高麗娟

(鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 軟件學(xué)院，河南 鄭州 451100)

0 引 言

艦船在航行過程中會產(chǎn)生較多的航行實(shí)時數(shù)據(jù)，通過采集該數(shù)據(jù)，運(yùn)用大數(shù)據(jù)挖掘算法可從數(shù)據(jù)中尋找到異常數(shù)據(jù)，為艦船航行運(yùn)行維護(hù)和航行控制提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。但在挖掘和運(yùn)用船舶航行數(shù)據(jù)之前需要實(shí)時快速采集航行數(shù)據(jù)[1]，為后續(xù)異常檢測提供實(shí)時性較好的數(shù)據(jù)，也能盡快為用戶提供船舶異常航行時數(shù)據(jù)。因此，如何實(shí)時快速采集船舶航行數(shù)據(jù)是航海領(lǐng)域重點(diǎn)關(guān)注的問題之一[2]。目前有很多學(xué)者設(shè)計(jì)艦船航行數(shù)據(jù)實(shí)時快速采集系統(tǒng)，于志強(qiáng)等[3]設(shè)計(jì)了多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過不同的組網(wǎng)形式，在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)設(shè)置多通道來實(shí)現(xiàn)艦船航行數(shù)據(jù)快速采集。賈世海等[4]設(shè)計(jì)APV25 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)以Qt 框架作為基礎(chǔ)，結(jié)合APV25 采集卡實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速采集。雖然上述2 個系統(tǒng)均可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，但其采集數(shù)據(jù)的及時性略差，因此應(yīng)用效果不佳。云計(jì)算平臺也被稱為云平臺，其是集硬件資源和軟件資源于一體的服務(wù)，具備計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)傳輸和存儲等功能。本文以云計(jì)算平臺為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)基于云計(jì)算平臺的艦船航行數(shù)據(jù)實(shí)時快速采集系統(tǒng)，提升艦船航行數(shù)據(jù)的采集能力。

1 船舶航行數(shù)據(jù)實(shí)時快速采集系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

以云計(jì)算平臺作為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)船舶航行數(shù)據(jù)實(shí)時快速采集系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。船舶航行數(shù)據(jù)實(shí)時快速采集系統(tǒng)由數(shù)據(jù)源模塊、DDN 網(wǎng)絡(luò)模塊、服務(wù)模塊和應(yīng)用模塊組成。數(shù)據(jù)源模塊通過數(shù)據(jù)采集裝置采集艦船航行數(shù)據(jù)后，通過接收機(jī)和廣播信號將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紻NN 網(wǎng)絡(luò)模塊內(nèi)，該模塊通過轉(zhuǎn)換器、路由器、交換機(jī)等將航行數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖镜鼐W(wǎng)絡(luò)內(nèi)，然后發(fā)送到服務(wù)模塊內(nèi)，服務(wù)模塊由采集服務(wù)和其他服務(wù)組成，分別負(fù)責(zé)執(zhí)行數(shù)據(jù)采集、通信、采集任務(wù)調(diào)度以及數(shù)據(jù)異常分析、異常告警等功能，然后將相關(guān)數(shù)據(jù)采集、分析等結(jié)果發(fā)送到應(yīng)用模塊內(nèi)，該模塊通過數(shù)據(jù)實(shí)時顯示單元、數(shù)據(jù)分析結(jié)果單元等為用戶呈現(xiàn)艦船航行數(shù)據(jù)實(shí)時快速采集結(jié)果等。

圖1 艦船航行數(shù)據(jù)實(shí)時快速采集系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of the real time rapid acquisition system for ship navigation data

1.2 云計(jì)算平臺網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)

云計(jì)算平臺是船舶航行數(shù)據(jù)實(shí)時快速采集系統(tǒng)架設(shè)的基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)云計(jì)算平臺網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌Y(jié)構(gòu)如圖2 所示。在云計(jì)算平臺網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，數(shù)據(jù)通過防火墻傳輸?shù)胶诵慕粨Q區(qū)內(nèi)，在核心交換區(qū)可通過管理區(qū)域?qū)W(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)和自主門戶進(jìn)行管理[5]，然后通過萬兆以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)送到若干個Web 服務(wù)集群內(nèi)，通過Web 服務(wù)集群和FC 存儲網(wǎng)絡(luò)將采集到的船舶航行數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆拼鎯^(qū)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)船舶航行數(shù)據(jù)實(shí)時快速采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。

圖2 云計(jì)算平臺網(wǎng)絡(luò)拓?fù)銯ig.2 Cloud computing platform network topology

1.3 云計(jì)算虛擬機(jī)集群部署

云計(jì)算虛擬機(jī)集群負(fù)責(zé)實(shí)時快速傳輸信息的云計(jì)算虛擬部署，其也是負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)接收用戶請求的功能[6]，實(shí)際云計(jì)算虛擬機(jī)集群部署，結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 云計(jì)算虛擬機(jī)集群部署Fig.3 Cloud computing virtual machine cluster deployment

云計(jì)算虛擬機(jī)集群內(nèi)共有6 個鏡像隨機(jī)分為3 組互相連接負(fù)責(zé)生成鏡像文件，當(dāng)用戶發(fā)送請求時，鏡像組生成鏡像文件后，云計(jì)算虛擬機(jī)集群先判定當(dāng)前資源類型，然后對虛擬機(jī)集群進(jìn)行部署后，同時啟動集群并進(jìn)行鏡像傳遞[7]，該過程可使艦船航行數(shù)據(jù)實(shí)時快速采集系統(tǒng)高效運(yùn)行并綜合利用系統(tǒng)的各個資源。

1.4 數(shù)據(jù)實(shí)時采集裝置設(shè)計(jì)

船舶航行數(shù)據(jù)實(shí)時快速采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)源模塊利用數(shù)據(jù)采集裝置獲取船舶航行數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)航行數(shù)據(jù)實(shí)時采集裝置，其結(jié)構(gòu)如圖4 所示。用戶通過終端啟動數(shù)據(jù)采集算法程序后，通過網(wǎng)絡(luò)接口連接AIS 設(shè)備和機(jī)艙集控室接口，其中AIS 設(shè)備由VHF 通信機(jī)、GPS 定位儀、船載顯示器以及各種傳感器相連[8]，連接AIS 設(shè)備后，可獲得航行船位、航速、航向等航行數(shù)據(jù)，通過機(jī)艙集控室接口可獲得當(dāng)前船舶航行驅(qū)動設(shè)備溫度、轉(zhuǎn)速等航行信息。

圖4 船舶航行數(shù)據(jù)實(shí)時采集裝置Fig.4 Real time acquisition device for ship navigation data

1.5 基于線性網(wǎng)絡(luò)編碼的快速數(shù)據(jù)采集方法

船舶航行數(shù)據(jù)實(shí)時采集裝置接收，系統(tǒng)服務(wù)模塊內(nèi)采集服務(wù)中數(shù)據(jù)采集單元指令方執(zhí)行數(shù)據(jù)采集任務(wù)，數(shù)據(jù)采集單元利用基于線性網(wǎng)絡(luò)編碼的快速數(shù)據(jù)采集方法向數(shù)據(jù)實(shí)時采集裝置發(fā)送指令，數(shù)據(jù)采集方法執(zhí)行過程如下：

式中，y(v) 為傳感器節(jié)點(diǎn)v在云計(jì)算平臺的存儲碼字。

式中，yi表示采集到第i個節(jié)點(diǎn)上的碼字。

通過采集船舶航行AIS 和機(jī)艙集控室接口每個傳感器節(jié)點(diǎn)上的碼字，組成全局編碼向量矩陣，該矩陣即為采集到的船舶航行實(shí)時數(shù)據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

以某遠(yuǎn)洋船舶作為實(shí)驗(yàn)對象，該船用于勘探海洋水質(zhì)和生態(tài)環(huán)境，因此航行海域水況較為復(fù)雜。使用本文系統(tǒng)對該船航行數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時快速采集，分析本文方法實(shí)際應(yīng)用效果。

先驗(yàn)證本文方法采集航行數(shù)據(jù)的有效性，以該船航行時的偏航角度作為衡量指標(biāo)，使用本文系統(tǒng)采集時間段內(nèi)該船偏航角度，設(shè)置采集偏差閾值為0.1°，結(jié)果如表1 所示。可知，本文系統(tǒng)在采集航行數(shù)據(jù)時，船舶偏航角度的采集值與實(shí)際值之間最小偏差為0°，最大偏差僅為0.02°，該結(jié)果遠(yuǎn)低于預(yù)設(shè)的偏差閾值。說明本文系統(tǒng)采集船舶航行數(shù)據(jù)精度較好，采集到的船舶航行數(shù)據(jù)有效性較強(qiáng)。

表1 船舶航行數(shù)據(jù)采集結(jié)果Tab.1 Results of ship navigation data collection

驗(yàn)證本文系統(tǒng)的云計(jì)算平臺集群部署效果，以傳輸速率作為衡量指標(biāo)，測試在傳輸不同類型船舶航行數(shù)據(jù)時傳輸速率，也可依據(jù)其傳輸速率分析本文系統(tǒng)采集船舶航行數(shù)據(jù)的快速效果，測試結(jié)果如圖5 所示。分析可知，本文系統(tǒng)在傳輸不同類型船舶航行數(shù)據(jù)時，其傳輸速率隨著數(shù)據(jù)量的增加而降低，但降低幅度較為緩慢。在數(shù)據(jù)量相同時，圖像類的船舶航行數(shù)據(jù)傳輸速率略低于數(shù)值類，二者相差較小。在數(shù)據(jù)量為55 G 時，圖像類和數(shù)值類的船舶航行數(shù)據(jù)傳輸速率均高于700 Mb/s，該數(shù)值說明本文系統(tǒng)傳輸船舶航行數(shù)據(jù)速度較快，其部署的云計(jì)算集群較為合理，采集船舶航行數(shù)據(jù)較為快速。驗(yàn)證本文系統(tǒng)采集船舶航行數(shù)據(jù)的實(shí)時性，以采集延遲時間作為衡量指標(biāo)，以船舶航行速度作為實(shí)驗(yàn)對象，驗(yàn)證本文方法采集船舶航行數(shù)據(jù)的實(shí)時性，為使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加充分，同時使用文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)展開實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6 所示?？芍?，3 種系統(tǒng)在采集船舶航行數(shù)據(jù)時，其延遲時間隨著采集數(shù)據(jù)量的增加而增加，其中本文系統(tǒng)在采集數(shù)據(jù)量相同時，其延遲時間最小，說明本文系統(tǒng)采集船舶航行數(shù)據(jù)時的及時性較好。

圖5 船舶航行數(shù)據(jù)傳輸速率Fig.5 Ship navigation data transmission rate

圖6 船舶航行數(shù)據(jù)采集實(shí)時性Fig.6 Real time performance of ship navigation data collection

3 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)基于云計(jì)算平臺的船舶航行數(shù)據(jù)實(shí)時快速采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)以云計(jì)算平臺集群部署和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錇榛A(chǔ)架設(shè)，并通過基于線性網(wǎng)絡(luò)編碼的快速數(shù)據(jù)采集方法控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集裝置采集艦船航行數(shù)據(jù)。經(jīng)過對本文系統(tǒng)進(jìn)行多角度驗(yàn)證，得出本文系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)時的及時性和快速性均較好。