海上风电场船舶监控系统软件的设计与实现

摘要

为了提高海上风电场船舶的安全性，本文设计并实现了一种多客户端监控系统，即船舶监控系统软件(SMSS)。本设计基于自动识别系统(AIS)和地理信息系统(GIS)。海上风电场区域周围目标船舶的数据将显示在GIS地图上，并在实现的软件系统中进行实时监控。利用定位方法和预警区判断算法对海上风电场区域附近的船舶进行定位。该软件系统具有一些不可避免的特点，即AIS编码和解码，并自动向到达警区的船舶发送短消息。测试结果表明，该软件系统能够实时检测警戒区附近的目标船舶，并向目标船舶发送短消息，提高了该系统的有效性和可靠性。

1.介绍

风力涡轮机和潜艇电缆，这是石油钻机电源主要电源来源，必须特别是在风电场区域。一旦石油平台无力，这是由于损坏的风力涡轮机，这些风力涡轮机不再向海电缆供电，或者通过对船舶可能震荡损坏的电缆。在使用AIS和GIS技术的几个月后，在海上风电场地区的船舶监测系统的建模和模拟中，SMS是由船舶，风力涡轮机和海电缆的安全的概念而开发的。风电场工作人员必须在所有海域监测船舶在船尾电缆保护它们的所有海域，因为一旦船只进入海上风电场区，那么由于锚固的锚固件有连接到海上风电站的海电缆可能会损坏船只。因此，本文开发了船舶监控系统软件的设计和实现，以控制海上地区的船舶运动，以便在发生任何损坏之前可以采取一些必要的预防措施。

基于C/S结构的多客户端监控系统的思想[1]使用梁的想法[2，但这个想法没有成功地实现。它采用雷达或甚高频语音系统，不能满足实时、快速监控的需求。随后，Liu提出了一个独立版本的海洋船舶监测系统，可以有效地监测海洋内的传播[3.使用[]1那2]已成功实施。系统工作正常、稳定，但仅支持单台AIS设备进行数据采集，无法保证系统的稳定性。此外，该报警系统还不够完善，因为它实际上可以在不向目标船发送报警信息的情况下触发报警。基于上述文献中提到的不足，Yu [4.]提出了一系列方案来改进这一制度。最后，仿真测试阶段只实现了向目标船发送信息等部分功能，还没有完成系统的总体设计。虽然该系统只完成了部分设计，但仍优化了部分功能。本文档设计并实现了一个系统，可以实时监控多艘船舶，并自动向到达警戒区的船舶发送短消息。系统设计中采用的技术主要包括以下几个方面:（1）AIS解码和编码技术：它是一种新型的船舶导航通信技术，可应用于海上风电场周围的海域监测。（2）GIS制图技术:它是一种计算机地理数据信息系统[5.］．它由以地图、图片、表格和数据库的形式表示数据的技术组成[6.那7.］．（3）MapWinGIS技术:主要功能是直接打开、编辑、保存Image、Grid、Shapefile、TIN、DBF格式的文件。它使用地理空间数据抽象库(GDAL)读取图像数据[8.-10］．（4）PostGIS技术是一个真正的大型空间数据库[11]，它是在PostgreSQL上构建的对象扩展模块。它的源代码很容易让它成为一个快速增长和更复杂的[12那13］．（5）发布和订阅技术是一种基于分布式数据库MySQL的技术[14］．MySQL是一个客户端/服务器架构数据库，支持多用户和多线程。

2.系统分析与设计

2．1.需求分析

集成的SMS必须包含满足以下要求的技术：（1）支持多台AIS设备同时接入:由于单个AIS设备监控的海域范围有限，稳定性差，因此需要支持多台设备同时接入和动态可配置。（2）GIS电子海图形式的表示层:以电子海图的形式展示观测海域、警示区、海船等，使用户能够更直观地了解海船的导航情况。（3）多客户端设计:在项目中，需要将海上升压站、陆上集中控制中心等地点的监测系统信息可视化，以满足多个客户端同时在线接入。（4）船舶报警功能:系统需要有自动报警功能(系统界面弹出报警框并生成报警框)，自动向滞留船舶发送报警信息，从而手动向目标船舶发送短消息。（5）历史信息查询功能:系统必须包含船舶历史信息和历史航迹测绘功能，以帮助用户查询数据和向历史船舶报告事故。

本系统所需的指标如表所示1．

2.2。结构分析

基于MapWingis的ActiveX控件，系统使用Microsoft Visual Studio（MVS）版本2017和LabWindows / CVI平台来开发SMSS设计和实现。系统获得了MV提供的资源的支持，这可以智能地感知代码错误并提供解决问题的解决方案。它为诸如报告，数据输入，数据分析，数据编辑，数据可视化和大量接口增强控制等应用程序提供了强大的数据处理功能，这使得开发人员可以轻松开发接口。LabWindows / CVI将C语言的功率和灵活性与专业测量工具相结合，以控制，分析和显示数据采集。

２.３.硬件设计框架

该系统主要由服务器、客户端和AIS设备(AIS主机、GPS天线、VHF天线)组成，能够对40公里以上半径范围内的船舶进行监控。硬件设计框架如图所示1．AIS设备包括单独的接收和发送天线，其可以实时地在VHF通信范围内接收所有AIS船舶信息，并符合标准NMEA0183 GPS数据输出格式。

AIS设备接受周围船舶和AIS基站作为接收模块。服务器通过串口与AIS设备相连，允许AIS解码和编码数据在两台设备之间传输。每个客户端和服务器通过用户数据报协议(UDP)通信和交换数据。

２.４.软件功能模块

服务器数据处理存储软件包括数据处理模块、AIS数据可视化模块部分功能和客户端软件。SMSS的结构如图所示2包含以下功能模块:AIS数据采集模块、AIS数据解码编码模块、AIS可视化模块、预警和报警模块。此外，还包括AIS数据传输模块、报表管理模块、历史数据查询模块和用户管理模块。

3.关键技术分析及船舶定位方法

3．1.AIS信息采集/解码编码模块

AIS设备包括A类设备、B类设备和基站。系统通过串口RS232/RJ45网口接收AIS信息并进行解码。AIS消息的接收和解码过程如图所示3.．

数据输入到串口缓冲区后，服务器检索并解析缓冲区的数据。因此，解码信息被发送到服务器的处理模块，通过安全队列进行处理。当消息发送到目标船时，服务器处理模块通过安全队列向数据编码线程发送短消息进行编码，然后通过串口传输编码后的数据。

数据采集模块根据接入系统的AIS设备数量设置线程数。每台AIS设备都有一个单独的线程，通过相应的串口将数据发送给服务器，在服务器的收发层执行和处理数据。

系统的信息处理主要包括AIS解码、AIS编码和基于UDP协议的数据传输。

3.1.1。AIS解码

系统严格按照国际电信联盟ITU-1371的规定执行AIS解码[15］．对于包含多个aivdm的信息(如消息号5)，系统将识别其调查信号和连续消息标识。同一组的多个消息自动集成，然后解码[16］．

3.1.2。AIS编码

本系统对AIS设备进行二次开发，使其能够接受服务器的短消息发送指令。具有向海域内船舶自动发送短消息的功能。本文独立设计了一套AIS编码技术，用于短消息指令的编码和传输。其格式如下:(我)$XNMSG，消息ID, 9位代码，消息类型，语句内容检查代码。(2)消息ID:使用3位数字表示发送的消息ID。短消息类型如表所示2．（iii）选中代码：拍摄字符串XOR在$之间检查$ 那这是一个两位数的十六进制数。

3.1.3。基于UDP协议的数据传输与接收

系统对客户端与服务器之间数据传输的实时性要求较高。考虑到UDP协议无连接、速率高、资源消耗少等优点，系统采用UDP协议代替TCP协议进行数据传输。但是UDP存在丢包的问题，无法保证传输数据的正确性。因此，系统会在发送方的UDP数据末尾添加一个检查码，对传输数据进行检查。

３．２．多线程技术

系统中的线程主要分为服务器的主线程，数据采集/处理线程，UDP数据发送线程和UDP数据接收线程。每个线程彼此独立，并且不会相互影响。服务器的主线程主要负责控制用户界面的功能，加载INI配置文件，并打开其他线程。

数据采集​​/处理线程的数量与串行端口的数量相同（AIS设备的数量）。根据表中呈现的INI配置文件3.，系统将设置AIS设备的数量，并自动分配串口数据处理线程。每个串口数据处理线程分配两个线程安全队列用于数据传输和数据接收。

如图所示4.，线程安全队列用于系统线程之间的数据传输。当程序中设置了轮询，服务器发送数据时，每个串行数据处理线程的数据传输安全队列依次将数据发送给UDP数据发送线程，从而进行连续循环。避免使用线程锁，因为线程数量太大，会导致低效的数据传输和死锁。当服务器接收数据时，UDP数据接收线程会依次将消息发送到各串口数据处理线程的数据队列中接收消息，无需等待，提高了系统的运行速度。

３．３．船舶定位法

3.3.1。GIS可视化

该系统选择MapWinGIS进行二次开发，以电子地图的形式直观反映船舶、风电场、海底电缆等信息，使用户可以查看监控信息。它是一个功能强大的开源GIS平台，是为中小型GIS应用开发的免费开源组件和桌面的集合。如图所示5.， GIS可视化分为四个层次，即海图层、海底电缆层、观测预警层和AIS船舶层。将不同的层都定义在同一个坐标系(WGS1984坐标系)中，使不同层的不同位置重叠在同一个坐标系中对应。

(1)表层．图表层的主要功能是为整个系统提供具有潜艇电缆所在的海域的地理信息，并以地图的形式绘制相应的海域。

传统地图文件通常只使用一个地图文件来表示整个地图，如果地图文件太小，则导致低分辨率。如果地图文件太大，系统运行较慢。系统堆叠多个不同格式和分辨率的文件，以形成新的地图文件，该文件解决了地图分辨率的问题，并且还提高了系统执行速度。

（2）海电缆层．它是覆盖在图表层上的第一层。在这一层中，将显示海底电缆的起点、坐标和端点。海底电缆的形状也画出来了。

(3)观测警报层．这一层包括观察区和警察区。警戒区位于观测区内，区域形状为封闭的不规则多边形。绘制警告区域时，首先确定警告区域所有顶点的经纬度坐标，然后将其固定在绘制层上。最后，依次连接顶点。观察区设置与警戒区设置相同。

(4) AIS船舶分层图．AIS层根据坐标信息在绘图层上显示船舶，根据船舶坐标和实际航向绘制船舶地图，然后在坐标上绘制船舶形状。AIS船舶在这一层上的信息会根据数据库的刷新进行实时更新。它具有通过坐标对船舶定位的功能。

3.3.2。船舶定位方法[17]

假设是时间成本AIS信号从卫星发送到船舶，船舶接收到的相邻信号之间的到达时间差(TDOA)可以表示为

相邻AIS信号之间的到达（FDOA）的频率差可以表示为 在哪里AIS信号的载波频率和为信号传播速度。是以地环形地球固定（ECEF）参考的血管位置矢量，和是卫星在传输时的速度矢量和位置矢量AIS的信号,分别两个时间测量的噪声差，和是两个频率测量值之间的噪声差。

假设船舶在卫星可视时间内接收到的信号数为 ;基于(1） 和 （2)可以写成 与 在哪里为同步技术得到的TDOA测量矢量，是FDOA测量矢量吗为测量噪声矩阵。

由于具有交互式多模型（IMM）算法的预测船舶位置被定义为 那将该预测与TDOA/FDOA测量相结合的定位模型可以表示为

我们考虑测量向量，表示为和 ;在最小二乘标准的基础上，估计位置采用高斯-牛顿算法得到: 在哪里 那 那 为噪声协方差，是IMM算法中得到的船舶预测位置的协方差矩阵，是 那与

知道从大地测量坐标到ECEF坐标的船舶位置的转换被定义为 在哪里和是船舶的经度和纬度ecordinate 是船只的坐标。曲率的半径是垂直的吗，在哪里= 0.00669437999013,= 6378.137 km分别为WGS-84定义的地球第一偏心距和赤道半径的平方。

3.3.3。警告区域判断算法

船舶保护区是一个封闭的区域，它被抽象成多边形顶点 ．考虑 方程中所示的容器所在的点(5.)，平行于 -轴向右，判断是否为右 在封闭区域内，光线与多边形的交点数(表示为? ）.判断方法如下。

如果 在多边形的边缘或顶点处，船舶处于警告区域。否则,定义作为交叉路口的数量到2占据了剩下的，然后使用剩余者的平价来判断：

如图所示6.时，第一条射线与多边形的交点为2，且该点在警告区域外。第二条射线与多边形的交点为4，且该点在警戒线外。第三条射线与多边形的交点为3，点为警告区域。

考虑到为船舶到达AIS船舶观测区域的航速(风电场区域1km处)，阈值航速设置为90km /h，如图所示7.．

如果船舶的航速超过阈值航速，则认为该船舶为危险船舶，然后将报警信息发送给目标船舶。

3．4．Multiclient设计

3.4.1。PostGIS地理信息数据库

PostGIS是一个对象 - 关键的开源空间信息数据库，支持分布式网络访问。该系统使用PostGIS地理信息数据库存储警告区域的电子图表地理数据信息和空间数据信息。

由于系统采用多线设计，客户端只能通过网络交互方法访问服务器，但无法访问服务器上的本地文件。普通贴图文件以形状格式本地存储，客户端无法有效地读取。但是，Partgis地理信息数据库可以有效地解决了这个问题并存储了电子图表的电子数据，使服务器和客户端可以访问并读取当前地理信息数据。

系统设置了普通员工和管理员两种级别的权限。只有管理员有权修改电子海图数据信息、预警区域的位置和大小信息。

3.4.2。基于分布式数据库（MySQL）的数据发布和订阅机制

所有来自系统的船舶数据解码后存储在服务器端MySQL数据库数据表中。服务器端数据处理流程图如图所示8.．主要功能包括船舶数据更新和船舶冗余数据删除。

（1）船舶数据更新．为了优化系统设计并减少数据表的访问负担，数据库使用数据表和日志表的组合来处理数据。船舶数据的数据库每5秒定期更新一次。更新完成后，更新数据库的时间信息存储在日志表中。用户始终可以访问日志表。更新日志表后，用户访问数据表，将船舶数据和地理数据连接到客户端，显示电子图表上每艘船的当前位置，然后符号。

(2)船舶冗余数据删除．船舶数据必须具有一定的时效性。在该线程中，系统将启动一个计时器，以定期浏览有关该船的信息。通过将在船舶上获取的信息的时间与服务器的时间进行比较，删除数据库中时间不敏感的船舶，绘制船舶的历史轨迹。

当系统客户端进行历史航迹绘制时，会从MySQL数据库中调用船舶历史信息，模拟电子海图上的航迹显示[18那19］．

4.软件系统应用程序和性能

在Visual Studio和LabWindows平台2017版中设计和实现，应用的软件系统环境为Windows 7服务器，64位操作系统，处理器为Intel(R) Xeon(R) CPU E5-2620 v3 @ 2.40 GHz 2.40 GHz(2个处理器)，16gb内存。在C语言、c++、c#语言和MATLAB R2014a(8.3.0.532)上进行编程。

4．1.软件系统介绍

在进行任何设置前，用户需要输入密码才能进入设置界面。如图所示9.单击“人员登录”后，将有一个用户登录界面。连接后，可以设置软件相关参数。

如图所示10，SMS的主要界面主要由以下各个方面组成：菜单栏;标签栏;船舶监控专栏;温度，应变，电流承载监测柱;报警处理专栏;维护栏;报警指示灯;实时报警信息;操作和维护;和AIS船舶观察区和AIS船舶警告区域。

其中，温度、应变、电流承载能力监测柱处于待开发状态。一旦开发完成，它们将被集成到整个系统中;这将形成一个完整的海底电缆监测系统。

4．2．性能测试

通过MapControl函数的ImportShapefile，将矢量图形文件输入到待读取的数据库的GetLayer中。点击选项卡中的“映射模式”，即可显示如图所示的海底电缆操作框架11．绿色框是数据库区域的文件。

系统通过测试软件进行数据源仿真实验。在现场，从收集的AIS消息数据中提取样本，并将其用作执行测试的数据源。

如图所示12时，显示AIS报文信息、当前发送设备的MMSI号和服务器的IP地址。当数据采集和数据传输软件接收到服务器发送的告警信息时，软件界面显示服务器的IP地址，并声明接收成功。如果没有收到告警信息，则每10秒显示“no message received”。

船舶预警区域确定了船舶的预警区域，其经纬度坐标设置如图所示13．

船舶监控栏模块显示运行中海底电缆附近的船舶信息，如图所示14．

速度阈值设置选项界面如图所示15．当船舶以高于阈值的速度进入警戒区时，系统将发出警报。

用户可以通过MMSI号手动向目标船发送短消息。如图所示16时，用户可以选择短信发送类型、自定义要发送的短信内容或选择发送短信内容的系统。

系统仍然具有一些功能，即地图模式，潜艇电缆铺设路径，船舶警告区，船舶观察区域，船舶信息栏，速度阈值，自由监控船，警报处理栏，单项处理，潜艇的操作和维护信息电缆（潜艇电缆处于安全状态;潜艇电缆处于危险状态），报告输出对话框，AIS历史视图和AIS历史查询。使用数据源执行软件的仿真实验测试。定义了模拟数据源中的船舶的数量，定义了警报区域中的船只的数量，以及对应于系统索引的1.5倍的船舶的数量。然后，计算分析到样本数量的血管的数量的比率以确定它是否符合系统索引。

经过多次测试后，实验结果显示在表中4.．

从表中可以看出，所获得的数据满足系统的技术指标要求。

5.结论

船舶监控系统软件的设计考虑到了海上风电场区域的船舶、风力涡轮机和海上电缆的安全性。这个想法是为了赶上该行业在自动监控近海风力发电场周围海域方面的落后。通过将模块化设计和多线程技术应用于所设计的软件中，提高了系统的可扩展性和效率。该软件已成功应用于江苏南通东海海上风电项目，满足监测要求。在本文中，尽管sms可以为用户提供数据查询、信息分析和技术决策，但必须开发前面提到的一些功能(监测温度、应变和当前负载能力列)。这将使完整而强大的监测系统软件能够监测海上风电场区域的船舶和海底电缆。

数据可用性

该算法是支持本研究结果的数据，可在上海海事大学海底电缆与智能系统综合监测与研究实验室申请后发布(联系)dikapia@yahoo.fr）.

的利益冲突

作者声明本文的发表不存在利益冲突。

致谢

国家自然科学基金资助项目(no . 61672338, no . 61873160)。

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