拖船聯(lián)合作業(yè)調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周志玉

(江蘇省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，南京 210007)

拖船聯(lián)合作業(yè)調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周志玉

(江蘇省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，南京 210007)

本文利用高精度定位、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、動(dòng)力分配和船舶運(yùn)動(dòng)等技術(shù)設(shè)計(jì)了拖船聯(lián)合作業(yè)調(diào)度系統(tǒng)，該系統(tǒng)能對(duì)各個(gè)拖船及被拖船舶進(jìn)行精確定位和拖航，實(shí)現(xiàn)拖船作業(yè)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控及指揮調(diào)度。

拖船 聯(lián)合作業(yè)調(diào)度 高精度定位 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)

0 引言

隨著現(xiàn)代化港口的飛速發(fā)展[1]，來(lái)港船舶越來(lái)越趨大型化、多樣化，特別是在航班密集的情況下，港口水域通航密度相當(dāng)大，使原來(lái)可供航行的狹窄水域變得更加狹小，大型船舶自主操縱的能力受到很大的限制[2]。為了更加安全和有效地完成大型船舶的靠泊過(guò)程，大型船舶在港口的操縱越來(lái)越多地依賴于拖輪、側(cè)推器等的協(xié)助，而拖輪作為大型船舶港內(nèi)操縱和靠泊過(guò)程中不可或缺的工具，所起作用日益顯著；如何利用拖輪更好的對(duì)大型船舶進(jìn)行有效拖航和精確定位，是拖船操縱領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問題之一，引起人們廣泛關(guān)注。

本文設(shè)計(jì)的拖船聯(lián)合作業(yè)調(diào)度系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)為基礎(chǔ)，能對(duì)各個(gè)拖船及被拖船舶進(jìn)行精確定位和拖航，實(shí)現(xiàn)拖船作業(yè)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控及指揮調(diào)度。

1 系統(tǒng)總體組成

1.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由以下子系統(tǒng)組成：

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；

拖船聯(lián)合作業(yè)調(diào)度系統(tǒng)；

拖船作業(yè)編隊(duì)共由5條拖船組成，其中一條作為指揮船，指揮船負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)其他4條拖船的作業(yè)過(guò)程。

1.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖2所示，其中硬件系統(tǒng)由RTK GPS基站、RTK GPS信標(biāo)機(jī)、計(jì)算機(jī)工作站和無(wú)線路由器及配套天線構(gòu)成。

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖3所示，其中網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為菊花鏈，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議為802.11a/b/g，網(wǎng)絡(luò)帶寬為10/46 Mbps，網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍不低于5 km。

1.3 定位方式及定位精度設(shè)計(jì)

為了獲得高精度的定位數(shù)據(jù)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)安裝1套R(shí)TK GPS基站，用于為船舶提供高精度差分?jǐn)?shù)據(jù)。設(shè)計(jì)安裝7套R(shí)TK GPS，5套安裝在拖船上，2套安裝在被拖船舶上。RTK GPS的定位精度可達(dá)到厘米級(jí)。通過(guò)RTK GPS可實(shí)時(shí)獲得各個(gè)拖船和被拖船舶的位置、艏向、航向和航速等信息。

在拖船實(shí)施被拖船舶拖動(dòng)時(shí)，必須要保證以下兩點(diǎn)：

能夠精確獲得被拖船舶的定位數(shù)據(jù)（通過(guò)在被拖船舶上安裝“被拖船舶設(shè)備單元”實(shí)現(xiàn)）；

能夠保持指揮船與被拖船舶、其他拖船之間數(shù)據(jù)鏈路的有效性（依靠通訊鏈路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)）。

1.4 通訊鏈路設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)支持菊花鏈組網(wǎng)，7個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間可多鏈路交叉組網(wǎng)，只要存在任意一條連通各個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的鏈路，就可以保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的連通性。

除安裝在拖船上的5個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)外，在被拖船舶上安裝2個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，提高了通訊鏈路的可靠性，主要表現(xiàn)在：

拖船在協(xié)同作業(yè)過(guò)程中，可能受被拖船舶的阻隔，會(huì)使得通訊鏈路的保持受到較大影響，在被拖船舶上設(shè)置網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，有助于在空間上保持各個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間通訊鏈路的有效性。

通過(guò)被拖船舶上的2個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，不但能對(duì)被拖船舶進(jìn)行精確的定位，還能精確獲得船舶艏向、運(yùn)動(dòng)方向、運(yùn)動(dòng)速度，而不需要從被拖船舶自身控制系統(tǒng)中獲取這些數(shù)據(jù)，對(duì)于指揮調(diào)度拖船對(duì)被拖船舶進(jìn)行精確定位、定向控制起到重要的作用，同時(shí)也體現(xiàn)出系統(tǒng)自身的獨(dú)立性。

1.5 數(shù)據(jù)采集

系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)采集各個(gè)拖船和被拖船舶的相關(guān)信號(hào)，所有信號(hào)的由位于指揮船上的服務(wù)器進(jìn)行匯總，服務(wù)器再通過(guò)以太網(wǎng)向各個(gè)拖船及第三方系統(tǒng)發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)信息共享。系統(tǒng)服務(wù)器可對(duì)采集的各種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，存儲(chǔ)間隔可設(shè)置，最快為1 s。

為了實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)，需要采集以下數(shù)據(jù)：被拖船舶位置；被拖船舶艏向；被拖船舶航向；被拖船舶航速；拖船位置；拖船艏向；拖船航向；拖船航速；拖船鋼絲繩長(zhǎng)度；拖船鋼絲繩張力；拖船螺旋槳方位角；拖船螺旋槳螺距；拖船螺旋槳轉(zhuǎn)速；拖船螺旋槳功率；拖船主機(jī)轉(zhuǎn)速；拖船主機(jī)功率；其他需要的信號(hào)。

2 系統(tǒng)功能及配置

2.1 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的構(gòu)成及分布

1）功能：菊花鏈組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接（GPS、電羅經(jīng)、計(jì)算機(jī)），網(wǎng)絡(luò)安全認(rèn)證。2）RTK基站：提供高精度的厘米級(jí)差分GPS信號(hào)。3）被拖船舶設(shè)備單元：安裝在被拖船舶，接收基站發(fā)來(lái)的差分GPS信號(hào)，自動(dòng)網(wǎng)絡(luò)接入。4）指揮船設(shè)備單元：便攜式安裝，接收基站發(fā)來(lái)的差分GPS信號(hào)，自動(dòng)網(wǎng)絡(luò)接入。5）拖船設(shè)備單元：便攜式安裝，自動(dòng)網(wǎng)絡(luò)接入。

2.2 拖船聯(lián)合作業(yè)調(diào)度系統(tǒng)軟件

1）系統(tǒng)軟件配置

為實(shí)現(xiàn)拖船的需要，系統(tǒng)配置的軟件有：通訊接口軟件、指揮調(diào)度軟件、動(dòng)力分配軟件、定位監(jiān)測(cè)軟件和數(shù)據(jù)記錄軟件。

2）拖船系統(tǒng)提供的主要功能

定位監(jiān)測(cè)。通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)采集每條拖船和被拖船舶的GPS定位、航向、艏向、速度等數(shù)據(jù)；實(shí)時(shí)信息共享。通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將實(shí)時(shí)信息發(fā)送給其他拖船；動(dòng)力拖動(dòng)方案。根據(jù)拖船、被拖船舶特性，建立動(dòng)力分配模型；風(fēng)浪流作用下的Kalman濾波技術(shù)應(yīng)用于信號(hào)處理；風(fēng)向和風(fēng)速在線監(jiān)測(cè)及風(fēng)力前饋補(bǔ)償；拖船作業(yè)航跡規(guī)劃，以及船舶離港和靠泊過(guò)程作業(yè)指導(dǎo)；拖船作業(yè)控位能力的在線顯示和作業(yè)指導(dǎo)；拖船作業(yè)船舶運(yùn)動(dòng)航跡的在線優(yōu)化與最佳動(dòng)力分配在線指導(dǎo)；拖船作業(yè)指令的下發(fā)。將作業(yè)信息發(fā)送到每條拖船；GPS投影轉(zhuǎn)換。對(duì)GPS空間坐標(biāo)系進(jìn)行投影變換，轉(zhuǎn)換為工程平面坐標(biāo)；拖船、被拖船舶定位狀態(tài)及航行軌跡監(jiān)測(cè)；拖船鋼絲繩長(zhǎng)度計(jì)算；拖船鋼絲繩張力及拖拽方向計(jì)算；拖船動(dòng)力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)（螺旋槳、主機(jī)）；網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)與診斷；全系統(tǒng)數(shù)據(jù)記錄回放；報(bào)警記錄及查詢等。

3）系統(tǒng)特點(diǎn)

拖船聯(lián)合作業(yè)調(diào)度系統(tǒng)軟件的特點(diǎn)包含：C/S體系架構(gòu)；企業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)；SQL/ODBC關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)連接；集成化信息處理，全系統(tǒng)信息共享；支持全系統(tǒng)數(shù)據(jù)記錄、回放；服務(wù)器熱冗余切換；工作站時(shí)間自動(dòng)同步；并行TCP數(shù)據(jù)通訊。

3 結(jié)論

拖船聯(lián)合作業(yè)調(diào)度系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)為基礎(chǔ)，對(duì)各個(gè)拖船及被拖船舶進(jìn)行精確定位和拖航。該系統(tǒng)運(yùn)用了高精度定位技術(shù)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、動(dòng)力分配技術(shù)、船舶運(yùn)動(dòng)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等，將技術(shù)的先進(jìn)性和設(shè)備運(yùn)行的可靠性運(yùn)用在系統(tǒng)的各個(gè)部分。該系統(tǒng)在運(yùn)用無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)的情況下，通過(guò)子系統(tǒng)間的通訊及信息共享，使各個(gè)對(duì)象可以靈活的交換數(shù)據(jù)、并將對(duì)方信息融合在更高級(jí)的控制中，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位監(jiān)控和調(diào)度指揮。

[1] 江建忠. 正確使用港作拖輪確保引航安全[J]. 航海技術(shù), 2005, (6):27-28.

[2] 梁康樂. 拖航系統(tǒng)操縱性研究(碩士學(xué)位論文). 上海:上海交通大學(xué), 2007.

Design of the Joint Operation Dispatching System for Towboat

Zhou Zhiyu
(Jiangsu Academy of Product Quality Supervision & Inspection, Nanjing 210007, China)

The paper designs the joint operation dispatching system for towboat on base of high precision positioning, wireless network, power distribution and ship motion. The system can realize precise positioning and towage of every towboat and towed ship, and real-time monitoring and command dispatching during the towboat operation.

towboat; joint operation dispatching; high precision positioning; wireless network

TP273

A

1003-4862（2014）03-0027-02

2013-10-15

周志玉（1965-），女，高級(jí)工程師。研究方向：機(jī)電一體化。