實時信息采集的船舶運動分析系統

張暑軍

(承德石油高等專科學校，河北承德067000)

實時信息采集的船舶運動分析系統

張暑軍

(承德石油高等專科學校，河北承德067000)

摘要:以船舶運動作為研究對象，提出一種基于實時信息采集的船舶運動分析方法，并給出船舶運動分析系統的設計方案。該運動分析系統首先利用傳感器進行船舶運動數據的采集，然后通過硬件接口將采集到的輸入數據傳送給計算機，對數據進行處理、存儲與管理，實現對船舶運動狀態的分析。該船舶運動分析系統的設計符合船舶向自動化、智能化發展的要求。

關鍵詞:運動分析;信息采集;傳感器

Ship motion analysis system based on real time information acquisition

ZHANG Shu-jun
(Chengde Petroleum College，Chengde 067000，China)

Abstract:In this paper the ship motions were studied，and a ship motion analysis method based on real-time information collection was proposed，the design scheme of the system was presented．The motion analysis system used sensors to collect motion data，then the input data were transmitted to the computer through the hardware interface．After that，the computer software realized the analysis of ship motion state by processed，storage and managed the input data．The ship motion analysis system designed in this paper could meet the requirement of ship to automatic and intelligent development．

Key words:motion analysis; data acquisition;sensor

0　引言

隨著海上交通運輸業的繁榮發展，船舶安全問題成為人們關注的重點問題，航道船舶數量的增多、活動的頻繁使得航道交通環境日益惡化，對船舶運動進行實時監測與分析能夠為船舶駕駛員提供真實、科學的決策數據，從而能夠有效增強船舶預防風險的能力、提高船舶的安全。因此，本文對船舶運動分析進行研究，提出了一種基于實時信息采集方法的船舶運動分析系統。本文結構安排如下:首先給出了船舶運動分析系統的整體設計方案，然后對該方案中的主要內容做出詳細介紹，主要包括傳感器、數據處理方法及軟件功能設計等。

1　船舶運動分析系統

隨著傳感器技術、信號處理技術、計算機軟硬件技術的快速發展，船舶運動測量的儀器和設備也得到了長足發展，使得船舶分析系統逐漸趨向于自動化、集中化與智能化［1］。本文提出的船舶運動分析系統的設計方案運用計算機技術，將測量技術、數據處理與存儲技術、嵌入式的監測系統進行集成，形成了自動化的船舶運動分析系統。系統的整體設計方案如圖1所示。

整個方案包括以下3部分內容［2］:

1)傳感器設備:用于采集船舶運動的相關數據;

2)計算機控制:用來對采集的數據進行處理、存儲與管理;

圖1　系統的設計方案Fig.1　The design scheme of the system

3)外接設備:用來給除了運動分析系統以外的其他儀器或設備提供數據，以便進行其他分析和研究。

1.1傳感器

船舶運動數據包括很多，例如船舶位置、速度、航向、以及航行的環境信息等。較為常用的傳感器參見表1。

表1　傳感器介紹Tab.1　Sensors introduced

根據傳感器的測量要求，本文將傳感器的安裝分布如圖2所示。

圖2　傳感器安裝分布圖Fig.2　The sensor installation distribution map

1.2數據處理

數據獲取后，需要對數據進行處理，以便對船舶運動進行進一步分析。本文介紹以下2種常用處理方法:

1)最小二乘法

設某一物理量的測量序列數據表示為:

設最佳估計值為a，那么利用最小二乘法則有:

其中vi為Ai的剩余誤差。

因為:

則有:

圖3　數據處理流程Fig.3　Data processing flow

矩陣的最小二乘法如下:

設測量的線性函數方程為:

式中: kij為系數; yi(i = 1，2，…n)為第i個測量值; Zj(j = 1，2，…N)為第j個待求的參數。

設Zj的最佳估計值為Z^j(j = 1，2，…N)，那么yi的估計值則為:

剩余方程組則為:

變為矩陣形式則為:

所以有:

測量值方差估計值為:

待求參數協方差估計值矩陣為:

2)快速傅里葉變換

快速傅里葉變換是離散傅里葉變換的一種快速變換算法。

FFT:

1.3軟件功能設計

本文設計的船舶運動分析系統的軟件部分主要

包括以下幾個功能模塊:

1)顯示界面，用來顯示相關運動分析的結果;

2)系統檢測，通過對采集的數據處理，設定報警機制;

3)系統設置，完成傳感器及其他外接儀器的相關參數;

4)數據管理與存儲;

5)其他輔助功能。

圖4　系統界面設計Fig.4　UI design

2　結語

本文對船舶運動分析進行研究，提出一種實時信息采集的船舶運動分析方法，并給出了實時信息采集的船舶運動分析系統的設計方案。該系統首先利用傳感器進行船舶運動數據的采集，然后通過硬件接口將采集到的輸入數據傳送給計算機，對數據進行處理、存儲與管理，實現對船舶運動狀態的分析結果的顯示與預警。該船舶運動分析系統的設計符合船舶向自動化、智能化發展的要求。

參考文獻:

［1］張海濤，哈建林．舟骨舶自動化發展趨勢［J］．中國水運(理論版)，2006(5) :10－11．

［2］賈欣樂，王國峰，李志華，等．單人駕駛臺航海信息綜合處理與顯示系統［J］．大連海事大學學報，1996，22(3) :1－5．

［3］黃雄飛，苑秉成，陳喜．平臺姿態與多普勒聲吶深度測量的關系研究［J］艦船科學技術，2008，30(3) :93－94，106．HUANG Xiong-fei，YUAN Bing-cheng，CHEN Xi．A study of the relationship between platform attitude and depth measuring of Doppler sonar［J］．Ship Science and Technology，2008，30(3) :93－94，106．

［4］張建東．回聲測試儀數字系統設計［D］．南京:南京理工大學，2007:1－10．

［5］徐德倫，于定勇．隨機海浪理論［M］．北京:高等教育出版社，2001．

作者簡介:張暑軍(1974－)，男，碩士，講師，研究方向為軟件技術、計算機與信息技術。

收稿日期:2014－12－07;修回日期: 2014－12－28

文章編號:1672－7649(2015) 07－0124－04doi:10.3404/j.issn.1672－7649.2015.07.028

中圖分類號:U665．26

文獻標識碼:A