張暑軍

(承德石油高等專科學(xué)校，河北承德067000)

實時信息采集的船舶運動分析系統(tǒng)

張暑軍

(承德石油高等?？茖W(xué)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(tǒng)的設(shè)計方案。該運動分析系統(tǒng)首先利用傳感器進(jìn)行船舶運動數(shù)據(jù)的采集，然后通過硬件接口將采集到的輸入數(shù)據(jù)傳送給計算機，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、存儲與管理，實現(xiàn)對船舶運動狀態(tài)的分析。該船舶運動分析系統(tǒng)的設(shè)計符合船舶向自動化、智能化發(fā)展的要求。

關(guān)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(yè)的繁榮發(fā)展，船舶安全問題成為人們關(guān)注的重點問題，航道船舶數(shù)量的增多、活動的頻繁使得航道交通環(huán)境日益惡化，對船舶運動進(jìn)行實時監(jiān)測與分析能夠為船舶駕駛員提供真實、科學(xué)的決策數(shù)據(jù)，從而能夠有效增強船舶預(yù)防風(fēng)險的能力、提高船舶的安全。因此，本文對船舶運動分析進(jìn)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(tǒng)。本文結(jié)構(gòu)安排如下:首先給出了船舶運動分析系統(tǒng)的整體設(shè)計方案，然后對該方案中的主要內(nèi)容做出詳細(xì)介紹，主要包括傳感器、數(shù)據(jù)處理方法及軟件功能設(shè)計等。

1　船舶運動分析系統(tǒng)

隨著傳感器技術(shù)、信號處理技術(shù)、計算機軟硬件技術(shù)的快速發(fā)展，船舶運動測量的儀器和設(shè)備也得到了長足發(fā)展，使得船舶分析系統(tǒng)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(tǒng)的設(shè)計方案運用計算機技術(shù)，將測量技術(shù)、數(shù)據(jù)處理與存儲技術(shù)、嵌入式的監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行集成，形成了自動化的船舶運動分析系統(tǒng)。系統(tǒng)的整體設(shè)計方案如圖1所示。

整個方案包括以下3部分內(nèi)容［2］:

1)傳感器設(shè)備:用于采集船舶運動的相關(guān)數(shù)據(jù);

2)計算機控制:用來對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、存儲與管理;

圖1　系統(tǒng)的設(shè)計方案Fig.1　The design scheme of the system

3)外接設(shè)備:用來給除了運動分析系統(tǒng)以外的其他儀器或設(shè)備提供數(shù)據(jù)，以便進(jìn)行其他分析和研究。

1.1傳感器

船舶運動數(shù)據(jù)包括很多，例如船舶位置、速度、航向、以及航行的環(huán)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(jù)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(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)獲取后，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以便對船舶運動進(jìn)行進(jìn)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(shè)某一物理量的測量序列數(shù)據(jù)表示為:

設(shè)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(shù)據(jù)處理流程Fig.3　Data processing flow

矩陣的最小二乘法如下:

設(shè)測量的線性函數(shù)方程為:

式中: kij為系數(shù); 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(shù)。

設(shè)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?yōu)榫仃囆问絼t為:

所以有:

測量值方差估計值為:

待求參數(shù)協(xié)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(shè)計

本文設(shè)計的船舶運動分析系統(tǒng)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(guān)運動分析的結(jié)果;

2)系統(tǒng)檢測，通過對采集的數(shù)據(jù)處理，設(shè)定報警機制;

3)系統(tǒng)設(shè)置，完成傳感器及其他外接儀器的相關(guān)參數(shù);

4)數(shù)據(jù)管理與存儲;

5)其他輔助功能。

圖4　系統(tǒng)界面設(shè)計Fig.4　UI design

2　結(jié)語

本文對船舶運動分析進(jìn)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(tǒng)的設(shè)計方案。該系統(tǒng)首先利用傳感器進(jìn)行船舶運動數(shù)據(jù)的采集，然后通過硬件接口將采集到的輸入數(shù)據(jù)傳送給計算機，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、存儲與管理，實現(xiàn)對船舶運動狀態(tài)的分析結(jié)果的顯示與預(yù)警。該船舶運動分析系統(tǒng)的設(shè)計符合船舶向自動化、智能化發(fā)展的要求。

參考文獻(xiàn):

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

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(xiàn)標(biāo)識碼:A