基于船舶六自由度运动的船舶航行安全实时监控系统研究

基于船舶六自由度运动的船舶航行安全实时监控系统研究

作者：方淡玉 黄橙 王新辉

来源：《数字技术与应用》2013年第06期

摘要：随着科学技术的快速发展，船舶工业技术也在进行不断的进步。船舶航行安全是船舶行业进步的基础，因此，针对船舶航行的安全性进行关键技术的研究是非常有必要的。本文主要从MMG、ADRC、SVM等技术手段的角度进行考虑，研究出基于船舶六自由度运动的船舶航行安全实时监控系统，以此来解决船舶在航行过程中不能准确测定船舶的航行状态以及不能对船舶合理吃水差进行实时调整的问题，该系统的研究，也是传统的船舶航行安全实时监控技术的一次进步。

关键词：船舶六自由度运动 船舶航行 实时监控 系统 研究

中图分类号：U6.82 文献标识码：B 文章编号：1007-9416（2013）06-0024-02 1 系统研究的目的背景

随着船舶工业技术的不断发展，国内外对于船舶安全航行方面的研究也越来越多。然而，目前对船舶的研究主要是针对船位和人身安全，针对船舶航行安全实时监控方面的研究相对来说比较少。在航行过程中，对船舶六自由度运动实行实时监控能够有效的保障船舶航行的安全，因此，对船舶航行安全实时监控系统进行研究是非常有必要的。从目前的技术发展水平来看，对水域船舶交通安全监控系统的研究与开发已经取得了非常大的进步，然而，利用船舶的六自由度运动的船舶航行安全系统的研究目前还不成熟。对船舶航行安全实时监控系统进行研究并开发，可以在航行过程中向该系统返回航行数据，进一步对水中的不稳定性测控技术进行研究，能够在很大程度上避免海上安全事故的发生，为船舶航行的安全提供保障。船舶在航行过程中可以产生6个自由度的运动，这6个自由度运动即为横荡、纵荡、垂荡、艏摇、横摇、纵摇，而基于船舶六自由度运动的船舶航行安全实时监控系统的研究与开发，对提高水上交通安全有很重要的作用，同时为建立安全的水路交通提高技术支持，利用该系统能够很大程度上避免水上交通事故的发生。 2 系统的主要功能

基于船舶六自由度运动的船舶航行安全实时监控系统的主要功能是该系统研究的核心内容，基于船舶六自由度运动的船舶航行安全实时监控系统主要是为了解决船舶在航行过程中，不能准确测定船舶的航行状态以及不能对船舶合理吃水差进行实时调整的问题，同时可以提供在极端环境下，船舶在航行状态下船首最优方向的数据，从而实现对船舶航行状况的实时监控，保证船舶的安全航行。该系统的主要组成部分主要有数据分析模型、浮体三维显示窗、实

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时的海上浮体不稳定状况无线传输装置、自相应提示数据库等。该系统中的实时提示主要包括航行船舶的航行方向、航行速度、横摇角度、纵摇角度等船舶的航行六自由度运动数据和航行船舶的浮体稳定性、船舶在波浪中航行时的最优航行方向的区间、船舶航行遇到波浪的周期以及遇到危险情况时的应急措施等船舶航行安全信息。

基于船舶六自由度运动的船舶航行安全实时监控系统的界面主要包括船舶的六自由度运动和安全实时监控界面以及船舶公司的监控界面。船舶的六自由度运动和安全实时监控界面如图1所示，它主要包括最优航行方向区间以及稳定仪和最优吃水差调整显示仪。对于最优航行方向区间以及稳定仪来说，它的组成部分主要有安全稳定区域、警戒稳定区域、危险区域、横倾角指针、实时横倾角、优化航行方向区间；而最优吃水差调整显示仪的组成部分分为警戒吃水区、危险吃水区、可行吃水区、实时吃水差、纵倾角指针。船舶公司的监控界面如图2所示，该界面主要由基本信息提示窗口、危险信息提示窗口、被监控船舶的模型等三部分组成。 3 系统设计方法和开发技术

该系统的运行原理为：船舶内的监视器在数据处理器的基础上对船舶的运行状态进行实时监控，船舶航行过程中的各种数据通过数据采集控制器，并利用WIFI或VHF发射器将船舶航行数据发射出去，而船舶公司利用WIFI或VHF接收器来接受数据，通过数据处理器将接收到的数据进行处理，进而传到公司内部相应的监控设备上，从而实现船舶航行安全的实时监控。 3.1 系统设计方法

首先要设计模拟实船实验、设计模型试验方案，收集试验所需要的数据，为SVM辨别提供实船试验和模型试验的输入——输出样本；其次要使系统对模型进行辨认，将试验过程中的相应数据作为实验样本，对船舶航行过程中的六自由度运动进行建模，然后对船舶的运动过程进行预报，同时将辨认结果与试验结果进行对比，从而得出模拟试验的可行性；与此同时，将模型辨认结果与仿真模型进行对比，通过修改差异比较大的部分，最终得到更加形象的仿真模型，而这个仿真模型能够充分的考虑风速、水流速度、浮体等对船舶航行安全的影响，从而更好的为计算机数据的处理奠定基础；再次，在对实船进行试验和船舶模型进行试验得到的数据的基础上，结合SVM辨别技术对相应的数据进行处理；最后，利用ADRC等世界先进的智能控制的相关技术，研究开发出于被监控船舶数据模型的智能控制方法，从而保证该系统的有效运行，并使之有很强的自适应性和实时性。 3.2 系统开发技术

基于船舶六自由度运动的船舶航行安全实时监控系统的开发，必须要掌握船舶的六自由度运动规律，掌握船舶航行操作原理和操作技术，从而开发出来的系统才能符合船舶航行的实际情况。该系统在开发时用到的技术主要是VisualC++编程技术、OPENGL三维动图像处理技术。而利用OPENGL三维图像处理技术主要是对系统的相关监控界面和其核心结构进行构建，从而能够使系统界面更加人性化，使用起来也更加方便。在开发过程中还需要实际经过分

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析的数据，这些数据需要利用自主开发的船舶六自由度运动采集平台得到的数据来提供。在利用SVM辨别技术进行数据处理的过程中，需要同时利用MMG建模技术对理论数据与经过SVM测试得到的数据进行对比分析，主要是为了得到船舶在航行过程中的安全运行状态的区域。最后，对于不安全状态区域要利用ADRC等智能控制技术提出相应的解决方案，并通过相应的技术用试验来验证提出解决方案的可行性，从而为船舶航行的安全提供保障。在该系统开发的过程中用到的相应技术，都是建立全面的船舶航行安全实时监控系统过程中必不可少的技术，这些技术为系统的开发提供技术上的保障。只有充分的利用好系统开发中的各种技术，才能使船舶航行安全实时监控系统更加的智能化，从而更好的为海上交通安全提供保障。 4 系统开发过程中需要解决的关键问题

（1）利用SVM辨别技术对船舶六自由度运动进行数学建模时的误差情况分析。实践证明，SVM辨别技术对于小样本、非线性模型问题、模式辨别问题上有很强的优势，误差很小，然而SVM辨别技术也有它自身的不足之处，该辨认技术不能很好的处理在线学习的问题，在自适应方面也有不完善的地方，同时对数据的敏感程度不够等问题。因此，在利用SVM辨别技术进行系统开发时，需要最大程度的克服SVM辨别技术的缺陷，从而才能获得更加精确的船舶六自由度运动数学模型。

（2）利用MMG建模技术对理论数据与经过SVM测试得到的数据进行对比分析时要建立一定的标准，确定两组数据之间合理的误差范围。只有将数据的误差范围控制在一定的范围内，才能更好的确定船舶在航行过程中的安全运行状态的区域，从而最大程度的保证船舶航行的安全。

（3）利用实船进行测试时数据的测定提取与实船测试成果普遍适应性的问题，该问题对于船舶进行实际航行时数据的可行性分析有很大的影响，同时处理好该问题，对六自由度运动的船舶航行安全实时监控系统的普遍适应性和应用前景有很大的推动作用，需要引起开发人员足够的重视。

（4）利用模型进行试验时的尺度效应问题。模型尺度效应对船舶的操纵性有很大的影响，因此，在研究过程中，要充分利用SVM辨别技术，对实船试验的结果和用模型进行试验时的结果进行比较和分析，从而才能更好的确定船舶操作过程中的尺度效应，为船舶航行的安全性提供理论依据。 5 结语

随着我国船舶工业的迅速发展，近些年来，我国也陆续展开了对船舶航行安全实时监控系统的研究及开发。然而对于船舶六自由度运动的船舶航行安全实时监控系统的研究技术还处于刚起步阶段。船舶有其自身运动的特点，而本文主要在掌握船舶航行运行特征的基础上，运用MMG、ADRC、SVM等技术方法，并利用VisualC++编程技术、OPENGL三维图像处理技术，对船舶航行安全实时监控系统进行了研究，主要是分析了系统研究的目的背景、系统的主

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要功能、系统设计方法和开发技术，以及系统开发过程中需要解决的关键问题，在研究的基础上对系统进行开发，可以在船舶行业投入使用，而实践表明，该系统有很强的实际可行性。对船舶航行安全实时监控系统进行研究，主要是为了提高水上交通的安全性，保证船舶在航行的安全，从而最大程度的降低水上事故的发生率。 参考文献

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