凌君誼

(上海海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院，上海 200120)

隨著科技的迅速發(fā)展，越來(lái)越多的先進(jìn)技術(shù)在船舶領(lǐng)域逐步得到應(yīng)用，船岸一體化智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是當(dāng)前船舶領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，也是船舶智能化發(fā)展過(guò)程中需要攻克的關(guān)鍵技術(shù)。智能化船舶在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中呈現(xiàn)多維度、多層次、動(dòng)態(tài)化的大數(shù)據(jù)特點(diǎn)，設(shè)備之間的數(shù)據(jù)采集過(guò)程相互獨(dú)立，形成信息孤島，而且隨著船舶數(shù)據(jù)采集手段日益豐富，所獲取到的船舶狀態(tài)數(shù)據(jù)種類(lèi)、數(shù)量都呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)，僅依靠傳統(tǒng)監(jiān)控手段難以滿足船舶對(duì)于數(shù)據(jù)采集效率和實(shí)時(shí)性的需求，這就要求船舶監(jiān)控系統(tǒng)具有智能化的數(shù)據(jù)采集和處理能力。

為了滿足當(dāng)今船舶對(duì)于監(jiān)控系統(tǒng)的需求，應(yīng)進(jìn)行基于物聯(lián)網(wǎng)的船岸一體化大數(shù)據(jù)智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。物聯(lián)網(wǎng)是通信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的拓展應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)延伸，利用感知技術(shù)與智能裝置對(duì)物理世界進(jìn)行感知識(shí)別，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸互聯(lián)、計(jì)算、處理，實(shí)現(xiàn)人與物、物與物之間的信息交互和無(wú)縫連接，達(dá)到對(duì)物理世界實(shí)時(shí)控制、精確管理和科學(xué)決策的目的[1]。船舶設(shè)備基于現(xiàn)有的通信設(shè)施互聯(lián)形成物聯(lián)網(wǎng)，能夠?qū)崿F(xiàn)資源融合、信息交換以及智能遠(yuǎn)程監(jiān)控。

1 系統(tǒng)需求分析

船舶智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是為實(shí)現(xiàn)船舶的安全健康航行的目標(biāo)服務(wù)的，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性和可靠性關(guān)系到能否提供便利有效的智能信息服務(wù)，直接影響船舶的航行安全，因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)前開(kāi)展需求分析是十分必要的。根據(jù)用戶(hù)需求分析，船舶海洋智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的基本功能包括以下內(nèi)容。

1)實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)顯示。顯示船舶實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)是船舶監(jiān)控系統(tǒng)最基本的功能，船舶管理人員通過(guò)布置在應(yīng)用端的數(shù)據(jù)顯示設(shè)備，獲取船舶的實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)，了解當(dāng)前船舶運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行船舶的管理工作。

2)狀態(tài)數(shù)據(jù)可視化展示。船舶狀態(tài)數(shù)據(jù)的可視化，以圖表等形式展示船舶運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)，為船舶運(yùn)營(yíng)管理提供參考依據(jù)。

3)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸。通過(guò)無(wú)線鏈路遠(yuǎn)程傳輸船端所采集的船舶運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)，通過(guò)岸基平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，傳入應(yīng)用層，利用終端設(shè)備實(shí)現(xiàn)不同場(chǎng)景的應(yīng)用。

4)設(shè)備信息融合。建立通用數(shù)據(jù)平臺(tái)，打破信息孤島，采用統(tǒng)一規(guī)范手段將數(shù)據(jù)在“云端”進(jìn)行存儲(chǔ)和格式轉(zhuǎn)換，方便“云端”不同功能模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和挖掘，實(shí)現(xiàn)物與物相連的物聯(lián)網(wǎng)需求，降低系統(tǒng)使用和維護(hù)成本[2]。

5)岸基遠(yuǎn)程監(jiān)控運(yùn)維。為滿足船舶多維度、多層次、動(dòng)態(tài)化的監(jiān)控需求，建立監(jiān)控系統(tǒng)岸基遠(yuǎn)程運(yùn)維中心，利用大數(shù)據(jù)平臺(tái)，為業(yè)務(wù)端不同功能模塊提供數(shù)據(jù)服務(wù)。

2 智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)拓?fù)浼軜?gòu)

船舶智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)在功能實(shí)現(xiàn)上，需要在智能數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上通過(guò)高效可靠的數(shù)據(jù)傳輸鏈路，將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、高效地傳輸?shù)竭h(yuǎn)程運(yùn)維平臺(tái)，并且遠(yuǎn)程運(yùn)維平臺(tái)應(yīng)能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行收集、處理、存儲(chǔ)和挖掘，為船舶的電力系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、推進(jìn)器等進(jìn)行遠(yuǎn)程運(yùn)行監(jiān)控。

智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)將基于物聯(lián)網(wǎng)制定有效實(shí)用的智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)，總體架構(gòu)可以分為船端數(shù)據(jù)采集、無(wú)線數(shù)據(jù)鏈路、岸端遠(yuǎn)程運(yùn)維中心和應(yīng)用層4個(gè)部分，前3個(gè)部分對(duì)應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)中的“物端”“網(wǎng)端”和“云端”3個(gè)層次架構(gòu)，應(yīng)用層則是監(jiān)控系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)終端，船舶智能遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 船舶智能遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)

船端數(shù)據(jù)采集層為物聯(lián)網(wǎng)的“物端”，主要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集、緩沖存儲(chǔ)以及各采集系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交互等。無(wú)線通訊鏈路為物聯(lián)網(wǎng)的“網(wǎng)端”，可以利用現(xiàn)場(chǎng)總線、4G無(wú)線、單邊帶(SSB)短波、因特網(wǎng)等多種方式組合與岸上通訊，搭建起實(shí)時(shí)可靠、使用價(jià)格低廉的通訊數(shù)據(jù)鏈路。岸端遠(yuǎn)程運(yùn)維平臺(tái)為物聯(lián)網(wǎng)的“云端”，由各類(lèi)軟件基礎(chǔ)工具和服務(wù)器、磁盤(pán)陣列等軟硬件組成。

軟件平臺(tái)由實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)軟件和工具軟件(分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)、虛擬化系統(tǒng)、資源管理系統(tǒng)和業(yè)務(wù)支撐引擎)組成。硬件平臺(tái)包括應(yīng)用服務(wù)器、存儲(chǔ)服務(wù)器、硬件防火墻、虛擬化工具和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，通過(guò)虛擬化技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用服務(wù)的隔離運(yùn)行和冗余服務(wù)。

應(yīng)用層是遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的終端部分，實(shí)現(xiàn)智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)各類(lèi)管理功能，主要包括電腦、平板、手機(jī)和AR設(shè)備等載體以及業(yè)務(wù)管理軟件。在運(yùn)維平臺(tái)的支持下，實(shí)現(xiàn)船舶的遠(yuǎn)程監(jiān)控、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、趨勢(shì)分析、狀態(tài)預(yù)警、視頻監(jiān)控、備件管理、性能監(jiān)測(cè)、對(duì)標(biāo)管理、GIS實(shí)時(shí)信息、報(bào)警及故障處理、運(yùn)營(yíng)維護(hù)、AR場(chǎng)景模擬和交互維修等功能。

3 智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)采集與管理技術(shù)

狀態(tài)數(shù)據(jù)采集與管理是智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的核心技術(shù)，需要打破以往設(shè)備獨(dú)立感知和信息孤島的壁壘，建立一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的在線數(shù)據(jù)采集。然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、壓縮后進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸。

在建立統(tǒng)一數(shù)據(jù)環(huán)境的基礎(chǔ)上[3]，為了提高數(shù)據(jù)采集的效率和有效性，需要根據(jù)活動(dòng)目標(biāo)和信息分析的需求進(jìn)行選擇性和有所側(cè)重的數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)以分析目標(biāo)為導(dǎo)向的采集策略[4]。建立一套兼顧運(yùn)算邏輯、機(jī)理模型、運(yùn)行目的和信號(hào)處理等要求的控制邏輯和控制模型。采用定時(shí)啟動(dòng)和事件觸發(fā)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集流程，可有效避免資源搶占擁堵現(xiàn)象，以及縮短部分流程的超長(zhǎng)等待時(shí)間，從而更有效地提升所有采集流程的整體完成時(shí)間。

在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的全面性和選擇性采集的基礎(chǔ)上，還要解決各類(lèi)監(jiān)控系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立造成的采集效率低和信息冗余等問(wèn)題。解決該問(wèn)題需要進(jìn)行監(jiān)控系統(tǒng)的多系統(tǒng)融合，通過(guò)監(jiān)控多元數(shù)據(jù)的融合和傳感設(shè)備的共用來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)共享。

船舶監(jiān)控系統(tǒng)具有采樣頻率高、數(shù)據(jù)量大的特點(diǎn)，如果不能對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，將對(duì)通訊和存儲(chǔ)資源造成巨大的浪費(fèi)。因此我們需要在船端和岸端分別應(yīng)用數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，提高壓縮比。數(shù)據(jù)壓縮后會(huì)進(jìn)行加密再傳輸至岸端。船端也應(yīng)具有一定的存儲(chǔ)功能，當(dāng)船舶處于無(wú)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)或數(shù)據(jù)回傳不通時(shí)，能夠在船載終端存儲(chǔ)采集到的數(shù)據(jù)，等待回傳通信正常時(shí)再回傳至遠(yuǎn)程監(jiān)管中心。

在上述分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行船舶智能數(shù)據(jù)采集及管理技術(shù)開(kāi)發(fā)，數(shù)據(jù)采集及管理框架見(jiàn)圖2。

圖2 數(shù)據(jù)采集及管理框架

首先，結(jié)合數(shù)據(jù)采集的完備性與選擇性，確定需要采集的數(shù)據(jù)種類(lèi)。船舶所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)種類(lèi)可以分為基礎(chǔ)信息和狀態(tài)信息，而監(jiān)控系統(tǒng)所關(guān)注的數(shù)據(jù)類(lèi)型一般為狀態(tài)信息。數(shù)據(jù)采集單元采集到的數(shù)據(jù)兼容不同的通訊協(xié)議，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)采集網(wǎng)關(guān)設(shè)備通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工控網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)(以太網(wǎng)、串網(wǎng)、CAN網(wǎng)、無(wú)線網(wǎng))傳入綜合數(shù)據(jù)處理單元。之后數(shù)據(jù)一方面會(huì)直接傳入顯控單元，實(shí)時(shí)顯示狀態(tài)數(shù)據(jù)，為船舶管理提供支持；另一方面經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)融合后傳入故障報(bào)警系統(tǒng)，保障船舶安全。融合后的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)質(zhì)量識(shí)別獲取高質(zhì)量數(shù)據(jù)，并壓縮和加密后傳入數(shù)據(jù)傳輸模塊，通過(guò)4G、AIS和北斗等無(wú)線鏈路進(jìn)行船岸通信。

4 智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)岸基遠(yuǎn)程運(yùn)維平臺(tái)設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)岸基遠(yuǎn)程運(yùn)維平臺(tái)由硬件層和軟件層2部分組成，通過(guò)無(wú)線鏈路獲取船端數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)預(yù)處理后存入數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)分析和挖掘后傳入應(yīng)用層，實(shí)現(xiàn)智能遠(yuǎn)程監(jiān)控。遠(yuǎn)程運(yùn)維平臺(tái)工作流程圖如圖3所示。

圖3 遠(yuǎn)程運(yùn)維平臺(tái)工作流程圖

4.1 遠(yuǎn)程運(yùn)維平臺(tái)硬件層設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程運(yùn)維平臺(tái)硬件層主要包括數(shù)據(jù)接收模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊、硬件防火墻、UPS、磁盤(pán)陣列、空調(diào)和服務(wù)器。通過(guò)私有云架構(gòu)方案，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)集群的內(nèi)存、CPU、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)等設(shè)備資源進(jìn)行管理，有效利用服務(wù)器資源并提供備份方案。

該架構(gòu)采用2臺(tái)交換機(jī)和2路冗余100 M光纖網(wǎng)絡(luò)接入的形式，提高帶寬和數(shù)據(jù)讀寫(xiě)能力；接入雙路電源和雙UPS來(lái)保證運(yùn)維中心的電力供應(yīng)；采用多臺(tái)高性能服務(wù)器應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)讀取、存儲(chǔ)、備份和挖掘分析，滿足Web服務(wù)、應(yīng)用層功能設(shè)計(jì)和AR場(chǎng)景搭建等不同需求。

4.2 遠(yuǎn)程運(yùn)維平臺(tái)軟件層設(shè)計(jì)

運(yùn)維平臺(tái)軟件層的設(shè)計(jì)包括數(shù)據(jù)收集軟件開(kāi)發(fā)，實(shí)時(shí)收集船舶運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，為后續(xù)挖掘分析提供基礎(chǔ)；大數(shù)據(jù)分析工具和數(shù)據(jù)建模工具設(shè)計(jì)，為系統(tǒng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)提供算法支撐；應(yīng)用框架開(kāi)發(fā)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)，集成數(shù)據(jù)查詢(xún)接口、大數(shù)據(jù)分析模塊、數(shù)據(jù)分析建模常用算法和半組態(tài)應(yīng)用開(kāi)發(fā)環(huán)境的技術(shù)。

遠(yuǎn)程運(yùn)維平臺(tái)設(shè)計(jì)采用ETL工具中的RabbitMQ和StreamSets來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并傳入數(shù)據(jù)庫(kù)，采用時(shí)序型數(shù)據(jù)庫(kù)Raik TS作為運(yùn)維中心的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)平臺(tái)，遠(yuǎn)程運(yùn)維平臺(tái)軟件層架構(gòu)如圖4所示。

圖4 遠(yuǎn)程運(yùn)維平臺(tái)軟件層架構(gòu)

最終實(shí)現(xiàn)以下功能。

1)數(shù)據(jù)分析挖掘。通過(guò)PCA算法進(jìn)行數(shù)據(jù)相關(guān)度分析，確定船舶運(yùn)營(yíng)的主要影響因素；采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行動(dòng)力系統(tǒng)主要設(shè)備健康狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和分析，為決策提供依據(jù)；采用深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)模型提取設(shè)備微小故障診斷特征，進(jìn)行故障的早期診斷；采用粒子群算法能效提升方法，進(jìn)而形成全生命周期的船舶運(yùn)營(yíng)的管理。

2)AR技術(shù)。在遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，通過(guò)船端采集的數(shù)據(jù)將虛擬世界與真實(shí)世界相融合，將所需監(jiān)控的船舶場(chǎng)景在虛擬世界重建，進(jìn)而在岸端實(shí)現(xiàn)監(jiān)控場(chǎng)景的模擬，借助谷歌眼鏡、頭盔等可穿戴設(shè)備直接觀察場(chǎng)景，增強(qiáng)船舶環(huán)境的感知能力；通過(guò)手杖等方式對(duì)數(shù)據(jù)信息做出響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬物體的操控。AR技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在岸端與虛擬環(huán)境交互，實(shí)時(shí)了解船舶環(huán)境，評(píng)估船舶狀態(tài)，應(yīng)對(duì)突發(fā)情況及時(shí)制定維修策略。

3)數(shù)據(jù)可視化。通過(guò)手持終端、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶的遠(yuǎn)程狀態(tài)檢測(cè)、故障預(yù)警、能耗提升等功能。Web端的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示是人機(jī)交互的核心，通過(guò)表格、曲線等多樣的方式展現(xiàn)，統(tǒng)一接口，供各類(lèi)型數(shù)據(jù)源信息顯示，預(yù)留生成Web系統(tǒng)組件的接口。

5 結(jié)束語(yǔ)

船舶智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，具有設(shè)備信息融合功能、船岸一體化智能信息服務(wù)和面向不同應(yīng)用需求的功能模塊，包含遠(yuǎn)程故障處理支持、維保計(jì)劃、備件管理、運(yùn)行監(jiān)控、設(shè)備質(zhì)量跟蹤、航行能效提升等功能。實(shí)時(shí)掌握和評(píng)估船舶運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)設(shè)備的早期故障進(jìn)行識(shí)別和處理，對(duì)發(fā)生的突發(fā)狀況及時(shí)制定維修策略，保證船舶航行的健康安全，提高船舶的運(yùn)行效能，通過(guò)船舶全生命周期的健康管理，能夠更好地適應(yīng)當(dāng)今智能化船舶的運(yùn)營(yíng)要求。