基于CAN總線的船舶自動舵監控報警系統設計

周韜 張顯庫 李博

摘? 要： 為了減少船舶駕駛人員使用自動舵設備航行時引發的事故，并且方便船舶相關人員查看相關故障信息。以Visual Basic為編程語言，采用雙CAN總線通信、串口通信，設計能實時監控自動舵信息并提供報警信息的系統，并詳細說明該系統的構架、功能、信息傳輸接口和界面設計。以某段航線為例，在該系統上進行仿真測試，結果表明，該系統能實時并且正確地顯示航行信息，對超出安全閾值的信息能及時產生報警并且存入數據庫。該系統對減少船舶航行事故有很大幫助，對整體自動舵的安全使用很有意義。

關鍵詞： 自動舵; 監控報警系統; 顯示航行信息; 仿真測試; 實時監控; 功能說明

中圖分類號： TN830.1?34; TP301.6? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2019）16?0117?05

0? 引? 言

自動舵設備作為船舶駕駛臺的重要組成部分，可以實現改變航向、航向保持、航跡保持等船舶航行功能，這些功能極大地減輕了船舶駕駛員的負擔。隨著船舶航運的發展，大型商船越來越離不開自動舵設備的使用。自動舵設備的普及，減輕了船員的工作強度，節省了燃油，在正常使用的情況下船舶可以更快地到達目的港。然而，據悉，海難事故大多是人為產生的[1]，在船舶安裝有自動舵設備后仍然會產生船舶碰撞、擱淺、上灘等事故。由此可知，很有必要設置自動舵監控報警系統，以實時監控船舶的狀態，并且對故障進行報警和定位。

遠洋船舶遠程監控系統是船上人員與陸地端的船舶公司信息溝通的重要工具。為了滿足陸地端公司對遠洋船舶更有效的監控，崔文彬等應用BP神經網絡對船舶機艙監控系統進行改進[2]。船舶日益現代化、智能化與快節奏營運，船舶的監控和管理是發展的趨勢，船舶機艙遠程在線監控可以減少事故的發生，但是機艙數據繁多，不易管理，孟維明等提出統一化分類的方法，為機艙數據標準化奠定了基礎[3]。為了監控各時段主機狀態參數偏離標準運行程度，找出安全隱患，宋立國等建立了基于熵權的船舶主機狀態監控及評價模型，實時采集系統參數，進行全時段的數據分析[4]。為了提升船舶機艙監控系統水平，甘輝兵等給出了適合船舶機艙數據挖掘的聚類算法，為船舶機艙監控系統設計及應用提出了一種新的思路[5]。為了提高船舶安全航行能力，朱冠良提出了嵌入式技術的船舶實時監控系統設計方法，監控模塊由信息采集模塊、信號處理模塊、核心控制模塊和輸出模塊組成[6]。隨著船舶航運的發展，船舶數量也在增多，遠程監控系統船舶數量過多，不便于監控。為了實現對重點船舶、重點區域的監控，王捷等設計、開發了基于AIS信息的船舶實時個性化安全監控系統，進一步保障了船舶的航行安全[7]。在世界海難事故中，人為因素占事故總量的70%，其中，人員疲勞是人為因素的主要原因[8]。為了減少因人員疲勞導致海難事故數量，周鋒等提出了一種基于視頻流跟蹤的駕駛臺值班報警系統，該系統通過對比兩個時刻值班人員的位置差異來判定值班人員的清醒狀態[9]。隨著船舶航運的發展，常規的機艙監控系統已經不能滿足日趨智能化和數字化的船舶機艙設備的監控要求，黃丞結合K?CHIEF600系統提出了基于CAN總線的網絡體系結構，為散貨船設計了機艙監控報警系統[10]。

文獻[2?10]有對駕駛臺防駕駛員疲勞的監控、有海岸到船的遠程監控、有船舶防污染的監控，但對于船舶自動舵的監控報警系統未有文獻提及。船舶自動舵監控報警系統應用了雙CAN總線技術、計算機數據庫技術、最新Windows環境下的Visual Basic編程技術，分別與舵機裝置和自動舵主機通信、與船舶VDR通信，是一個只針對自動舵設備的監控報警系統，可以實時監控自動舵設備的工作狀態信息，可以實現錯誤提示、故障報警和日志記錄等功能，系統有效地減少了因使用自動舵設備而引發的事故，促進了船舶自動化水平的提升。

1? CAN總線

1.1? CAN現場總線技術

CAN不僅是一種串行通信總線，而且是一種把大量現場級設備和操作級設備相連的工業通信系統。高速以太網發展勢頭良好，因其具有廣泛的技術基礎和低廉的開發成本。盡管如此，具體到船舶方面，因實時性與可靠性都非常良好[11]，所以CAN總線的應用仍然有較好的前景。CAN總線上任意兩個節點之間的最大傳輸距離與其位速率有關，位速率對應的最大傳輸距離具體如表1所示。

1.2? CAN總線通信

CAN通信協議描述了設備之間信息是如何傳遞的，CAN總線實際的通信是發生在每一設備上相鄰的兩層，而設備只通過模型物理層的物理介質互聯。CAN的結構定義了模型的最下面的兩層：數據鏈路層和物理層。信號能夠使用差分電壓傳送，CAN驅動器能夠因此而避免噪聲和容錯。這兩條信號線被稱為“CAN_H”和“CAN_L”，用CAN_H比CAN_L高表示的邏輯“0”被稱為“顯性”位，而用CAN_L比CAN_H高表示的邏輯“1”叫作“隱性”位，如圖2所示。數據鏈路層定義了報文傳輸的格式和定時協議，有兩種描述符都能達到8 B的數據，如圖3所示。

2? 監控報警系統

2.1? 監控報警系統硬件配備

1） 示意圖。在線監測與故障報警平臺示意圖見圖4。監控報警系統控制面板由7個按鍵（輕觸型）組成，分別為向上（UP）、向下（DOWN）、翻頁（PAGE）、確認（ENTER）、試驗（TEST）、調光（¤）、消音（）。按鍵功能說明如表2所示。

2） 具體配置

控制面板，外觀包括嵌裝的蓋板及底板。蓋板表面設置有單指示色按鈕組件，底板上包括PCB電路板與單片機（可采用Arduino/51/32單片機，輸出采用USB串口），PCB電路板上設置有兩種LED燈珠，按鍵背光由兩種顏色燈珠（白色燈珠：見圖4;紅色燈珠：汽車控制面板背光）兩種按鈕背光可切換。整體尺寸：寬330.00 mm，高180.00 mm，按鍵尺寸：寬45.00 mm，高18.00 mm。布局圖如圖4所示，屏幕尺寸：寬197.80 mm，高150.80 mm。

3） 具體尺寸

所有按鍵寬45 mm，高18 mm。所有字體均為微軟雅黑。

4） 輸入輸出接口

輸入輸出接口包括：

① 兩路CAN 2.0接口（分別與兩套舵機裝置的在線監測裝置和自動舵主機通信）;

② 一路CAN 2.0接口（與VDR通信）;

③ 一路RS 422接口（與VDR通信）;

④ 一路LAN網口（擴展LAN設備用）;

⑤ 一路DC 24 V電源輸入接口。

2.2? 監控報警系統軟件設計

根據船舶的實際需要，監控報警系統界面設計中、英文，白天、夜間模式，界面設計美觀，如圖5、圖6所示。

自動舵監控報警系統從CAN總線獲取數據，其示意圖見圖7。自動舵主操、副操、主機以及在線報警監控系統所有的數據都在CAN總線中，通過與CAN總線通信實現了多對多的數據交換，加快了數據傳輸的速度。系統中，操作面板、蜂鳴器都是串口通信，蜂鳴器采用的是ARDUINO電板，系統通過串口寫入特定的字符就會引發蜂鳴報警聲。

2.3? 監控報警系統監控信息及報警信息

監控報警系統連接著舵機與自動舵主機，其監控的數據有36種，具體如表3所示。報警信息包含開關量報警和模擬量報警。開關量體現的是“0”或是“1”，非此即彼的選擇;模擬量體現的是數據，數據超過相應閾值就報警。船舶自動舵報警信息種類有指令控制箱故障、船速丟失、航向變化過快、航跡超差、航向丟失、船舶姿態信息丟失、船速過低等。

[監控數據類型 監控數據 船舶姿態信息 經度、緯度、羅經航向、對地航向、對水航速、對地航速、橫搖角、縱搖角、實際航向、主機轉速 船舶航行信息 設定航向、航向偏差、航線號、偏航距離 環境參數 真風風速、真風風向、相對風速、相對風向、海流流速、海流流向、實際水深 舵機參數 失電、斷相、過載、過濾器、液位低、油溫高、控制失電、舵機不動、液壓鎖定 指令控制箱信息 反饋舵角、執行舵令、指令控制箱1、指令控制箱2、指令控制箱3、指令控制箱4 ]

3? 仿真測試

主機將RS 422接收信息進行轉換直接發送至CAN總線中，參考NMEA0183協議報文格式進行報文設置，總共分為：氣象信息報文、導航信息報文、位置信息報文、海深信息報文、操舵狀態報文、船舶參數報文、舵參數報文、報警參數報文、報警信息報文。其中，氣象信息報文如下：

$WEMES，HHMMSS.SS，DD.MM，QQQ.PPP，DD.MM，QQQ.PPP，DD.MM，QQQ.PPP，DD.MM，DD.MM，DD.MM，AAAA*CC

例：$WEMES，092204.99，16.11，030.012，12.14，027.112，01.24，040.111，24.40，49.70，01.24，0000*1F

幀ID（0x04B）表示如下：

字段0：$WEMESS，語句ID，表明該語句為天氣信息;

字段1：UTC時間，hhmmss.ss，時分秒格式;

字段2：絕對風速dd.mm（前導位數不足則補0）;

字段3：絕對風向（000.000°～360.000°）;

字段4：相對風速dd.mm（前導位數不足則補0）;

字段5：相對風向（000.000°～360.000°）;

字段6：海流流速dd.mm（前導位數不足則補0）;

字段7：海流流向（000.000°～360.000°）;

字段8：溫度;

字段9：濕度;

字段10：大氣壓強;

字段11：校驗值。

系統運行流程圖如圖8所示。系統實時對相應的數據進行接收，并且判斷該數據是否超出所設定的閾值。經測試，系統可以實時、有效地接收相關數據并且對超過閾值的信息發出聲光警報，存入數據庫。具體測試界面如圖9所示。

4? 結? 論

本文設計的監控報警系統通過CAN總線接收船舶自動舵系統數據，羅經、測深儀、風速風向儀等航海儀器通過RS 422串口將數據送到CAN總線中，監控報警系統對數據進行處理，并且與相應閾值進行比較，超過閾值的進行報警并且存儲于數據庫中。由于本文設計的監控報警系統是通過處理各航海設備傳輸到CAN總線的數據，所以會有一定的延遲，但是系統初步實現了對自動舵設備的監控報警功能。為解決系統有延遲的問題，可以從硬件上入手，即監控報警系統直接與各傳感器相連接。綜上所述，本文所設計的監控報警系統實現了船舶航行中對自動舵設備的監控及報警功能，系統能有效地防止人員因使用自動舵設備而產生的船舶事故，對船舶安全航行具有重大的意義。

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