王小輝，金華標(biāo)，秦 雷,李 朋

(1.武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，湖北 武漢 430063；2.長江海事局，湖北 武漢 430016)

船舶風(fēng)險管理即運用科學(xué)管理辦法，制定或采取合理安全措施，有效地防范和控制船舶航行中的風(fēng)險[1]。建立船舶風(fēng)險管理系統(tǒng)，對船舶機艙重要設(shè)備和系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)進行實時監(jiān)控，并分析相關(guān)參數(shù)變化與船機故障的關(guān)系，明確造成風(fēng)險的具體機制和影響后果，對提升船舶安全有重要意義。

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫有2種選擇方式，一種是選用SQL Server[2-3]、Mysql[4]等關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，此類數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不利于數(shù)據(jù)的擴展且無法做到大量數(shù)據(jù)的實時寫入。另一種是選用MongoDB[5]、Redis[6]等非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，但此類數(shù)據(jù)的開發(fā)與維護成本較高。在船舶風(fēng)險管理系統(tǒng)中，由于船舶各類數(shù)據(jù)的實時性高，數(shù)據(jù)量大，且較為嚴(yán)格地按照時間序列進行排列，在數(shù)據(jù)查詢過程中，也以時間段查詢?yōu)橹?，致使傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫無法滿足船舶風(fēng)險管理系統(tǒng)使用要求。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫由于結(jié)構(gòu)問題或開發(fā)與維護成本，均不適用于作為船舶風(fēng)險管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫。某地鐵風(fēng)險管理系統(tǒng)的設(shè)計中，設(shè)計者使用SQL Server作為其數(shù)據(jù)庫，存在數(shù)據(jù)寫入能力不足的問題[7]；時間序列數(shù)據(jù)庫(TSDB)已經(jīng)在高速鐵路接觸網(wǎng)在線監(jiān)測系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)庫的設(shè)計中得到運用，并取得了良好的效果[8-9]。在此基礎(chǔ)上，本文將TSDB引入到船舶風(fēng)險管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫建設(shè)中，同時，通過使用基于三次指數(shù)平滑法(Holt-Winters算法)的數(shù)據(jù)預(yù)處理方法，將接收的數(shù)據(jù)進行解析后預(yù)處理，將缺失數(shù)據(jù)進行補充，將錯誤數(shù)據(jù)進行修正，保證數(shù)據(jù)在實時顯示及監(jiān)測時的準(zhǔn)確性，防止監(jiān)測系統(tǒng)的誤報警等一系列問題[10-11]。

1 船舶風(fēng)險管理系統(tǒng)整體設(shè)計

船舶風(fēng)險管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫整體系統(tǒng)示意圖見圖1。船舶實時數(shù)據(jù)通過公網(wǎng)傳輸至岸端，其中數(shù)據(jù)包括主機負荷、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、燃油溫度等多個參數(shù)，通過接收與解析、異常數(shù)據(jù)剔除及缺失數(shù)據(jù)補充的數(shù)據(jù)預(yù)處理后，將數(shù)據(jù)存入TSDB中；后續(xù)讀取TSDB中數(shù)據(jù)，實現(xiàn)實時監(jiān)測、超限報警、數(shù)據(jù)分析及風(fēng)險預(yù)警等功能；并搭建相應(yīng)的數(shù)據(jù)平臺，將監(jiān)測內(nèi)容與后續(xù)分析結(jié)果進行可視化展示。

圖1 數(shù)據(jù)庫整體系統(tǒng)示意圖

2 數(shù)據(jù)接收與預(yù)處理

數(shù)據(jù)發(fā)送裝置將實時數(shù)據(jù)發(fā)送至岸端時，在保證數(shù)據(jù)可讀性的同時，防止他人竊取或篡改數(shù)據(jù)，需通過統(tǒng)一協(xié)議進行發(fā)送；與此同時，由于網(wǎng)絡(luò)等問題，數(shù)據(jù)會出現(xiàn)錯誤或者缺失。因此在接收到數(shù)據(jù)后，需先進行數(shù)據(jù)解析，然后進行異常值的剔除與缺失值的填充。

2.1 數(shù)據(jù)接收與解析

在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，為了避免發(fā)生信息泄露及信息錯誤，必須制訂或使用相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，本系統(tǒng)采用基于JT-T808協(xié)議的自定義協(xié)議，協(xié)議框架圖如圖2所示。參考JT-T808協(xié)議，每包數(shù)據(jù)以“0x7e”為起始位和終止位，數(shù)據(jù)中的“0x7e”均以“0x7d”后緊跟“0x02”代替，數(shù)據(jù)中的“0x7d”均以“0x7d”后緊跟“0x01”代替，以保證數(shù)據(jù)中不與標(biāo)志位中的“0x7e”沖突。標(biāo)志位后緊跟的消息頭中包含數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)是否分包等信息，消息體包含所有參數(shù)信息，在傳遞參數(shù)時，通過一套自定義協(xié)議對船舶設(shè)備參數(shù)進行定義，在解析過程中，只有通過相應(yīng)的協(xié)議才能正確解析數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)即使被截取之后，仍不能獲取其數(shù)據(jù)信息；后續(xù)的異或校驗位用于上位在接收數(shù)據(jù)后判別數(shù)據(jù)是否和下位發(fā)送數(shù)據(jù)不一致，避免接收錯誤信息。

圖2 協(xié)議框架圖

解包與數(shù)據(jù)解析流程圖如圖3所示，系統(tǒng)在接收到數(shù)據(jù)后，進行解包與解析工作。接收到數(shù)據(jù)后，首先對接收到的數(shù)據(jù)進行拆包解析，通過“0x7e”這一數(shù)據(jù)標(biāo)識位找到數(shù)據(jù)包的起始位置與結(jié)束位置，之后根據(jù)協(xié)議內(nèi)容對數(shù)據(jù)體進行轉(zhuǎn)義，即將消息體“0x7d 0x01”轉(zhuǎn)換成“0x7d”，將“0x7d 0x02”轉(zhuǎn)換為“0x7e”，保證數(shù)據(jù)可以準(zhǔn)確解析，通過異或校驗算法對數(shù)據(jù)進行校驗，保證接收數(shù)據(jù)與發(fā)送數(shù)據(jù)一致。

圖3 解包與數(shù)據(jù)解析流程圖

2.2 異常數(shù)據(jù)剔除

在本系統(tǒng)中，按照上述協(xié)議無法解析成功的數(shù)據(jù)認定為異常數(shù)據(jù)。同時，由于傳感器故障及網(wǎng)絡(luò)通信問題，可能造成相關(guān)參數(shù)數(shù)值錯誤，通過設(shè)置數(shù)據(jù)參數(shù)上下限，對部分數(shù)據(jù)進行鑒別后，剔除超限數(shù)據(jù)。對于數(shù)據(jù)包中用于鑒定范圍的數(shù)據(jù)集合[X1,X2,…,Xn]，其任一參數(shù)上、下限為Ximax與Ximin，對參數(shù)分別進行判別：

(1)

在解析數(shù)據(jù)包時，若[X1,X2,…,Xn]中存在任一Xi不在[Ximin,Ximax]的范圍內(nèi)，則認為該數(shù)據(jù)包存在錯誤，將此數(shù)據(jù)舍棄，不存入數(shù)據(jù)庫中。部分鑒別參數(shù)范圍如表1所示。

表1 部分鑒別參數(shù)范圍

2.3 缺失數(shù)據(jù)填充

由于在傳輸過程中存在數(shù)據(jù)漏傳，以及在上述過程中對部分錯誤數(shù)據(jù)進行了篩除，因此，按照某一時間周期或時間段進行時序查詢，可能存在多個時間點的數(shù)據(jù)缺失。由于船舶風(fēng)險數(shù)據(jù)的接收頻率較高，而采集數(shù)據(jù)多為船機設(shè)備的參數(shù)，參數(shù)變化是一個連續(xù)的過程，缺失值和與缺失值前后的數(shù)據(jù)有較強的關(guān)聯(lián)性。因此，為消除此類數(shù)據(jù)缺失對后續(xù)數(shù)據(jù)分析的影響，本文采用Holt-Winters算法對此類缺失數(shù)據(jù)進行填充。三次指數(shù)平滑公式為：

(2)

(3)

At、Bt、Ct分別為：

(4)

(5)

(6)

3 功能測試

為了測試設(shè)計的系統(tǒng)性能，通過搭建功能調(diào)試平臺，在實驗室環(huán)境下進行功能測試，在驗證預(yù)處理算法對錯誤數(shù)據(jù)與缺失數(shù)據(jù)的處理能力時，由于實驗室環(huán)境下網(wǎng)絡(luò)狀況良好，模擬數(shù)據(jù)的相關(guān)參數(shù)出現(xiàn)錯誤數(shù)據(jù)與缺失數(shù)據(jù)沒有隨機性，在實際運營船舶上進行實船測試，以運營船舶實際數(shù)據(jù)進行預(yù)處理功能測試。

3.1 數(shù)據(jù)接收與解析驗證

通過1臺PC機和1個數(shù)據(jù)發(fā)送源在實驗室內(nèi)搭建的測試環(huán)境，將與真實數(shù)據(jù)格式一致的模擬數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)發(fā)送源向系統(tǒng)發(fā)送測試數(shù)據(jù)，同時令其向網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手發(fā)送十六進制數(shù)據(jù)，若網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手能成功接收到數(shù)據(jù)并解析正確，則證明數(shù)據(jù)發(fā)送源功能正常。在測試時，發(fā)送轉(zhuǎn)速為638 r/min，轉(zhuǎn)矩為220 N·m的2個測試參數(shù)，則變換為十六進制數(shù)據(jù)“0x7e 0x02 0x7e 0xDC 0x7e”，在網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手上接收數(shù)據(jù)為“0x7e 0x02 0x7d 0x02 0xDC 0x7e”，在數(shù)據(jù)發(fā)送過程中，發(fā)送裝置根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議要求，將除起始位與終止位的其他數(shù)據(jù)的“ 0x7e”轉(zhuǎn)換為“0x7d 0x02”。系統(tǒng)接收到此數(shù)據(jù)后，解析得出轉(zhuǎn)速為638 r/min，轉(zhuǎn)矩為220 N·m，與發(fā)送數(shù)據(jù)吻合。多次測試，并將解析后數(shù)據(jù)與發(fā)送數(shù)據(jù)及網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手接收數(shù)據(jù)進行逐一比對，驗證得到結(jié)果相同。

3.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理效果驗證

通過對比使用數(shù)據(jù)預(yù)處理算法與未使用預(yù)處理算法的運營船舶實際數(shù)據(jù)進行對比分析，檢驗數(shù)據(jù)預(yù)處理的效果，發(fā)動機轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)處理前、后對比如圖4所示，選取某一時間段該船的轉(zhuǎn)速為預(yù)處理算法的評價指標(biāo)。由圖4(a)知，在預(yù)處理前，可發(fā)現(xiàn)A、B等多處轉(zhuǎn)速為0，在船舶實際運行中，不會出現(xiàn)此類轉(zhuǎn)速突然變?yōu)?，又馬上恢復(fù)正常的工況，可認定此類數(shù)據(jù)為缺失或錯誤數(shù)據(jù)。由圖4(b)知，使用數(shù)據(jù)預(yù)處理后，A、B兩點的缺失數(shù)據(jù)和錯誤數(shù)據(jù)得到了補充和修正，其他未錯誤的數(shù)據(jù)與預(yù)處理前一致。發(fā)動機轉(zhuǎn)矩數(shù)據(jù)預(yù)處理前、后對比如圖5所示，選取另一時間段船舶的轉(zhuǎn)矩為預(yù)處理算法的評價指標(biāo)。由圖5(a)知，C、D、E點等處轉(zhuǎn)矩明顯超出船舶正常轉(zhuǎn)矩范圍，可認定此類數(shù)據(jù)為缺失或錯誤數(shù)據(jù)。由圖5(b)知，使用數(shù)據(jù)預(yù)處理后，C、D、E等處的缺失數(shù)據(jù)和錯誤數(shù)據(jù)得到了補充和修正，其他位置數(shù)據(jù)與預(yù)處理前一致。選取多個不同時間段的數(shù)據(jù)、并以分別以不同參數(shù)為評價指標(biāo)，驗證結(jié)果顯示預(yù)處理后缺失數(shù)據(jù)和錯誤數(shù)據(jù)被很好地補充和修正。

圖4 發(fā)動機轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)預(yù)處理前、后對比

圖5 發(fā)動機轉(zhuǎn)矩數(shù)據(jù)預(yù)處理前、后對比

4 結(jié)束語

本文將TSDB數(shù)據(jù)庫應(yīng)用于船舶機艙重要設(shè)備的風(fēng)險管理系統(tǒng)中，提高了數(shù)據(jù)庫大量實時數(shù)據(jù)寫入和數(shù)據(jù)查詢能力，并通過在存庫時進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，使用Holt-Winters算法，將缺失數(shù)據(jù)補充回填。經(jīng)過驗證，通過預(yù)處理之后的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性與可讀性明顯提高。