一种基于北斗卫星的船舶远程支援系统及其支援方法

1.本发明涉及船舶远程支援技术领域，是一种基于北斗卫星的船舶远程支援系统及其支援方法。


背景技术：

2.北斗卫星已于2020年建立完成，目前已经应用于电力网络、畜牧业养殖、航天制导等多个领域，在船舶领域也陆续出现了基于北斗卫星的信息传输系统，但是基于北斗卫星的船舶远程支援系统是在信息传输的基础上，考虑并感知船舶运行态势的特殊性，设计有效的数据处理和故障诊断方法，实现有效地基于北斗卫星的船舶远程支援，通过北斗卫星报文传输功能对军用船舶设备进行合理高效的维护，进而达到有效减少船舶设备的维修护理成本，提升使用率以提高海军装备的生产力和效率，尚未被发明。
3.随着我国军队机械化、信息化进程的不断深入，海军装备向着大型复杂、技术密集的方向发展，大量装备运用了先进的加工和装配工艺，在提升装备性能的同时也增大了维护维修的难度，提高了对维修人员的要求，这对于我国海军来说是非常困难而复杂的事情，也会直接关系到海军设备的使用寿命。因此，增强部队维修能力、提升装备维修性、保证装备完好率成为提升国家安全的关键因素之一。北斗卫星的船舶远程支援系统的建立能为船舶管理部门决策提供快速、准确、详实的前线信息，为监控指挥、制定决策起到重要的参谋作用，提高船舶的管理效率和管理水平。系统应具有各类数据采集管理、数据处理、故障诊断、利用数据库实现舰船数据的结构化存储、在现有的舰船监控系统、视频监控系统的基础上进行资源整合、信息集成，利用北斗卫星报文功能实现船舶数据的远程通讯和查询。建立岸基指挥中心，集中展现舰船动态信息、重要数据，感知船舶态势。
4.远程态势感知平台提供一个开放的信息平台，建立统一的开放信息数据库，也可以接入云服务平台。使数据对全船和岸上远程指挥中心开放，实现信息资源共享，使各个应用系统可自由地选择所需的数据，充分发掘信息的综合价值，提高船舶航行的可靠性和安全性。体现了舰船监、控、管一体化和船岸一体化的思想。本发明可使作业人员在第一时间能够直观准确的观察到舰船故障源的位置与受损情况，也可为监控中心或基地指挥中心提供智能决策依据，实现舰船装备的视情维修、预先维修与远程维修。本发明对我国的海上海工装备维护维修及航行安全保障等综合能力的提高具有非常重要的经济效益及军用价值。


技术实现要素：

5.本发明为解决现有技术的不足，本发明提供了一种基于北斗卫星的船舶远程支援系统及其支援方法，本发明提供了以下技术方案：
6.一种基于北斗卫星的船舶远程支援系统，所述系统包括船载传感器、监控视频、船舶信息采集模块、智能自适应滤波模块、智能船端数据库模块、北斗船舶端卫星发送模块、北斗卫星模块、北斗卫星地面端接收模块、智能地面端数据库模块、船舶远程支援及诊断模块；
7.船载传感器和监控视频采用tcp/ip通信协议，搭建基于b/s框架的通信构架，将采集的船舶运行状态传输至船舶信息采集模块，船舶信息采集模块连接智能自适应滤波模块，在滤波模块中实现对船舶数据的处理；将处理后的数据输出至智能船端数据库模块，北斗船舶端卫星发送模块负责接收智能船端数据库模块的数据，北斗船舶端卫星发送模块连接北斗卫星模块，通过北斗三代特有的星间链路传输船舶感知数据；北斗卫星模块优化路径后将数据传输至北斗卫星地面端接收模块，采用基于tcp/ip和b/s结合的构架搭建地面端通信网络，智能地面端数据库负责接收北斗卫星地面端接收模块的数据，并实现多船信息融合后的数据解析和软件显示；智能地面端数据库模块的输出传送至船舶远程支援及诊断模块，优化神经网络以实现船舶远程支援及故障诊断。
8.一种基于北斗卫星的船舶远程支援方法，包括以下步骤：
9.步骤1：采用船舶主电机振动、蒸汽动力锅炉温度、设备电磁辐射以及船舶网络的电压和电流传感器作为前端，同时在船舶端安装监控视频，实现船舶态势感知；
10.步骤2：将传感器数据传输船舶信息采集模块，现场采用基于b/s框架的 tcp/ip网络协议实现通信；
11.步骤3：将船舶信息采集模块的数据传输至智能自适应滤波模块；
12.步骤4：将智能自适应滤波模块的输出传送至智能船端数据库模块，执行多传感器数据融合操作，采用d-s证据理论处理数据，当通过智能船端数据库模块后，船舶电网电压和电流数据融合为一个新的船舶网络诊断参数；
13.步骤5：智能船端数据库模块将输出传输至北斗船舶端卫星发送模块，在北斗船舶端卫星发送模块中通过北斗卫星长短报文机制实现数据传输；
14.步骤6：北斗船舶端卫星发送模块将数据发送至北斗卫星模块，北斗卫星模块具有星间链路传输机制，通过各卫星的拥塞状态来确定最空闲的北斗卫星作为候选卫星，进行报文传输，通过在船舶与地面距离远以至于单颗卫星无法实现远程传输时，该模块具有路径规划选择能力，以保证北斗报文通过最短距离或最小跳数，传输船舶感知数据；
15.步骤7：北斗卫星地面端接收模块负责接收北斗卫星模块的数据，将北斗报文解析并以图形化方式显示在北斗地面指挥中心；
16.步骤8：智能地面端数据库模块负责接收北斗卫星地面端接收模块的数据，并将数据传输至船舶远程支援及诊断模块，船舶远程支援及诊断模块内部进行处理。
17.优选地，所述步骤3具体为：
18.步骤3.1：输入船舶主电机振动、船舶蒸汽动力锅炉温度、船舶设备电磁辐射以及船舶网络的电压和电流数据；
19.步骤3.2：对含有噪声的数据进行频谱切割，小波分解模块采用daubechies 2的9层小波基和层数，在下述尺度标准下执行：
[0020][0021]
其中，wt
u,a
是船舶数据的小波系数，ψ
u,a
是有待选择基准，u,a是调整基准特征的因子；
[0022]
步骤3.3：将船舶数据通过不同的小波基构成的滤波器，获得多尺度下的船舶数据
特征，在不断保留和丢弃中对数据进行重建，其中将丢弃分量的系数设置为0；
[0023]
步骤3.4：自适应滤波模块在原有迭代基础上引入了自适应步长来更新权重，如下所示：
[0024][0025]
其中，a1,a2＞0,b＞0,r＞0是设定参数，由现场数据类型来优化调整，x(n)是船舶数据，w(n)是中间变量，e(n)是误差；
[0026]
步骤3.5：通过粒子群优化模块对自适应滤波模块的参数选择，通过下式进行处理：
[0027][0028]
其中，veli(n),pi(n)分别表示对于船舶数据滤波的粒子速度和位置，acc1,acc2分别是gbest,pbest的权重，w是根据船舶数据特殊性设置的权重；
[0029]
步骤3.6：经过此小波分解模块，自适应滤波模块，粒子群优化模块，最终数据在数据输出模块输出，至此智能自适应滤波模块结束。
[0030]
优选地，满足a1 a2＝1来确保历史数据不出现严重影响现有状态，避免过度非线性引发发散现象。
[0031]
优选地，所述步骤8具体为：
[0032]
步骤8.1：船舶远程支援及诊断输入模块负责接收智能地面端数据模块的数据，偏置项补偿在现有神经网络的基础上加入偏置项，从而适应复杂的船舶数据特征，通过下式进行处理：
[0033][0034]
其中，m.m分别是观测值yi的有效点数和维度，gi(
·
)是针对船舶数据i的概率分布密度，w是网络权重，b被包含于yi中；
[0035]
步骤8.2：建立针对船舶远程支援的优化网络损失函数：
[0036][0037]
其中，λ是船舶远程支援及诊断模块的内部权重；
[0038]
神经网络模型是在rmsprop模型基础上的进行优化，如下所示：
[0039][0040]
[0041][0042]
w＝w-v(w,t)
[0043]
其中ρ,β,ε,η是模型参数，需要在船舶远程支援及诊断模块处理之前预先设定，是收敛梯度，g(w,t)是一节矩估计，r(w,t)是动态调整梯度的重要参数， v(w,t)是中间变量，w是最终需要确定的输出值；
[0044]
步骤8.3：将输出值接入船舶远程支援及诊断专家数据库，在线更新专家库，并针对现有的诊断结构提出相应的船舶维修和支援方案；
[0045]
将船舶远程支援及诊断专家库的结果传递至船舶远程支援及诊断输出模块，基于北斗卫星的船舶远程支援系统实现完成。
[0046]
本发明具有以下有益效果：
[0047]
现有关于北斗卫星的发明局限于农业环境、mopu移位作业、变形监测等领域，而针对船舶远程支援设计的发明专利尚未出现，本发明充分考虑了船舶远程支援的特殊性，在船舶数据采集的基础上，发明了新的数据处理和故障远程支援模块，因此具有新的效益；考虑船舶数据采集模块中的噪声干扰，本发明设计了智能自适应滤波模块，将粒子群与自适应滤波结合降低船舶数据噪声，提高船舶远程支援系统的信息准确性,提出改进的lms方法，避免了收敛速度和稳定性的矛盾问题；针对船舶远程支援的特殊性，本发明提出了优化的神经网络方法以实现对船舶运行状态的感知和故障分析，方法通过在目标函数中加入惩罚项来加强网络性能，通过北斗卫星报文传输功能在远程地面站判断船舶的运行状态，通过数据处理和智能诊断算法实现船舶远程支援。
[0048]
本发明设计了更符合船舶远程支援系统的船舶传感器，与现有针对船舶运行状态的监测系统相比，本发明选择的传感器能够更好的融合、实现对船舶整体，而非单点局部的诊断，实现对船舶整体的支援。然后，本发明设计了智能船端自适应滤波模块实现了船舶数据的处理，在现有的滤波技术基础上加入粒子群算法，解决船舶数据复杂的环境噪声问题，降低了原有滤波技术收敛速度和稳定误差难以平衡的限制。然后设计了智能船端/地面端数据库模块实现了多船数据的融合，以船舶电网数据为例，采用基于d-s证据理论的多源数据融合方法，检测船舶电网中电流和电压的相关性，结合二个传感器数据为一个新的变量参数，极大降低了数据库的存储量。最后，本发明设计了船舶远程支援及诊断模块，采用新型神经网络对船舶整体运行状态进行判断，这与现有的单点局部诊断是不同的，并设计基于专家库的维修机制，提供远洋船舶及时、可靠的支援方案。
附图说明
[0049]
图1为一种基于北斗卫星的船舶远程支援系统；
[0050]
图2为智能自适应滤波模块内部图；
[0051]
图3为船舶远程支援及诊断模块内部图；
[0052]
图4为船舶信息采集模块及北斗卫星地面端接收模块内部图。
具体实施方式
[0053]
以下结合具体实施例，对本发明进行了详细说明。
[0054]
具体实施例一：
[0055]
根据图1至图4所示，本发明设计的一种基于北斗卫星的船舶远程支援系统由船载传感器、监控视频、船舶信息采集模块、智能自适应滤波模块、智能船端数据库模块、北斗船舶端卫星发送模块、北斗卫星模块、北斗卫星地面端接收模块、智能地面端数据库模块以及船舶远程支援及诊断模块组成。
[0056]
船载传感器和监控视频采用tcp/ip通信协议，搭建基于b/s框架的通信构架，将采集的船舶运行状态传输至船舶信息采集模块，通常采用工控机、rtu 及plc结合作为该模块的主体硬件设备。船舶信息采集模块连接智能自适应滤波模块，在滤波模块中实现对船舶数据的处理。将处理后的数据输出至智能船端数据库模块，在该模块中设计显示软件并建立基于多船信息融合的智能数据库。北斗船舶端卫星发送模块负责接收智能船端数据库模块的数据，通常采用北斗数传终端和北斗多卡机作为硬件设备，实现北斗卫星的长短报文发送。北斗船舶端卫星发送模块连接北斗卫星模块，通过北斗三代特有的星间链路传输船舶感知数据，由于北斗三代报文传输卫星的全球分布不均匀，需要北斗指挥中心对报文传输路径进行优化管理，以实现最小条数或最短距离的报文传输。北斗卫星模块优化路径后将数据传输至北斗卫星地面端接收模块，采用基于 tcp/ip和b/s结合的构架搭建地面端通信网络，将工控机、北斗指挥型用户机以及北斗天线作为硬件设备。智能地面端数据库负责接收北斗卫星地面端接收模块的数据，并实现多船信息融合后的数据解析和软件显示。智能地面端数据库模块的输出传送至船舶远程支援及诊断模块，在该模块中设计优化的神经网络以实现船舶远程支援及故障诊断。
[0057]
本发明的主要技术特征体现在：
[0058]
1)船舶传感器负责采集远洋船舶的运行状态数据，其中包括但并不局限于船舶姿态、主电机振动、蒸汽动力锅炉温度、设备电磁辐射以及船舶网络的电压和电流，通常的船舶传感器仅采集了船舶位置、排水量、风向风速等信息，但本发明为了提高对船舶运行状态的感知能力，采集了与其它发明不同的船舶数据，实现高质量的北斗船舶智能化远程支援；
[0059]
2)智能船端自适应滤波模块实现了船舶数据的处理，现有的发明仅应用北斗卫星进行数据传输，但是考虑船舶在运行过程中的数据具有较大的噪声干扰，不经处理的数据直接传输会加重北斗卫星的传输负担，降低北斗卫星的传输效率，因此采用智能自适应滤波模块对数据进行处理；
[0060]
3)智能船端/地面端数据库模块实现了多船数据的融合，船舶通常安置有上百个传感器，传感器数据量大，但北斗卫星的通信能力有限，因此设计了智能船端/地面端数据库模块实现多元数据融合，该模块将具有强耦合性的数据进行优化，如通常船舶电网的电流和电压具有匹配型的变化规律，通过本模块的融合，可以将电压和电流看作是一个新的自变量，通过新产生的自变量来判断船舶电力网络的运行状态。在保证技术可靠性的基础上，提高了北斗卫星的通信效率；
[0061]
4)船舶远程支援及诊断模块实现了基于北斗卫星的船舶远程支援和故障诊断，现有部分专利设计了各类故障诊断方法，但这些方法通常局限于单点测量，如安装压力传感器来判断船舶液体压强是否正常，安装流量传感器监测润滑油流量等，但本发明属于全局、远程支援及诊断，综合考虑但不局限于船舶姿态、主电机振动、蒸汽动力锅炉温度、设备电磁辐射以及船舶网络的电压和电流，将这些数据作为优化神经网络的输入，优化的神经网
络引入了偏置项来提高船舶远程支援和诊断模块的工作效率，实现对船舶整体的支援和诊断，并基于专家库提供充足的维修方案。
[0062]
本发明提供一种基于北斗卫星的船舶远程支援方法，包括以下步骤：
[0063]
步骤1：采用船舶主电机振动、蒸汽动力锅炉温度、设备电磁辐射以及船舶网络的电压和电流传感器作为前端，同时在船舶端安装监控视频，实现船舶态势感知；
[0064]
步骤2：将传感器数据传输船舶信息采集模块，现场采用基于b/s框架的 tcp/ip网络协议实现通信；
[0065]
步骤3：将船舶信息采集模块的数据传输至智能自适应滤波模块；
[0066]
所述步骤3具体为：
[0067]
步骤3.1：输入船舶主电机振动、船舶蒸汽动力锅炉温度、船舶设备电磁辐射以及船舶网络的电压和电流数据；
[0068]
步骤3.2：由于船舶数据的信号具有较好的频域特征，对含有噪声的数据进行频谱切割，小波分解模块采用daubechies 2的9层小波基和层数，在下述尺度标准下执行：
[0069][0070]
其中，wt
u,a
是船舶数据的小波系数，ψ
u,a
是有待选择基准，u,a是调整基准特征的因子；
[0071]
步骤3.3：将船舶数据通过不同的小波基构成的滤波器，获得多尺度下的船舶数据特征，在不断保留和丢弃中对数据进行重建，其中将丢弃分量的系数设置为0；
[0072]
步骤3.4：自适应滤波模块在原有迭代基础上引入了自适应步长来更新权重，如下所示：
[0073][0074]
其中，a1,a2＞0,b＞0,r＞0是设定参数，由现场数据类型来优化调整，x(n)是船舶数据，w(n)是中间变量，e(n)是误差；
[0075]
步骤3.5：通过粒子群优化模块对自适应滤波模块的参数选择，通过下式进行处理：
[0076][0077]
其中，veli(n),pi(n)分别表示对于船舶数据滤波的粒子速度和位置，acc1,acc2分别是gbest,pbest的权重，w是根据船舶数据特殊性设置的权重；
[0078]
步骤3.6：经过此小波分解模块，自适应滤波模块，粒子群优化模块，最终数据在数据输出模块输出，至此智能自适应滤波模块结束。
[0079]
满足a1 a2＝1来确保历史数据不出现严重影响现有状态，避免过度非线性引发发散现象。
[0080]
步骤4：将智能自适应滤波模块的输出传送至智能船端数据库模块，执行多传感器
数据融合操作，采用d-s证据理论处理数据，当通过智能船端数据库模块后，船舶电网电压和电流数据融合为一个新的船舶网络诊断参数；
[0081]
步骤5：智能船端数据库模块将输出传输至北斗船舶端卫星发送模块，在北斗船舶端卫星发送模块中通过北斗卫星长短报文机制实现数据传输；
[0082]
步骤6：北斗船舶端卫星发送模块将数据发送至北斗卫星模块，北斗卫星模块具有星间链路传输机制，通过各卫星的拥塞状态来确定最空闲的北斗卫星作为候选卫星，进行报文传输，通过在船舶与地面距离远以至于单颗卫星无法实现远程传输时，该模块具有路径规划选择能力，以保证北斗报文通过最短距离或最小跳数，传输船舶感知数据；
[0083]
步骤7：北斗卫星地面端接收模块负责接收北斗卫星模块的数据，将北斗报文解析并以图形化方式显示在北斗地面指挥中心；
[0084]
步骤8：智能地面端数据库模块负责接收北斗卫星地面端接收模块的数据，并将数据传输至船舶远程支援及诊断模块，船舶远程支援及诊断模块内部进行处理。
[0085]
所述步骤8具体为：
[0086]
步骤8.1：船舶远程支援及诊断输入模块负责接收智能地面端数据模块的数据，偏置项补偿在现有神经网络的基础上加入偏置项，从而适应复杂的船舶数据特征，通过下式进行处理：
[0087][0088]
其中，m.m分别是观测值yi的有效点数和维度，gi(
·
)是针对船舶数据i的概率分布密度，w是网络权重，b被包含于yi中；
[0089]
步骤8.2：建立针对船舶远程支援的优化网络损失函数：
[0090][0091]
其中，λ是船舶远程支援及诊断模块的内部权重；
[0092]
神经网络模型是在rmsprop模型基础上的进行优化，如下所示：
[0093][0094][0095][0096]
w＝w-v(w,t)
[0097]
其中ρ,β,ε
,
η是模型参数，需要在船舶远程支援及诊断模块处理之前预先设定，是收敛梯度，g(w,t)是一节矩估计，r(w,t)是动态调整梯度的重要参数， v(w,t)是中间变量，w是最终需要确定的输出值；
[0098]
步骤8.3：将输出值接入船舶远程支援及诊断专家数据库，在线更新专家库，并针对现有的诊断结构提出相应的船舶维修和支援方案；
[0099]
将船舶远程支援及诊断专家库的结果传递至船舶远程支援及诊断输出模块，基于北斗卫星的船舶远程支援系统实现完成。
[0100]
以上所述仅是一种基于北斗卫星的船舶远程支援系统及其支援方法的优选实施方式，一种基于北斗卫星的船舶远程支援系统及其支援方法的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于该思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。