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(1．武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院可靠性工程研究所，武漢 430063；2. 長江航道局，武漢 430010；3. 船舶動力工程技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，武漢 430063)

為了能夠掌握船舶的實時狀況，諸多機(jī)構(gòu)和人員開展了船舶遠(yuǎn)程監(jiān)測和船隊管理系統(tǒng)的研究，由統(tǒng)一的岸基系統(tǒng)集中監(jiān)測管理船隊中的所有船舶[1-5]。長江航道維護(hù)船舶分散在2 000多km的長江沿線上，針對長江等內(nèi)河航道維護(hù)船隊船岸一體化的機(jī)務(wù)管理需求，利用3G移動通信、數(shù)據(jù)庫、WEB等信息通信技術(shù)，面向整個船隊，研制了一套遠(yuǎn)程監(jiān)測和管理系統(tǒng)。除了船隊監(jiān)測常規(guī)的GPS位置監(jiān)測外，更加強(qiáng)調(diào)有關(guān)船載設(shè)備技術(shù)狀態(tài)的相關(guān)數(shù)據(jù)，更加強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)的匯總統(tǒng)計，為優(yōu)化船隊運(yùn)營，實現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的船隊機(jī)務(wù)管理創(chuàng)造基礎(chǔ)。

1 運(yùn)行模式

船舶的遠(yuǎn)程監(jiān)測和船隊管理，有2種模式可供選擇，見圖1。一種是船舶中心模式，在原有機(jī)艙監(jiān)測報警系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提供因特網(wǎng)訪問功能，就能夠?qū)崿F(xiàn)船舶運(yùn)行工況的遠(yuǎn)程監(jiān)測；另一種是中心建站模式，建立中心服務(wù)器，所有船舶數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)測中心，通過監(jiān)測中心的軟件系統(tǒng)實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測。

圖1 船隊遠(yuǎn)程監(jiān)測和管理系統(tǒng)運(yùn)行模式

許多船舶的監(jiān)測報警系統(tǒng)利用工控組態(tài)軟件開發(fā)而成，現(xiàn)代的工控組態(tài)軟件通常提供了因特網(wǎng)訪問能力，能夠利用標(biāo)準(zhǔn)的Web瀏覽器查看運(yùn)行界面，甚至還能夠遠(yuǎn)程操控，便于掌握船舶的運(yùn)行工況。在船舶中心模式下，查看船舶的運(yùn)行工況時，需要分別連接到不同的遠(yuǎn)程船舶，這些船舶通常具有各自的定制界面，數(shù)據(jù)也不能夠匯總、比較。中心建站模式需要開發(fā)中心站的數(shù)據(jù)庫和應(yīng)用軟件系統(tǒng)，可以采用主流的數(shù)據(jù)庫和Web等技術(shù)開發(fā)，具有單一的應(yīng)用入口和統(tǒng)一的系統(tǒng)界面，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的匯聚、統(tǒng)計和比較，并且能夠進(jìn)一步地挖掘數(shù)據(jù)，評估和優(yōu)化船隊的運(yùn)行。兩種模式比較見表1。

表1 船隊遠(yuǎn)程監(jiān)測和管理系統(tǒng)運(yùn)行模式比較

根據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)測和船隊管理的內(nèi)涵，選擇中心建站模式，能夠完整地實現(xiàn)船隊管理的功能，并具有不斷優(yōu)化船隊運(yùn)行潛力。

2 功能需求與關(guān)鍵技術(shù)

船隊機(jī)務(wù)管理面向整個船隊，關(guān)注的對象從單一船舶到整個船隊，強(qiáng)化了數(shù)據(jù)信息的船間應(yīng)用。相對于傳統(tǒng)面向單船的遠(yuǎn)程監(jiān)測，提出了新的技術(shù)要求，更加強(qiáng)調(diào)監(jiān)測數(shù)據(jù)的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化。

2.1 功能需求

1)中心站集中監(jiān)測。船隊遠(yuǎn)程監(jiān)測管理系統(tǒng)要求在統(tǒng)一的平臺上，集中監(jiān)測管理船隊所有船舶的各種參數(shù)，是一種一對多的星形結(jié)構(gòu)。為實現(xiàn)這一要求，需要建立中心站，船端數(shù)據(jù)集中上傳到中心站，中心站解析并區(qū)分來自不同船舶的各種數(shù)據(jù)，這就要求對船舶、參數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化編碼，并制定標(biāo)準(zhǔn)的船岸通信協(xié)議及其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

2)船岸數(shù)據(jù)通信。遠(yuǎn)程監(jiān)測需要在船岸之間建立通信鏈路，以便雙向傳遞實時信息。船岸通信至少涉及三方面內(nèi)容：通信網(wǎng)絡(luò)的選用，船岸數(shù)據(jù)通信協(xié)議及其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及傳輸內(nèi)容。

3)遠(yuǎn)程實時監(jiān)測。在船隊管理中，船舶位置、航向、航速、里程、設(shè)備工況、事件報警、燃油消耗等參數(shù)的遠(yuǎn)程實時監(jiān)測是重要的基礎(chǔ)性功能，使得岸基管理部門能夠掌握實時狀況，并為其他各種功能如船載設(shè)備健康狀態(tài)評估、作業(yè)和燃油效率分析等提供基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)。

4)參數(shù)的匯總、統(tǒng)計和比較。某些參數(shù)，如事件報警、航行作業(yè)(里程和時間)、燃油消耗等可以進(jìn)行匯總統(tǒng)計。在船隊管理模式下，不僅僅需要針對特定船舶統(tǒng)計不同時間段的運(yùn)行狀況，還需要統(tǒng)計整個船隊的信息，以及在不同船舶之間進(jìn)行比較，這就需要在整個船隊建立統(tǒng)一的編碼體系，從而使得匯總統(tǒng)計和比較成為可能。

5)數(shù)據(jù)回放。數(shù)據(jù)回放功能主要是回放航行作業(yè)工況，有助于了解船舶航行作業(yè)的全過程，以及回放事件報警前后的設(shè)備工況數(shù)據(jù)，利于設(shè)備狀況的評判和故障診斷。由于數(shù)據(jù)存儲在中心站數(shù)據(jù)庫中，且采用統(tǒng)一的編碼，因此，可以在統(tǒng)一的中心站軟件系統(tǒng)中回放船隊中所有船舶的數(shù)據(jù)。

6)船岸一體化的機(jī)務(wù)管理。在掌握船舶個體及船隊整體實時數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，由岸基軟件系統(tǒng)自動識別船舶技術(shù)狀況，合理地安排維修保養(yǎng)等技術(shù)工作，合理地確定備件庫存水平，合理地安排備件采購計劃，促進(jìn)計劃性維修(planned maintenance system，PMS)、船舶維修保養(yǎng)體系(CWBT)、視情維修(condition based maintenance，CBM；故障預(yù)測和健康管理(prognostics and health management，PHM)等先進(jìn)的機(jī)務(wù)管理理念的實施，推進(jìn)機(jī)務(wù)管理工作的現(xiàn)代化、科學(xué)化。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

1)遠(yuǎn)傳測點的標(biāo)準(zhǔn)化編碼。標(biāo)準(zhǔn)化的船舶測點編碼是實現(xiàn)統(tǒng)一界面監(jiān)控、匯總統(tǒng)計分析比較的關(guān)鍵。以中國船級社CCS“鋼質(zhì)海船入級規(guī)范”中的自動化系統(tǒng)監(jiān)測項目表為基礎(chǔ)，適應(yīng)航道維護(hù)船艇的實際，考慮遠(yuǎn)程監(jiān)測的需要，進(jìn)行裁剪。測點編碼分成3大部分，各2位十進(jìn)制數(shù)字，第1部分為設(shè)備編碼，例如01代表左主機(jī)，02代表右主機(jī)；中間2位代表參數(shù)類型，11代表工況參數(shù)，12代表事件報警參數(shù)；后2位代表測點序列號。例如011101為左主機(jī)轉(zhuǎn)速，011201為左主機(jī)油壓低，021101為右主機(jī)轉(zhuǎn)速，012201為左主機(jī)本次運(yùn)轉(zhuǎn)時數(shù)。

2)通信網(wǎng)絡(luò)的選用。由于船舶離岸且移動(航行)作業(yè)，必須選擇無線移動通信網(wǎng)絡(luò)。在可選的無線通信技術(shù)中，海事衛(wèi)星覆蓋廣泛，沒有盲點，但速率低，且過于昂貴[6]；移動專網(wǎng)與商業(yè)網(wǎng)絡(luò)采用類似的技術(shù)，具有較好的橫向(江面)覆蓋率，但縱向(長江沿線)覆蓋率較差，且面臨技術(shù)升級換代緩慢的問題；AIS只適合傳輸少量文本數(shù)據(jù)，不適合通用數(shù)據(jù)傳輸；商用地面移動通信網(wǎng)絡(luò)(3G/2G)(縱向)覆蓋廣泛、技術(shù)成熟，費(fèi)用低廉，速率高，只是由于江面寬闊，橫向覆蓋率稍顯不足。綜合考慮，內(nèi)河船舶遠(yuǎn)程監(jiān)測選用3G/2G移動通信網(wǎng)絡(luò)，通過斷點續(xù)傳緩解橫向盲點問題。

3)船岸通信協(xié)議。無論是衛(wèi)星通信，還是3G移動通信，均支持主流的TCP/IP協(xié)議，這樣可以利用成熟的IP軟硬件，并與主流的軟硬件系統(tǒng)無縫集成。在IP協(xié)議之上，提供TCP和UDP兩種方式可供選擇，各有優(yōu)缺點。TCP的優(yōu)勢在于感知網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，既能傳輸長文件，也能傳輸短消息，能夠及時獲知傳輸成功或是失敗，利于斷點續(xù)傳功能的實現(xiàn)；UDP的優(yōu)勢在于傳輸速度快，但只能發(fā)送短消息，且傳輸狀態(tài)無法自動感知。

4)GPS位置監(jiān)測。位置監(jiān)測是遠(yuǎn)程監(jiān)測和船隊管理的首要任務(wù)，一般通過主動報告的方式實現(xiàn)。船舶可通過GPS裝置獲知自身位置，大多數(shù)GPS裝置支持NMEA的0183協(xié)議，通過解析協(xié)議文本獲知位置、航向、航速等信息。中心站在接受到船舶的實時位置后，可通過GIS(地理信息系統(tǒng))技術(shù)，在地圖上實時顯示整個船隊的各船舶當(dāng)前位置，還可以回放航行作業(yè)的歷史軌跡。

5)設(shè)備工況遠(yuǎn)程監(jiān)測。船舶設(shè)備，特別是機(jī)艙設(shè)備的熱工參數(shù)，事件報警等信息，是表征設(shè)備運(yùn)行狀況的重要信息。通過遠(yuǎn)程監(jiān)測，岸基機(jī)務(wù)部門能夠掌握其運(yùn)行過程中的動態(tài)變化過程，實現(xiàn)對船舶設(shè)備健康狀態(tài)的即時掌握，特別是事件報警發(fā)生前后的工況參數(shù)，對設(shè)備狀態(tài)的評判和故障診斷具有重要作用。

6)基于Web技術(shù)的中心站系統(tǒng)。采用Web等因特網(wǎng)技術(shù)搭建中心站系統(tǒng)，用戶使用標(biāo)準(zhǔn)的Web瀏覽器(如IE, Firefox)即可直接使用，不需要安裝特殊軟件，既便于用戶使用，也便于日常管理和升級維護(hù)。Web模式超越傳統(tǒng)的2層C/S(客戶端/服務(wù)器)模式，具有更好的性能，支持更多的用戶同時在線使用。

7)高效的內(nèi)存數(shù)據(jù)庫技術(shù)。中心站需要將接收到船載數(shù)據(jù)存儲到大型的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中，從而高效地管理大規(guī)模的歷史數(shù)據(jù)，并能夠利用標(biāo)準(zhǔn)的SQL數(shù)據(jù)庫查詢語言進(jìn)行各種匯總統(tǒng)計。此外，還需要利用內(nèi)存數(shù)據(jù)庫，存儲最新的測點數(shù)據(jù)，并通過進(jìn)程間通信技術(shù)，提供給中心站應(yīng)用系統(tǒng)。

8)中心站監(jiān)測數(shù)據(jù)處理技術(shù)。中心站接受了大量的遠(yuǎn)端船舶數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)反映了船舶的運(yùn)行狀況，研究數(shù)據(jù)處理方法，挖掘數(shù)據(jù)中蘊(yùn)含的船舶狀態(tài)信息，預(yù)測發(fā)展趨勢，具有重要的價值，也是成功實施CBM/PHM的基礎(chǔ)。

3 系統(tǒng)架構(gòu)

航道維護(hù)船艇遠(yuǎn)程監(jiān)測與管理系統(tǒng)由兩大部分組成，見圖2，分別為船載系統(tǒng)和中心站系統(tǒng)，包括3大模塊：船載監(jiān)測系統(tǒng)(on-board monitoring system,OMS)、船岸無線移動通信系統(tǒng)(mobile communication system,MCS)和中心站船隊遠(yuǎn)程監(jiān)測和管理系統(tǒng)(monitoring and analysis system,MAS)，其中船岸通信系統(tǒng)MCS包括船端模塊和中心站模塊，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的可靠傳輸和動態(tài)實時解析。

船載監(jiān)測系統(tǒng)OMS采集船舶及其設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，通過調(diào)用船岸通信系統(tǒng)MCS模塊，與中心站實時交換數(shù)據(jù)。機(jī)務(wù)中心站以Web服務(wù)器為核心，包括中心數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)解析軟件、監(jiān)測和分析軟件MAS。用戶通過Web瀏覽器，如IE, Firefox等，可在任何計算機(jī)上訪問使用中心站功能，進(jìn)行船隊的實時監(jiān)測和統(tǒng)計分析。船岸通信系統(tǒng)MCS，在船端用于數(shù)據(jù)的打包上傳，保存上傳失效的數(shù)據(jù)，并擇機(jī)再傳；在岸端中心站一側(cè)主要用于測點數(shù)據(jù)解析，關(guān)系數(shù)據(jù)庫存儲以及通過內(nèi)存數(shù)據(jù)庫提供實時數(shù)據(jù)。

圖2 總體架構(gòu)

4 運(yùn)行實例

航道維護(hù)船隊遠(yuǎn)程監(jiān)測管理系統(tǒng)目前已經(jīng)上線試運(yùn)行，建立了一套中心站系統(tǒng)，并接入了5條航標(biāo)維護(hù)船，后期將遵循同樣的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，接入更多的航道維護(hù)船艇。

在船端，隨著計算通信技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代船舶大多安裝了功能豐富的機(jī)艙監(jiān)控系統(tǒng)，用于實時全面地監(jiān)測推進(jìn)主柴油機(jī)、電站輔機(jī)、齒輪箱、舵機(jī)等船載設(shè)備的運(yùn)行工況。在接觸到的案例中，這些船載機(jī)艙監(jiān)測系統(tǒng)通常采用工控組態(tài)軟件作為開發(fā)和運(yùn)行平臺。服務(wù)于遠(yuǎn)程監(jiān)測的船岸通信等軟件功能，可以通過升級現(xiàn)有的監(jiān)控軟件實現(xiàn)，也可以通過獨(dú)立的軟件系統(tǒng)實現(xiàn)，而后者通常是更為現(xiàn)實的實現(xiàn)途徑。

在原有的機(jī)艙監(jiān)控系統(tǒng)之外，另行開發(fā)了遠(yuǎn)程監(jiān)測船載軟件，通過COM/ActiveX或者C/C++ API等組態(tài)軟件提供的數(shù)據(jù)共享接口，直接讀取機(jī)艙監(jiān)控軟件運(yùn)行數(shù)據(jù)庫中的測點和報警數(shù)據(jù)，具有很好的實時性。進(jìn)一步將通過集成其中的船岸通信模塊，上傳到中心站。

船載系統(tǒng)采用多線程技術(shù)開發(fā)，用戶界面、數(shù)據(jù)IO、超限報警、數(shù)據(jù)打包和遠(yuǎn)程傳輸各自運(yùn)行于獨(dú)立的線程，有利于數(shù)據(jù)的分類管理以及采用不同的上傳策略，并具有很好的運(yùn)行性能。

遠(yuǎn)傳測點編碼的設(shè)計采用分類的原則，將所有測點分成4類，分別具有不同的數(shù)據(jù)來源，不同的上傳實時性要求，不同的數(shù)據(jù)格式，以及在中心站不同的存儲位置和使用方式。這4種參數(shù)分別為1.機(jī)艙數(shù)據(jù)，并進(jìn)一步細(xì)分為1.1 工況參數(shù)類，1.2 事件報警類；2. 作業(yè)數(shù)據(jù)，并進(jìn)一步細(xì)分為2.1 實時數(shù)據(jù)，2.2 匯總數(shù)據(jù)。

考慮行業(yè)規(guī)范和航道維護(hù)船艇的實際情況，為航標(biāo)維護(hù)船設(shè)計了70多個測點，其中工況類23個，報警類34個，作業(yè)實時類7個，作業(yè)匯總類14個。

遠(yuǎn)傳數(shù)據(jù)的基本結(jié)構(gòu)見表2～6。

船載系統(tǒng)根據(jù)傳輸策略，一定的間隔，通常為5～10 s，抓取數(shù)據(jù)快照，打包上傳。報警數(shù)據(jù)則無一遺漏地全部上傳，包括報警的產(chǎn)生、解除和確認(rèn)；還可根據(jù)配置情況上傳報警前后的工況數(shù)據(jù)。測點數(shù)據(jù)可以同類混合，也可以異類混合打包傳送。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包除了表1～4的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)外，還需要一些格外的字段，表明船舶的編號，打包發(fā)送的時間，數(shù)據(jù)的類型和長度等信息。每個數(shù)據(jù)包的額外字段約為45～60個字節(jié)。

表2 船岸通信一般格式

表3 工況參數(shù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

表4 事件報警數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

表5 作業(yè)實時

表6 作業(yè)匯總

報警類數(shù)據(jù)無一遺漏地上傳，假設(shè)每天報警1 000個，則每天需上傳的基本數(shù)據(jù)大小為13 k。假設(shè)其他類型的數(shù)據(jù)每10 s抓取一次快照，則工況類大小為0.46 k；作業(yè)實時類約為0.16 k，作業(yè)匯總類約為0.28 k，額外字段為0.06 k。假設(shè)平均每天作業(yè)5 h，每天的數(shù)據(jù)量大小約為170 Mb，所需網(wǎng)絡(luò)帶寬約為0.1 kb/s，微乎其微。假設(shè)平均每年作業(yè)300 d，每年傳送的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量約為5.10 G。

中心站數(shù)據(jù)庫的存儲量則遠(yuǎn)小于網(wǎng)絡(luò)傳送量。其中，每條船的作業(yè)匯總數(shù)據(jù)只占用1條記錄，新的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)用于更新這個記錄，而不增加新記錄，因此作業(yè)匯總數(shù)據(jù)幾乎不占用數(shù)據(jù)庫容量。其他每條數(shù)據(jù)新增一條數(shù)據(jù)庫記錄，根據(jù)分類管理的原則，報警記錄需要永久保存，作業(yè)實時數(shù)據(jù)次之，工況數(shù)據(jù)根據(jù)需要確定保存時間。其中，報警記錄每年占用3.8 Mb，作業(yè)實時數(shù)據(jù)每年占用84 M，工況報警數(shù)據(jù)每年占用242 M。這樣，每條船每年占用的數(shù)據(jù)庫容量至多為330 M，100條船1年所需的容量約為33 G。500 G的硬盤容量足以容許數(shù)據(jù)長期保存10余年。

數(shù)據(jù)文件上傳后，將由船岸移動無線通信軟件的中心端解析，并分別存儲到內(nèi)存數(shù)據(jù)庫和SQL Server數(shù)據(jù)庫。MCS中心站模塊通過掃描目錄監(jiān)測新的數(shù)據(jù)文件，文件掃描間隔可調(diào)，為提高實時性，可縮小間隔，設(shè)置為1 s掃描解析1次數(shù)據(jù)文件；而解析的負(fù)荷很低，按照前述計算，假設(shè)100條船同時上傳數(shù)據(jù)，中心站的數(shù)據(jù)量也僅為10 kb/s，數(shù)據(jù)解析足以保證實時性。

圖3為船載軟件系統(tǒng)，顯示了實時報警、工況趨勢、工況實時數(shù)據(jù)的儀表顯示和表格顯示，以及航行和測深的相關(guān)信息。遠(yuǎn)程上傳的所有數(shù)據(jù)均在運(yùn)行界面上進(jìn)行顯示。

圖3 船載軟件系統(tǒng)

由于將相關(guān)數(shù)據(jù)集中上傳到了中心站，并存儲到大型數(shù)據(jù)庫中長期保存，可以進(jìn)行各種分析處理，從中匯總比較各單位、各船艇的運(yùn)行狀況，提煉最佳實踐，指導(dǎo)日常業(yè)務(wù)，優(yōu)化運(yùn)行效率。

5 結(jié)束語

不同于傳統(tǒng)的面向單船、目標(biāo)單一的遠(yuǎn)程監(jiān)測，從整個船隊的角度出發(fā)設(shè)計遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，通過統(tǒng)一的中心站集中監(jiān)測管理船隊的運(yùn)行數(shù)據(jù)，能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模船隊的遠(yuǎn)程實時監(jiān)測，實現(xiàn)運(yùn)行數(shù)據(jù)的集中監(jiān)測和綜合分析，更可以進(jìn)一步地挖掘數(shù)據(jù)，提煉知識，全面準(zhǔn)確地掌握船隊的運(yùn)行實況和發(fā)展趨勢。在此基礎(chǔ)上，還可以深入挖掘系統(tǒng)收集的海量數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)潛在問題，優(yōu)化船隊的機(jī)務(wù)管理工作。還可以建立網(wǎng)絡(luò)實驗室，充分利用這些真實的在役系統(tǒng)現(xiàn)場直播數(shù)據(jù)，開展工況監(jiān)測、優(yōu)化運(yùn)行、優(yōu)化設(shè)計等方面的科研工作。

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