http:/www.paper.edu.cn -1- 码头系泊监控系统的可视化设计方案码头系泊监控系统的可视化设计方案 王平福1，邱占芝1，刘春玲1，郭书杰2 1 大连交通大学软件学院，辽宁大连 （116028） 2 大连市 91550 部队指控中心，辽宁大连 （116023） E-mail：unpainful163.com 摘摘 要要：在分析国外码头系泊监控的研究与应用基础上，提出一新的系泊监控设计方案。利 用无线传输方式，传输现场缆绳张力、护弦压缩量等测量数据，中心控制室接收到数据后图 形化动态显示系泊状态， 同时将数据存入数据库， 实现码头系泊的分散控制与数据信息的集 中管理。这种以计算机为核心的码头系泊可视化监控方案，可以避免断缆事故的发生，提高 系泊的安全性和工作效率。 关键词关键词：计算机控制系统；系泊监控；可视化；分散控制；集中管理 1 引言引言 随着我国经济持续快速的发展， 大型开敞式码头进入高速发展阶段， 码头系泊船舶的安全监控与自动化水平日益受到业界的关注。码头系泊船舶的受力除了与风、浪、流等海洋环境等因素有关外，还与船舶大小、船型、装载量、护舷类型、系缆方式、缆绳张力、泊位水深等一系列因素有关，实际上是波浪、船舶、系缆系统、防护系统及系泊船舶等相互作用的问题。码头系泊船舶在这些因素的影响下均会产生运动，严重时会影响装卸作业，且延长船舶在港内停泊时间，使相应的费用增加，甚至还会发生断缆等危险事故，导致更大的损失。另外，船舶运动对码头设施的碰撞也将影响其结构强度和稳定性。因此，船舶系泊时需要保证正常作业下不发生大的运动和相关人员及设备的安全。 目前， 国内码头系泊尚处于人工操作阶段， 但相关的理论与实验研究已经取得了许多成果，模型试验1-4、数值分析与计算5-8、现场试验及检测设备9-11 等，都为系泊自动化监控的实现奠定了坚实的基础。 本文在分析国外码头系泊监控研究与应用的基础上， 基于理论和实验研究结果，提出一种新的系泊监控设计方案：利用无线传输技术，传输现场缆绳张力、护弦压缩量、风、浪、流等测量数据，中心控制室对接收到数据进行处理后，图形化动态显示系泊状态，同时将数据存入数据库，实现码头系泊的分散控制与数据信息的集中管理。这种以计算机为核心的码头系泊可视化监控方案， 可以提高系泊的安全性和工作效率， 避免断缆事故的发生。 2 国外系泊现状国外系泊现状 国外对于码头系泊船舶在风浪流作用下的受力分析与理论研究起始于20世纪60年代前后，目前国外的系泊监控技术成熟，形成了包括软件和硬件的系统整体解决方案，并成功应用于单点、多点和码头系泊监控中。现列出具有代表性的公司及其系统，见表 1。这些系统都是集成了系泊张力监测、船舶近岸状态检测、港口环境监测、中心监控及成套港口设备的一体化系统。 例如 Strainstall 公司的 Berth Manager 系统是由 DockAlert （船舶近岸监控系统） 、MoorAlert（系泊监控系统） 、ArmAlert（报警监控系统） 、MetOcean（港口环境监控系统）和 Quick release hooks (快速脱缆钩)等部分组成。有些公司还提供了便携导航系统，单点系泊监控系统等。而且，这些软件12-14都具有良好的用户界面，支持多用户和多工作站，能对数据及时备份，支持多种操作系统等。为了确保系泊安全，Marimatech 公司的 Dock Master系统还整合了 Tension Technology International 公司的系泊分析计算软件 OPTIMOOR，对船型和当前环境信息等数据进行理论计算，预先给出可行的系泊方案。 http:/www.paper.edu.cn -2- 表 1 国外相关的系统及信息 Tab.1 the companies and products concerned 3 可视化监控设计方案可视化监控设计方案 3.1 方案描述方案描述 在码头系泊监控系统中，缆绳、护舷等系泊设备，风力、潮流、波浪等气象检测仪器，缆绳张力、护舷压缩量等检测设备，快速脱缆钩等传动装置，报警系统，网络及软件组成一个有机的整体，参见图 1 所示。系统可分为四个部分：第一部分是监控系统，主要包括各种显示器，主控计算机，打印机等附属设备以及数据库和应用软件等。第二部分是系泊系统，主要由缆绳、护舷、快速脱缆钩、远程操作台、激光测距以及相应的检测设备和显示装置等组成。第三部分是附属系统，主要是对气象和海洋环境进行检测，如风力、潮流、波浪等。第四部分是网络及其设备等。 码头系泊监控系统不仅能准确监测船舶的速度、 船首与船尾的离岸距离、 船舶在系泊状态下的漂移等，同时主控计算机通过网络与各类监测仪器和电子传感器相连，将作业区的风速、风向、波速、波向、波周期、潮位、流速、流向、船舶吃水、系缆力及护舷压缩量等数据进行采集和处理，并将其结果用图形或其他形式显示到屏幕上。系统功能图如图2所示。 公司名称 公司创建时间 相关产品 网址 Mampaey（荷） 1904 年 Load Mooring System www.mampaey.com Strainstall（英） 1966 年 Berth Manager12 www.strainstall.com HarbourMarine（澳） 1971 年 Vessel Mooring and Monitoring system14 www.harbourmarine.com Marimatech（丹麦） 1988 年 Dock Master13 www.marimatech.com FenderCare（英） 1988 年 Integrated Mooring Solutions www.fendercareims.com Zalda technology（美） 1991 年 MMCS-MLM www.zaldatechnology.com 监控系统 附属系统 系泊系统 网络 命令 命令 命令 信息 信息 信息 图 1 码头系泊监控系统组成结构图 Fig 1 the structure fig of the jetty mooring monitoring system http:/www.paper.edu.cn -3- 整个系统设计基于Windows XP操作系统，以Visual studio 2005为软件开发平台，以SQL Server 2000为后台数据库。篇幅所限，仅将其中几个典型模块简要描述如下： 缆绳张力检测模块：船舶系泊时，按照相应的系缆方式，用缆绳把船体和散布在码头的快速脱缆钩连起来。LMPs（Load Measuring Pins，载荷量针）就内嵌在这些快速脱缆钩里进行载荷测量，并把测得的数据转换成数字信号。该模块还需有LMPs的初始化和状态检测等功能。 数据通信模块： 系统对数据按照一定的周期进行采集， 并通过网络传输到主控机进行处理。这里包括数据验证，通信方式和通信管理等。 报警子系统：系统具有强制报警显示功能，只要有报警发生，则在屏幕的上端强制显示出闪烁的红色报警提示框，并启动蜂鸣器及现场报警装置。该子系统有报警参数设置、报警处理、报警信息存储和查询等功能。 3.2 通信方式通信方式 由于需要监控的区域广、监控点分散、监控的对象种类繁多，码头系泊监控系统可以被看成是一种全分散、双向、多变量、多点和多站的通信系统。传感器和远程计算机的通信是点对点的通信方式, 它们之间数据传输信道可以采用很多种方式, 如电缆、电话线、光纤通道等。鉴于监控系统产品化和远程计算机之间网络连接方便以及安装费用,在选用通信信道时应该尽量利用已有的通信信道, 有利于产品的推广和应用。但是，因为码头复杂的地理位置和特殊的功能造成了传统网络利用上的不便。 由于布线及传输距离的限制， 有线解决方案一直未能很好满足港口监控的需求。 无线网络具有高移动性、强保密性、抗干扰性和架设与维护便捷等特点。但是由于卫星通信费用昂贵, 只在一些特殊的领域下使用；扩频通信技术只能在视距范围内传输, 应用也受到了使用范围的限制；超短波虽然有较高的传输速率但通信易受外界干扰、通信速率低、误码率高、 数据传送量不大。 而近年来推出的GPRS网络,使移动通信与数据网络合二为一, 可以给移动用户提供分组数据接入服务, 在移动用户和远程的数据网络(如支持TCP/IP、X.25 等网络) 之间提供一种连接, 从而给用户提供高速无线业务, 允许用户在分组交换模式下发送和接收数据, 从而提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务。此外，GPRS用户计费合理、分组交换接入时间短、覆盖范围广且能支持Internet上应用最广泛的IP协议。以上优势使GPRS非常适用于远程监控系统的无线接入应用, 因此在码头系泊监控系统中采用GPRS图 2 码头系泊监控系统功能图 Fig.2 the main function fig of the jetty mooring monitoring system 码头系泊监控系统 缆 绳 张 力 检 测 数 据 通 信 模 块快 速 脱 缆 装 置报 警 子 系 统数 据 显 示 打 印港 口 环 境 监 测 激 光 测 距 模 块 数 据 存 储 查 询 http:/www.paper.edu.cn -4- 网络提供数据传输媒介,相关内容可参考文献15-17等。 3.3 数据处理数据处理 码头系泊监控系统，一方面需要实现数据的实时上传，如船速、缆绳张力、护舷压缩量以及环境检测量等实时数据；另一方面也需要下发各种传输、控制指令，如报警指令、快速脱缆命令以及检测设备的状态监测等。而且，系统中的数据大多都是数值型，没有声音、图像等非格式数据的处理。所以，码头系泊监控系统的数据有数据量小，有定时、非定时以及实时传输等特点。结合码头系泊监控系统的特点和GPRS传输数据的优势，可以给出以下码头系泊监控系统的数据处理方案描述： 首先， 在远端采集设备中设置一个GPRS传输模块, 采集设备将采集的数据通过A/D接口转换后送入GPRS模块。GPRS模块再利用GPRS网络和Internet互联网把采集过来的数据定时传输到数据中心进行数据的解析处理。接着，数据中心利用系统的套节字编程来接收远程采集点发过来的数据, 解析出各种报警状态和具体数据并存入数据库，部分数据实时地显示在屏幕或其他设备上。用户远程访问数据库，查询其权限范围内的船舶状态和各种检测数据，并给设备下发一些控制和传输命令。 码头系泊作业是阶段性比较强的，从船舶进港、作业到离岸，完成一个阶段的工作，下一个阶段开始时， 相关内容就会发生变化， 如船舶类型、 系缆方式和缆绳张力最大允许值等。所以，根据系统特点及要求，采用规范设计方法，设计出可靠、安全及便捷高效的数据库系统是至关重要的一环。 各功能模块的实现和界面设计等也是不可或缺的， 此处不做过多论述。 4 应用前景应用前景 随着我国经济持续快速的发展， 大型开敞式码头在我国将进入高速发展阶段。 一大批大型开敞式专业化码头的建成、 一些 LNG 接受站的陆续建设和现有港口的扩建、 改建和升级，码头系泊监控系统将会出现很大的需求。 我国尚没有开发出自己的相应软件， 国内介绍系泊系统的相关文章也不多， 本文对几个典型的系泊系统进行了对比的基础上， 简单介绍了系泊监控系统的结构、功能及特点等，旨在给使用和开发人员提供参考和借鉴，也可以给开发相关软件的研究设计人员提供信息参考。 随着对码头系泊监控巨大的市场需求， 对此研究的广泛开展，码头系泊监控系统将会在各个港口中得到广泛应用。 参考文献参考文献 1 高峰,郑宝友,陈汉宝,等. 不同系缆方式下的系泊条件分析J. 水运工程,2007,(3):48-52. 2 王世江. 日照港 30 万吨油码头船舶泊稳物理模型试验研究J. 海岸工程,2006,25(4):25-30. 3 温过路. 大型船舶系缆力影响因素的试验研究OL