謝 鈞，卓金寶，周曉潔，王珊珊，汪亞楠

（1.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第七一一研究所，上海 201108；2.船舶與海洋工程動(dòng)力系統(tǒng)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，上海 201108）

0 引 言

隨著我國(guó)船舶設(shè)計(jì)、建造和航行技術(shù)的不斷發(fā)展，開發(fā)出了較多高技術(shù)船舶及其配套系統(tǒng)[1-3]。作為高技術(shù)船舶的核心組成，現(xiàn)代船舶動(dòng)力系統(tǒng)開始應(yīng)用越來(lái)越多的高新技術(shù)，系統(tǒng)規(guī)模結(jié)構(gòu)、技術(shù)復(fù)雜程度日益增加，導(dǎo)致其運(yùn)行過(guò)程中極易發(fā)生故障[4-6]。故障維修所需技術(shù)和設(shè)備的復(fù)雜程度與難度急劇增加，維修費(fèi)用也將大幅提升，現(xiàn)有運(yùn)維服務(wù)已無(wú)法滿足現(xiàn)代船舶日益增長(zhǎng)的運(yùn)維要求。

隨著“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略與“互聯(lián)網(wǎng)+”的提出，我國(guó)大力引導(dǎo)船舶行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，基于現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展船舶動(dòng)力系統(tǒng)自動(dòng)化、集成化、信息化和智能化技術(shù)。目前，雖已有部分將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、5G技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)應(yīng)用到船舶系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究中的報(bào)道[7-9]，但這些技術(shù)在船舶動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)維服務(wù)中的應(yīng)用仍然較少，且大多應(yīng)用于船上設(shè)備或系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)控，缺少進(jìn)一步對(duì)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的處理研究[10-13]。針對(duì)船舶動(dòng)力系統(tǒng)維護(hù)服務(wù)的智能化和信息化需求，本文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)和云技術(shù)的船舶動(dòng)力智能運(yùn)維服務(wù)系統(tǒng)，為船舶動(dòng)力系統(tǒng)提供高質(zhì)量的智能運(yùn)維服務(wù)。基于智能運(yùn)維服務(wù)系統(tǒng)的需求分析，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，分析船端和岸端系統(tǒng)的基本功能。

1 需求分析

船舶動(dòng)力智能運(yùn)維服務(wù)系統(tǒng)旨在對(duì)船舶動(dòng)力系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)報(bào)警以及預(yù)測(cè)性運(yùn)維服務(wù)，構(gòu)建統(tǒng)一的數(shù)據(jù)資源池，提供流式數(shù)據(jù)以及結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的混合處理引擎。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化治理以及元數(shù)據(jù)管理，提供動(dòng)力系統(tǒng)業(yè)務(wù)算法實(shí)施框架，為實(shí)現(xiàn)船舶動(dòng)力系統(tǒng)大數(shù)據(jù)應(yīng)用提供數(shù)據(jù)和計(jì)算支撐。

著眼于當(dāng)今船舶智能化發(fā)展需求，圍繞船舶動(dòng)力系統(tǒng)集成全生命運(yùn)維管理解決方案，基于船舶動(dòng)力系統(tǒng)全生命周期的運(yùn)行管理信息系統(tǒng)，匯集全生命周期核心資源。利用智能傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、云技術(shù)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)手段，自動(dòng)感知和獲取船舶設(shè)備、海洋環(huán)境、物流、船舶航行等方面的信息和數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)庫(kù)，結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和大數(shù)據(jù)處理與分析技術(shù)為船岸互通搭建橋梁，實(shí)現(xiàn)船陸一體化與遠(yuǎn)程服務(wù)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

船舶動(dòng)力智能運(yùn)維系統(tǒng)分為三個(gè)子系統(tǒng)：船舶動(dòng)力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱船端系統(tǒng)）、岸端大數(shù)據(jù)運(yùn)維服務(wù)系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱岸端系統(tǒng)）和網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)，系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。船端系統(tǒng)和岸端系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)連接后協(xié)同工作。從物理空間的角度看，船端系統(tǒng)和船端數(shù)據(jù)上傳部分位于各船舶上，岸端系統(tǒng)和云端數(shù)據(jù)接收部分位于岸上。

圖1 船舶動(dòng)力智能運(yùn)維系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)示意圖

船端系統(tǒng)部署在船舶上，設(shè)計(jì)容量為500條船，采集船舶動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)、輔助數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，提供監(jiān)測(cè)報(bào)警、基礎(chǔ)設(shè)備數(shù)據(jù)維護(hù)等輔助功能。

岸端系統(tǒng)除了監(jiān)測(cè)報(bào)警功能外，還提供基于大數(shù)據(jù)的健康管理、能效分析、賬戶管理、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)維護(hù)等輔助功能。網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)部署在云上，實(shí)時(shí)與500條船上的船端系統(tǒng)建立網(wǎng)絡(luò)連接，并接收船舶動(dòng)力系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，將動(dòng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在大數(shù)據(jù)云服務(wù)器集群上。

從物聯(lián)網(wǎng)的角度，又可以將系統(tǒng)劃分為船舶動(dòng)力系統(tǒng)、感知層、船端傳輸層、船端應(yīng)用層、云端傳輸層和云端應(yīng)用層。船端傳輸層同時(shí)為船端應(yīng)用層和云端傳輸層提供數(shù)據(jù)來(lái)源。

3 船舶動(dòng)力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

船舶動(dòng)力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要用于采集船舶的動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)和相關(guān)輔助數(shù)據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)提供視頻監(jiān)控，具有監(jiān)測(cè)報(bào)警、基礎(chǔ)設(shè)備數(shù)據(jù)維護(hù)等輔助功能。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分為Client（客戶端運(yùn)維服務(wù)子系統(tǒng)）/Server（服務(wù)器端運(yùn)維服務(wù)子系統(tǒng)），分別運(yùn)行在不同的終端機(jī)器上，要求能夠在船舶局域網(wǎng)內(nèi)通過(guò)客戶端實(shí)時(shí)查看動(dòng)力系統(tǒng)數(shù)據(jù)。

在系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)時(shí)，需要關(guān)注客戶端和服務(wù)器端子系統(tǒng)之間的通信。它們之間的通信分為以下4種：

（1）主要用于傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)到客戶端的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信；

（2）主要用于客戶端從服務(wù)器端查詢歷史數(shù)據(jù)的歷史數(shù)據(jù)通信；

（3）主要用于傳輸報(bào)警數(shù)據(jù)到客戶端的報(bào)警數(shù)據(jù)通信；

（4）主要用于用戶登錄等系統(tǒng)服務(wù)管理功能的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)通信。

上述通信均通過(guò)工業(yè)件服務(wù)的遠(yuǎn)程服務(wù)調(diào)用實(shí)現(xiàn)。采集系統(tǒng)總體上分為兩大類工業(yè)件，即客戶端和服務(wù)器端的數(shù)據(jù)管理類工業(yè)件。它們分別運(yùn)行在兩個(gè)進(jìn)程中，之間僅存在邏輯連接關(guān)系，主要通過(guò)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程服務(wù)調(diào)用。

3.1 服務(wù)器端運(yùn)維服務(wù)子系統(tǒng)

服務(wù)器端的主要功能是從船舶信息系統(tǒng)接收船舶動(dòng)力實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、從左右遙測(cè)系統(tǒng)接收船舶動(dòng)力實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、從左右轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x采集主機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、從氣象儀與北斗系統(tǒng)采集航行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)、為客戶端提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)推送功能、為客戶端提供歷史數(shù)據(jù)查詢接口。按照功能角度又可以分解為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集模塊、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)模塊、報(bào)警服務(wù)模塊、歷史數(shù)據(jù)服務(wù)模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)模塊、數(shù)據(jù)上報(bào)傳輸模塊。

3.2 客戶端運(yùn)維服務(wù)子系統(tǒng)

客戶端的主要功能是接收服務(wù)器子系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)、接收服務(wù)器子系統(tǒng)實(shí)時(shí)報(bào)警數(shù)據(jù)、查詢服務(wù)器子系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)、按照船舶總體展示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、按照各設(shè)備展示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、提供歷史數(shù)據(jù)查詢功能、顯示海康威視現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控視頻。按照功能角度又可以分解為數(shù)據(jù)服務(wù)管理模塊、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊、歷史數(shù)據(jù)模塊、報(bào)警數(shù)據(jù)模塊、視頻監(jiān)控模塊。

4 網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)

網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)主要用于連接船舶動(dòng)力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與岸端大數(shù)據(jù)運(yùn)維服務(wù)系統(tǒng)，其軟件架構(gòu)在邏輯上分為3個(gè)層次：數(shù)據(jù)接入層、數(shù)據(jù)管理層、數(shù)據(jù)上傳層。

數(shù)據(jù)接入層負(fù)責(zé)管理最多500艘船的網(wǎng)絡(luò)接入，實(shí)時(shí)接收最多500艘船的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，同時(shí)接收最多500艘船的歷史數(shù)據(jù)，并向數(shù)據(jù)管理層上報(bào)船舶在線狀態(tài)。

數(shù)據(jù)管理層主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)訂閱管理，滿足運(yùn)維系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取在線船舶動(dòng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的要求?？紤]到船舶處于非常不穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，且從船端上傳的歷史數(shù)據(jù)量較大，往往無(wú)法一次上傳成功，因此需要借助歷史數(shù)據(jù)的斷點(diǎn)續(xù)傳功能管理船舶在線狀態(tài)，為運(yùn)維系統(tǒng)提供船舶在線狀態(tài)查詢能力。數(shù)據(jù)上傳層根據(jù)運(yùn)維系統(tǒng)訂閱請(qǐng)求，實(shí)時(shí)上傳在線船舶動(dòng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。從船端接收歷史數(shù)據(jù)后，上傳歷史數(shù)據(jù)到岸端運(yùn)維大數(shù)據(jù)系統(tǒng)。歷史數(shù)據(jù)按照設(shè)備號(hào)/年/月/日目錄結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)，以1天或者半小時(shí)為單位切片存儲(chǔ)。為岸端運(yùn)維大數(shù)據(jù)系統(tǒng)提供在線狀態(tài)查詢服務(wù)。支持HTTPS協(xié)議傳輸，保障數(shù)據(jù)安全。數(shù)據(jù)上傳時(shí)需壓縮，以減少帶寬壓力，縮短上傳時(shí)間。

5 岸端大數(shù)據(jù)運(yùn)維服務(wù)系統(tǒng)

岸端大數(shù)據(jù)運(yùn)維服務(wù)系統(tǒng)旨在實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)以及預(yù)測(cè)性運(yùn)維服務(wù)，構(gòu)建統(tǒng)一的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)資源池，其軟件架構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)可提供流式數(shù)據(jù)以及結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的混合處理引擎，對(duì)船舶動(dòng)力系統(tǒng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理以及元數(shù)據(jù)管理；提供具備船舶動(dòng)力系統(tǒng)特色的機(jī)器學(xué)習(xí)引擎算法，為實(shí)現(xiàn)切實(shí)可用的動(dòng)力相關(guān)大數(shù)據(jù)應(yīng)用提供數(shù)據(jù)和計(jì)算支撐。

圖2 岸端大數(shù)據(jù)運(yùn)維服務(wù)系統(tǒng)軟件架構(gòu)

岸端大數(shù)據(jù)運(yùn)維服務(wù)系統(tǒng)軟件架構(gòu)邏輯分為如下5個(gè)層次。

（1）數(shù)據(jù)源層：主要對(duì)接網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)的上傳層，獲取船舶動(dòng)力數(shù)據(jù)；

（2）數(shù)據(jù)采集層：準(zhǔn)確實(shí)時(shí)采集所有船舶動(dòng)力數(shù)據(jù)，清洗數(shù)據(jù)，保證動(dòng)力數(shù)據(jù)質(zhì)量；

（3）數(shù)據(jù)管理層：保存、管理、查詢、刪改采集的船舶動(dòng)力數(shù)據(jù)；

（4）數(shù)據(jù)計(jì)算層：為基于船舶動(dòng)力數(shù)據(jù)運(yùn)維過(guò)程中需要的健康預(yù)測(cè)、能耗分析等環(huán)節(jié)提供運(yùn)算支持；

（5）數(shù)據(jù)應(yīng)用層：由用戶對(duì)船舶動(dòng)力的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、健康預(yù)測(cè)、能耗分析等處理結(jié)果采用表格、曲線、報(bào)表等形式進(jìn)行人機(jī)交互處理或集中大屏顯示。

岸端大數(shù)據(jù)運(yùn)維服務(wù)系統(tǒng)提供支持全生命周期的大數(shù)據(jù)平臺(tái)，主體包括數(shù)據(jù)抽取、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理、數(shù)據(jù)模型與存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)交換與應(yīng)用。根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，選擇不同的大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)組件，主要分為用于流式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和路由的Kafka集群、用于時(shí)序數(shù)據(jù)快速檢索的ElasticSearch集群、用于結(jié)果數(shù)據(jù)以及OLAP分析的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)以及用于保存文件數(shù)據(jù)、歸檔數(shù)據(jù)的Hadoop集群。

計(jì)算處理主要包含流式處理以及批處理支持。在計(jì)算框架層面，默認(rèn)支持以YARN為資源調(diào)度的Spark計(jì)算平臺(tái)、Flink計(jì)算平臺(tái)以及Hive；在語(yǔ)言層面，主要以Python、R、Scala的在線編寫為主；調(diào)度層面，提供批處理算法的DAG調(diào)度模式以及流式處理算法的部署。系統(tǒng)還會(huì)對(duì)運(yùn)行的所有算法過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控展現(xiàn)。通過(guò)計(jì)算處理調(diào)度框架實(shí)現(xiàn)計(jì)算資源的均衡部署，實(shí)現(xiàn)CPU資源和存儲(chǔ)資源利用的最大化。

6 結(jié) 語(yǔ)

設(shè)計(jì)船舶動(dòng)力智能運(yùn)維服務(wù)系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和基本功能，闡述船舶動(dòng)力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)和岸端大數(shù)據(jù)運(yùn)維服務(wù)系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)和功能。此系統(tǒng)支持船-云-岸多場(chǎng)景大數(shù)據(jù)運(yùn)維服務(wù)，將其應(yīng)用到實(shí)際船舶中將為企業(yè)與船舶動(dòng)力系統(tǒng)營(yíng)運(yùn)發(fā)展帶來(lái)可觀的效益。