描述

我的船和大多數(shù)船一樣，有一個(gè)NMEA網(wǎng)絡(luò)和一套輸出數(shù)據(jù)的儀器。我想知道如果我記錄并分析這些數(shù)據(jù)，我可能會(huì)獲得什么見(jiàn)解。有圖案嗎？我的航行比我想象的好還是壞？

我決定找出答案，并構(gòu)建了一個(gè)硬件設(shè)備來(lái)監(jiān)聽(tīng)我的 NMEA 網(wǎng)絡(luò)并記錄數(shù)據(jù)。對(duì)記錄數(shù)據(jù)的分析揭示了有趣的見(jiàn)解，我希望利用這些見(jiàn)解更快地航行。這已經(jīng)很有趣了。

下面的圖 1 顯示了我在 2019 年蘇必利爾湖海上比賽中航行的部分路線，以及我從我的船的網(wǎng)絡(luò)獲得的關(guān)于實(shí)際性能的數(shù)據(jù)，疊加在預(yù)測(cè)性能之上。

圖 1：海上比賽的預(yù)測(cè)與實(shí)際表現(xiàn)的航行路線

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我們?cè)诟?jìng)爭(zhēng)激烈的領(lǐng)域贏得了這場(chǎng)比賽。查看數(shù)據(jù)，我們的航行速度比預(yù)期的要快。事實(shí)上，在圖 1 左側(cè)的比賽中，我在想，“為什么我們跑得這么快？這些儀器還對(duì)嗎？”

我們已經(jīng)進(jìn)入了區(qū)域。該區(qū)域在圖 1 右側(cè)的散點(diǎn)圖中可以看到。它是該圖左下方的紫色和綠色云。

受創(chuàng)客文化的啟發(fā)，這篇文章介紹了我如何構(gòu)建一種方法來(lái)收集該圖中顯示的數(shù)據(jù)。下面的詳細(xì)信息描述了我的路徑，并告訴你如何做到這一點(diǎn)！

我是如何開(kāi)始收集賽車(chē)性能數(shù)據(jù)的

我很想知道是否可以建立一種方法來(lái)打開(kāi)我船上的 NMEA 網(wǎng)絡(luò)，以分析我和船員在該區(qū)域的時(shí)間。有沒(méi)有在水上看不見(jiàn)的原因可以被發(fā)現(xiàn)？當(dāng)我們離該區(qū)域不遠(yuǎn)時(shí)，同樣的分析能否產(chǎn)生對(duì)那些時(shí)代的洞察？作為第一步，我想記錄我的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。一旦我致力于這個(gè)項(xiàng)目，深入研究細(xì)節(jié)讓我能夠?qū)W習(xí)并獲得一些樂(lè)趣。

結(jié)果是BoatThing 。BoatThing 是一個(gè)解鎖、分析和利用儀器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)以提高航行性能的項(xiàng)目。它既是硬件設(shè)備又是軟件，可以輕松安裝在任何擁有 NMEA 2000 網(wǎng)絡(luò)的船上。

借助上下文進(jìn)行更深入的分析

對(duì)地速度(SOG)、良好速度(VMG) 和其他指標(biāo)幫助我了解給定時(shí)刻的水上表現(xiàn)。但是，一時(shí)的知識(shí)并不能幫助我理解在預(yù)期或先前基準(zhǔn)的上下文中的性能。我相信提供上下文將幫助我更好地理解如何改進(jìn)。

例如，圖 1 顯示我的實(shí)際表現(xiàn)（點(diǎn)）與預(yù)測(cè)的表現(xiàn)（線條）相差很大。讓我解釋。

像大多數(shù)賽車(chē)手一樣，我使用源自速度預(yù)測(cè)程序(VPP)的Polars 。（例如，參見(jiàn)下面的圖 2。）極坐標(biāo)是給定觀察到的風(fēng)力條件下預(yù)期最大船速的粗略近似值。彩色實(shí)線是對(duì)各種風(fēng)速范圍的預(yù)測(cè)。圖中的角度是相對(duì)于船的真實(shí)風(fēng)角。半徑（與原點(diǎn)的距離）是風(fēng)條件下的預(yù)期船速，以角度和線的顏色為參考。Polars 幫助我了解在當(dāng)前風(fēng)速和方位的情況下我應(yīng)該走多快以及應(yīng)該保持什么航向。

圖 2：Islander 36 的 Polars

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如果我的船處于良好的維修狀態(tài)，我希望能夠達(dá)到極地預(yù)測(cè)的速度，鉆機(jī)已經(jīng)調(diào)整好，并且船員們一起工作得很好。但海況、洋流或簡(jiǎn)單的注意力不集中和疲勞都會(huì)導(dǎo)致我們航行的速度比預(yù)期的快或慢。當(dāng)我開(kāi)始隨著時(shí)間的推移跟蹤我的實(shí)際船速和風(fēng)速時(shí)，我看到的范圍比我預(yù)期的還要大！

圖 3：順風(fēng)表現(xiàn)超出預(yù)期，而一些逆風(fēng)表現(xiàn)低于預(yù)期

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我將部分比賽的實(shí)際數(shù)據(jù)（如圖 1 所示）覆蓋在我的極地之上。結(jié)果如上圖 3 所示。這表明我在這部分比賽中的大部分順風(fēng)表現(xiàn)都非常好，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了預(yù)期。例如，200 度（順風(fēng)航行）附近的綠點(diǎn)（11-13 節(jié)風(fēng)速）比綠線（11-13 節(jié)風(fēng)速的預(yù)測(cè)速度）更遠(yuǎn)離原點(diǎn)。

其他時(shí)候，我的表現(xiàn)遠(yuǎn)低于預(yù)期。例如，紫色點(diǎn)（5-7 節(jié)的風(fēng)）通常更接近 300 度左右的原點(diǎn)（逆風(fēng)航行）。

解釋性能

但為什么？性能更好是因?yàn)殡娏鳌⒎x擇、修剪嗎？性能是否因?yàn)楹r、舵、調(diào)整而變差？盡管回答這些問(wèn)題很困難，但我相信我可以通過(guò)收集和分析我的數(shù)據(jù)來(lái)獲得更好的洞察力。這些數(shù)據(jù)將為我通常航行的條件建立基線。事實(shí)上，在以后的帖子中，我將分享一個(gè)程序，用于繪制比賽每條腿的實(shí)際與預(yù)測(cè)性能。

此外，我也許可以進(jìn)行更深入的分析。數(shù)據(jù)可以分為不可修改和可修改的特征。不可修改的特征包括風(fēng)速、風(fēng)角、海況和海流。可修改的特性包括船速、配平設(shè)置和船員體重。

使用在R等程序中免費(fèi)提供的各種機(jī)器學(xué)習(xí)分析技術(shù)，應(yīng)該可以識(shí)別允許我們超出基線或未達(dá)到目標(biāo)的可修改因素，從而幫助提高我們?cè)诟鞣N條件下的性能標(biāo)準(zhǔn)。

硬件是如何構(gòu)建的，更多內(nèi)容的預(yù)覽

船上使用的NMEA 2000總線是SAE J1939的一種變體，它基本上是具有更高比特率和更寬負(fù)載的CAN 總線。只需稍加修改，就可以在BeagleBone Black之類(lèi)的設(shè)備上設(shè)置嵌入式 Linux SoC ，并使用CAN收發(fā)器監(jiān)控 NMEA 2K 流量，并使用CANBOAT等開(kāi)源軟件將二進(jìn)制數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為可導(dǎo)入的 csv 數(shù)據(jù)進(jìn)入分析工具，例如R 。

圖 4：顯示 NMEA 2K 高/低線的示波器

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通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控 NMEA 2K 流量的通用計(jì)算設(shè)備，有大量可能的應(yīng)用和分析。上面的例子只是冰山一角。

圖 5：BoatThing 在長(zhǎng)凳上運(yùn)行

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下一步

我的下一篇文章將描述我如何創(chuàng)建具有足夠詳細(xì)信息的 BoatThing，您應(yīng)該能夠自己構(gòu)建一個(gè)。如果您不想組裝設(shè)備，我也會(huì)為您組裝設(shè)備（以合理的成本）。

在接下來(lái)的文章中，我將描述更多分析以及 R 代碼片段。然后您就可以開(kāi)始了解您的船在水上的表現(xiàn)，并提高您的比賽表現(xiàn)！

請(qǐng)隨時(shí)在下面發(fā)表評(píng)論或通過(guò)boatthing@dherring.com與我聯(lián)系。謝謝！

更多關(guān)于作者

我是大衛(wèi)，職業(yè)程序員。我在硬件和數(shù)據(jù)科學(xué)方面有一些經(jīng)驗(yàn)，并且喜歡通過(guò)破解來(lái)理解不易訪問(wèn)的系統(tǒng)。我也是一名在蘇必利爾湖上比賽的 Islander 36 賽車(chē)手。我追求BoatThing是為了優(yōu)化我的比賽表現(xiàn)，同時(shí)也是為了學(xué)習(xí)和享受樂(lè)趣。