艦船進出港物理場目標特性監測系統

1 引 言

采用可靠性高的數據采集儀器和先進的信號處理技術對設備狀態的監測，使得對機械設備的狀態監測有了正確的數據表達和合理的分析處理功能，并且借助于適當的顯示儀器來顯示設備狀態的變化。文獻[1]研究了一種基于現場總線技術和信息融合理論的遠程船舶內燃機狀態監測與故障診斷系統。文獻[2]將水聲聲吶技術應用于水閘船舶監測系統的開發與設計過程并采用定點、定時抽樣及回波測距原理，通過實時數據信號處理及智能專家分析技術，對水閘船舶通行進行科學管理。文獻[3]采用纖維光學系統采集數據，從而實現了對船體的監測。

為了能夠在艦船進出港時，較準確地對其進行綜合檢測，需要對艦船的各個物理場目標特性進行實時監測。為此，我們對艦船的各個物理場目標特性的信息進行采集，同時考慮噪聲、環境以及檢測設備等因素影響，需要對所采集的信息進行校正處理，并將原始數據和處理后的數據進行存儲，然后與標準數據進行比較，并給出監測報告。隨著艦船投入使用，它的各個物理場目標特性也將有所變化，那么用于比較的基準數據也得隨之調整，應考慮使用年限、性能與使用時間之間的影響。此外，為了全面了解艦船的工作狀況，將根據艦船進出港的歷史記錄對各物理場的趨勢進行預測。因此，需要解決以下3個問題：

1) 各物理場目標特性的信息采集及校正處理；

2) 采集并經過校正后的信息數據與基準數據的比較；

3) 各物理場的趨勢分析。

2 信息采集和校正處理

2.1 信息采集

由于艦船航向、航跡造成與監測設備距離的改變，以及濕度、溫度和能見度等環境因素都會對各個物理場目標特性造成影響，需要對艦船狀態和各種環境參數進行采集。鑒于磁場、電場、聲場、紅外場、電磁波場、核輻射場等物理場對艦船的影響較大，這里要采集的物理場目標特性主要是磁場、電場、聲場、紅外場、電磁波場、核輻射場等的目標特性信息。考慮到采集信息的傳感器的位置、型號等信息對所測量的信息也有影響，還得記錄下各個傳感器的位置、型號等信息。

2.2 校正處理

對采集的信息數據不能立即用于比較，需要進行校正。然而，磁場、電場、聲場、紅外場、電磁波場、核輻射場的影響因素不完全相同，例如：對紅外場監測結果有影響的因素很多，諸如高度、斜程、水蒸汽、二氧化碳等吸收散射，但以蒸汽影響最大。而對磁場來說，影響最大的是測量時的磁探頭距艦船位置。因此，對不同的物理場，校正處理的方法也不一樣。這里以磁場為例，進行說明。

對磁場校正一般有以下兩個過程：

2) 修正。由于潮位的變化，探頭在垂直位置的測量深度會改變，同時在每一時刻，測量磁探頭離艦船的距離會改變。因此，該時刻該磁場探頭測得的磁場分量Hm應換算到標準深度下的值：

3 物理特性比較及趨勢分析

進行信息比較所需要用到的信息包括比較參數、比較標準和比較公式，為了方便比較，這些信息也將保存在數據庫中。其中，標準數據庫中的初始標準數據主要源于一些常識信息、各個型號艦船的產品說明中的各項指標和專家經驗等。當然，這些信息也并非一成不變的。系統本身可以從經驗或現有知識中學習，通過系統的自學習，使系統經常總結經驗和規律，修正錯誤，增加信息，從而豐富系統本身的信息庫，在很大程度上能夠根據艦船的使用時間、具體環境等情況進行調整和判斷艦船的狀態。從而，形成新的、更貼近艦船實際的標準數據。

得到了比較標準后，再從庫中提取的比較參量、比較公式，將經過校正后的物理場目標特性數據與標準數據按比較公式進行比較，并給出在允許范圍內艦船正常的比較結果或目標特性超出標準允許范圍艦船異常的比較結果。對艦船異常狀態發出報警信號并詳細提示，彈出異常報告表。

通過調出艦船以往進出港的物理場目標特性的歷史數據，對艦船物理場目標特性趨勢進行分析，并繪出該艦船物理場目標特性的趨勢圖，從而對艦船狀況進行預測。

4 系統實現

4.1 系統綜述

該系統是在JBuilder 9.0平臺上開發的[4]，采用的是C/S模式，客戶端將傳感器信息數據、修正和換算后的環境狀態量、校正后的目標艦船航行狀態，及由各監測設備測量獲取并經專用的信號處理設備進行數據處理后的艦船的各種物理場目標特性信息數據和原始數據上傳到服務器端的FTP服務器，并保存在指定的目錄下。在服務器上安裝FTP服務器軟件Serv-u和Oracle 9i數據庫[5]。其中，在服務器上配置Serv-u，客戶端就可以在各個物理場處理計算機將原始數據及預處理后的數據上傳至指定文件夾。Oracle 9i數據庫用來存儲傳感器信息數據、修正和換算后的環境狀態量、修正和換算后的目標艦船航行狀態，及由各監測設備測量獲取并經專用的信號處理設備進行數據處理后的艦船的各種物理場目標特性信息數據和原始數據，并允許數據的查詢、修改、添加和刪除。該系統的部署圖如圖1所示。

圖1 艦船進出港物理場目標特性監測系統部署

系統設定3種登陸權限：操作員、監測人員、管理員。其中，操作員是客戶端用來實現文件上傳的用戶；監測人員可以對艦船物理場目標特性進行查詢和實時監測；而管理員可以對艦船物理場目標特性進行查詢、實時監測及數據管理。

該系統界面共有5個下拉菜單：

用戶管理、歷史查詢、實時監測、數據管理和數據上傳。其中:

1) 用戶管理包含兩個子菜單，即切換用戶和用戶信息修改；

2) 歷史查詢包括7個子菜單，查詢整體、查詢磁場、查詢電場、查詢聲場、查詢紅外場、查詢電磁波場和查詢核輻射場；

3) 實時監測包括兩個子菜單，即開啟實時監測和查看實時監測狀態；

4) 數據管理包括2個子菜單，即登錄用戶數據管理和監測數據管理；

5) 數據上傳是指實時數據上傳。

4.2 數據上傳

數據上傳是供客戶端的操作員將傳感器信息數據、校正后的環境狀態量、修正和換算后的目標艦船航行狀態，以及由各監測設備測量獲取并經專用的信號處理設備進行數據處理后的艦船的各種物理場目標特性信息數據和原始數據上傳到服務器端的FTP服務器，并保存在指定的目錄下。操作員用指定的用戶名和密碼登錄，待系統對其身份的合法性進行驗證并通過后，就可以將數據上傳到服務器。在服務器端，利用FTP服務器軟件Serv-u作為上傳數據接收和暫存工具，并將磁場、電場、聲場、紅外場、電磁波場、核輻射場的數據放在對應目錄下，在每個目錄中，再對該場的數據分類存放。

4.3 數據查詢

數據查詢包括對異常信息報告表、物理特性表、標準特性表、艦船參數表、環境參數表、校正前物理特性表、原始數據表、艦船參數表和監測器件信息表等信息的查詢。監測人員或管理員用指定的用戶名和密碼登錄，待系統對其身份進行合法性驗證后，就可對“歷史查詢”菜單中的“查詢整體”、“查詢磁場”、“查詢電場”、“查詢聲場”、“查詢紅外場”、“查詢電磁波場”和“查詢核輻射場”子菜單進行操作。打開這些子菜單后，只要選擇艦船的型號和對應的進出港時間，就可以查詢艦船參數、環境參數、監測器件信息和物理場特性的原始數據及校正后的數據，如果監測時發現物理特性出現異常，則還可以查看相關的異常信息報告。具體情況如圖2所示。

圖2 紅外場物理特性查詢界面

4.4 實時監測

實時監測主要包括兩個功能：

1) 開啟實時監測，系統就會不斷去查看是否有數據上傳，如果有就將這些上傳的數據寫入數據庫；

2) 查看實時監測的狀態，確定所上傳的數據已經全部寫入數據庫后，就可以調用比較代碼，從庫中提取比較參量、比較的公式，比較物理場目標特性數據和標準數據，并生成比較報告表。同時，通過分析該艦船歷史數據，對其未來的趨勢進行預測。

開啟實時監測功能后，系統就會調用輪詢程序，將在FTP服務器指定的目錄下檢查是否有新的文件上傳完畢。倘若有則先按物理場來讀取信息文件。對于每個物理場，再按文件的種類來讀取，一類讀取完畢后再讀取下一類，直到該艦船的各個物理場目標特性數據全部寫入數據庫。其中，數據讀取程序的信息主要分為兩大類：

▲ 艦船的基本信息、環境信息、處理后的物理特性數據；

▲ 采集后未進行任何處理的原始數據。

對于前者，讀取程序會將這些信息存放在不同表中；對于后者，將以整個文件形式存放。

通過不斷查看實時監測的狀態，監測艦船的物理特性信息數據是否成功從FTP服務器指定的目錄下寫入Oracle數據庫中指定的表，如果寫入不成功，則繼續監測，否則，接著進行后續的工作。對于物理特性成功寫入Oracle數據庫的物理場，從標準數據表和物理特性表中取出對應的需要比較的參數項，從比較公式表中取出比較公式進行比較，并給出比較結果報告表，顯示并將該物理場報告表存在Oracle數據庫中。這樣，逐次比較各個物理場目標特性，生成相應的比較結果報告。

但是僅僅給出結果報告是不夠的，為了對艦船狀態進行預測，還要給出各個物理場的目標特性趨勢圖。這里，通過查詢各個物理特性的歷史記錄，并對這些數據進行多項式擬合，從而得到其趨勢圖。

實時監測的流程如圖3所示。

圖3 數據監測流程圖

5 結 語

本文介紹了對艦船狀況監測和預測的原理及實現技術，系統完善后，將對監測進出港艦船、發現艦船故障、及時消除故障發揮較好的作用。

[1] 喻方平，金曉軍，楊建國，等.船舶內燃機遠程狀態監測與故障診斷系統[J].武漢交通科技大學學報，2000，24(6)：619-621.

[2] 張俊，顧亞平，查雨，等.水閘船舶監測系統[J].儀器儀表學報，2006，27(6.增刊)：1907-1908.

[3] SAGVOLDEN G, PRAN K, VINES L. Fiber optic system for ship hull monitoring[C].The Optical Fiber Sensors Conference Technical Digest，2002.

[4] 劉曉華，張健，趙潔.精通JBuilder2006[M].北京：電子工業出版社，2006.

[5] 趙松濤.Oracle 9i中文版數據庫系統管理[M].北京：人民郵電出版社，2003.