舰船进出港物理场目标特性监测系统

1 引 言

采用可靠性高的数据采集仪器和先进的信号处理技术对设备状态的监测，使得对机械设备的状态监测有了正确的数据表达和合理的分析处理功能，并且借助于适当的显示仪器来显示设备状态的变化。文献[1]研究了一种基于现场总线技术和信息融合理论的远程船舶内燃机状态监测与故障诊断系统。文献[2]将水声声呐技术应用于水闸船舶监测系统的开发与设计过程并采用定点、定时抽样及回波测距原理，通过实时数据信号处理及智能专家分析技术，对水闸船舶通行进行科学管理。文献[3]采用纤维光学系统采集数据，从而实现了对船体的监测。

为了能够在舰船进出港时，较准确地对其进行综合检测，需要对舰船的各个物理场目标特性进行实时监测。为此，我们对舰船的各个物理场目标特性的信息进行采集，同时考虑噪声、环境以及检测设备等因素影响，需要对所采集的信息进行校正处理，并将原始数据和处理后的数据进行存储，然后与标准数据进行比较，并给出监测报告。随着舰船投入使用，它的各个物理场目标特性也将有所变化，那么用于比较的基准数据也得随之调整，应考虑使用年限、性能与使用时间之间的影响。此外，为了全面了解舰船的工作状况，将根据舰船进出港的历史记录对各物理场的趋势进行预测。因此，需要解决以下3个问题：

1) 各物理场目标特性的信息采集及校正处理；

2) 采集并经过校正后的信息数据与基准数据的比较；

3) 各物理场的趋势分析。

2 信息采集和校正处理

2.1 信息采集

由于舰船航向、航迹造成与监测设备距离的改变，以及湿度、温度和能见度等环境因素都会对各个物理场目标特性造成影响，需要对舰船状态和各种环境参数进行采集。鉴于磁场、电场、声场、红外场、电磁波场、核辐射场等物理场对舰船的影响较大，这里要采集的物理场目标特性主要是磁场、电场、声场、红外场、电磁波场、核辐射场等的目标特性信息。考虑到采集信息的传感器的位置、型号等信息对所测量的信息也有影响，还得记录下各个传感器的位置、型号等信息。

2.2 校正处理

对采集的信息数据不能立即用于比较，需要进行校正。然而，磁场、电场、声场、红外场、电磁波场、核辐射场的影响因素不完全相同，例如：对红外场监测结果有影响的因素很多，诸如高度、斜程、水蒸汽、二氧化碳等吸收散射，但以蒸汽影响最大。而对磁场来说，影响最大的是测量时的磁探头距舰船位置。因此，对不同的物理场，校正处理的方法也不一样。这里以磁场为例，进行说明。

对磁场校正一般有以下两个过程：

2) 修正。由于潮位的变化，探头在垂直位置的测量深度会改变，同时在每一时刻，测量磁探头离舰船的距离会改变。因此，该时刻该磁场探头测得的磁场分量Hm应换算到标准深度下的值：

3 物理特性比较及趋势分析

进行信息比较所需要用到的信息包括比较参数、比较标准和比较公式，为了方便比较，这些信息也将保存在数据库中。其中，标准数据库中的初始标准数据主要源于一些常识信息、各个型号舰船的产品说明中的各项指标和专家经验等。当然，这些信息也并非一成不变的。系统本身可以从经验或现有知识中学习，通过系统的自学习，使系统经常总结经验和规律，修正错误，增加信息，从而丰富系统本身的信息库，在很大程度上能够根据舰船的使用时间、具体环境等情况进行调整和判断舰船的状态。从而，形成新的、更贴近舰船实际的标准数据。

得到了比较标准后，再从库中提取的比较参量、比较公式，将经过校正后的物理场目标特性数据与标准数据按比较公式进行比较，并给出在允许范围内舰船正常的比较结果或目标特性超出标准允许范围舰船异常的比较结果。对舰船异常状态发出报警信号并详细提示，弹出异常报告表。

通过调出舰船以往进出港的物理场目标特性的历史数据，对舰船物理场目标特性趋势进行分析，并绘出该舰船物理场目标特性的趋势图，从而对舰船状况进行预测。

4 系统实现

4.1 系统综述

该系统是在JBuilder 9.0平台上开发的[4]，采用的是C/S模式，客户端将传感器信息数据、修正和换算后的环境状态量、校正后的目标舰船航行状态，及由各监测设备测量获取并经专用的信号处理设备进行数据处理后的舰船的各种物理场目标特性信息数据和原始数据上传到服务器端的FTP服务器，并保存在指定的目录下。在服务器上安装FTP服务器软件Serv-u和Oracle 9i数据库[5]。其中，在服务器上配置Serv-u，客户端就可以在各个物理场处理计算机将原始数据及预处理后的数据上传至指定文件夹。Oracle 9i数据库用来存储传感器信息数据、修正和换算后的环境状态量、修正和换算后的目标舰船航行状态，及由各监测设备测量获取并经专用的信号处理设备进行数据处理后的舰船的各种物理场目标特性信息数据和原始数据，并允许数据的查询、修改、添加和删除。该系统的部署图如图1所示。

图1 舰船进出港物理场目标特性监测系统部署

系统设定3种登陆权限：操作员、监测人员、管理员。其中，操作员是客户端用来实现文件上传的用户；监测人员可以对舰船物理场目标特性进行查询和实时监测；而管理员可以对舰船物理场目标特性进行查询、实时监测及数据管理。

该系统界面共有5个下拉菜单：

用户管理、历史查询、实时监测、数据管理和数据上传。其中:

1) 用户管理包含两个子菜单，即切换用户和用户信息修改；

2) 历史查询包括7个子菜单，查询整体、查询磁场、查询电场、查询声场、查询红外场、查询电磁波场和查询核辐射场；

3) 实时监测包括两个子菜单，即开启实时监测和查看实时监测状态；

4) 数据管理包括2个子菜单，即登录用户数据管理和监测数据管理；

5) 数据上传是指实时数据上传。

4.2 数据上传

数据上传是供客户端的操作员将传感器信息数据、校正后的环境状态量、修正和换算后的目标舰船航行状态，以及由各监测设备测量获取并经专用的信号处理设备进行数据处理后的舰船的各种物理场目标特性信息数据和原始数据上传到服务器端的FTP服务器，并保存在指定的目录下。操作员用指定的用户名和密码登录，待系统对其身份的合法性进行验证并通过后，就可以将数据上传到服务器。在服务器端，利用FTP服务器软件Serv-u作为上传数据接收和暂存工具，并将磁场、电场、声场、红外场、电磁波场、核辐射场的数据放在对应目录下，在每个目录中，再对该场的数据分类存放。

4.3 数据查询

数据查询包括对异常信息报告表、物理特性表、标准特性表、舰船参数表、环境参数表、校正前物理特性表、原始数据表、舰船参数表和监测器件信息表等信息的查询。监测人员或管理员用指定的用户名和密码登录，待系统对其身份进行合法性验证后，就可对“历史查询”菜单中的“查询整体”、“查询磁场”、“查询电场”、“查询声场”、“查询红外场”、“查询电磁波场”和“查询核辐射场”子菜单进行操作。打开这些子菜单后，只要选择舰船的型号和对应的进出港时间，就可以查询舰船参数、环境参数、监测器件信息和物理场特性的原始数据及校正后的数据，如果监测时发现物理特性出现异常，则还可以查看相关的异常信息报告。具体情况如图2所示。

图2 红外场物理特性查询界面

4.4 实时监测

实时监测主要包括两个功能：

1) 开启实时监测，系统就会不断去查看是否有数据上传，如果有就将这些上传的数据写入数据库；

2) 查看实时监测的状态，确定所上传的数据已经全部写入数据库后，就可以调用比较代码，从库中提取比较参量、比较的公式，比较物理场目标特性数据和标准数据，并生成比较报告表。同时，通过分析该舰船历史数据，对其未来的趋势进行预测。

开启实时监测功能后，系统就会调用轮询程序，将在FTP服务器指定的目录下检查是否有新的文件上传完毕。倘若有则先按物理场来读取信息文件。对于每个物理场，再按文件的种类来读取，一类读取完毕后再读取下一类，直到该舰船的各个物理场目标特性数据全部写入数据库。其中，数据读取程序的信息主要分为两大类：

▲ 舰船的基本信息、环境信息、处理后的物理特性数据；

▲ 采集后未进行任何处理的原始数据。

对于前者，读取程序会将这些信息存放在不同表中；对于后者，将以整个文件形式存放。

通过不断查看实时监测的状态，监测舰船的物理特性信息数据是否成功从FTP服务器指定的目录下写入Oracle数据库中指定的表，如果写入不成功，则继续监测，否则，接着进行后续的工作。对于物理特性成功写入Oracle数据库的物理场，从标准数据表和物理特性表中取出对应的需要比较的参数项，从比较公式表中取出比较公式进行比较，并给出比较结果报告表，显示并将该物理场报告表存在Oracle数据库中。这样，逐次比较各个物理场目标特性，生成相应的比较结果报告。

但是仅仅给出结果报告是不够的，为了对舰船状态进行预测，还要给出各个物理场的目标特性趋势图。这里，通过查询各个物理特性的历史记录，并对这些数据进行多项式拟合，从而得到其趋势图。

实时监测的流程如图3所示。

图3 数据监测流程图

5 结 语

本文介绍了对舰船状况监测和预测的原理及实现技术，系统完善后，将对监测进出港舰船、发现舰船故障、及时消除故障发挥较好的作用。

[1] 喻方平，金晓军，杨建国，等.船舶内燃机远程状态监测与故障诊断系统[J].武汉交通科技大学学报，2000，24(6)：619-621.

[2] 张俊，顾亚平，查雨，等.水闸船舶监测系统[J].仪器仪表学报，2006，27(6.增刊)：1907-1908.

[3] SAGVOLDEN G, PRAN K, VINES L. Fiber optic system for ship hull monitoring[C].The Optical Fiber Sensors Conference Technical Digest，2002.

[4] 刘晓华，张健，赵洁.精通JBuilder2006[M].北京：电子工业出版社，2006.

[5] 赵松涛.Oracle 9i中文版数据库系统管理[M].北京：人民邮电出版社，2003.