船舶錨泊可視化遠程控制系統的研制

王水富++周駿

摘 要：針對目前船舶錨泊遠程控制系統操作精度低、穩定性不高、無可視化操作等缺點， 基于ARM嵌入式系統，進行了遙控式船舶錨泊遠程控制系統的設計與開發，并在實驗室條件下，對所研制的船舶錨泊可視化遠程測控系統的主控面板進行了測試實驗，測試實驗表明：碼頭主控系統能接收錨泊現場信息，還能定量計算船舶走錨概率，并顯示和發出錨泊預警信號，系統的響應時間能控制在5秒之內，洋流流速檢測誤差低于5%。

關鍵詞：船舶錨泊系統 可視化 遠程控制

目前，國外對于船舶錨機、錨鏈的穩定性研究大多集中在錨機系統的設備研發和生產階段，但對具體海況（比如浙江舟山海域）中錨泊系統的動態穩定性研究不多，相關產品的操作精度和穩定度不高，也沒有實現操作過程的可視化。本文基于ARM嵌入式系統進行了遙控式船舶錨泊遠程控制系統的設計與開發，并在實驗室條件下，對所研制的船舶錨泊可視化遠程測控系統的主控面板進行了測試實驗。

船舶起錨操作運動學和動力學描述

1、起錨操縱運動數學模型

為了描述船舶的操縱運動， 如圖1建立兩個右手坐標系-空間固定坐標系 O0X0Y0Z0 和隨船運動坐標系G x y z ， G 為船舶重心， x 軸指向船艏， y 軸指向右舷， z 軸指向龍骨。V 為船速， U為航向角，u、 v 為船舶運動的速度分量， r 為轉艏角速度。運用MMG 模型，船舶拋起錨操縱運動數學模型，見式（1）：

圖1 參考坐標系

式（ 1）中， m、 mx、 my —船舶的質量和沿x 軸、 y軸方向運動的附加質量； I z z、J z z —船舶繞z 軸轉動的慣性矩和附加慣性矩； ur、 vr —船舶運動對水流的相對速度在x 軸、 y 軸的分量； uC、 vC —水流運動速度在x 軸、y 軸的分量； XH、 YH、 NH—作用于船體上的流體動力和力矩； XPR、 YPR、 NPR—螺旋槳和舵產生的水動力和力矩， 它們都是相對水運動速度ur、 vr 及艏搖角速度r 的函數； XTOL、 YTOL 、NTOL —與流體動力無關的外力和力矩（如由風、浪、錨、纜、拖輪等產生的）。

根據船舶運動的初始條件， 求解式（ 1）得到船舶運動的速度分量 u、 v 和轉艏角速度r ，繼而可根據式（ 2）求得船舶的運動軌跡。

式（ 2）中， x 0、 y0 為船舶重心在固定坐標系中的坐標。求解式（ 1）的關鍵在于求得作用于船體的各種力和力矩。

2、錨鏈對船舶的水平作用力和力矩

錨鏈對船舶的水平作用力和力矩計算見式（ 3） ：

式（ 3）中， X C、 YC、 N C 分別為錨鏈作用于船體上的縱向力、 橫向力和力矩； H i 為錨鏈水平作用力，i= 1、2分別表示左錨和右錨； аi 為錨鏈從錨鏈孔到錨位點的方位； L 為船長。

錨鏈的水平作用力和懸鏈的狀態有關， 懸鏈的狀態可分為兩種： 自懸鏈和約束鏈。

船舶錨系統遠程控制系統的組成與工作原理

一種船舶錨泊測控系統，包括碼頭主控系統、現場檢測通訊系統和無線AP設備，現場檢測通信系統和主控系統之間通過基于Internet、WiFi的無線AP設備實現信息傳輸；碼頭主控系統由web服務器和無線或遠程pc機構成，兩者通過互聯網相連接，現場檢測通訊系統由錨鏈受力檢測模塊、海浪聲貝檢測模塊、海流流速檢測模塊和現場通訊系統構成，鏈受力檢測模塊、海浪聲貝檢測模塊和海流流速檢測模塊通過并口線與現場通訊系統進行數據傳輸，現場通訊系統通過內置的無線模塊實現與無線AP設備的信息傳輸連接。

碼頭主控系統，以嵌入式WEB服務器為主，采用模糊控制理論，建立錨泊安全預測的數學模型，內嵌于WEB服務器之中，實現錨泊設備的安全預警和緊急情況下的遠程控制。

本系統的工作原理為：先將各船只型號的代碼和對應實測的錨鏈受力、海浪聲唄和海流流速數據輸入到WEB服務器之中，當船舶處于惡劣海況下時，錨鏈受力檢測模塊、海浪聲唄檢測模塊和海流流速檢測模塊時刻將檢測到的數據通過并口線傳遞給現場通訊系統進行處理后，由現場通訊系統通過無線網絡發送給無線AP設備，經無線AP設備傳遞給web服務器，然后web服務器將得到的數據進行處理，比如某魷釣船的最大錨拉力將要8000N時、海流流3m/s以上或海浪聲唄78dB以上中的其中一個條件達到，即判斷出錨泊處于走錨危險狀態時，向船上遠端發出預警信號，提示船員檢查錨泊狀況或采取措施進行人工錨泊操作；當滿足兩個條件時，碼頭主控系統判斷出錨泊處于走錨危險狀態時，若預警信號得不到響應或反饋，啟動遠程錨泊操作命令，拋出預備錨泊設備，以增強錨泊安全性。

圖2 錨泊可視化遠程測控設計方案

碼頭主控系統設置有軟件用戶界面，圖形顯示錨機工況現狀，實時接收和顯示海況數據及錨泊受力數據，并根據接收到的數據，判斷錨泊系統的安全系數；當碼頭主控系統判斷出錨泊處于走錨危險狀態時，向船上遠端發出預警信號，提示船員檢查錨泊狀況或采取措施進行人工錨泊操作；當碼頭主控系統判斷出錨泊處于走錨危險狀態時，若預警信號得不到響應或反饋，啟動遠程錨泊操作命令，拋出預備錨泊設備，以增強錨泊安全性。

船舶錨泊遠程測控系統的測試試驗

首先在實驗室搭建調試平臺，其中檢測端如圖3所示，包括電動錨機、齒輪減速箱、錨鏈繩、鏈輪、滑輪、40公斤無桿錨模型、交流變壓器、整流橋堆、H 橋驅動控制、單片機最小系統、錨泊信息通信模塊、錨鏈視頻收發器等。然后測試電動錨機的加減速控制、正反轉控制、無線數據及視頻傳輸等，逐步增大通信距離測試系統的通信及控制可靠性。從操作便利和價格考慮，實驗選用 9 英寸 CRT 模擬電視作為視頻監視器。

圖3 錨泊控制系統檢測端實物圖 圖4 錨泊現場洋流流速檢測器圖

測試實驗所用的洋流流速檢測器見圖4 ，包括懸浮體、連接桿、壓力傳感器、壓塊、無線發射模塊、吊耳、控制芯片等，懸浮體連接在連接桿的一端，連接桿的另一端穿過外殼和壓力傳感器連接在壓塊上，壓力傳感器位于壓塊和外殼之間，無線發射模塊和控制芯片安裝在外殼內的下部，兩者通過信號線相連接，外殼外部下端還設有吊耳；連接桿為鈦合金材料，表面粗糙度為0.3 。

洋流流速檢測器的優點是，可以將洋流的流速傳遞到船上信息采集系統，無需下水測量，大大節約了檢測成本，同時也更加安全。工作過程，本裝置通過吊耳固定在洋流區域，懸浮體在洋流的沖擊下，帶動壓塊壓向壓力傳感器，壓力傳感器通過控制芯片的處理變成流速信號，通過無線發射模塊發射給船上采集系統，采集系統即可讀取所在區域的流速。

在實驗室完成模塊設計與系統集成后，進行了實驗室測試。采用這種新型船舶錨泊可視化測控系統，通過遠程測控就可判斷是否走錨，并可自動采取對應的措施，其設計簡潔高效，它的運用可基本上杜絕走錨現象，并可以保護海上建筑設施。

結論

測試結果表明：錨泊現場采集系統能采集、保存和發送洋流速度、風速、錨鏈受力等信息，其中洋流流速等檢測誤差低于5%；碼頭主控系統能接收錨泊現場信息，還能定量計算船舶走錨概率，并顯示和發出錨泊預警信號，系統的響應時間能控制在5秒之內。

（作者單位：揚帆集團股份有限公司）endprint