王海榮，許克榮，厲 梁，溫小飛，盧芳芳

(1.舟山市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測(cè)研究院，浙江 舟山 316000；2.浙江海洋大學(xué) 船舶與海運(yùn)學(xué)院，浙江 舟山 316022)

0 引 言

隨著現(xiàn)代自動(dòng)化技術(shù)和計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的迅速發(fā)展，無(wú)人水面艇(Unmanned Surface Vessel，USV)作為一種集智能感知、人工智能和云計(jì)算等新技術(shù)為一體的全新智能船舶，引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者[1-2]的密切關(guān)注。與傳統(tǒng)船舶不同，USV必須借助大量傳感器和設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)其自身狀態(tài)信息和周?chē)h(huán)境信息的全面感知，并利用物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)等技術(shù)[3]對(duì)信息進(jìn)行分析和評(píng)估，輔助USV更安全和更智能化地航行。由于USV感知系統(tǒng)涉及的多源異構(gòu)異步傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)存在信號(hào)種類(lèi)多、精度要求高和數(shù)據(jù)量大等問(wèn)題[4]，影響數(shù)據(jù)使用效率和數(shù)據(jù)共享化，因此如何搭建高效的USV航行信息數(shù)據(jù)共享[5]系統(tǒng)，提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、快速查詢(xún)和信息可視化等是關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)USV數(shù)據(jù)共享問(wèn)題開(kāi)展諸多研究。喬大雷等[6]基于Android平臺(tái)開(kāi)發(fā)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)用戶(hù)通過(guò)岸基支持中心可實(shí)時(shí)共享無(wú)人船航行信息的控制系統(tǒng)。周慶宏[7]基于阿里云數(shù)據(jù)庫(kù)與虛擬可視化技術(shù)，用于岸基端實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)無(wú)人船航行狀態(tài)信息。目前僅依靠岸基站形式的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在可移動(dòng)性差、監(jiān)測(cè)站工作量大、應(yīng)用場(chǎng)景單一、通用性與擴(kuò)展性不強(qiáng)和數(shù)據(jù)共享性差等缺點(diǎn)。GARUGLIERI等[8]通過(guò)云平臺(tái)搭建USV監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)共享數(shù)據(jù)，彌補(bǔ)岸基站移動(dòng)性差和共享性差等缺陷。USV性能測(cè)試與分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的研究和設(shè)計(jì)是一個(gè)重要的課題，與船舶智能化水平息息相關(guān)[9]。利用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)[10]實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的有效管理，設(shè)計(jì)一種基于數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、適用于USV性能測(cè)試與分析需求的數(shù)據(jù)系統(tǒng)，結(jié)合PC端監(jiān)測(cè)站和云服務(wù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)監(jiān)測(cè)和性能數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲(chǔ)和管理，提升系統(tǒng)智能化水平，實(shí)現(xiàn)對(duì)USV航行狀態(tài)全程追蹤。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

USV性能測(cè)試與分析系統(tǒng)包括USV采集端、云服務(wù)器、云平臺(tái)終端和PC端監(jiān)測(cè)站等4部分，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。USV采集端以嵌入式處理器為核心，搭載具有信號(hào)傳輸和智能感知等功能的多源異構(gòu)異步傳感器，通過(guò)無(wú)線(xiàn)數(shù)傳電臺(tái)模塊與PC端監(jiān)測(cè)站進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，在接收數(shù)據(jù)采集控制指令后開(kāi)始航行參數(shù)采集任務(wù)。云服務(wù)器包括監(jiān)測(cè)服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存，將PC端監(jiān)測(cè)站接收的解析數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)信息交互、存儲(chǔ)和計(jì)算。PC端監(jiān)測(cè)站采用串口通信實(shí)現(xiàn)與USV信息流的交互，承擔(dān)USV航跡監(jiān)測(cè)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)共享等所有基礎(chǔ)核心功能；通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信，PC端監(jiān)測(cè)站與云服務(wù)器建立通信橋梁，將USV信息流載入云服務(wù)器平臺(tái)的數(shù)據(jù)資源池，實(shí)現(xiàn)云端數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、共享和處理分析等。遠(yuǎn)程用戶(hù)通過(guò)云平臺(tái)終端申請(qǐng)USV的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)管理權(quán)限，在得到授權(quán)后可對(duì)USV使用狀態(tài)監(jiān)測(cè)、航跡查詢(xún)、數(shù)據(jù)獲取等服務(wù)功能。

圖1 USV性能測(cè)試與分析系統(tǒng)架構(gòu)

2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

USV性能測(cè)試與分析數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)庫(kù)整體設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其中：數(shù)據(jù)預(yù)處理主要分析不同傳感器存在的數(shù)據(jù)率和時(shí)間等問(wèn)題并提出解決方法；數(shù)據(jù)庫(kù)整體設(shè)計(jì)主要解決USV姿態(tài)信息和定位信息等數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、處理和維護(hù)問(wèn)題。

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

USV通常搭載感知模塊、全球定位系統(tǒng)(GPS)/北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)模塊和風(fēng)速/風(fēng)向傳感器等獲取數(shù)據(jù)信息。不同傳感器獲得的數(shù)據(jù)率不同，時(shí)間跨度較長(zhǎng)，例如：GPS數(shù)據(jù)更新周期與船舶狀態(tài)有關(guān)，收集的原始數(shù)據(jù)為零散狀態(tài)或無(wú)法直接利用。由于可能造成數(shù)據(jù)記錄出現(xiàn)錯(cuò)誤，因此在構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)前需要對(duì)不同傳感器測(cè)量值采取規(guī)范化處理，進(jìn)行數(shù)據(jù)率規(guī)范、時(shí)間同步、數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)剔除和數(shù)據(jù)整理等操作，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效管理。

USV采集端微控制器在數(shù)據(jù)率處理方面確定數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)間隔，選擇2種傳感器數(shù)據(jù)間隔的公倍數(shù)作為新序列時(shí)間間隔，規(guī)范數(shù)據(jù)傳輸速率；在時(shí)間處理方面進(jìn)行時(shí)間同步，利用過(guò)擬合壓縮方法，對(duì)處于同一時(shí)間間隔內(nèi)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，形成標(biāo)準(zhǔn)間隔的規(guī)范序列。在保證不降低原始數(shù)據(jù)信息量和精度的同時(shí)，生成一串具有輸出時(shí)間同步和等間隔的預(yù)處理后數(shù)據(jù)。PC端監(jiān)測(cè)站進(jìn)行數(shù)據(jù)的解析、清洗和剔除等，清除不合常理與異常的數(shù)據(jù)，提高系統(tǒng)的可靠性。

2.2 數(shù)據(jù)庫(kù)整體設(shè)計(jì)

經(jīng)數(shù)據(jù)分析后了解數(shù)據(jù)需求、構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)，構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)一般包括系統(tǒng)設(shè)計(jì)、應(yīng)用和維護(hù)過(guò)程，以實(shí)際應(yīng)用為目的。從開(kāi)發(fā)角度出發(fā)，數(shù)據(jù)庫(kù)分為3個(gè)部分：PC端顯示平臺(tái)作為基礎(chǔ)界面，MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)作為云數(shù)據(jù)庫(kù)，云平臺(tái)終端作為云服務(wù)端；從應(yīng)用角度出發(fā)，數(shù)據(jù)庫(kù)提供大量詳實(shí)可靠的數(shù)據(jù)以便PC端和云平臺(tái)終端進(jìn)行分析與決策。數(shù)據(jù)庫(kù)整體設(shè)計(jì)如圖2所示，主要包括航行信息查詢(xún)、氣象信息查詢(xún)、航跡信息查詢(xún)和歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)等模塊。

圖2 數(shù)據(jù)庫(kù)整體設(shè)計(jì)

2.3 數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

USV航行測(cè)試需要采集大量數(shù)據(jù)，由于數(shù)據(jù)來(lái)源不同，因此在存儲(chǔ)時(shí)不可避免地出現(xiàn)失效和重復(fù)。若直接存儲(chǔ)所有數(shù)據(jù)，不僅浪費(fèi)存儲(chǔ)空間，而且嚴(yán)重降低存儲(chǔ)效率，影響后期數(shù)據(jù)挖掘與分析運(yùn)算的效率。需要對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，將USV各監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)表形式存儲(chǔ)，彼此間以樹(shù)形邏輯關(guān)系呈現(xiàn)。數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)作為數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)核心，應(yīng)具備優(yōu)良交互性和布局規(guī)范化等優(yōu)點(diǎn)[11]，便于維護(hù)、節(jié)約資源、提高軟件運(yùn)行速度、減少軟件故障，保證在部分節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)系統(tǒng)仍可正常運(yùn)行。由于MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)具有性能卓越、服務(wù)免費(fèi)、開(kāi)放源代碼和支持多種操作系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn)[12]，因此選用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)并結(jié)合Python語(yǔ)言的Tkinter模塊的Treeview控件實(shí)現(xiàn)可視化的數(shù)據(jù)表顯示。根據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需求設(shè)計(jì)多個(gè)數(shù)據(jù)表對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和操作，常用信息數(shù)據(jù)表如下：

(1)采集控制命令信息表(data_info)，用于存儲(chǔ)USV采集控制命令信息，如表1所示。

表1 采集控制命令信息表

(2)姿態(tài)信息表(zitai_info)，用于存儲(chǔ)USV姿態(tài)參數(shù)，包括三軸加速度、角速度和橫滾角等，如表2所示，其中：ID為標(biāo)識(shí)符。

表2 姿態(tài)信息表

(3)定位/艇速信息表(position_info)，用于存儲(chǔ)USV定位和艇速的信息，如表3所示。

表3 定位信息表

(4)風(fēng)向/風(fēng)速信息表(fengxiang_info)，用于存儲(chǔ)氣象信息，包括風(fēng)向角、風(fēng)向方位和風(fēng)速等，如表4所示。

表4 風(fēng)向/風(fēng)速信息表

(5)轉(zhuǎn)速/舵角信息表(zhuansu_info)，用于存儲(chǔ)USV轉(zhuǎn)速和舵角的信息，如表5所示。

表5 轉(zhuǎn)速/舵角信息表

3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)功能可視化

數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)合可視化功能為PC端和云平臺(tái)終端提供一個(gè)直觀、生動(dòng)和人性化的界面，僅在可視化界面上進(jìn)行簡(jiǎn)單操作即可查詢(xún)需要的數(shù)據(jù)信息。USV性能測(cè)試與分析系統(tǒng)主界面如圖3所示。

圖3 USV性能測(cè)試與分析系統(tǒng)主界面

點(diǎn)擊相應(yīng)按鈕彈出相應(yīng)界面實(shí)現(xiàn)如下功能：

(1)無(wú)線(xiàn)通信。PC端與USV采集端的數(shù)據(jù)交互通道采用無(wú)線(xiàn)數(shù)傳電臺(tái)實(shí)現(xiàn)雙向通信，USV采集端可接收PC端發(fā)送的控制指令。

(2)數(shù)據(jù)可視化。包括圖形用戶(hù)界面(Graphical User Interface，GUI)顯示和云端界面顯示。GUI顯示是將USV實(shí)時(shí)姿態(tài)和艇速等信息與系統(tǒng)界面的顯示控件綁定，對(duì)接收數(shù)據(jù)的數(shù)值進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示與更新。云端界面顯示是基于Flask框架的頁(yè)面可視化，通過(guò)實(shí)時(shí)折線(xiàn)圖和餅圖等更直觀的形式展示數(shù)據(jù)。USV運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)界面如圖4所示。云端監(jiān)測(cè)界面如圖5所示。

圖4 USV運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)界面

(3)數(shù)據(jù)分析。根據(jù)分析需求選定某一監(jiān)測(cè)參數(shù)如橫搖進(jìn)行單獨(dú)分析，以折線(xiàn)圖形式顯示在過(guò)去一段時(shí)間內(nèi)該參數(shù)的變化曲線(xiàn)，并通過(guò)文本形式保存分析結(jié)果進(jìn)行導(dǎo)出(見(jiàn)圖5)。

圖5 云端監(jiān)測(cè)界面

(4)船舶航跡。包括實(shí)時(shí)航跡和歷史航跡。實(shí)時(shí)航跡是根據(jù)最新經(jīng)緯度進(jìn)行0.5 m級(jí)誤差精度的定位；歷史航跡是根據(jù)某一段時(shí)間內(nèi)的經(jīng)緯度進(jìn)行航跡繪制，同時(shí)具備地圖選點(diǎn)與標(biāo)記和航跡信息查詢(xún)與輸出等功能。USV航跡監(jiān)測(cè)界面如圖6所示。

圖6 USV航跡監(jiān)測(cè)界面

(5)歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)。包括整體查詢(xún)與分段查詢(xún)。整體查詢(xún)是根據(jù)全時(shí)刻USV某一航行參數(shù)需求，PC端將歷史數(shù)據(jù)以列表形式進(jìn)行顯示；分段查詢(xún)是根據(jù)某時(shí)刻的USV某一航行參數(shù)需求，PC端將歷史數(shù)據(jù)以列表形式進(jìn)行顯示，同時(shí)可直接以Excel格式導(dǎo)出數(shù)據(jù)。歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)界面如圖7所示。

圖7 歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)界面

4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用

應(yīng)用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)對(duì)PC端和云端的數(shù)據(jù)管理部分進(jìn)行優(yōu)化，分為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理優(yōu)化、歷史數(shù)據(jù)管理優(yōu)化和權(quán)限管理優(yōu)化。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理優(yōu)化主要實(shí)現(xiàn)參數(shù)回溯功能，利用數(shù)據(jù)庫(kù)以不同形式實(shí)現(xiàn)在某時(shí)間范圍內(nèi)或某時(shí)間點(diǎn)前所有參數(shù)最新數(shù)值的顯示，減輕本地監(jiān)測(cè)站的計(jì)算和存儲(chǔ)壓力。歷史數(shù)據(jù)管理優(yōu)化包括離線(xiàn)參數(shù)加載和歷史信息管理。離線(xiàn)參數(shù)加載通過(guò)文件實(shí)現(xiàn)預(yù)加載功能，例如：JavaScript對(duì)象表示法(JavaScript Object Notation，JSON)離線(xiàn)地圖在使用時(shí)直接調(diào)用即可，避免在訪問(wèn)時(shí)地圖數(shù)據(jù)緩慢，影響使用效率。歷史信息管理利用云服務(wù)器存儲(chǔ)完整工況的USV航行數(shù)據(jù)、訪問(wèn)記錄和下發(fā)命令時(shí)間等，數(shù)據(jù)需求用戶(hù)無(wú)須訪問(wèn)本地監(jiān)測(cè)站即可實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)，減輕本地監(jiān)測(cè)服務(wù)器訪問(wèn)和存儲(chǔ)壓力。權(quán)限管理優(yōu)化主要在于管理人員可通過(guò)云服務(wù)器授權(quán)USV操作權(quán)限，大幅擴(kuò)展傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用范圍，提高數(shù)據(jù)共享性和使用效率。

5 結(jié) 語(yǔ)

結(jié)合MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，搭建高效便捷且共享的USV性能測(cè)試與分析數(shù)據(jù)庫(kù)，可實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)通信、數(shù)據(jù)可視化、船舶航跡、歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)等功能，為基于大數(shù)據(jù)的USV航行性能綜合評(píng)價(jià)工作奠定基礎(chǔ)。后續(xù)將運(yùn)用大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)基于MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)的USV航行數(shù)據(jù)進(jìn)行深入挖掘分析，進(jìn)一步開(kāi)展USV航行性能綜合評(píng)價(jià)研究工作。