CN115523963A - 一种船舶数据智能分析装置与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种船舶数据智能分析装置与方法，其中装置包括与路由器节点通信连接的液位测量传感器、速度传感器、加速度计、角度陀螺传感器、功率计和油量传感器；所述路由器节点与协调器通信连接，所述协调器、数据库、数据分析服务器及用户端相互连接；所述数据库用于存储协调器传输过来的数据并供数据分析服务器使用；所述用户端用于数据显示和向数据分析服务器输入船舶参数；所述数据分析服务器基于数据库的数据和所述船舶参数采用所述智能分析方法对船舶的航行性能进行分析，进而得出航行性能评价结果供所述用户端显示；本申请的装置和方法为船舶航行性能评价提供了一套具有可行性的方案。

Description

一种船舶数据智能分析装置与方法
技术领域
本发明涉及船舶数据分析领域，尤其涉及一种船舶数据智能分析装置与方法。
背景技术
船舶的安全航行是整个船舶工作的关键，影响船舶安全性的一个重要因素就是船舶的航行性能，而决定船舶航行性能的因素众多，涉及的数据量也较大，现有技术普遍存在的安全航行评价装置只是对航行轨迹的安全性进行评价，例如专利公开号为EP2498056A1、CN101982830A、CN104680037A的专利，而不能够评价船舶自身条件决定的航行性能，特别是目前随着船舶装载机械设备的多样化与复杂化提升，为船舶的航行性能评价带来了更多的阻力，为满足船舶安全航行的需求，需要引入一种能够根据船舶自身硬件条件进行全方位数据分析从而得出其航行性能优劣水平的装置或方法，从而为船舶航行性能评价提供便利。
发明内容
本发明的目的在于，针对现在所存在的不足，提出了一种船舶数据智能分析装置与方法。
为了克服现有技术的不足，本发明采用如下技术方案：
一种船舶数据智能分析装置，其特征在于：包括与路由器节点通信连接的液位测量传感器、速度传感器、加速度计、角度陀螺传感器、功率计和油量传感器；所述路由器节点与协调器通信连接，所述协调器、数据库、数据分析服务器及用户端相互通信连接；所述路由器节点和协调器均用于数据的传输和网络管理；所述数据库用于存储协调器传输过来的数据并供数据分析服务器使用；所述用户端用于数据显示和向数据分析服务器输入船舶参数；所述数据分析服务器基于数据库的数据和所述船舶参数对船舶的航行性能进行分析，进而得出船舶的航行性能评价结果并传输至所述用户端显示；在所述数据分析服务器在对所述航行性能进行分析之前，先求取数据库的同类数据在同一周期内的平均值，再将所述同类数据在同一周期内与所述平均值差异率大于预设阈值的数据剔除。
进一步的，所述液位测量传感器包括用于测量船舶吃水深度的液位测量传感器和测量各液舱自由液面深度的液位测量传感器；所述速度传感器包括测量船舶受扰动产生角速度的角速度传感器和船舶航行速度的航行速度传感器；所述加速度计包括船舶受扰动产生角加速度的角加速度传感器和船舶航行加速度的航行加速度传感器。
基于所述船舶数据智能分析装置实现的一种船舶数据智能分析方法，其特征在于：步骤1，获取待分析的数据与各类评价指标之间的关系函数；步骤2，将待分析的数据输入所述关系函数得到各类评价指标对应的评价指标值，将反向指标对应的评价指标值添加负号进行正向化处理，并将各评价指标值进行归一化处理，得到由归一化后的各评价指标值
Figure 304304DEST_PATH_IMAGE001
组成的矩阵U，其中
Figure 749192DEST_PATH_IMAGE001
为矩阵U中第p行第q列的元素；步骤3，根据经验获取体现各类指标之间关联性的相关系数矩阵E及各类指标对航行性能的影响度矩阵T；步骤4，计算第一中间参数
Figure 663796DEST_PATH_IMAGE002
，其中
Figure 244950DEST_PATH_IMAGE003
为影响度矩阵T中第q类评价指标值对应的影响度，
Figure 783379DEST_PATH_IMAGE004
为第q类评价指标值中从p=1的序号起到p=P的序号止，所有第q类评价指标值的总和；步骤5，计算所述相关系数矩阵E的特征值
Figure 449984DEST_PATH_IMAGE005
，计算第二中间参数
Figure 59957DEST_PATH_IMAGE006
i=1,2,…,m；其中m为所述特征值的个数；步骤6，计算航行性能的综合得分：
Figure 200345DEST_PATH_IMAGE007
，其中
Figure 909675DEST_PATH_IMAGE008
为航行性能的综合得分，
Figure 63575DEST_PATH_IMAGE009
为由
Figure 618185DEST_PATH_IMAGE010
组成的矩阵的范数，
Figure 672466DEST_PATH_IMAGE011
为由
Figure 880593DEST_PATH_IMAGE012
组成的矩阵F的范数。
进一步的，所述待分析的数据包括所述协调器传输过来的数据和所述船舶参数。
本发明所取得的有益效果是：
通过采用路由器与协调器相组合的联网方式实现船舶数据的采集和传输，使得船舶数据的采集与传输可根据实际应用情况进行有线或无线的设置，通过如此的网络设置使得数据分析服务器可实时获取船舶的各项数据，包括船舶吃水深度、各液舱自由液面的深度、受外界扰动产生的角速度和角加速度变化等，基于获取的数据可计算评价船舶航行性能的指标值，进而得出船舶的航行性能优劣水平。此外，本申请在进行航行性能分析前先剔除无效数据，提高了性能分析的准确性，为船舶航行性能评价提供了一套具有可行性的方案。
附图说明
从以下结合附图的描述可以进一步理解本发明。图中的部件不一定按比例绘制，而是将重点放在示出实施例的原理上。在不同的视图中，相同的附图标记指定对应的部分。
图1为本发明实施例一的结构示意图。
图2为本发明各个模块的关系示意图。
图3为本发明各个模块的数据流向示意图。
图4为本发明的实施例二的流程示意图。
具体实施方式
为了使得本发明的目的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合其实施例，对本发明进行进一步详细说明；应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。对于本领域技术人员而言，在查阅以下详细描述之后，本实施例的其它系统、方法和/或特征将变得显而易见。以下描述旨在将所有此类附加的系统、方法、特征和优点都包括在本发明的范围内，并且受所附权利要求书的保护。在以下详细描述描述了所公开的实施例的另外的特征，并且这些特征根据以下将详细描述将是显而易见的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或组件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
实施例一，一种船舶数据智能分析装置，其特征在于：包括与路由器节点通信连接的液位测量传感器、速度传感器、加速度计、角度陀螺传感器、功率计和油量传感器；所述路由器节点与协调器通信连接，所述协调器、数据库、数据分析服务器及用户端相互通信连接；各模块之间的连接示意图参见附图图1和图2。所述路由器节点和协调器均用于数据的传输和网络管理；所述数据库用于存储协调器传输过来的数据并供数据分析服务器使用；所述用户端用于数据显示和向数据分析服务器输入船舶参数；所述数据分析服务器基于数据库的数据和所述船舶参数对船舶的航行性能进行分析，进而得出船舶的航行性能评价结果并传输至所述用户端显示；各模块之间的数据流向图可参见附图图3。在所述数据分析服务器在对所述航行性能进行分析之前，先求取数据库的同类数据在同一周期内的平均值，再将所述同类数据在同一周期内与所述平均值差异率大于预设阈值的数据剔除。例如预设每十分钟为一个采集周期，在当前的采集周期里采集的船舶吃水深度为A1、A2、…、An，获取该采集周期内船舶吃水深度的平均值
Figure 521790DEST_PATH_IMAGE013
，依据以下式子计算采集的数据与平均值的差异率
Figure 83353DEST_PATH_IMAGE014
：
Figure 493606DEST_PATH_IMAGE015
，其中i=1…n，n为一个周期内n个采样次数，当
Figure 323501DEST_PATH_IMAGE016
时，对应的
Figure 514311DEST_PATH_IMAGE017
被剔除，其中
Figure 941881DEST_PATH_IMAGE018
为所述预设阈值，具体为经验取值。本实施例中差异率
Figure 941061DEST_PATH_IMAGE019
还可采用现有技术中的其他方式实现，在此不做限定。即只保留同类数据在同一周期内与所述平均值差异率小于预设阈值的数据作为航行性能分析的基础，所述预设阈值为经验设计值，可将采集的异常数据剔除，本实施例不拘泥于一个参考值过滤数据，而是采用不同周期的数据平均值作为参考值，如此可避免不同周期的数据之间造成的差异导致有效数据被剔除的现象发生。
进一步的，所述液位测量传感器包括用于测量船舶吃水深度的液位测量传感器和测量各液舱自由液面深度的液位测量传感器，数据分析服务器可根据液位测量传感器的采集数据获取船舶的晃荡情况及舱室的渗透率，所述速度传感器包括测量船舶受扰动产生角速度的角速度传感器和船舶航行速度的航行速度传感器；所述加速度计包括船舶受扰动产生角加速度的角加速度传感器和船舶航行加速度的航行加速度传感器，数据分析服务器可根据所述角度陀螺传感器获取船舶受外界扰动产生的倾斜角度，基于所述功率计可获取船舶的航力，基于所述油量传感器可获取船舶的耗油率，基于上述测量工具采集的数据及用户通过用户端输入的船舶参数，数据分析服务器可获取评价船舶航行性能的稳性、耐波性、抗沉性、航力等指标值。例如在基于角度陀螺传感器获取横倾角
Figure 163095DEST_PATH_IMAGE020
后，在给定定值阵风风力F横向作用下，运用稳性衡准系数法对船舶稳性进行衡准；或者，基于液位测量传感器计算纵倾水线，调用符拉索夫曲线计算各站的左右舷吃水值，进而计算船舶稳性；再者，基于液位测量传感器获取舱室的渗透率，再所述渗透率来进行船舶抗沉性计算；再者，依据上述传感器获取船舶的横摇运动幅值、垂荡和纵摇运动幅值、垂向绝对加速度、甲板上浪和螺旋桨出水、首底砰击、失速或有效功率增值等进行船舶的耐波性计算；所述稳性、耐波性、抗沉性和航力等的计算公式为现有技术，在此不在赘述，在计算过程所需的基础数据为通过各类船舶传感器采集的数据及用户预先输入的船舶参数。
本实施例通过将船舶数据采集的各类传感器与进行数据存储分析处理的数据分析服务器、数据库、用户端等采用路由器和协调器进行连接，实现了船舶数据采集和处理网络的灵活配置，同时基于多项采集数据来获取船舶的多项性能评价指标，进而得出船舶航行性能优劣水平。同时，本实施例在进行航行性能分析前先剔除无效数据，提高了性能分析的准确性，为船舶航行性能评价提供了一套具有可行性的方案。
实施例二，本实施例为上述实施例的进一步描述应当理解本实施例包括前述全部技术特征并作进一步具体描述：
基于所述船舶数据智能分析装置实现的一种船舶数据智能分析方法，其特征在于：步骤1，获取待分析的数据与各类评价指标之间的关系函数；步骤2，将待分析的数据输入所述关系函数得到各类评价指标对应的评价指标值，将反向指标对应的评价指标值添加负号进行正向化处理，并将各评价指标值进行归一化处理，得到由归一化后的各评价指标值组成的矩阵U，
Figure 215102DEST_PATH_IMAGE021
，其中
Figure 446364DEST_PATH_IMAGE001
为矩阵U中第p行第q列的元素，
Figure 300050DEST_PATH_IMAGE001
为
Figure 692985DEST_PATH_IMAGE001
归一化前第q类评价指标中的第p个评价指标值，
Figure 31956DEST_PATH_IMAGE022
为第q类评价指标归一化前的平均值，P为第q类评价指标值的个数，
Figure 535750DEST_PATH_IMAGE023
为第q类评价指标值中的最大值，
Figure 102997DEST_PATH_IMAGE024
为第q类评价指标值中的最小值；步骤3，根据经验获取体现各类指标之间关联性的相关系数矩阵E及各类指标对航行性能的影响度矩阵T；步骤4，计算第一中间参数
Figure 401255DEST_PATH_IMAGE025
，其中
Figure 726057DEST_PATH_IMAGE026
为影响度矩阵T中第q类评价指标值对应的影响度，
Figure 532077DEST_PATH_IMAGE027
为第q类评价指标值中从p=1的序号起到p=P的序号止，所有第q类评价指标值的总和，P为第q类评价指标值总数量；步骤5，计算所述相关系数矩阵E的特征值
Figure 360355DEST_PATH_IMAGE028
，计算第二中间参数
Figure 360672DEST_PATH_IMAGE029
i=1,2,…,m；其中m为所述特征值的个数；步骤6，计算航行性能的综合得分：
Figure 110454DEST_PATH_IMAGE030
，其中
Figure 988673DEST_PATH_IMAGE031
为航行性能的综合得分，
Figure 264934DEST_PATH_IMAGE032
为由
Figure 436152DEST_PATH_IMAGE033
组成的矩阵的范数，
Figure 469967DEST_PATH_IMAGE034
为由
Figure 119254DEST_PATH_IMAGE035
组成的矩阵F的范数。其中本实施例的方法流程示意图可参见附图图4。所述综合得分越高，表明船舶航行性能越好，得分越低，表明船舶航行性能越差，可根据经验设置一个性能阈值，低于该性能阈值则表明船舶航行产生事故的风险较大，为船舶航行能力给出参考性信息。具体的，可将所述性能阈值分为高、中、低三个级别，综合得分大于高级别的性能阈值时，工作人员可安心驾驶船舶，综合得分在高级别和中级别的性能阈值之间时，工作人员需随时注意船舶的各方面性能，综合得分在中级别和低级别的性能阈值之间时，船舶控制系统自动启动预警并控制部分设备的启闭以保障船舶的安全驾驶，综合得分在低级别的性能阈值以下时，船舶控制系统自动启动紧急警报并控制船舶在最低航行速度模式工作。如此使得船舶数据智能分析装置一方面可以给船舶操控者展示目前船舶的航行性能，直观的对船舶航行情况进行掌握，另一方面船舶的动力装置可以按级别来自动锁定航行的速度，为船舶的安全行驶提供保障。
进一步的，所述待分析的数据包括所述协调器传输过来的数据和所述船舶参数。
本实施例公开的具体的数据分析方法根据指标值之间的关系及指标值在评价航行性能中的影响度来对航行性能进行分析，从而得到船舶航行性能评级结果，实现了航行能力的评价，为船舶稳定航行提供有效的保障。
虽然上面已经参考各种实施例描述了本发明，但是应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行许多改变和修改。也就是说上面讨论的方法，系统和设备是示例。各种配置可以适当地省略，替换或添加各种过程或组件。例如，在替代配置中，可以以与所描述的顺序不同的顺序执行方法，和/或可以添加，省略和/或组合各种部件。而且，关于某些配置描述的特征可以以各种其他配置组合，如可以以类似的方式组合配置的不同方面和元素。此外，随着技术发展其中的元素可以更新，即许多元素是示例，并不限制本公开或权利要求的范围。
在说明书中给出了具体细节以提供对包括实现的示例性配置的透彻理解。然而，可以在没有这些具体细节的情况下实践配置例如，已经示出了众所周知的电路，过程，算法，结构和技术而没有不必要的细节，以避免模糊配置。该描述仅提供示例配置，并且不限制权利要求的范围，适用性或配置。相反，前面对配置的描述将为本领域技术人员提供用于实现所描述的技术的使能描述。在不脱离本公开的精神或范围的情况下，可以对元件的功能和布置进行各种改变。
综上，其旨在上述详细描述被认为是例示性的而非限制性的，并且应当理解，以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (4)

1.一种船舶数据智能分析装置，其特征在于：包括与路由器节点通信连接的液位测量传感器、速度传感器、加速度计、角度陀螺传感器、功率计和油量传感器；所述路由器节点与协调器通信连接，所述协调器、数据库、数据分析服务器及用户端相互通信连接；所述路由器节点和协调器均用于数据的传输和网络管理；所述数据库用于存储协调器传输过来的数据并供数据分析服务器使用；所述用户端用于数据显示和向数据分析服务器输入船舶参数；所述数据分析服务器基于数据库的数据和所述船舶参数对船舶的航行性能进行分析，进而得出船舶的航行性能评价结果并传输至所述用户端显示；在所述数据分析服务器在对所述航行性能进行分析之前，先求取数据库的同类数据在同一周期内的平均值，再将所述同类数据在同一周期内与所述平均值差异率大于预设阈值的数据剔除。
2.如权利要求1所述的一种船舶数据智能分析装置，其特征在于：所述液位测量传感器包括用于测量船舶吃水深度的液位测量传感器和测量各液舱自由液面深度的液位测量传感器；所述速度传感器包括测量船舶受扰动产生角速度的角速度传感器和船舶航行速度的航行速度传感器；所述加速度计包括船舶受扰动产生角加速度的角加速度传感器和船舶航行加速度的航行加速度传感器。
3.基于权利要求2的船舶数据智能分析装置实现的一种船舶数据智能分析方法，其特征在于：步骤1，获取待分析的数据与各类评价指标之间的关系函数；步骤2，将待分析的数据输入所述关系函数得到各类评价指标对应的评价指标值，将反向指标对应的评价指标值添加负号进行正向化处理，并将各评价指标值进行归一化处理，得到由归一化后的各评价指标值
Figure 202175DEST_PATH_IMAGE001
组成的矩阵U，其中
Figure 260261DEST_PATH_IMAGE001
为矩阵U中第p行第q列的元素；步骤3，根据经验获取体现各类指标之间关联性的相关系数矩阵E及各类指标对航行性能的影响度矩阵T；步骤4，计算第一中间参数
Figure 243261DEST_PATH_IMAGE002
，其中
Figure 904049DEST_PATH_IMAGE003
为影响度矩阵T中第q类评价指标值对应的影响度，
Figure 124946DEST_PATH_IMAGE004
为第q类评价指标值中从p=1的序号起到p=P的序号止，所有第q类评价指标值的总和；步骤5，计算所述相关系数矩阵E的特征值
Figure 663854DEST_PATH_IMAGE005
，计算第二中间参数
Figure 868571DEST_PATH_IMAGE006
i=1,2,…,m；其中m为所述特征值的个数；步骤6，计算航行性能的综合得分：
Figure 598629DEST_PATH_IMAGE007
，其中
Figure 408454DEST_PATH_IMAGE008
为航行性能的综合得分，
Figure 605080DEST_PATH_IMAGE009
为由
Figure 890568DEST_PATH_IMAGE010
组成的矩阵的范数，
Figure 267060DEST_PATH_IMAGE011
为由
Figure 993708DEST_PATH_IMAGE012
组成的矩阵F的范数。
4.如权利要求3所述的一种船舶数据智能分析方法，其特征在于：所述待分析的数据包括所述协调器传输过来的数据和所述船舶参数。
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