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工程船舶安全状态在线监测系统

19thWORLDDREoGlNGCoNGRESS第十九届世界琉浚大会论文纂

EC一87

工程船舶安全状态在线监测系统

刘国生、陶明、王小锋、刘烈晖、袁子豪

摘要：

“工程船舶安全状态在线监测系统”以在线共享企业现场船舶工况数据为基础。

综合运用了现代传感器、自动化及仪器仪表、网络通信、计算机等工业成熟技术和工艺，由岸基中心监控服务器、无线移动网络及系统通信协议、各工程船工况数据智能采集装置等部分构成。

岸基中心监控服务器通过移动通信网络，锁定跟踪公司每一艘工程船舶，及时捕获可能发生的任何异常事件，发布事件信息；工况数据智能采集装置负责采集现场设备状态及数据，并分类处理发布。

系统在保障和加强施工船舶安全生产监督力度、提高设备完好率、建立企业长效事故预警和远程在线专家故障诊断分析机制等方面将发挥重要的技术支撑作用。

关键词：

疏浚施工、传感器、无线通信链路、在线故障诊断、GIS地理信息

1．引言

随着生产经营规模的扩大，疏浚公司的工程船队（群）正不断地发展和壮大，这些工程船遍布在全国甚至世界各地的海上施工区域，在复杂多样的工况及环境下，保持设备生产运转时间，以达到尽可能高单船产量。

因此，如何有效地管理公司船队（群），加强施工生产安全监督，在繁重的生产任务中，减少或避免海上机损事故，建立事故预警长效机制，防患于未然，提高市场综合竞争力，是新时期值得疏浚公司重视的课题。

本课题将针对国内疏浚工程船舶现况，应用先进和成熟的工业技术及工艺，以新的思路和原理，突破传统的安全监督报警方式，升级或更新改造现有疏浚工程船舶的老旧安全监测报警装置，构建岸基．船．船间现场工况数据及报警参数交互通信网络，提供系统化、自动化或智能化的工程船舶安全生产在线监测方案。

国外在这方面也非常重视，据报道，2006年日本东亚建设公司应用传感器、计算机、无线通信等技术，研制了“工程船拖航安全监视系统”，在非自航疏浚工程船长距离无人调遣拖航过程中，为岸基人员提供即时的调遣船状态信息，监视船舶航行安全状况。

目前在海上疏浚施工的工程船舶，主要配置的安全监测报警装置有：

舱底漏水报警、火警及烟雾感测、主机设备重要部位参数监测（如：

温度、压力等），一些船上安装了AMS系统以及用于指导船舶避让的电子海图系统。

然而，许多老旧工程船的安全监测装置功能简单，智能化或自动化程度较低，装置或设备间基本上是独立地运行，只能关注较少数量、孤立不相关的安全参数；没有对船体空间姿态临界危险参数进行监测；老旧装置还存在事故判断延迟、报警准确率低等可能；主要以声和光方式发出告警提示，

报警原因信息量不全面：

没有施工设备运行工况趋势分析及事件诊断评估功能，即事故预测预报功能不强；监测装置本身无故障自我诊断能力，不具备第三方对本船装置状态的监督功能，因此本船装置如有疏忽，就可能漏报发生的事故；报警信息不能同步向岸基有关部门和同施工区域本公司其他船舶发布，因此也无法快速地获得后方专家的在线

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技术支持：

亦无JJ现有企业州络联叫，』E，工现场实时数崩资源。

2．系统方案

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桂船舶立个状态柜线临测系统”是个I叫络化的船怕安全监测斤案，综合运用r现代化肆器、（-i动化及仪器仪表、网络通信、1拄训算机等成熟州p技术和l：

艺。

由“岸牡脏控中心（r立简称：

TMC）”、无线移础州缔及系统通信卧议、并工程船kl目ct置的“I：

况数捌智能采集装胃（下史简称：

LMU）”二部分构成。

TMC通过巾无线移动通讯设备及系统通信拂议构成的WLAN链蹄，锁定跟踪企业船队所有1‘程船目flLMU，遥测各船的工况信息数据．她机JE卒实时上程数据席，捕获船队-Ⅱ能发乍的异常事件，即时向

企业有爻职能管州部门发靠事件化包。

LMu划负贺个灭候震嫩和id录现场l况信息数

据，应用琏于快速诊断钎浊的在线工况数据分析．抓捕本船发q摒常事件时的特征参数，当发现异常情况，奇即存小船、井l可时向TMc年¨指定埘缬发布报警信息，宜现快速芹常事件响廊处理。

通过神·本雕}LMu和异地TMc对船舶J观数据进行相：

线分析处理，实现本船和TMC

同时对该船舶安全状态的实时!

嫩测。

另外．“【：

程船舶安个状态存线j|；f洲系统”也对自身的J：

作状态进行自找诊断崎测，及时发现自身”r能产生的M题或敞障，保证系统的有效性。

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程船舶蜜令状态存线j{；f测系统”以在线其乍企qk现场船舶f。

况数据为基础，在{5|}陴和加强施I．船舶安个q：

产监惜力度．提尚设备完好牢．建立企qE长教事敞预警和远程在线0家故障渗断分析OLfU）J并方面将发托：

技术支撑作Hj。

足海上工程船舶生产安全监测

撤警的解决方案之。

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图1系统构成方案原理圉

3．系统原理

3．1、LMU原理

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LMU装置土要承担：

①、传感器群数据采集‘，记采：

②、现场抖常市什快速诊断分析：

③、事故瑚警与发柿。

传感器群发控制总线构成的现场安时测量网络足LMU的最基础设备，在线采集、存储能锌观反映挖泥船当前牛，“安伞状态的关键物理廿数据，巾嵌入式训算机，对这些数据进行快速诊断分析算法处碰，给出该船此时状况的评估情息，以及LMU木身运行状态是甭先好的自我诊断信息。

LMU其有较高的自动化及智能化水平，独立地运行，辱可能减少或避免人为r预和现场环境对监测结果的影响。

LMU与该船有前相『司的l：

作寿命用期，儿伞灭fl：

{24小时不问断运行。

LMU构成见图2所日i。

拳船LMu构成＼

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图2系统设备构成厦说明示意图

19thWoRLDDREDGINGCoNGRESS第十九届世界疏浚大会论文集

3．1．1、传感器群数据采集与记录

针对疏浚类工程船舶特征，目前可以通过传感器获得涉及船舶安全方面的物理数据，或理解为可获得的该船基本生命特征参数，主要包括：

船位空间坐标、耙头坐标、耙管姿态、桥梁角度、船体吃水线及排水量、船体倾斜姿态、船艏方向、对地航速、舱底漏水状态、泥舱装舱舱位（或舱容）、机械量振动频谱、舱内声响等级、舱内温度、火警及烟雾、拖缆张力（当拖带非自航船时）、风速、风向、涌浪、主机参数（包括：

油温、水温、轴温、排温、压差、润滑状态、主轴振动频谱、扭矩等）等。

每艘船将根据其自身的具体情况及设计要求，从中选择出必需的被监测物理变量，然后据此在该船布置和安装相应的传感器总线网络及配套设备。

LMU包括一个低功耗嵌入式工控计算机，控制采集传感器设备输出的数据信息。

LMU兼有部分黑匣子数据记录功能：

其存储器始终刷新保存记录着最近一段时间间隔内的本船传感器数据和异常事件点、系统通信中断前后一个时间段内的状态数据信息，并具有事故事件发生前、后数据记录的回放功能。

LMU独立供电工作、具有低功耗性能。

通过管理电源系统，保证船电中断时，LMU仍能维持>360d、时的工作时间。

3．1．2、现场异常事件快速诊断分析

LMU对船舶工况数据变量的动态变化过程，进行在线快速算法分析，根据故障诊断策略，抓捕该船可能发生的异常事件。

基本思路是：

1）船体空间姿态的计算分析。

可根据船体倾斜、吃水线、排水量（或舱容）、泥舱泥浆液位及装载量（针对耙吸式挖泥船）、GPS坐标等位置传感器，测量计算船体的倾斜度及变化率、吃水线及变化率，判断船体水面姿态参数是否接近或超出预先设定的危险窗口值，同时还给出这些参数的变化趋势，提前给出当前该船安全程度等级的评估报告。

希望尽可能早的抓捕沉船事故前的征兆。

2）应用FFr算法，对机械类设备关键部位振动信号的频谱诊断分析，抓捕船机类故障隐患。

如：

把传感器当前输出的主轴承旋转振动信号的频谱特征值，与参考基准值进行比对，了解其磨损程度及特性衰退趋势。

或通过对机体振动信号的参考基准值比对，抓捕机体安装基座螺丝松脱现象等。

另外，如果检测到船体突然产生的强烈振动信号，或机、泵舱内产生巨大的峰值声响，将作为受到严重撞或冲击事件处理。

3）通过对监测点诸如：

温度、压力等工程变量上升趋势和变化速率的检测和计算，当该监测值达到临界报警值前，发出预警信息。

提醒人们注意。

4）LMU在监测船舶状态的同时，也对自身的工作状态进行自我诊断分析，如：

某传感器故障或断线、与TMC通信链路中断、LMU装置故障、供电电源异常等，及时发现自身可能产生的故障，立即报警处理，从而保证系统高有效性。

5）LMU解决了传统方式对船舶状态了解的滞后性和片面性。

通过对被检测参数的诊断分析和变化趋势的动态评估，尽可能早期发现和预测船舶安全事故现象，提前采取措施，防止问题迸一步扩大；同时为事故后原因及责任分析和制定整改措施，提供原始记录数据信息回放、查询。

6）不论该工程船处于什么状态，如：

施工作业、调遣航行、锚地系泊、停靠码头、

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入J维护检修等阶段．LMU都不会停lt_[作，除非该船已进行报废处理。

3．1．3、事故顸警与发布如果该船状况无任何异常，LMU将保持沉默，仅在规定时刻。

向TMC发报、F安

信息。

反之，如果TMC没有收到由LMU定期发来的报平安信息时，异地监测人员立即通过其他途径，与该船联系，确认发生了什么事情。

当LMU发现任何一个被检测的状态数据跳出报警窗口（如：

船倾斜姿态超限、或侦测到昭体剧烈振动等）或H1现异常趋势、或系统自身出现故障（盘¨：

断屯、菜个传感器损坏等）等时，LMU立即进入异常事件处理程序，首先在小船发出}证警信息，然后一方面通过UHF／VHF数传电台，向邻近本公卅其他工程船舶发送报警信息（如：

非自航船调遣时。

向前面的拖轮发出报警信息）．同时还由GPRS／CDMA／3G或短信平台构成的远程无线数据链路，向异地TMC报送术船异常事件报警信息，此时已向三个对象l司时发布了报警信息，通过这种冗余报警方式，保证报警被信息传递出去。

图3L刚工作流程原理框图

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3．2、岸基监控中心（TMc）

TMC是基丁GIS地理信息系统、r台的分布文疏澧船队（群）动态信息测控网络系统j=机。

l：

要助能：

1）通过GPRS／3G等无线通讯链路，与所自LMU构成星形通信网络，遥测现场数

据信息。

2）在GIS电子地罔上显示各工程船LMU当前的现场状态信息。

如图4中红色块

部分为参数超限报警提示信息。

3）系统服务器伞天候24小叫运行．锁定监测食业J}：

}队所有工程船rLMU的状态，

能主动发现丢失报平安消息的LMU，和及时响应任何LMU发来的报警请求信息．并向相芙职能船门提不。

4）建立实时数据席，存储也录处理辑LMU的数据信息，实现企业J：

程船队船舶工况信息数据资源共享。

5）为后方专家、工程技术人员开展远程故障诊断分析及技术服务，提供现场数据

依据，使他们具备有珧场信息感知能力。

6）制定事故等级评估和盹急事件处理坝案；建0：

书敞分析处理弩家知识库。

使现

场船队可即时得到后方专家、工程技术人员以及其他资源的立持。

7）TMC将作为提高设备壳好率、增强企业长效异常事件或故障诊断放预警机制等

方面的技术支撑甲台。

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围4在T眦的Gls平台上显示的各船状态数据

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安监Ⅱ技木支持部门

图5T∞工作流程原理框图

3．3、无线移动网络及通信协议

通过无线移动网络及通信阱议链路，并船的LMU都LjTMC的GIS系统服务器联网，TMC集巾管理公司所有工程船舶，即根据设计制定的系统通信协议，锁定每艘L程船，确保其每时每刻都在TMC的跟踪监督之下，同时符LMU也会t动与TMC联系．探查TMC状态。

平时，如果LMU没有发现本船及系统本身任何异常情况，该船只在规定的时间时刻，通过GPRS／3G或短信平台及UHF／VHF数传电台等无线通信网络，向1Mc和拖轮（非自航船调遣时）发送包含该船地理位置芈标的报平安信息（俗称：

心跳监测），此时TMC的G1S系统电r地图上将显示所有心跳JE常的上程船舶标识。

如果因故障或其他原因，通信被tt，断．TMC没有在规定的时间收到某船LMU的心跳信息，则将进入异常事什处

19thWoRLDDREDGINGCoNGRESS第十九届世界琉浚大会论文集

理程序。

实际上，TMC也是工作在无人值守状态，LMU与TMC保持通信协议链路，使双方设备间相互同时被对方监测，形成本地与异地并存的冗余监控体系，可及时发现“工程船舶安全状态在线监测系统”本身的异常情况，增强系统的有效性和可信度。

TMC主要通过两种通信协议方式访问各LMU：

①、船名查巡方式

为了获得各船LMU采集的传感器信息，TMC将通过命令，点名要求指定的LMU把本船工况数据传送至TMC。

②、监听方式当船队中的某船发生异常事件状态或到发送报平安信息时刻，LMU都将主动向

TMC发送报文信息。

系统中配置的UHFNHF数传电台，是为实现非自航工程船远距离无人值守拖航调遣

（如：

非自航船调遣时，向前面的拖轮发出报警信息），和向邻近本公司其他工程船舶发送报警信息，而设计的近距离无线通信方式，它与移动通信GPRS／3G构成了冗余报警信息传输链路．

4．系统应用测试情况：

2008年我们研制“30m3抓斗式非自行挖泥船计算机监控系统”时，在设计该船的数据采集方案中，布置了LMU传感器网络，先期接入了GPS、船体姿态、吃水等传感器，并分别开发了LMU嵌入式计算机数据采集分析软件、基于GIS平台的TMC远程监测软件及遵循通信协议手册的岸．基网络通信软件，从而构成了一个“工程船舶安全状态在线监测系统”应用测试系统。

30m3抓斗式挖泥船从广州调遣到营口拔鱼圈工地的过程中，我们借此机会，通过3G无线网络，试验测试了30m3抓斗式挖泥上安装的LMU，与设在广州公司本部的TMCGIS服务器进行数据交换的性能，此时，LMU作为30m3抓斗

式挖泥船上的智能值守仪器，向拖轮或TMC提供30m3抓斗式挖泥船航行状态数据信息，

TMC计算机显示画面如图6、7、8所示。

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图6工程船调遣航行位置坐标跟踪画面

囤73帆1抓斗式挖泥船海上航行船体姿态监测画面

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图83口，抓斗式挖泥船海上施工时的状恋监测画面

“工程船舶安全状态在线监测系统”已于2009年6月在我公州金雄抓斗式挖泥船上

与“30m3抓斗式非自{t挖泥船计算机监控系统～同投入试运行，实际运行表明，“工程

船舶安伞状态在线监测系统”总体方案是可行的。

它能作为食业船队中永远不知疲倦、无任何怨言的生产安令临督值守者。

辅助疏浚企业1．程船队（群），建立科学的安全施

】：

监督管理体系，提高疏浚公司工程船舶管理水甲。

当然为使系统在今后实际使用过程中更好地发挥作用，仍有许多研制工作需要继续

进行，如：

协调各专业技术人员，制定疏浚船舶异常事件抓捕、市敲等级评估及早期预测方案、研究船机故设备故障诊断分析算法模型、开发基于GIS甲台的分布式疏浚船队（群）动态信息测控网络系统软件、编制麻急事件处理预案、建立事故分析处理专家知识库等。

“I程船舶安全状态在线监测系统”的设计E导思想之是．希蚺充分挖掘或复用『．程船舶现有的传感器资源，在此幕础上开发或衍牛出各类为企业服务的专业应用系统，提高船机设备综合利用率，为企业资产增值。