拖船聯合作業調度系統設計

周志玉

(江蘇省產品質量監督檢驗研究院，南京 210007)

拖船聯合作業調度系統設計

周志玉

(江蘇省產品質量監督檢驗研究院，南京 210007)

本文利用高精度定位、無線網絡、動力分配和船舶運動等技術設計了拖船聯合作業調度系統，該系統能對各個拖船及被拖船舶進行精確定位和拖航，實現拖船作業過程的實時監控及指揮調度。

拖船 聯合作業調度 高精度定位 無線網絡

0 引言

隨著現代化港口的飛速發展[1]，來港船舶越來越趨大型化、多樣化，特別是在航班密集的情況下，港口水域通航密度相當大，使原來可供航行的狹窄水域變得更加狹小，大型船舶自主操縱的能力受到很大的限制[2]。為了更加安全和有效地完成大型船舶的靠泊過程，大型船舶在港口的操縱越來越多地依賴于拖輪、側推器等的協助，而拖輪作為大型船舶港內操縱和靠泊過程中不可或缺的工具，所起作用日益顯著；如何利用拖輪更好的對大型船舶進行有效拖航和精確定位，是拖船操縱領域研究的熱點問題之一，引起人們廣泛關注。

本文設計的拖船聯合作業調度系統以計算機網絡平臺為基礎，能對各個拖船及被拖船舶進行精確定位和拖航，實現拖船作業過程的實時監控及指揮調度。

1 系統總體組成

1.1 系統組成

系統由以下子系統組成：

計算機網絡系統；

拖船聯合作業調度系統；

拖船作業編隊共由5條拖船組成，其中一條作為指揮船，指揮船負責協調其他4條拖船的作業過程。

1.2 網絡結構設計

網絡示意圖如圖2所示，其中硬件系統由RTK GPS基站、RTK GPS信標機、計算機工作站和無線路由器及配套天線構成。

網絡拓撲圖如圖3所示，其中網絡結構為菊花鏈，網絡協議為802.11a/b/g，網絡帶寬為10/46 Mbps，網絡覆蓋范圍不低于5 km。

1.3 定位方式及定位精度設計

為了獲得高精度的定位數據，系統設計安裝1套RTK GPS基站，用于為船舶提供高精度差分數據。設計安裝7套RTK GPS，5套安裝在拖船上，2套安裝在被拖船舶上。RTK GPS的定位精度可達到厘米級。通過RTK GPS可實時獲得各個拖船和被拖船舶的位置、艏向、航向和航速等信息。

在拖船實施被拖船舶拖動時，必須要保證以下兩點：

能夠精確獲得被拖船舶的定位數據（通過在被拖船舶上安裝“被拖船舶設備單元”實現）；

能夠保持指揮船與被拖船舶、其他拖船之間數據鏈路的有效性（依靠通訊鏈路設計實現）。

1.4 通訊鏈路設計

網絡系統支持菊花鏈組網，7個網絡節點之間可多鏈路交叉組網，只要存在任意一條連通各個網絡節點的鏈路，就可以保證整個網絡的連通性。

除安裝在拖船上的5個網絡節點外，在被拖船舶上安裝2個網絡節點，提高了通訊鏈路的可靠性，主要表現在：

拖船在協同作業過程中，可能受被拖船舶的阻隔，會使得通訊鏈路的保持受到較大影響，在被拖船舶上設置網絡節點，有助于在空間上保持各個網絡節點間通訊鏈路的有效性。

通過被拖船舶上的2個網絡節點，不但能對被拖船舶進行精確的定位，還能精確獲得船舶艏向、運動方向、運動速度，而不需要從被拖船舶自身控制系統中獲取這些數據，對于指揮調度拖船對被拖船舶進行精確定位、定向控制起到重要的作用，同時也體現出系統自身的獨立性。

1.5 數據采集

系統通過無線網絡采集各個拖船和被拖船舶的相關信號，所有信號的由位于指揮船上的服務器進行匯總，服務器再通過以太網向各個拖船及第三方系統發送實時數據實現信息共享。系統服務器可對采集的各種實時數據進行存儲，存儲間隔可設置，最快為1 s。

為了實現本系統，需要采集以下數據：被拖船舶位置；被拖船舶艏向；被拖船舶航向；被拖船舶航速；拖船位置；拖船艏向；拖船航向；拖船航速；拖船鋼絲繩長度；拖船鋼絲繩張力；拖船螺旋槳方位角；拖船螺旋槳螺距；拖船螺旋槳轉速；拖船螺旋槳功率；拖船主機轉速；拖船主機功率；其他需要的信號。

2 系統功能及配置

2.1 計算機網絡系統的構成及分布

1）功能：菊花鏈組網，網絡設備連接（GPS、電羅經、計算機），網絡安全認證。2）RTK基站：提供高精度的厘米級差分GPS信號。3）被拖船舶設備單元：安裝在被拖船舶，接收基站發來的差分GPS信號，自動網絡接入。4）指揮船設備單元：便攜式安裝，接收基站發來的差分GPS信號，自動網絡接入。5）拖船設備單元：便攜式安裝，自動網絡接入。

2.2 拖船聯合作業調度系統軟件

1）系統軟件配置

為實現拖船的需要，系統配置的軟件有：通訊接口軟件、指揮調度軟件、動力分配軟件、定位監測軟件和數據記錄軟件。

2）拖船系統提供的主要功能

定位監測。通過無線網絡實時采集每條拖船和被拖船舶的GPS定位、航向、艏向、速度等數據；實時信息共享。通過無線網絡將實時信息發送給其他拖船；動力拖動方案。根據拖船、被拖船舶特性，建立動力分配模型；風浪流作用下的Kalman濾波技術應用于信號處理；風向和風速在線監測及風力前饋補償；拖船作業航跡規劃，以及船舶離港和靠泊過程作業指導；拖船作業控位能力的在線顯示和作業指導；拖船作業船舶運動航跡的在線優化與最佳動力分配在線指導；拖船作業指令的下發。將作業信息發送到每條拖船；GPS投影轉換。對GPS空間坐標系進行投影變換，轉換為工程平面坐標；拖船、被拖船舶定位狀態及航行軌跡監測；拖船鋼絲繩長度計算；拖船鋼絲繩張力及拖拽方向計算；拖船動力設備狀態監測（螺旋槳、主機）；網絡監測與診斷；全系統數據記錄回放；報警記錄及查詢等。

3）系統特點

拖船聯合作業調度系統軟件的特點包含：C/S體系架構；企業級數據庫；SQL/ODBC關系數據庫連接；集成化信息處理，全系統信息共享；支持全系統數據記錄、回放；服務器熱冗余切換；工作站時間自動同步；并行TCP數據通訊。

3 結論

拖船聯合作業調度系統以計算機網絡平臺為基礎，對各個拖船及被拖船舶進行精確定位和拖航。該系統運用了高精度定位技術、無線網絡技術、動力分配技術、船舶運動技術、數據庫技術等，將技術的先進性和設備運行的可靠性運用在系統的各個部分。該系統在運用無線局域網技術的情況下，通過子系統間的通訊及信息共享，使各個對象可以靈活的交換數據、并將對方信息融合在更高級的控制中，實現實時定位監控和調度指揮。

[1] 江建忠. 正確使用港作拖輪確保引航安全[J]. 航海技術, 2005, (6):27-28.

[2] 梁康樂. 拖航系統操縱性研究(碩士學位論文). 上海:上海交通大學, 2007.

Design of the Joint Operation Dispatching System for Towboat

Zhou Zhiyu
(Jiangsu Academy of Product Quality Supervision & Inspection, Nanjing 210007, China)

The paper designs the joint operation dispatching system for towboat on base of high precision positioning, wireless network, power distribution and ship motion. The system can realize precise positioning and towage of every towboat and towed ship, and real-time monitoring and command dispatching during the towboat operation.

towboat; joint operation dispatching; high precision positioning; wireless network

TP273

A

1003-4862（2014）03-0027-02

2013-10-15

周志玉（1965-），女，高級工程師。研究方向：機電一體化。