（电子科学与技术专业论文）三峡通航船舶吃水远程监测与预警系统的研究.pdf

r e s e a r c ho nt h et h r e eg o r g e ss h i pd r a f ts y s t e mo f r e m o t em o n i t o r i n ga n de a r l yw a r n i n g at h e s i ss u b m i t t e dt o d a l i a nm a r i t i m eu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g z h o n g h u i ( e l e c t r o n i cs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ) t h e s i ss u p e r v i s o r ：p r o f e s s o r x i o n gm u d i j u n e2 0 11 嘲2洲56698川川iy 论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博硕士学位论文 ：三噬逼氲墼壁堕丞适捏堕趔皇亟鳘丕筮的硒究= = 。除 论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已 经公开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：垒碎苏聋 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文全 文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出版发 行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密( 请在以上方框内打“”) ：铆鹋名：曼删 日期：p i 年_ 月：；日 中文摘要 要 量的不断增加，航运船舶的数量和密度也大幅增大，船舶 事故对于长江航道航运安全威胁同益严重，其中最严重就是船舶超吃水问题。治 理船舶超吃水的关键是检测出通航船舶的吃水量。研制实时检测船舶吃水的设备， 实现对船舶吃水量进行实时离船检测，对防止船舶超吃水而导致海事事故的发生 有着重要的意义。而本文研究的将测量的船舶吃水信息与船东上报v r r s 的信息融 合，实现对通航船舶吃水的远程监测，具有重要的现实意义。 本文主要研究了通航船舶吃水量的远程监测与实时预警。首先利用网络编程 技术实现了船舶吃水测量信息的网络传输；利用信息融合技术实现了船舶吃水测 量信息与v t s 系统的船舶动静态信息的融合；通过信息融合从而判别船舶是否超 吃水，如果超吃水则对违章船舶的图像信息进行采集并保存，作为相关部门执法 依据。 本文首先概述了三峡通航船舶吃水自动检测与预警系统的整体方案，并根据 项目要求，设计了远程控制检测门支架同步升降子系统和船舶吃水的远程监测子 系统。利用t c p i p 传输协议，开发了船舶吃水数据的网络传输软件，实现了数据 的网络传输。然后对v ，r s 系统中的信息进行研究，通过串口传输方式获取船舶的 动态和静态信息。采用全闭环位置跟踪控制方式和p i d 算法实现了对检测门的同 步升降控制，开发了p l c 与上位机通信的应用软件，实现了对检测门升降的远程 控制。 最后给出了系统的现场测量数据和模拟测试结果。目前，通航船舶吃水检测 系统已经在三峡船闸运行，系统精度达到项目要求。实现了检测门同步升降的远 程控制和吃水数据的网络传输，通过信息融合从而判别船舶是否超吃水。系统的 技术途径是可行的，达到预期效果，为项目后续阶段打下了坚实的基础。 关键词：船舶吃水检测；远程监测；数据融合：超吃水判别 w i t ht h ei n c r e a s i n ga m o u n to fy a n g t z er i v e rs h i p p i n ge a c hy e a r t h en u m b e ro f v e s s e l si sa l s o i n c r e a s i n gs i g n i f i c a n t l y h o w e v e rd e n s i t yo fs h i pa c c i d e n t si st h e g r o w i n gs e c u r i t yt h r e a ti nt h ey a n g t z er i v e rs h i p p i n gc h a n n e l ，t h em o s ts e r i o u s p r o b l e mi st h eo v e rd r a f to fn a v i g a t i o ns h i p d e t e c tt h en a v i g a t i o ns h i p t sd r a f ti st h e k e yt ot h ep r o b l e mo fs u p e rd r a f tg o v e m a n c e d e v e l o pae q u i p m e n tf o rt h es h i p t s d r a f tr e a l - t i m ed e t e c t i o n ，t oa c h i e v et h es h i p s d r a f td e t e c t i o no fd i s e m b a r k a t i o n r e a l t i m e ，p r e v e n tt h es h i pf r o mo c c u r r e n c eo fm a r i n ea c c i d e n t sh a s i m p o r t a n t s i g n i f i c a n c e a n dt h i ss t u d yw i l lm e a s u r et h ed r a f to ft h es h i po w n e rt or e p o r tv t s i n f o r m a t i o na n di n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o n ，t oa c h i e v er e m o t e m o n i t o r i n gt h en a v i g a t i o n s h i p sd r a f th a si m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e t h i sp a p e rs t u d i e so nr e a l t i m er e m o t em o n i t o r i n ga n de a r l yw a r n i n go ft h e n a v i g a t i o ns h i pd r a f t f i r s t l y , t h eu s eo fn e t w o r k p r o g r a m m i n gt e c h n o l o g ya c h i e v e dt h e m e a s u r e m e n to ft h es h i p sd r a f ti n f o r m a t i o nb yn e t w o r kt r a n s m i s s i o n ；t h e u s eo f i n f o r m a t i o nf u s i o nt e c h n o l o g yt oa c h i e v em e a s u r e m e n to ft h es h i p sd r a f ti n f 0 册a t i o n w i t hs t a t i ca n dd y n a m i ci n f o r m a t i o no fs h i pi nt h e ss y s t e m ；t h r o u g hi n f o r m a t i o n f u s i o nt od e t e r m i n ew h e t h e rt h es h i pi ss u p e r d r a f t ，i ft h es h i p ，sd r a f ti so v e r , c o i l e c t i l l e g a ls h i pi n f o r m a t i o na n ds a v et h e i m a g e a st h ee v i d e n c e f o re n f o r e e m e n t d e p a r t m e n t t h i sp a p e ro u t l i n e st h ed r a f to ft h et h r e e g o r g e ss h i pn a v i g a t i o ns y s t e m ， a m o m a t i cd e t e c t i o na n dw a r n i n gt h ew h o l ep r o g r a m ，a n d a c c o r d i n gt ot h ep r o j e c t r e q u i r e m e n t s ，t h ed e s i g no ft h er e m o t ec o n t r o ld o o rf r a m es y n cd e t e c t i o ns u b s y s t e m a n dd o w nt h es h i p sd r a f to ft h er e m o t e m o n i t o r i n gs u b s y s t e m s u s i n gt c p i p t r a n s p o r tp r o t o c o l ，d e v e l o p e dt h es h i p sd r a f td a t an e t w o r kt r a n s m i s s i o ns o f t w a r e t 0 a c h i e v et h ed a t an e t w o r k t h e n s t u d yt h es h i p sd y n a m i ca n ds t a t i ci n f 0 曲a t i o n t r a n s m i s s i o nt h r o u g ht h es e r i a lp o r ti nt h e ss y s t e m u s i n gc l o s e dl o o pp o s i t i o n t r a c k i n gc o n t r o lm o d ea n dp i da l g o r i t h mc o n t r o ll i f t i n gs y n c h r o n o u so fi n s p e c t i o n d o o r d e v e l o p e dp l ca n dp cc o m m u n i c a t i o n s o f t w a r e ，a c h i e v e d t h ed e t e c t i o n t h r e s h o l dr e m o t el i f t i n gc o n t r 0 1 f i n a l l y , g i v et h es y s t e mf i e l dm e a s u r e m e n t sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t s c u r r e n t l y , d e t e c t i o no ft h es h i p sd r a f tn a v i g a t i o ns y s t e mh a sb e e nr u n n i n gi nt h et h r e eg o r g e s s h i pl o c k ，t h es y s t e ma c c u r a c yr e a c hp r o j e c tr e q u i r e m e n t s y n c h r o n i z e dm o v e m e n t st o a c h i e v et h ed e t e c t i o no fr e m o t ec o n t r o lg a t ea n dt h ed r a f td a t an e t w o r kt r a n s m i s s i o n ， t h r o u g ht h ei n f o r m a t i o nf u s i o nt od e t e r m i n ew h e t h e rt h es h i pi so v e rd r a f t s y s t e m s t e c h n i c a la p p r o a c hi sf e a s i b l e ，a c h i e v et h ee x p e c t e de f f e c t ，t h ef o l l o w 。u pp h a s eo ft h e p r o j e c th a sl a i das o l i df o u n d a t i o n k e yw o r d s ：d e t e c t i o no ft h es h i p sd r a f t ；r e m o t em o n i t o r i n g ；d a t af u s i o n ； 0 v e r d r a f t d e t e r m i n e 目录 目录 第1 章绪论1 1 1 课题概述1 1 1 1 课题来源及背景1 1 - 1 2 研究目的与意义l 1 2 研究现状3 1 2 1 通航船舶吃水检测的研究现状3 1 2 2 船舶远程监测技术研究现状5 i 3 本文主要工作5 第2 章三峡船闸通航船舶吃水远程监测与预警系统7 2 1 远程监测吃水系统概述7 2 2 远程监测系统的传感器数据采集与处理8 2 2 1 船舶吃水检测系统测量原理8 2 2 2 超声波传感器的组网方式1 0 2 3 远程监测吃水系统的检测门同步升降控制1 2 2 3 1 检测门升降系统的概述：1 2 2 3 2 检测门升降系统安全性设计1 7 2 4 远程监测吃水系统的视频监控1 9 2 5 本章小结2 0 第3 章信息传输和融合的关键技术研究2 1 3 1 远程监控系统的体系结构2 1 3 1 1b s ( b r o w s e r s e r v e r ) 体系结构2 1 3 1 2 客户机n 务器( c 1 i e n t s e r v e r ) 结构2 1 3 2 开放式通信模型2 3 3 2 1t c p i p 参考模型和o s i 参考模型2 3 3 2 2 传输层通信协议的选择2 5 目录 3 3 实现远程监控系统的通信技术_ w i n s o c k 2 6 3 3 1w i n s o c k 简介2 6 3 3 2s o c k e t 无连接通信机制2 8 3 3 3s o c k e t 面向连接通信机制2 9 3 3 4 通讯方式的选择3 1 3 4v t s 接收系统中船舶信息的获取3 l 3 4 1v t s 系统功能3 l 3 4 2v t s 系统中信息种类3 3 3 4 3v t s 系统中船舶数据信息的格式3 4 3 4 4v t s 系统中船舶数据信息的获取3 7 3 5 船舶吃水测量信息与v t s 信息融合3 9 3 5 1 信息融合的概念与基本结构3 9 3 5 2 信息属性融合的模型4 0 3 5 3 测量数据与v t s 数据的融合4 2 第4 章船舶吃水远程监测系统的软硬件设计4 3 4 1 检测门的远程同步升降设计4 3 4 1 1 检测门升降系统的电气控制电路设计4 3 4 1 2p i d 算法实现检测门同步升降控制4 5 4 1 3p l c 通讯系统构成4 9 4 1 4 上位机远程控制检测门支架的升降5 1 4 2 系统测量船舶吃水的数据处理5 4 4 2 1 “第一类异常数据 的处理5 4 4 2 2 “第二类异常数据 的处理5 6 4 3 3 数据算法处理流程5 8 4 3 船舶吃水数据网络传输软件设计6 0 4 4 违章船舶图像信息采集6 3 目录 4 5 通航船舶的超吃水实时预警6 4 第5 章系统的初步试验及结果6 7 结论及展望7 5 参考文献7 7 致谢8 l 研究生履历8 3 水远程监测与预警系统的研究 绪论 1 1 1 课题来源及背景 本论文来源于交通运输部西部交通建设科技项目：“三峡船闸通航船舶吃水自 动检测与预警系统关键技术研究。本论文作为项目的一部分，对实现整个系统的 实时预警、过闸船舶的调度优化具有重要作用。 我国内河水运资源非常丰富，改革开放以来，我国内河水运形成了以长江、 珠江、淮河、京杭运河、黑龙江和松辽水系为主体的内河水运格局。长江作为我 国第一大河，全长6 3 9 7 千米，其干流流经青海、西藏、湖北，江西，江苏、上海 等1 1 个省级行政区。由于中国经济的持续快速发展，长江沿线的航道不断整治， 进入2 1 世纪以来，长江航运发展迅猛，2 0 0 5 年，长江干线货运量达到7 9 5 亿吨， 成为了世界上运量最大、运输最繁忙的通航河流。2 0 0 7 年，一举突破1 0 亿吨大 关。目前，随着长江三峡水利枢纽的正式完工，5 0 0 0 吨级和万吨级船队可全年上 行至重庆，对促进流域经济协调发展发挥了重要作用【1 1 。 “万里长江一线通”，随着长江航运量每年的不断猛增，长江航运在我国经济 发展中的地位不断提升，为了保证通航船舶的安全航行和航道的安全畅通，其重 要性不言而喻。 1 1 2 研究目的与意义 长江是世界上最长的河流之一，是我国东西部经济发展的主轴线，是连接华 东、华中、西南三大地区经济的重要纽带。长江通航全程达2 8 0 0 多公里，其货运 量占全国内河总运量的8 0 ，素有“黄金水道”的美称。 船舶吃水分为三种：满载吃水、设计吃水、结构吃水。满载吃水容易理解， 即船舶装载合同规定的载重量( 货物、油水、备件、备品等) 时的吃水称之为满载 第1 章绪论 吃水。船体的设计中有两部分最重要的设计，一是性能设计，另一是结构设计。 性能设计主要包括线型、车叶设计；结构设计则包括船体、上层建筑等的结构形 式、尺寸和厚度的确定。简单地说，设计吃水是与性能设计密切相关，而结构吃 水是用于船舶结构设计的吃水。通常，根据吨位大小、船型以及船东对营运年限 的要求不同，结构吃水比满载吃水多0 5 1 2 米左右。由于船舶类型不一，装载 的不同，船舶可能出现横向倾斜、纵向倾斜导致船舶四周的吃水不同，在实际测 量过程中，通常是读取船舷的几个水尺标志，通过建立数学模型而计算得到船舶 的实际吃水。在长江航道安全航行，应使水深超过船舶实际吃水，并且一定要有 足够的安全余量，这个安全余量就是通常称的富余水深。 然而，随着长江航运量每年的迅猛增长，航运船舶的数量和密度大幅增大， 船舶事故对于长江航道航运安全威胁日益严重，其中最为严重就是船舶超吃水问 题。为了保证长江这条水运交通动脉的安全畅通，相关部门每年部署数千名航道 工人挖泥、清理来保证长江航道的安全畅通。然而一些船家受利益驱使，置国家 的航运超载禁令不顾，采取谎报船舶吨位、吃水信息，甚至制造假的吃水线、夜 间通过浅水区等方法来逃避海事执法部门的检查，致使超载搁浅事故接连发生， 这些事故不仅给搁浅船舶直接造成经济损失，而且还影响了长江航道的正常通行， 威胁三峡船闸的通航安全【2 1 。 现阶段由于条件的限制，通航船舶的实际吃水主要是靠人工读取船舷两侧的 水线来得到，由于船舶的数量不断增多，此方法已经不能满足现阶段实时快速离 船检测的要求。而对船舶“超吃水”的行为历来是长江航道管理的重点和难点。 目前，长江上的“超吃水 行为越来越隐蔽，通过查看船舶水线或者尺量舱内实 际舱深等传统的吃水测量方式很难真实的掌握船舶的实际吃水，这对超吃水船舶 的行为管理造成了很大的困难。如何用有效的船舶吃水现场检测方式来及时发现 超吃水船舶并予以处置，取得船舶“超吃水”证据，是长江航道行政管理中迫切 需要解决的问题。在船舶过闸前对船舶的吃水进行检测，及时发现超吃水船舶并 三峡通航船舶吃水远程监测与预警系统的研究 予以制止过闸。所以开发通航船舶吃水远程监测与实时预警系统对三峡船闸的安 全畅通是十分必要的。建立一个基于网络的远程监测船舶吃水与预警系统可以提 高船舶吃水检测的准确性和可靠性，减少海事执法部门登船测量水尺，能对三峡 过闸船舶进行实时检测吃水并预警，保障三峡船闸的通航安全和长江航道的安全 畅通，具有重要的现实意义。 1 2 研究现状 1 2 1 通航船舶吃水检测的研究现状 目前，检测船舶吃水技术大致有以下几种方法1 3 1 ： 1 人工目测：观察人员在岸上远距离目测船舶的水尺或者登船丈量船舱内实 际的舱深度而获得船舶的实际吃水。现阶段船舶吃水主要靠人工观测船舷的水尺， 为了尽可能的减小误差，通常是多组人员进行独立观测、记录，然后对观测结果 求平均值得船舶的实际吃水值。但是，这种人工观测船舶的吃水线往往存在很大 的局限性，比如：观测位置不方便、目测精度不高、工作量大、数据记录不够多 不能用统计学来分析数据，以及人工观测容易受外界环境影响，水面风浪和雾天 观测不清楚，容易引入误差，导致测量不准确，并且观测具有一定危险性。 2 压力传感器：水压的变化可以正确的反应出水深的变化，利用这一特性， 把压力传感器安装在空载船舶的当前吃水线位置，通过压力传感器的压力数值变 化，经过计算，反应出船舶的实际吃水。由于压力传感器需要装载船体外侧，传 感器所处环境比较恶劣，容易导致传感器的损坏，而且吃水深度不仅仅与水压， 还与水的密度、重力加速度等有关，不同的地方水的密度和重力加速度都有差别。 3 超声波测量：超声波由于能量聚集度高、穿透能力强的特性，超声波已经 被广泛的应用于测速、测距等人们的日常生活中。超声波传感器测距的原理是通 过计算传感器发射超声波到接收超声波回波的时间，再根据当地的声速计算出超 声波走的距离。 第1 章绪论 4 电子水尺：电子水尺是在人工目测水尺的基础上，采用了一种数据采集仪 和数字显示仪器相结合。其工作原理是利用水的导电特性测量两电极的电位差， 从而测量出水位数据。水尺工作时，外部电源供电的c p u 发出脉冲控制信号，从 水尺的顶部依次往下扫描，当扫描到与水面等高一个电极触点时，发出停止扫描 的信号，计算扫描的电极触点数，得出电子水尺到水面的距离，再根据水尺的安 装高度，从而换算出相应的水位数据，然后再显示屏上显示。 5 激光水位计：测量原理类似于超声波测量，利用光速在相同介质中传播的 速度不变，测量激光束的往返时间，从而得出船舶的时问吃水值。 前面已经介绍了几种经常使用水尺计量的方法，人眼目测、压力传感器测量、 以及激光仪器测量的几种方法都存在各种各样的问题，而这些问题对船舶吃水的 精确测量造成很大影响。 近几十年以来，超声传感技术的不断发展和计算机软件算法以及防水工艺的 快速发展，超声波传感器的应用领域越来越广阔，超声波传感器已经能在水下安 全的工作。随着超声波传感器技术的发展和日益完善，通过水下传感器阵列来测 量船舶的实际吃水已经成为可能。通过在水下支架每隔一定距离安装一个超声波 传感器，通过每个传感器打在水面的距离减去打到船底的距离差值就是船舶该点 的实际吃水值，把各传感器的数据采集通过串行总线发送到上位机，上位机编写 算法判断各传感器测量值的最大值就是该测量船舶的吃水。该方案只是测量出传 感器安装支架上方船舶的吃水，要想知道测量的对应是哪艘船，监督人员就必须 到现场观察，这使得对船舶超吃水管理带来许多问题。所以把实时测量的吃水通 过网络发送到远程监控中心，监控中心通过观察船闸现场的监控录像，然后再根 据船舶v t s 通报的吃水和实际吃水值对比就能判定哪艘船是否谎报或者船舶是 否“超吃水。 目前国内外尚无通航船舶吃水现场动态检测【4 】成套的系统设备，相类似的课 题仍处于技术理论研究阶段。根据现有的测量手段、技术手段、计算机测量软件 程监测与预警系统的研究 水自动检测系统。 本项目提出了水下超声波阵列船舶吃 1 2 2 船舶远程监测技术研究现状 船舶监控一般是针对与船舶的基本信息、动态信息以及船舶设备运行的状况 进行监测而言的。船舶监控主要有船舶端的对船舶本体进行监控和陆岸端的远程 监控。随着当今船舶自动识别技术、现场数据采集技术、远程通信技术、卫星 导航技术和电子海图技术等船舶通信导航技术的飞速发展，国内外许多企业相继 开发了船舶远程监控系统，这些系统提供了对远程船舶的动态、静态信息以及环 境信息进行查询，并在电子海图上将船舶的位置实时显示出来，从而实现可视化 的船舶动态监控。 二十世纪九十年代以前，船舶远程监控系统多为单船封闭系统，经历了从集 中型监控系统到集散型监控系统，再到现场总线控制系统发展阶段。进入2 1 世纪 以来，人类社会步入了一个信息化的社会，卫星导航技术、计算机技术以及互联 网技术等信息技术在航运方面得到了广泛的应用。信息化、网络化的管理能提高 航运公司的管理水平，也是体现一个航运公司的综合实力。正是在这样一个信息 化社会的背景下，国内外各航运公司都构建了自己的船舶与陆岸的计算机网络通 信系统，实现了船舶与陆岸的信息共享。由于船舶吃水自动检测系统无法识别测 量船舶对应的哪一艘，为了实现陆岸船舶吃水信息的共享。因此，本论文对船舶 吃水远程监测与预警系统进行研究，实现检测系统测量信息与控制室信息的共享 具有重要的现实意义。 1 3 本文主要工作 本文介绍了一个基于网络的远程监测三峡船闸通航船舶的吃水与预警系统搭 建以及实现技术，就系统的功能结构、物理结构、数据结构和实现的关键技术进 行了详细的论述，全面阐述了远程监测三峡船闸通航船舶的吃水与预警系统的具 第1 章绪论 体实现过程。 下面介绍一下本论文的具体章节安排： 第一章主要介绍了现场检测船舶吃水方法和船舶远程监测的发展现状，系统 的研究背景以及实现系统的目的及意义，并阐述了论文的研究目标及内容。 第二章是通航船舶吃水远程监测与预警系统的总体设计，系统原理框图和各 个功能模块的功能。 第三章是预警系统的网络编程和信息融合关键技术的研究，讲述了远程监控 系统的体系结构、利用w i n s o c k 实现网络通信、获取v t s 接收系统中船舶信息以 及建立信息融合模型。 第四章主要系统的软硬件设计。对系统的各个模块进行了详细的分析，软硬 件如何设计，以及系统如何联动实现通航船舶的远程吃水检测与预警。 第五章给出了系统在现场初步试验及结果。 第六章对系统的工作总结及展望。 三峡通航船舶吃水远稗监测与预警系统的研究 第2 章三峡船闸通航船舶吃水远程监测与预警系统 2 1 远程监测吃水系统概述 图2 1 船舶吃水远程监测与预警系统框图 f i g 2 1s t r u c t u r ed i a g r a mo f r e m o t em o n i t o r i n ga n de a r l yw a r n i n gs y s t e mo fs h i p sd r a f t 三峡船闸通航船舶吃水远程监测与预警系统的系统结构如图2 1 所示。本系 统主要分为三个子系统：检测门升降控制子系统、船舶吃水数据采集与处理子系 统和网络传输子系统。检测门升降系统由p l c 控制器、主副两端卷扬系统构成， 主要用来控制传感器安装支架的下放深度，p l c 控制器可以根据两端的绝对值编 码器来计算主副端的高度差，通过控制主副端的上升下降来保持支架的水平。同 时p l c 控制器接收测深传感器测量的水位信息来对支架的下放深度进行自动调整。 传感器数据信息采集与处理系统硬件设施主要有超声波传感器、温度传感器、倾 第2 章二峡船闸通航船舶吃水远程监测与预警系统 角传感器，工业计算机等。超声波传感器用来测量船舶吃水，温度传感器用来补 偿温度对超声波的影响，倾角传感器用来补偿超声波传感器安装倾斜带来的误差。 吃水数据采集与处理子系统是本系统的关键部分，由于传感器的数据输出方式、 数据格式不一，本系统采用r s - 4 8 5 串行传输作为单一的数据传输方式。网络传输 系统：船闸监控室获取测量船舶吃水数据，与v t s 系统进行数据交换，得到船舶 的设计吃水与当前静态吃水，与船闸处的摄像头进行通信，实现视频信号的网络传 输【5 1 。 2 2 远程监测系统的传感器数据采集与处理 2 2 1 船舶吃水检测系统测量原理 船舶吃水分为设计吃水和结构吃水，一般结构吃水比设计吃水大0 5 m i 2 m 。 结构吃水是船体结构设计所依据的吃水，还可以为以后船舶改装留有余地。一般 把满载吃水定义为设计吃水，在该吃水状态下来考核航速作为核算稳性的一个工 况。船舶实际吃水量是指水面到船底龙骨下缘的垂直距离，如果能获取整个船底 的吃水数据，集合当中的最大值就是船舶的实际吃水值。由于三峡船闸水位变化 范围大，所以要求超声波传感器安装支架深度随着三峡船闸水位实际深度做动态 调整。检测门由传感器安装支架和超声波测距传感器，温度传感器，倾角传感器 构成。如图2 2 所示，把传感器安装支架下放到一定深度，超声波测距传感器测 出水面与支架的距离h ，当有船舶进船闸从支架上方通过时，测距传感器测出船 舶地面距离安装支架的距离r ，然后就能得出船舶的底面各点的实际吃水数据集 合h ，h = h i h 2 ，被检测船舶的实际吃水h m a x = m a x ( h ) 。 三峡通航船舶吃水远稃监测与预警系统的研究 刍 船 船 闸 闸 水面 li 爪 弋船舶人j i q 豫t x八、么、一 v 7 爪 、 i h 2 i八入 | 1 ii il jl |r1 传感器安装支架 ， 图2 2 船舶吃水检测原理示意图 f i g 2 2s c h e m a t i cd i a g r a mo fs h i pd r a f td e t e c t i o np r i n c i p l e s 系统采用单束超声波测距仪【豇7 】对船舶吃水进行测量。由于超声波传感器阵列 由很多传感器构成，所以单个传感器的测量误差就是整个传感器阵列的测量误差。 支架上安装传感器的个数、安装间距、支架的下放深度决定了传感器阵列的覆盖 范围。系统设计时为了减小误差，就要求单个传感器的覆盖范围大。而传感器安 装支架下放越深，检测覆盖范围也越大，但是引入的误差也越大，所以要综合考 虑传感器的安装个数以及其水下工作深度。波束角小的传感器覆盖范围小，波束 角大的传感器覆盖范围大，所以系统设计时就要综合考虑系统的要求精度，以及 传感器性价比等因素去考虑。 船 7 夕7 、 够 必 vyv 天 逆 - 。_ - - 一 入入入川 l 图2 3 传感器阵列检测覆盖范围 f i g 2 3s e n s o ra r r a yd e t e c t i o nc o v e r a g e 第2 章三峡船闸通航船舶吃水远稗监测与预警系统 2 2 2 超声波传感器的组网方式 超声波传感器是以一定张角往外发送超声波，如果相邻传感器安装太近就会 发生信号互相干扰，导致测量结果错误。为了保证传感器之间不互相干扰，又保 证测量系统的覆盖范围，系统采用多组分时发送超声波和读取超声波传感器数据 的方法，来完成对所有超声波测距传感器的信息采集。具体分组方式如图2 4 所 示。 丁l - jlj 1r jl j 丫丫l ，jl j _ j j ：p c - 业 l 卡 l li 计 算 r s l ll 机 4 8 5 接 =l l 誊 u 图2 4 超声传感器阵列分组方式 f i g 2 4g r o u pm o d eo fs e n s o r s 由于现场环境恶劣，系统采用了研华公司生产的高性能工业级计算机 u n o 3 0 7 4 p 3 2 e ，配有2 个r s 2 3 2 端口，4 个r s 4 8 5 串口，4 个适用于多种应 用的p c i 总线插槽，支持双电源输入，4 个u s b 口，满足系统的需求。 图2 5 工控机实物图 f i g 2 5p i c t u r eo fi p c 本系统由于传感器数量较多和数据采集处理的工控机的距离较远，而且传输 二峡通航船舶吃水远程监测与预警系统的研究 的数据量不大，系统采用了r s 4 8 5 总线接口。r s 4 8 5 接口是采用平衡驱动和查 分驱动组合，其抗共模干扰能力强，具有良好的抗噪声干扰性，其最大通信距离 约为1 2 0 0 m ，最大传输速率为1 0 m s 。r s 4 8 5 一般支持3 2 个外部设备，所以长的 传输距离和多站使其成为首选的串行接口。 m o d b u s 协议是应用于电子控制上的一种通用语言。通过此协议，控制器相 互之间、控制器经由网络和其它设备之间可以相互进行通信。它已经成为一种通 用工业标准。有了它，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监 控。上面介绍了传感器阵列采用时分复用组网方法，而m o d b u s 协议在其他网络 上，提供了主从原则，网络通信方法是对等的。控制器可以作为主设备，也可以 作为从设备。提供了多个内部通道允许同时发生的传输进程。有三种传输模式， 分别是a s c i i 模式、r t u 模式和t c p 模式。当控制器设为以a s c i i 模式通信， 则消息中每8 b i t 数据作为两个a s c i i 字符进行发送；当控制器设为以r t u 模式 进行通信时，消息中的每个8 b i t 字节数据包含两个4 b i t 的1 6 进制字符，相比a s c i i 模式，在同样的波特率下，能传送更多的数据【8 1 。 第2 章三峡船闸通航船舶吃水远科监洲与预警系统 表2 1 超声波传感器数据帧格式 t a b 2 1p a c k e tf o r m a to f u l t r a s o n i cs e n s o r 设 各 功能代码内存地址数据长度 数 c r c 地据 址 0 3 h 读菜单 0 0 h 1 6 h 0 4 h 读取当前测量值o o h 距离0 1 h 温度 0 2 1 - i 0 5 h 单次测量 0 0 h x x 1 0 h 写菜单 0 0 h 1 6 h0 4 x x 1 2 h 写入e e p o m a o h0 2 ha 1 h 1 3 h 操作成功 6 0 h 重新启动设备 本系统中采用m o d b u s 协议的r t u 模式与工控机进行通信，把3 2 个传感器 分为4 组，每组8 个传感器构成一个地址段，分配到一条r s 4 8 5 总线上。当测 量系统开始进行数据采集时，应用程序通过0 号广播地址，依次向4 条r s 4 8 5 总线广播，发送超声波进行距离测量命令。从而实现多组时分复用测量，减少了 相邻传感器之间的干扰，提高了测量精度【9 】o 2 3 远程监测吃水系统的检测门同步升降控制 2 3 1 检测门升降系统的概述 检测门的同步升降控制系统硬件设备主要包括p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i c c o n t r o l l e r ) 控制器、变频器、三相异步电机、卷扬机、触摸屏、绝对值编码器、相 对值编码器等。系统采用p l c 作为主控制器，负责数据的处理，控制算法的实 现，故障信息的诊断，以及同其他设备进行数据通信。采用三相异步电机作为系 二峡通航船舶吃水远程监测与预警系统的研究 统的动力装置，控制检测门的升降。采用变频器来控制三相异步电机的正转、反 转、停止以及电机的速度，从而实现检测门支架的同步升降。 检n i - j 升降系统的控制方式有触摸屏、手持操作盒、控制柜、自动控制、远 程计算机监控等。系统正常工作时可以通过远程监控以及触摸屏显示信息时刻了 解检测门支架的高度信息，以及主副两端的运动状态等信息。当p l c 或者变频器 发生故障时，可以通过应急控制柜按钮直接控制电机来实现检n f - j 的升降。触摸 屏与p l c 之间的通信采用r s 2 3 2 串口通信，触摸屏主要负责设备速度、运动方 式等参数的设定、系统运行状态的监控以及操作指令的下达。p l c 输出模块采用 继电器输出，p l c 通过控制继电器的通断来控制变频器输入，变频器根据输入的 控制信号驱动电机的j 下转、反转以及停止等功能。安装在三相异步电机轴上的增 量式光电编码器，作为电机运行速度的检测元件，将电机运行速度输出信息反馈 到变频器，变频器根据反馈信息进行速度补偿，从而构成了变频器对电机速度的 闭环控制。变频器通过反馈回来的速度信息对电机运行速度进行实时补偿，实现 了变频器对两边电机速度的精确控制，从而实现了两边速度的同步。安装在卷扬 机卷筒轴上的绝对式编码器采集检测门两端的位置信息，并将其位置信息反馈到 p l c ，p l c 再根据两边位置信息进行调节，从而构成了全闭环位置跟踪控制系统。 p l c 根据两边绝对值编码器反馈回来的位置信息计算出两端的高度差，对两端的 电机进行升降控制，实现了位置同步。通过控制检测门位置同步，升降速度的同 步，从而实现了系统对检测门支架的同步升降控制功能【1 0 l 。 第2 章 三峡船闸通航船舶吃水远程监测与预警系统 图2 6 检n i - j 升降系统框图 f i g2 6d i a g r a m o ft h ed e t e c t i o nt h r e s h o l dl i f t i n gs y s t e m 如图2 6 所示，系统采用了对速度的闭环调节和位置的闭环的调节来控制检测 门的同步升降。变频器与增量型编码器、电动机构成了对电机速度的闭环控制。 当变频器检测到电动机的速度发生变化时，变频器自动调节电机的电源频率，使 电动机的速度稳定。卷扬机、绝对值编码器、p l c 、变频器、电动机一起构成了 对检测门位置的闭环控制。主副两端的绝对值编码器实时的不断的将检测门的位 置信息发送到p l c 控制器，p l c 根据两端编码器的位置信息，当两端的位置出现 偏差较大时，调节副端的升降速度，使主副两端同步升降。 图2 7 主端操作控制台 f i g2 7t h em a i nt e r m i n a lo p e r a t o rc o n s o l e 图2 8 触摸屏控制升降系统图 f i g 2 8d i a g r a mo fr o l l st o u c hs c r e e nc o n t r o ll i f ts y s t e m 1 5 第2 章三峡船闸通航船舶吃水远程监测与预警系统 图2 9 卷扬机实物图 f i g 2 9f i g u r eo fh o i s t 检测门支架如图2 1 0 所示，长为3 6 米的钢质安装支架，安装在三峡船闸的 检修门槽。超声波传感器安装于检测门支架上，为了保证传感器垂直向水面发送 超声波，要求检测门支架的强度大，挠度小，传感器的安装姿态水平，减少超声 波传感器因为安装所引入的误差，并且传感器经过良好的防水、防腐蚀处理，保 证传感器能长期安全的在水下工作。 霸坼知 图2 1 0 检测门安装示意图 f i g 2 1 0d i a g r a mo f d e t e