基于CAN总线的船舶自动舵监控报警系统设计

周韬 张显库 李博

摘  要： 为了减少船舶驾驶人员使用自动舵设备航行时引发的事故，并且方便船舶相关人员查看相关故障信息。以Visual Basic为编程语言，采用双CAN总线通信、串口通信，设计能实时监控自动舵信息并提供报警信息的系统，并详细说明该系统的构架、功能、信息传输接口和界面设计。以某段航线为例，在该系统上进行仿真测试，结果表明，该系统能实时并且正确地显示航行信息，对超出安全阈值的信息能及时产生报警并且存入数据库。该系统对减少船舶航行事故有很大帮助，对整体自动舵的安全使用很有意义。

关键词： 自动舵; 监控报警系统; 显示航行信息; 仿真测试; 实时监控; 功能说明

中图分类号： TN830.1?34; TP301.6                  文献标识码： A                  文章编号： 1004?373X（2019）16?0117?05

0  引  言

自动舵设备作为船舶驾驶台的重要组成部分，可以实现改变航向、航向保持、航迹保持等船舶航行功能，这些功能极大地减轻了船舶驾驶员的负担。随着船舶航运的发展，大型商船越来越离不开自动舵设备的使用。自动舵设备的普及，减轻了船员的工作强度，节省了燃油，在正常使用的情况下船舶可以更快地到达目的港。然而，据悉，海难事故大多是人为产生的[1]，在船舶安装有自动舵设备后仍然会产生船舶碰撞、搁浅、上滩等事故。由此可知，很有必要设置自动舵监控报警系统，以实时监控船舶的狀态，并且对故障进行报警和定位。

远洋船舶远程监控系统是船上人员与陆地端的船舶公司信息沟通的重要工具。为了满足陆地端公司对远洋船舶更有效的监控，崔文彬等应用BP神经网络对船舶机舱监控系统进行改进[2]。船舶日益现代化、智能化与快节奏营运，船舶的监控和管理是发展的趋势，船舶机舱远程在线监控可以减少事故的发生，但是机舱数据繁多，不易管理，孟维明等提出统一化分类的方法，为机舱数据标准化奠定了基础[3]。为了监控各时段主机状态参数偏离标准运行程度，找出安全隐患，宋立国等建立了基于熵权的船舶主机状态监控及评价模型，实时采集系统参数，进行全时段的数据分析[4]。为了提升船舶机舱监控系统水平，甘辉兵等给出了适合船舶机舱数据挖掘的聚类算法，为船舶机舱监控系统设计及应用提出了一种新的思路[5]。为了提高船舶安全航行能力，朱冠良提出了嵌入式技术的船舶实时监控系统设计方法，监控模块由信息采集模块、信号处理模块、核心控制模块和输出模块组成[6]。随着船舶航运的发展，船舶数量也在增多，远程监控系统船舶数量过多，不便于监控。为了实现对重点船舶、重点区域的监控，王捷等设计、开发了基于AIS信息的船舶实时个性化安全监控系统，进一步保障了船舶的航行安全[7]。在世界海难事故中，人为因素占事故总量的70%，其中，人员疲劳是人为因素的主要原因[8]。为了减少因人员疲劳导致海难事故数量，周锋等提出了一种基于视频流跟踪的驾驶台值班报警系统，该系统通过对比两个时刻值班人员的位置差异来判定值班人员的清醒状态[9]。随着船舶航运的发展，常规的机舱监控系统已经不能满足日趋智能化和数字化的船舶机舱设备的监控要求，黄丞结合K?CHIEF600系统提出了基于CAN总线的网络体系结构，为散货船设计了机舱监控报警系统[10]。

文献[2?10]有对驾驶台防驾驶员疲劳的监控、有海岸到船的远程监控、有船舶防污染的监控，但对于船舶自动舵的监控报警系统未有文献提及。船舶自动舵监控报警系统应用了双CAN总线技术、计算机数据库技术、最新Windows环境下的Visual Basic编程技术，分别与舵机装置和自动舵主机通信、与船舶VDR通信，是一个只针对自动舵设备的监控报警系统，可以实时监控自动舵设备的工作状态信息，可以实现错误提示、故障报警和日志记录等功能，系统有效地减少了因使用自动舵设备而引发的事故，促进了船舶自动化水平的提升。

1  CAN总线

1.1  CAN现场总线技术

CAN不仅是一种串行通信总线，而且是一种把大量现场级设备和操作级设备相连的工业通信系统。高速以太网发展势头良好，因其具有广泛的技术基础和低廉的开发成本。尽管如此，具体到船舶方面，因实时性与可靠性都非常良好[11]，所以CAN总线的应用仍然有较好的前景。CAN总线上任意两个节点之间的最大传输距离与其位速率有关，位速率对应的最大传输距离具体如表1所示。

1.2  CAN总线通信

CAN通信协议描述了设备之间信息是如何传递的，CAN总线实际的通信是发生在每一设备上相邻的两层，而设备只通过模型物理层的物理介质互联。CAN的结构定义了模型的最下面的两层：数据链路层和物理层。信号能够使用差分电压传送，CAN驱动器能够因此而避免噪声和容错。这两条信号线被称为“CAN_H”和“CAN_L”，用CAN_H比CAN_L高表示的逻辑“0”被称为“显性”位，而用CAN_L比CAN_H高表示的逻辑“1”叫作“隐性”位，如图2所示。数据链路层定义了报文传输的格式和定时协议，有两种描述符都能达到8 B的数据，如图3所示。

2  监控报警系统

2.1  监控报警系统硬件配备

1） 示意图。在线监测与故障报警平台示意图见图4。监控报警系统控制面板由7个按键（轻触型）组成，分别为向上（UP）、向下（DOWN）、翻页（PAGE）、确认（ENTER）、试验（TEST）、调光（¤）、消音（）。按键功能说明如表2所示。

2） 具体配置

控制面板，外观包括嵌装的盖板及底板。盖板表面设置有单指示色按钮组件，底板上包括PCB电路板与单片机（可采用Arduino/51/32单片机，输出采用USB串口），PCB电路板上设置有两种LED灯珠，按键背光由两种颜色灯珠（白色灯珠：见图4;红色灯珠：汽车控制面板背光）两种按钮背光可切换。整体尺寸：宽330.00 mm，高180.00 mm，按键尺寸：宽45.00 mm，高18.00 mm。布局图如图4所示，屏幕尺寸：宽197.80 mm，高150.80 mm。

3） 具体尺寸

所有按键宽45 mm，高18 mm。所有字体均为微软雅黑。

4） 输入输出接口

输入输出接口包括：

① 两路CAN 2.0接口（分别与两套舵机装置的在线监测装置和自动舵主机通信）;

② 一路CAN 2.0接口（与VDR通信）;

③ 一路RS 422接口（与VDR通信）;

④ 一路LAN网口（扩展LAN设备用）;

⑤ 一路DC 24 V电源输入接口。

2.2  监控报警系统软件设计

根据船舶的实际需要，监控报警系统界面设计中、英文，白天、夜间模式，界面设计美观，如图5、图6所示。

自动舵监控报警系统从CAN总线获取数据，其示意图见图7。自动舵主操、副操、主机以及在线报警监控系统所有的数据都在CAN总线中，通过与CAN总线通信实现了多对多的数据交换，加快了数据传输的速度。系统中，操作面板、蜂鸣器都是串口通信，蜂鸣器采用的是ARDUINO电板，系统通过串口写入特定的字符就会引发蜂鸣报警声。

2.3  监控报警系统监控信息及报警信息

监控报警系统连接着舵机与自动舵主机，其监控的数据有36种，具体如表3所示。报警信息包含开关量报警和模拟量报警。开关量体现的是“0”或是“1”，非此即彼的选择;模拟量体现的是数据，数据超过相应阈值就报警。船舶自动舵报警信息种类有指令控制箱故障、船速丢失、航向变化过快、航迹超差、航向丢失、船舶姿态信息丢失、船速过低等。

[监控数据类型 监控数据 船舶姿态信息 经度、纬度、罗经航向、对地航向、对水航速、对地航速、横摇角、纵摇角、实际航向、主机转速 船舶航行信息 设定航向、航向偏差、航线号、偏航距离 环境参数 真风风速、真风风向、相对风速、相对风向、海流流速、海流流向、实际水深 舵机参数 失电、断相、过载、过滤器、液位低、油温高、控制失电、舵机不动、液压锁定 指令控制箱信息 反馈舵角、执行舵令、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  仿真测试

主机将RS 422接收信息进行转换直接发送至CAN总线中，参考NMEA0183协议报文格式进行报文设置，总共分为：气象信息报文、导航信息报文、位置信息报文、海深信息报文、操舵状态报文、船舶参数报文、舵参数报文、报警参数报文、报警信息报文。其中，气象信息报文如下：

$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

帧ID（0x04B）表示如下：

字段0：$WEMESS，语句ID，表明该语句为天气信息;

字段1：UTC时间，hhmmss.ss，时分秒格式;

字段2：绝对风速dd.mm（前导位数不足则补0）;

字段3：绝对风向（000.000°～360.000°）;

字段4：相对风速dd.mm（前导位数不足则补0）;

字段5：相对风向（000.000°～360.000°）;

字段6：海流流速dd.mm（前导位数不足则补0）;

字段7：海流流向（000.000°～360.000°）;

字段8：温度;

字段9：湿度;

字段10：大气压强;

字段11：校验值。

系统运行流程图如图8所示。系统实时对相应的数据进行接收，并且判断该数据是否超出所设定的阈值。经测试，系统可以实时、有效地接收相关数据并且对超过阈值的信息发出声光警报，存入数据库。具体测试界面如图9所示。

4  结  论

本文设计的监控报警系统通过CAN总线接收船舶自动舵系统数据，罗经、测深仪、风速风向仪等航海仪器通过RS 422串口将数据送到CAN总线中，监控报警系统对数据进行处理，并且与相应阈值进行比较，超过阈值的进行报警并且存储于数据库中。由于本文设计的监控报警系统是通过处理各航海设备传输到CAN总线的数据，所以会有一定的延迟，但是系统初步实现了对自动舵设备的监控报警功能。为解决系统有延迟的问题，可以从硬件上入手，即监控报警系统直接与各传感器相连接。综上所述，本文所设计的监控报警系统实现了船舶航行中对自动舵设备的监控及报警功能，系统能有效地防止人员因使用自动舵设备而产生的船舶事故，对船舶安全航行具有重大的意义。

参考文献

[1] 殷志明.影响船舶航行安全的因素浅析[J].广东交通职业技术学院学报，2010，9（3）：47?49.

YIN Zhiming. Analysis on the factors with influencing ships navigation safety [J]. Journal of Guangdong Communications Polytechnic， 2010， 9（3）： 47?49.

[2] 崔文彬，张跃文，吴桂涛，等.BP神经网络在远洋船舶远程监控中的应用研究[J].哈尔滨工程大学学报，2009，30（8）：935?939.

CUI Wenbin， ZHANG Yuewen， WU Guitao， et al. Applying back propagation neural networks to remote monitoring of ocean?going ships [J]. Journal of Harbin Engineering University， 2009， 30（8）： 935?939.

[3] 孟维明，张跃文，吴桂涛，等.船舶远程监控机舱数据统一化分类[J].大连海事大学学报，2011，37（1）：44?47.

MENG Weiming， ZHANG Yuewen， WU Guitao， et al. Uniform classification of engine rooms parameters in remote monitor system of ship [J]. Journal of Dalian Maritime University， 2011， 37（1）： 44?47.

[4] 宋立国，潘新祥，董景明，等.基于熵权的船舶主机状态监控及评价模型[J].大连海事大学学报，2011，37（4）：45?47.

SONG Liguo， PAN Xinxiang， DONG Jingming， et al. Condition monitoring and assessment model of marine main engine based on entropy weight [J]. Journal of Dalian Maritime University， 2011， 37（4）： 45?47.

[5] 甘辉兵，任光，张均东.基于数据挖掘的船舶机舱监控系统[J].中国造船，2011，52（4）：214?221.

GAN Huibing， REN Guang， ZHANG Jundong. Monitored control system for ship engine room based on data mining [J]. Shipbuilding of China， 2011， 52（4）： 214?221.

[6] 朱冠良.嵌入式技术船舶实时监控系统[J].舰船科学技术，2017（22）：162?164.

ZHU Guanliang. Ship real time monitoring system based on embedded technology [J]. Ship science and technology， 2017（22）： 162?164.

[7] 王捷，汪益兵.基于AIS信息的船舶实时个性化安全监控模式[J].中国航海，2015，38（4）：83?86.

WANG Jie， WANG Yibing. Individualized real?time ship monitoring based on AIS information [J]. Navigation of China， 2015， 38（4）： 83?86.

[8] STRAUCH B. Investigating fatigue in marine accident investigations [J]. Procedia manufacturing， 2015， 3： 3115?3122.

[9] 周锋，吴华锋，孙志宽.一种新型船舶驾驶台值班防疲劳监控系统设计[J].船海工程，2017，46（2）：170?174.

ZHOU Feng， WU Huafeng， SUN Zhikuan. Design of bridge navigation watch alarm system based on image processing [J]. Ship & ocean engineering， 2017， 46（2）： 170?174.

[10] 黄丞，王荣.基于CAN总线的散货船机舱监测报警系统研究[J].江苏船舶，2016，33（5）：26?29.

HUANG Cheng， WANG Rong. Research on engine room monitoring and alarm system of bulk cargo ship based on CAN bus [J]. Jiangsu ship， 2016， 33（5）： 26?29.