第２０卷第２期 广州航海高等专科学校学报 Ｖ０１．２０ ＮＯ．２ ２０１ ２年６月 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＧＵＡＮＧＺＨＯＵ ＭＡＲＩＴＩＭＥ ＣＯＬＬＥＧＥ Ｊｕｎｅ．２０１２ 基于姿态监测的船舶航行安全监控系统研究 黄 橙 ，方淡玉 ，李 坚 ，杨林家 ，王新辉 （１．广州航海高等专科学校航海学院，广东广州５１０７２５；２．大连海事大学航海学院，辽宁大连１１６０２６） 摘 要：利用自主开发的船舶姿态测量平台，以及ＭＭＧ、ＳＶＭ和ＡＤＲＣ等技术手段，首次研究开发 一种基于船舶六自由度运动姿态，监测的船舶航行安全实时监控系统，解决船舶航行状态下，不能 实时调整合理吃水差及准确预报船舶航行状态的问题，摆脱传统意义上的有关船舶航行安全实时 监控相关技术的束缚． 关键词：姿态；监测；航行安全；监控系统 中图分类号：Ｕ６９８．８ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００９—８５２６（２０１２）０２—０００４—０３ 实时调整合理吃水差、准确预报船舶的航行状态的 １ 系统研究的背景和目的 问题，并提供大风浪天气条件下，最优船首向范围的 数据，实现船公司对船舶航行状态的远程实时监控． 目前，国内外有关船舶航行安全的研究相对较 系统主要由海上浮体不稳定状态实时无线传输装 多，但基本上都集中在对船位和人身安全的研究．船 置、数据分析模型、自响应提示数据库和浮体三维显 舶姿态的监控对船舶航行安全保障起着非常重要的 示窗等部分组成．不仅实时提示包含被监控船舶的 作用．船舶运动姿态应从六自由度运动空间分析获 航向、横摇角、纵摇角、航速等船舶姿态信息，而且提 取¨ ．目前对水域船舶交通安全监控理论研究与系 示包含被监控船舶的浮体稳性、波浪遭遇周期、波浪 统开发已比较成熟，但对单船的运动姿态研究及信 中最优航向区间及应对措施等航行安全信息．该系 息监控系统开发才刚刚起步．利用船舶航行实时监 统主要分为２个显示端口界面，一为船舶姿态和安 控系统提供的数据，进一步研究恶劣天气条件下水 全的实时监测界面如图１所示．它主要包括２个部 上浮体的不稳定性测控技术，进而尽可能避免海上 分，第一部分为最优吃水差调整指示仪，第二部分为 不确定安全事故的发生．该系统的开发及推广将提 最优航向区间及稳性指示仪．其中，最优吃水差调整 高水上交通安全保障技术水平，从技术上能够支撑 指示仪的组成包括：纵倾角指针、危险吃水区域、警 建立一个更安全可靠的水路交通系统，为降低水上 戒吃水区域、可行吃水区域、实时吃水差．最优航向 交通事故发生率，减少经济损失起到积极的作用． 区间及稳性指示仪的组成包括：横倾角指针、安全稳 性区域、警戒稳性区域、危险稳性区域、优化航向范 ２ 系统主要功能 围、实时横倾角．二为公司监测界面如图２所示，其 界面组成主要包括３个部分：被监测船体模型、不安 系统的开发着重解决在船舶航行状态下，不能 全信息提示窗口和基本信息提示窗口． 收稿日期：２０１２—０２—０８ 基金项目：广东省交通运输厅科技计划项目（２０１１—０２—０６１）；高校基本科研业务费专项资金资助项目（２０１１ＱＮＯ０６） 作者简介：黄橙（１９７３一），男，实验师，主要从事交通信息工程与控制的教学及系统开发和研究． 第２期 黄橙等：基于姿态监测的船舶航行安全监控系统研究 图１ 船舶姿态实时监测界面 图２公司监测界面 ｎｏｅｕｖｎｎｇ Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ Ｍｏｄｅｌ Ｇｒｏｕｐ，简称ＭＭＧ）对 ３ 系统方案设计的方法、解决的关键 问题及开发技术 主要利用船舶六自由度运动测试平台，针对一 其进行建模和仿真，分析其运动规律，利用自抗扰控 制等先进智能控制理论和方法，结合支持向量机 （Ｓｕｐｐｏ￣Ｖｅｃｔｏｒ Ｍａｃｈｉｎｅ简称ＳＶＭ）辨识技术及实 船测试数据，研发先进的基于姿态监测的单本船运 动智能控制的船舶航行安全实时监控系统 ．系统 些典型的船舶航行过程，以及相应的自然条件进行 记录，获得基础研究数据．针对该典型船体的水动力 特性，利用分离式船舶运动建模方法 （Ｓｈｉｐ Ｍａ． 运行原理框图如图３所示． 图３ 系统运行原理框图 ３．１ 系统方案设计的方法 １）设计实船实验和模型试验方案，进行必要的 相关试验，采集试验数据，为支持向量机系统辨识提 供实船实验和模型试验的输入一输出样本； ２）模型辨识．应用ＳＶＭ技术，将试验数据作为 证方法的有效性；同时将辨识模型与“通用仿真模 型”进行比较，经修正改进得到一个能够表征被控 船舶实际运动特性的“仿真模型”，该模型应该充分 考虑风、流、浅水、岸壁效应等的影响，以及船舶在各 种工况下的条件，为后面进行计算机数值模拟 仿真打下基础； ３）利用实船试验和船模试验数据，借助ＳＶＭ先 样本，对船舶操纵运动进行辨识建模，进一步对船舶 操纵运动进行预报，并通过与试验结果的比较来验 ６ 广州航海高等专科学校学报 第２０卷 进辨识技术对试验数据具有独特优势的处理能力， 处理模型试验中尺度效应的问题； ｃ＋＋编程技术以及ＯｐｅｎＧＬ三维图象处理技术对 系统主界面和核心内部结构进行设计和构建，然后 ４）船舶航迹智能控制方法．利用ＡＤＲＣ等先进 智能控制技术，开发不依赖于被控对象数学模型的 智能控制设计方法，使得所研究算法具有很好的鲁 棒性能、自适应性能、实时性和实用性． 利用自主开发的船舶运动姿态采集平台为本系统提 供分析数据．在利用ＳＶＭ辨识技术对实船测试数据 进行处理的同时，利用ＭＭＧ建模技术将理论数据 和经处理的实测数据进行比较和分析，以此确定船 ３．２ 系统开发拟解决的关键问题 １）实船实验方案的设定与实船生产的便利问 题，这将直接关系到进行实船实验的可行性． ２）利用ＳＶＭ对复杂复合非线性船舶运动数学 模型辨识精度的问题．尽管ＳＶＭ在解决小样本、非 舶不安定状态区间；利用ＡＤＲＣ控制算法理论提出 不安定状态的解决方案，为建立完善的船舶航行安 全实时监控系统提供了关键的基础支持和保障． ４ 结束语 本系统是在对船舶性能指标进行最优化计算的 基础上，首次利用Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋＋编程技术、ＯｐｅｎＧＬ 三维图象处理技术以及ＡＤＲＣ等先进智能控制理 线性及高维模式识别和系统辨识问题中，表现出许 多特有的优势，但仍然有其不足，如自适应性和在线 学习能力差，对参数漂移问题敏感等等．因此，应解 决ＳＶＭ方法本身的不足，以获得能更真实反映船舶 运动特性的数学模型． ３）模型试验的尺度效应问题．众所周知，模型 论和方法，结合ＳＶＭ辨识技术及实船测试数据，来 进行船舶航行安全实时监控系统平台的研究，具有 国际先进水平． 参考文献 ［１］ 张秀风，尹 勇，金一丞．规则波中船舶六自由度数学模型 ［Ｊ］．交通运输工程学报，２００７，７（３）：４０—４３． ［２］ 贾欣乐，杨盐生．船舶运动数学模型［Ｍ］．大连：大连海事大学 出版社。１９９９：１４１—１４４ 试验中总是存在尺度效应问题，其对船舶操纵性的 影响程度究竟如何，该问题一直是船舶水动力学的 开放性难题．利用ＳＶＭ的技术优势，分别对实船试 验和模型试验的结果进行辨识，通过对比、分析来深 入研究这个问题． ４）实船测试数据的设定提取与成果的普适性 问题，这将直接关系到提取实船实验测试数据的便 利和可行性，以及本成果的普适性和应用前景． ［３］ 施冬梅．基于ＳＶＭ的船舶航向广义预测控制［Ｊ］．电气传动自 动化，２０１０，３２（１）：３１—３３，３６． ３．３ 系统开发技术 本系统在充分掌握船舶操纵原理与技术、船舶 原理以及船舶耐波性的基础上，首先利用Ｖｉｓｕａｌ ［４］ 朱飞祥，张英俊，赵 莉．基于无线网络的船舶监控系统的设 计与实现［Ｊ］．中国航海，２００８，３１（２）：１３５—１３８． Ｓｕｍｍａｒｙ ｏｆ Ｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｇ ｔｈｅ Ｓｈｉｐ Ｓａｆｅｔｙ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ Ａｔｔｉｔｕｄｅ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ＨＵＡＮＧ Ｃｈｅｎｇ ，ＦＡＮＧ Ｄａｎ．ｙｕ ，ＬＩ Ｊｉａｎ ，ＹＡＮＧ Ｌｉｎ．ｊｉａ ，ＷＡＮＧ Ｘｉｎ—ｈｕｉ （１．Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ Ｍａｒｉｔｉｍｅ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ ５ １０７２５； ２．Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｄａｌｉａｎ Ｍａｒｉｔｉｍｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｄａｌｉａｎ Ｌｉａｏｎｉｎｇ １ １６０２６） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｅ ｆｉｒｓｔｌｙ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｔｈｅ ｓｈｉｐ ｓａｆｅｔｙ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｒｅａｌ・ｔｉｍｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｔｈａｔ ｉｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｈｉｐ ａｔｔｉｔｕｄｅ ｍｏｔｉｏｎ ｉｎ ｓｉｘ ｓｐａｔｉａｌ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ ｂｙ ｔｈｅ ｓｈｉｐ ａｔｔｉｔｕｄｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｐｌａｔｆｏｒｍ，ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｂｙ Ｄａｌｉａｎ Ｍａｒｉｔｉｍｅ Ｕ－ ｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ａｎｄ ＭＭＧ，ＳＶＭ ａｎｄ ＡＤＲＣ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ．Ｉｔ ｗｉｌｌ ｓｏｌｖｅ ａ ｐｒｏｂｌｅｍ ａｂｏｕｔ ｕｎａｂｌｅ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ａｄｊｕｓｔ ｒａｔｉｏｎａｌ ｔｒｉｍ ａｎｄ ｕｎａｂｌｅ ｆｏｒｅｃａｓｔ ｓｈｉｐ ａｔｔｉｔｕｄｅ ｍｏｔｉｏｎ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ．Ｉｔ ｗｉｌｌ ｓｈａｋｅ ｏｆｆ ｔｈｅ ｆｅｔｔｅｒｓ ｏｎ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｈｉｐ ｓａｆｅｔｙ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｔｔｉｔｕｄｅ；ｍｏｎｉｔｏｒ；ｓａｆｅｔｙ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ；ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ．
