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【摘要】
船（艇）载航行数据记录仪可以实时记录近期舰船运动的航向、航速、船长指挥口令、舱内温度与湿度、舱内压力等信息, 当舰船发生事故时, 这些数据在分析事故时起到不可替代的作用。 本文设计了船载航行数据记录仪, 并介绍了它的组成及其功能模块的工作原理, 分析了其功能的实现, 为船载航行数据记录仪的产品化设计提供指导。
【关键词】
船用黑匣子数据信息处理监控报警音频压缩
中图分类号：C64文献标识码： A
【引言】
船( 艇) 载航行数据记录仪( Shipborne VoyageData Recorder,VDR) 俗称船用黑匣子，是专门用于记录和保存船舶航行过程重要信息参数的智能化记录设备，其功用相当于飞机上的“黑匣子”。在上世纪八十年代, 发生了几起主要的海事灾难，尤其是客轮Estonia 导致了900 多人丧生。造船工业组织考虑采用与飞机“黑匣子”相似的技术实现对舰船航行数据的实时记录，进而对调查分析事故提供帮助。
舰船失事后, “黑匣子”随失事浮标一同浮出水面, 救援人员只要打开“黑匣子”, 就可及时掌握到舰船失事的原因、沉没过程中采取的措施和舰船内人员失事时的情况等等。舰船的黑匣子设计, 不仅要总结飞机黑匣子设计的一些特点, 还得考虑不同舰船自身的特点, 针对其特点, 在各种现有的研究成果的基础上进行不断的创新。
本文介绍了一种船用黑匣子的设计方案。
1系统组成
VDR由主机单元、最终保护体( 简称黑匣子或PDC) 、远程采集单元、监控单元、麦克风组合和UPS电源箱组成。 其系统组成结构如图1 所示:
图1 船载航行数据记录仪系统组成示意图
2基本原理
航行状态记录器的功能是由硬件和软件共同完成的。它通过CAN2.0B总线接口和其它输入接口接收船舶导航系统、主动力系统、电力系统和监控系统中以模拟量、开关量和数字量等重要参数信息, 并按照接收的时间顺序依次存储在非易失性介质中。以“先进先出”的原则自动丢弃前面的数据, 记录新的数据, 从而始终保存最近时间内（具体存储时间以实际情况为准）的数据。当舰船主电网和应急电网同时失电超过规定时间或收到紧急人工干预信号时视为发生事故, 记录器继续记录之后30分钟内的信息, 然后保持自锁, 不再记录新的数据。由于安装了蓄电池，通过单片机的控制，可以继续工作一段时间，在外电源失电后能继续保存已记录的数据, 十年有效。记录器记录的数据采用编码方式压缩存储, 只能使用与记录器配合研制的专一解码器才能正确读出数据,并对记录器重新复位后方可继续使用。因此, 保证了航行记录器记录的数据具有真实性, 权威性, 是航行管理和仲裁部门进行事故鉴别处理最有效的原始证据。
3功能实现
通过原理分析, 舰船“黑匣子”可以实时记录近期舰船运动的航向、航速、声纳信息、船长指挥口令、舱内温度与湿度、舱内压力等信息, 拥有信息采集、信息联网与传送、信息记录、信息加密、信息备份、事故分析和辅助等多种功能。 具体表现在:
(1) 船舶数据记录。 采集记录船舶上操作数据、
航海数据、状态数据、固定数据。
(2) 语音数据记录。 采集记录驾驶室内、外音频信号和VHF 设备通讯音频信号, 最多可以采集六路麦克风和两路VHF 音频信号。
(3) 系统监测与报警功能。 连续监测下列状态:供电、记录、麦克、CAN 等。 如有故障, 进行声光报警。 报警参数可配置。
(4)记录数据防篡改功能。 软件操作均有口令保护。
(5) 采集数据实时显示功能。 将监控系统通过以太网连接本机, 可实现采集数据的实时显示如图2~ 图4 所示。
图2 数据采集装置系统结构图
图3 雷达采集系统组成结构图
图4 声光报警装置的系统结构图
(6) 麦克风自检功能。 系统正常工作状态下每8h对麦克风进行一次无需人工干预的自检, 如出现故障, 则会报警。
(7) 数据再现功能。 通过回放系统, 可以实现记录数据的准确再现。
(8) 特殊接口的采集记录功能。 非IEC61162 接口的信号, 如模拟量、开关量和脉冲量的采集记录功能。
(9) 数据下载功能。 通过回放系统, 可实现记录数据的下载。
(10) 日志记录功能。 能够实时记录系统运行过程中各种状况, 为后期维护提供了可靠的依据。
数据处理部分在整个“黑匣子”结构中占用十分重要的地位, 从实际经济角度和方便性出发, 它应用于事故分析及日常监控方面的功能主要归纳以下几点：
（1) 在船舶设计中, 可以用来指导船舶的设计, 使船舶有良好的安全性能和经济性能。
（2)在船舶试航中, 可利用记录的数据分析, 排除故障, 确保船舶的各种隐患。
（3) 航运公司可用它快速准确地判断船舶的故障、航行性能和发动机性能的变化趋势, 进行“视情维修”, 既保证航行安全, 又节省维修费用;
（4) 分析事故原因, 分清事故责任。
该系统中每个模块各有一个CPU , 独立地进行采集、通讯和存贮工作, 各个模块之间的数据通讯, 进程的协调和调度工作则由主系统的CPU集中管理, 构成一个功能分散型的集中管理多微处理器系统。 语音采集模块的功能主要是采集指挥员发出的口令和操作员的应答等语音信号, 在进行数字化后, 发往主系统。 航行数据通讯模块主要功能是经过通信端口接收其他系统发来的日期、时间、航向、航速、声纳信息等数据并传送给主系统。 主系统的功能是将这两组信息按时间进行对准压缩打包存储。
航行状态记录器的软件由主程序、若干子程序和中断服务程序组成。主程序通过调用各子程序实现各种不同功能循环执行。子程序按功能分为初始化、脉冲计算、模拟量处理、开关量处理、时间读写存储器、死机复位等子程序。中断服务程序用于事件发生时的实时响应服务, 包括定时器中断、串行口中断和外中断等中断服务程序。全部程序使用C语言编写, 程序简洁易读, 修改方便。
4技术措施
(1)记录器箱采用双重箱体和水密连接器的结构, 解决了舰船失事情况下要求能迅速方便取走记录器, 又能在沉船后在高水压的条件下可靠地保存记录内容的问题。
(2)采用数据编码压缩技术, 对重复数据施行编码记位不存储的方法, 解决了采样周期短、数量大而存储器容量有限之间的矛盾。
（3）在分析事故数据时，采用配套开发的软件，可以对“黑匣子”记录的CAN数据、语音数据、图像数据、视频数据进行有效、完整的提取和回访，正确进行分析事故原因。
【结 论】
通过舰船“黑匣子”的设计可得出如下结论:
(1) 采用了百兆以太网以及TCPPI 可靠连接技术, 保证了大批量数据的正确、快速傳输。 同时采用分布式数据采集方法, 可以实现数据的远程采集和传输, 采集结点可以根据设备的不同进行相应的增减,
(2) 运用先进的MP2 音频压缩技术, 实现了高压缩比、高清晰度地记录舱室语音数据的功能。 可节省大量的存储空间, 且回放清晰。
(3) 系统软件是以WINDOWS XP为平台进行信息处理模块的开发。WINDOWS XP采用NT 内核, 具有非常高的稳定性, 能够长时间运行, 适合作为本软件的运行平台。
(4) 兼顾各种接口。 标准接口可以采集RS232P/RS422/RS485/CAN/Ethernet 等接口信号; 直流开关量、交流开关量、脉冲信号、模拟量采集模块可方便采集各种非标准信号,适用各种各样的新旧船舶。
【参考文献】
[1] 魏轶波, 李志宏, 贾苹, 等， 船舶航行数据自动记录仪数据处理系统的研究[ J]，武汉理工大学学报, 2003, 27( 1) : 116- 119。
[2] 陈新刚, 马守军, 冀路明， 船舶上的/ 黑匣子 航行状态记录仪研究[ J]，舰船科学技术, 2002, 24( 3) : 53- 56。
[3] 中华人民共和国海事局, 1974 年国际海上人命安全公约第V章航行安全及其相关导则[M] ，大连海事大学, 2002。
[4] 金建海, 刘爱华，船用黑匣子中主机和外部传感器数据通信的实现[J]，船舶力学, 2002, 6(4) : 108- 113。
船（艇）载航行数据记录仪可以实时记录近期舰船运动的航向、航速、船长指挥口令、舱内温度与湿度、舱内压力等信息, 当舰船发生事故时, 这些数据在分析事故时起到不可替代的作用。 本文设计了船载航行数据记录仪, 并介绍了它的组成及其功能模块的工作原理, 分析了其功能的实现, 为船载航行数据记录仪的产品化设计提供指导。
【关键词】
船用黑匣子数据信息处理监控报警音频压缩
中图分类号：C64文献标识码： A
【引言】
船( 艇) 载航行数据记录仪( Shipborne VoyageData Recorder,VDR) 俗称船用黑匣子，是专门用于记录和保存船舶航行过程重要信息参数的智能化记录设备，其功用相当于飞机上的“黑匣子”。在上世纪八十年代, 发生了几起主要的海事灾难，尤其是客轮Estonia 导致了900 多人丧生。造船工业组织考虑采用与飞机“黑匣子”相似的技术实现对舰船航行数据的实时记录，进而对调查分析事故提供帮助。
舰船失事后, “黑匣子”随失事浮标一同浮出水面, 救援人员只要打开“黑匣子”, 就可及时掌握到舰船失事的原因、沉没过程中采取的措施和舰船内人员失事时的情况等等。舰船的黑匣子设计, 不仅要总结飞机黑匣子设计的一些特点, 还得考虑不同舰船自身的特点, 针对其特点, 在各种现有的研究成果的基础上进行不断的创新。
本文介绍了一种船用黑匣子的设计方案。
1系统组成
VDR由主机单元、最终保护体( 简称黑匣子或PDC) 、远程采集单元、监控单元、麦克风组合和UPS电源箱组成。 其系统组成结构如图1 所示:
图1 船载航行数据记录仪系统组成示意图
2基本原理
航行状态记录器的功能是由硬件和软件共同完成的。它通过CAN2.0B总线接口和其它输入接口接收船舶导航系统、主动力系统、电力系统和监控系统中以模拟量、开关量和数字量等重要参数信息, 并按照接收的时间顺序依次存储在非易失性介质中。以“先进先出”的原则自动丢弃前面的数据, 记录新的数据, 从而始终保存最近时间内（具体存储时间以实际情况为准）的数据。当舰船主电网和应急电网同时失电超过规定时间或收到紧急人工干预信号时视为发生事故, 记录器继续记录之后30分钟内的信息, 然后保持自锁, 不再记录新的数据。由于安装了蓄电池，通过单片机的控制，可以继续工作一段时间，在外电源失电后能继续保存已记录的数据, 十年有效。记录器记录的数据采用编码方式压缩存储, 只能使用与记录器配合研制的专一解码器才能正确读出数据,并对记录器重新复位后方可继续使用。因此, 保证了航行记录器记录的数据具有真实性, 权威性, 是航行管理和仲裁部门进行事故鉴别处理最有效的原始证据。
3功能实现
通过原理分析, 舰船“黑匣子”可以实时记录近期舰船运动的航向、航速、声纳信息、船长指挥口令、舱内温度与湿度、舱内压力等信息, 拥有信息采集、信息联网与传送、信息记录、信息加密、信息备份、事故分析和辅助等多种功能。 具体表现在:
(1) 船舶数据记录。 采集记录船舶上操作数据、
航海数据、状态数据、固定数据。
(2) 语音数据记录。 采集记录驾驶室内、外音频信号和VHF 设备通讯音频信号, 最多可以采集六路麦克风和两路VHF 音频信号。
(3) 系统监测与报警功能。 连续监测下列状态:供电、记录、麦克、CAN 等。 如有故障, 进行声光报警。 报警参数可配置。
(4)记录数据防篡改功能。 软件操作均有口令保护。
(5) 采集数据实时显示功能。 将监控系统通过以太网连接本机, 可实现采集数据的实时显示如图2~ 图4 所示。
图2 数据采集装置系统结构图
图3 雷达采集系统组成结构图
图4 声光报警装置的系统结构图
(6) 麦克风自检功能。 系统正常工作状态下每8h对麦克风进行一次无需人工干预的自检, 如出现故障, 则会报警。
(7) 数据再现功能。 通过回放系统, 可以实现记录数据的准确再现。
(8) 特殊接口的采集记录功能。 非IEC61162 接口的信号, 如模拟量、开关量和脉冲量的采集记录功能。
(9) 数据下载功能。 通过回放系统, 可实现记录数据的下载。
(10) 日志记录功能。 能够实时记录系统运行过程中各种状况, 为后期维护提供了可靠的依据。
数据处理部分在整个“黑匣子”结构中占用十分重要的地位, 从实际经济角度和方便性出发, 它应用于事故分析及日常监控方面的功能主要归纳以下几点：
（1) 在船舶设计中, 可以用来指导船舶的设计, 使船舶有良好的安全性能和经济性能。
（2)在船舶试航中, 可利用记录的数据分析, 排除故障, 确保船舶的各种隐患。
（3) 航运公司可用它快速准确地判断船舶的故障、航行性能和发动机性能的变化趋势, 进行“视情维修”, 既保证航行安全, 又节省维修费用;
（4) 分析事故原因, 分清事故责任。
该系统中每个模块各有一个CPU , 独立地进行采集、通讯和存贮工作, 各个模块之间的数据通讯, 进程的协调和调度工作则由主系统的CPU集中管理, 构成一个功能分散型的集中管理多微处理器系统。 语音采集模块的功能主要是采集指挥员发出的口令和操作员的应答等语音信号, 在进行数字化后, 发往主系统。 航行数据通讯模块主要功能是经过通信端口接收其他系统发来的日期、时间、航向、航速、声纳信息等数据并传送给主系统。 主系统的功能是将这两组信息按时间进行对准压缩打包存储。
航行状态记录器的软件由主程序、若干子程序和中断服务程序组成。主程序通过调用各子程序实现各种不同功能循环执行。子程序按功能分为初始化、脉冲计算、模拟量处理、开关量处理、时间读写存储器、死机复位等子程序。中断服务程序用于事件发生时的实时响应服务, 包括定时器中断、串行口中断和外中断等中断服务程序。全部程序使用C语言编写, 程序简洁易读, 修改方便。
4技术措施
(1)记录器箱采用双重箱体和水密连接器的结构, 解决了舰船失事情况下要求能迅速方便取走记录器, 又能在沉船后在高水压的条件下可靠地保存记录内容的问题。
(2)采用数据编码压缩技术, 对重复数据施行编码记位不存储的方法, 解决了采样周期短、数量大而存储器容量有限之间的矛盾。
（3）在分析事故数据时，采用配套开发的软件，可以对“黑匣子”记录的CAN数据、语音数据、图像数据、视频数据进行有效、完整的提取和回访，正确进行分析事故原因。
【结 论】
通过舰船“黑匣子”的设计可得出如下结论:
(1) 采用了百兆以太网以及TCPPI 可靠连接技术, 保证了大批量数据的正确、快速傳输。 同时采用分布式数据采集方法, 可以实现数据的远程采集和传输, 采集结点可以根据设备的不同进行相应的增减,
(2) 运用先进的MP2 音频压缩技术, 实现了高压缩比、高清晰度地记录舱室语音数据的功能。 可节省大量的存储空间, 且回放清晰。
(3) 系统软件是以WINDOWS XP为平台进行信息处理模块的开发。WINDOWS XP采用NT 内核, 具有非常高的稳定性, 能够长时间运行, 适合作为本软件的运行平台。
(4) 兼顾各种接口。 标准接口可以采集RS232P/RS422/RS485/CAN/Ethernet 等接口信号; 直流开关量、交流开关量、脉冲信号、模拟量采集模块可方便采集各种非标准信号,适用各种各样的新旧船舶。
【参考文献】
[1] 魏轶波, 李志宏, 贾苹, 等， 船舶航行数据自动记录仪数据处理系统的研究[ J]，武汉理工大学学报, 2003, 27( 1) : 116- 119。
[2] 陈新刚, 马守军, 冀路明， 船舶上的/ 黑匣子 航行状态记录仪研究[ J]，舰船科学技术, 2002, 24( 3) : 53- 56。
[3] 中华人民共和国海事局, 1974 年国际海上人命安全公约第V章航行安全及其相关导则[M] ，大连海事大学, 2002。
[4] 金建海, 刘爱华，船用黑匣子中主机和外部传感器数据通信的实现[J]，船舶力学, 2002, 6(4) : 108- 113。