究并建立合理的抑制干扰的滤波 算法模型，获取港区地理信息，提出如何根据g p s 船位信息和吃水变化信息来综合 判断疏浚船舶载运状态的智能监测模型。 该疏浚驳船载运状态智能监测模型是通过先进的信息采集与处理方法对原始 信息进行加工、处理，再综合利用驳船吃水变化信息和g p s 位置信息来智能判别监 测疏浚驳船的载运状态( 如：满载、半载、空载) 。信息采集与处理方法包括诸如 算术平均值法、递推平均滤波法、加权平均滤波、惯性滤波、概率忽略法、超值滤 波法等，究竟采用哪种方法应视具体情况而定，对于不同性质的干扰因素，相应的 滤波处理对策是不同的。 本文采取理论模型分析和试验相结合的研究方法，通过资料收集与调研，参加 国内外相关学术会议，与有关单位协调合作等手段获取前沿信息，具体措施包括： ( 1 ) 查找信息采集与处理相关文献资料，探索适合实船需要的数据处理方法； ( 2 ) 建立驳船载运状态判断监测模型，利用相关的计算机软件对采集到的数 据进行计算仿真； ( 3 ) 与其他相关科研院所交流探讨，并与校外公司协作，共同研制适合船舶 上使用的吃水信息采集终端样机； ( 4 ) 根据船舶监管业务实际需要，构建基于i h os 一5 7 国际标准电子海图的船 舶载运状态监控平台； ( 5 ) 结合疏浚驳船的实际情况，选取合适的调研对象，进行实船测试。 6 疏浚驳船载运状态智能监测模型研究 图1 3 技术实现路线图 根据以上所述的研究内容，本论文共分为六章，各章主要内容安排如下： 第1 章：引言 介绍了疏浚驳船载运状态智能监测模型的研究背景，概述国内外的研究现状， 分析了现有监控方法的不足，说明本文的研究目的、研究内容和研究意义。 第2 章：信息采集、干扰模型的建立和滤波处理的研究 介绍港口疏浚驳船位置和吃水变化信息的采集与处理方法，建立了海上复杂环 境的干扰因素影响模型和处理措施。 第3 章：载运状态判别模型的研究 运用模糊数学和数理统计相关理论提出了初步的载运状态判别模型。 第4 章：利用m a t l a b 进行模型仿真处理 根据m a t l a b 仿真工具实现对以上所建立的干扰影响模型和智能监测模型进行 仿真。 第5 章：厦门港实际应用分析 结合监管部门的业务需要，介绍监控系统的设计思路和功能模块划分以及软 件、硬件组成，总结分析了监测系统在厦门港的实际应用效果。 第6 章：结论与技术展望 总结本文的研究结果，指出目前监测模型的不足之处并提出课题未来研究方向。 7 集美人学硕十学位论文疏浚驳船载运状态智能监测模型研究 第2 章信息采集、干扰模型的建立和滤波处理的研究 2 1 船舶吃水变化和位置数据采集及量化 2 1 1 数据实时采集装置概述 本文采用的吃水检测仪利用液位传感器，由中心控制单元、收发同体传感器、 控制电源等组成。设计的船舶吃水信息采集系统需要将多个模块( g p s 定位模块、压 力式液位传感器等) 进行融合形成远程终端设备( r t u ) 来监测远程现场，r t u 将测 得的状态或信号转换成可在通信媒体上发送的数据格式，为数据融合提供数据格式 支持。数据融合的基础是时间的统一性和数据的准确性，不同传感器的时间必须统 一，采用g p s 模块进行定位数据的获取并作为系统计时装置，压力式液位传感器负 责检测船舶吃水信息，采样速度为2 0 次秒，样机基本组成部分如下图所示： 图2 1 吃水信息采集与传输终端设备 上图的设备从左到右依次为：压力式传感器、中心控制单元、通讯内部组件、 g p s 模块、通讯设备外壳。为了后续研究监测模型的需要，必须上船安装采集终端 获取一些初步的研究数据，课题组成员在厦门港疏浚驳船上进行采集终端设备的安 装现场见第三章第2 节。 2 1 2 采样原理与采样频率的选择 ( 1 ) 采样原理幢。3 驯 因为所要设计的监测系统模型是以数字技术为基础的，所以我们对信号的处理主要采 用数字处理。信号采样就是每隔一定的时间段抽出一个样本数据，最常遇到的问题就是时 集美大学硕士学位论文疏浚驳船载运状态智能监测模型研究 域抽样，也称作采样，它是信号的时间离散过程。 采样过程是通过抽样脉冲序列p ( t ) 与连续的原始信号石( f ) 相乘实现的， 所得的信号为曼( f ) ，则有： 叠( f ) = x ( f ) o p ( t ) 根据卷积定理可知抽样信号的f i 、为： 设经过抽样后 式( 2 1 ) 譬( 厂) = x ( 力p ( 厂) 式( 2 2 ) 若采用等时间间隔采样( 均匀采样) ，设采样周期为z ，采样频率为z ( z = 1 z ) ，为 简化模型，假设采样脉冲序列为理想的周期冲击序列，即 p ( f ) = 6 ( t - n r ，) 由于p ( f ) 是周期函数，则兵f t 为： p ( 厂) = p ( f k ) a ( f - k f ，) 其中，p ( 五) 为p ( f ) 的f s 系数，且? 2 “ p ( 六) 2 专e ：p ( r ) p 2 嘶出2z 1 产驰, 1 2 ) p 。2 嘶出= 专 所以： p ( 厂) = i 1 6 ( f - k f , ) 式( 2 6 ) 于是可得： j ( 力= x ( ) 軎以厂一织) 式( 2 7 ) 七= j j 根据卷积性质，任意函数与冲击函数的卷积，相当于把函数移至冲击函数的位置上，因此： j ( 厂) = i 1 x ( f - k f 。) 式( 2 8 ) jk = - - 。 该式表明，一个连续信号经过理想抽样后，其频率为原来连续信号频率x ( f ) 的周期 延拓，延拓周期等于抽样频率，：。 当采样信号的频率低于被采样信号的最高频率时，采样所得的信号中混入了虚假的低 频分量，这种现象叫做频率混叠。下图( a ) 是频率正确的情况，以及其复原信号；( b ) 是采 样频率过低的情况，复原的是一个虚假的低频信号。 9 监测模型研究 那么，当且仅当f 2 ，：时，采样信号的频谱不会产生混叠。 ( 2 ) 采样频率的选择 混叠将对信号的正确分析造成影响，为消除这一负面影响，在对驳船信息采集系统输 出信号的采样频率进行选择时，必须遵循采样定理，例如，如果我们关心的是驳船信息采 集系统输出信号中频率小于z 的部分，则采样频率z 至少要大于2 z 。 同时，在信号采样频率f 确定后，还必须保证在被采样前的信号中没有高于，2 的频率成分，否则经采样后，信号中的高频成分将混入低频信号中，造成分析误差。 为此必须滤掉信号中频率高于，：2 的成分。 前面所使用的硬件采集装置的采样速度为2 0 次秒，考虑到海上船舶摇摆情况， 此采样频率基本满足要求。 2 1 3 信息采集后的量化处理 吃水变化信号和船舶位置信号经过时域采样后变成离散数据序列叠( n z ) ，由于 在数字信号处理过程中所用的数据都是有限字长的二进制数，所以模拟信号经过时 域采样后，曼伽z ) 还要经过幅域采样才能转变成数字信号，即量化过程。 量化就是指用一些幅值不连续的数来逼