拖船联合作业调度系统设计

周志玉

(江苏省产品质量监督检验研究院，南京 210007)

拖船联合作业调度系统设计

周志玉

(江苏省产品质量监督检验研究院，南京 210007)

本文利用高精度定位、无线网络、动力分配和船舶运动等技术设计了拖船联合作业调度系统，该系统能对各个拖船及被拖船舶进行精确定位和拖航，实现拖船作业过程的实时监控及指挥调度。

拖船 联合作业调度 高精度定位 无线网络

0 引言

随着现代化港口的飞速发展[1]，来港船舶越来越趋大型化、多样化，特别是在航班密集的情况下，港口水域通航密度相当大，使原来可供航行的狭窄水域变得更加狭小，大型船舶自主操纵的能力受到很大的限制[2]。为了更加安全和有效地完成大型船舶的靠泊过程，大型船舶在港口的操纵越来越多地依赖于拖轮、侧推器等的协助，而拖轮作为大型船舶港内操纵和靠泊过程中不可或缺的工具，所起作用日益显著；如何利用拖轮更好的对大型船舶进行有效拖航和精确定位，是拖船操纵领域研究的热点问题之一，引起人们广泛关注。

本文设计的拖船联合作业调度系统以计算机网络平台为基础，能对各个拖船及被拖船舶进行精确定位和拖航，实现拖船作业过程的实时监控及指挥调度。

1 系统总体组成

1.1 系统组成

系统由以下子系统组成：

计算机网络系统；

拖船联合作业调度系统；

拖船作业编队共由5条拖船组成，其中一条作为指挥船，指挥船负责协调其他4条拖船的作业过程。

1.2 网络结构设计

网络示意图如图2所示，其中硬件系统由RTK GPS基站、RTK GPS信标机、计算机工作站和无线路由器及配套天线构成。

网络拓扑图如图3所示，其中网络结构为菊花链，网络协议为802.11a/b/g，网络带宽为10/46 Mbps，网络覆盖范围不低于5 km。

1.3 定位方式及定位精度设计

为了获得高精度的定位数据，系统设计安装1套RTK GPS基站，用于为船舶提供高精度差分数据。设计安装7套RTK GPS，5套安装在拖船上，2套安装在被拖船舶上。RTK GPS的定位精度可达到厘米级。通过RTK GPS可实时获得各个拖船和被拖船舶的位置、艏向、航向和航速等信息。

在拖船实施被拖船舶拖动时，必须要保证以下两点：

能够精确获得被拖船舶的定位数据（通过在被拖船舶上安装“被拖船舶设备单元”实现）；

能够保持指挥船与被拖船舶、其他拖船之间数据链路的有效性（依靠通讯链路设计实现）。

1.4 通讯链路设计

网络系统支持菊花链组网，7个网络节点之间可多链路交叉组网，只要存在任意一条连通各个网络节点的链路，就可以保证整个网络的连通性。

除安装在拖船上的5个网络节点外，在被拖船舶上安装2个网络节点，提高了通讯链路的可靠性，主要表现在：

拖船在协同作业过程中，可能受被拖船舶的阻隔，会使得通讯链路的保持受到较大影响，在被拖船舶上设置网络节点，有助于在空间上保持各个网络节点间通讯链路的有效性。

通过被拖船舶上的2个网络节点，不但能对被拖船舶进行精确的定位，还能精确获得船舶艏向、运动方向、运动速度，而不需要从被拖船舶自身控制系统中获取这些数据，对于指挥调度拖船对被拖船舶进行精确定位、定向控制起到重要的作用，同时也体现出系统自身的独立性。

1.5 数据采集

系统通过无线网络采集各个拖船和被拖船舶的相关信号，所有信号的由位于指挥船上的服务器进行汇总，服务器再通过以太网向各个拖船及第三方系统发送实时数据实现信息共享。系统服务器可对采集的各种实时数据进行存储，存储间隔可设置，最快为1 s。

为了实现本系统，需要采集以下数据：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；拖船钢丝绳长度；拖船钢丝绳张力；拖船螺旋桨方位角；拖船螺旋桨螺距；拖船螺旋桨转速；拖船螺旋桨功率；拖船主机转速；拖船主机功率；其他需要的信号。

2 系统功能及配置

2.1 计算机网络系统的构成及分布

1）功能：菊花链组网，网络设备连接（GPS、电罗经、计算机），网络安全认证。2）RTK基站：提供高精度的厘米级差分GPS信号。3）被拖船舶设备单元：安装在被拖船舶，接收基站发来的差分GPS信号，自动网络接入。4）指挥船设备单元：便携式安装，接收基站发来的差分GPS信号，自动网络接入。5）拖船设备单元：便携式安装，自动网络接入。

2.2 拖船联合作业调度系统软件

1）系统软件配置

为实现拖船的需要，系统配置的软件有：通讯接口软件、指挥调度软件、动力分配软件、定位监测软件和数据记录软件。

2）拖船系统提供的主要功能

定位监测。通过无线网络实时采集每条拖船和被拖船舶的GPS定位、航向、艏向、速度等数据；实时信息共享。通过无线网络将实时信息发送给其他拖船；动力拖动方案。根据拖船、被拖船舶特性，建立动力分配模型；风浪流作用下的Kalman滤波技术应用于信号处理；风向和风速在线监测及风力前馈补偿；拖船作业航迹规划，以及船舶离港和靠泊过程作业指导；拖船作业控位能力的在线显示和作业指导；拖船作业船舶运动航迹的在线优化与最佳动力分配在线指导；拖船作业指令的下发。将作业信息发送到每条拖船；GPS投影转换。对GPS空间坐标系进行投影变换，转换为工程平面坐标；拖船、被拖船舶定位状态及航行轨迹监测；拖船钢丝绳长度计算；拖船钢丝绳张力及拖拽方向计算；拖船动力设备状态监测（螺旋桨、主机）；网络监测与诊断；全系统数据记录回放；报警记录及查询等。

3）系统特点

拖船联合作业调度系统软件的特点包含：C/S体系架构；企业级数据库；SQL/ODBC关系数据库连接；集成化信息处理，全系统信息共享；支持全系统数据记录、回放；服务器热冗余切换；工作站时间自动同步；并行TCP数据通讯。

3 结论

拖船联合作业调度系统以计算机网络平台为基础，对各个拖船及被拖船舶进行精确定位和拖航。该系统运用了高精度定位技术、无线网络技术、动力分配技术、船舶运动技术、数据库技术等，将技术的先进性和设备运行的可靠性运用在系统的各个部分。该系统在运用无线局域网技术的情况下，通过子系统间的通讯及信息共享，使各个对象可以灵活的交换数据、并将对方信息融合在更高级的控制中，实现实时定位监控和调度指挥。

[1] 江建忠. 正确使用港作拖轮确保引航安全[J]. 航海技术, 2005, (6):27-28.

[2] 梁康乐. 拖航系统操纵性研究(硕士学位论文). 上海:上海交通大学, 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，高级工程师。研究方向：机电一体化。