基于Web的機艙遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

姚 斌 龐之洋 梁述海

海軍工程大學(xué)船舶與動力學(xué)院，湖北武漢430033

基于Web的機艙遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

姚 斌 龐之洋 梁述海

海軍工程大學(xué)船舶與動力學(xué)院，湖北武漢430033

使用基于Web的監(jiān)控技術(shù)實現(xiàn)機艙設(shè)備的遠程監(jiān)控與管理是當前船舶自動化發(fā)展的趨勢。本文把基于Web的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到船舶機艙設(shè)備遠程監(jiān)控和故障診斷領(lǐng)域，提出了利用LabVIEW的Web發(fā)布工具實現(xiàn)遠程監(jiān)控的系統(tǒng)方案，給出了該系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、功能、硬件組成和利用LabVIEW實現(xiàn)Web發(fā)布的具體方法。遠程用戶通過Web瀏覽器可對現(xiàn)場監(jiān)控機發(fā)出監(jiān)控指令，獲取機艙設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)。當出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)本船無法判別時，可通過遠程故障診斷系統(tǒng)進行在線診斷。

遠程監(jiān)控；遠程故障診斷；LabVIEW；Web

1 引言

隨著現(xiàn)代船舶制造業(yè)的快速發(fā)展，機艙監(jiān)控系統(tǒng)性能和結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜化，出于對船舶安全可靠運行和經(jīng)濟效益的考慮，及時準確和動態(tài)地掌握船舶系統(tǒng)的運行狀態(tài)，并根據(jù)故障趨勢分析預(yù)測存在的潛在故障以及進一步實現(xiàn)船岸一體化，提高船舶的安全性、可靠性和最大經(jīng)濟效益，這也是目前艦船集成平臺管理系統(tǒng)（IPMS）中對船舶機艙監(jiān)控系統(tǒng)研究的重要方面［1］。由于船員的故障維修能力有限，面對一些突發(fā)復(fù)雜故障，由于缺乏故障專家及時指導(dǎo)而造成故障進一步發(fā)展，尤其是一些具有特殊任務(wù)的船舶和一些遠洋航運船舶對安全可靠性、時效性有更高的要求。而建立基于Web的船舶遠程監(jiān)控系統(tǒng)能有效地解決這些問題［2］：通過海事衛(wèi)星或微波通信技術(shù)將船舶設(shè)備的運行參數(shù)，以及有關(guān)的設(shè)備圖片實時地傳回岸上公司，利用公司的專家或?qū)＜蚁到y(tǒng)軟件做出故障預(yù)測、判斷和排除對策，并及時地傳回船舶供船員參考，有利于及時有效地采取適當?shù)膽?yīng)對措施。

LabVIEW作為一個優(yōu)秀的虛擬儀器開發(fā)平臺，為構(gòu)建基于計算機網(wǎng)絡(luò)的遠程監(jiān)控和故障診斷系統(tǒng)，提供了多種功能強大的工具和方便靈活的方法。LabVIEW是一個圖形化編程工具［3］，它提供了一種全新的程序編寫方法，使用這種G語言編程時，基本上不用編寫程序代碼，取而代之的是程序流程圖。LabVIEW的網(wǎng)絡(luò)功能主要建立在DataSocket技術(shù) （數(shù)據(jù)套接技術(shù)）、Web服務(wù)器和TCP／IP協(xié)議這三個方面的基礎(chǔ)上。本文采用LabVIEW的Web發(fā)布功能來實現(xiàn)船舶的遠程監(jiān)控功能，保證監(jiān)控數(shù)據(jù)實時高效的傳輸。

2 系統(tǒng)組成及功能

本系統(tǒng)由船上部分和岸上部分組成。船舶內(nèi)部物理環(huán)境惡劣，高濕度、高溫度、高振動和高噪音等，且其它干擾因素多，為保證網(wǎng)絡(luò)的實時可靠運行，采用有線網(wǎng)絡(luò)組成局域網(wǎng)，組網(wǎng)方式為Ethernet方式；岸上部分也組成一個遠程監(jiān)控局域網(wǎng)，并和Internet相連，可供遠程端客戶查看、分析和調(diào)整參數(shù)等。船上部分和岸上部分通過無線網(wǎng)絡(luò)相連。系統(tǒng)組成如圖1所示。

系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集處理模塊、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、web服務(wù)器、客戶端瀏覽器等組成。數(shù)據(jù)采集處理模塊，一方面與分布在船上各設(shè)備部件上的傳感器相連，采集各種工作參數(shù)，另一方面與需要調(diào)整的參數(shù)控制接口相連，可對運行參數(shù)進行調(diào)整設(shè)定。對采集來的信號進行相應(yīng)處理、轉(zhuǎn)換后經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器通信，進行數(shù)據(jù)的交換并存儲在數(shù)據(jù)庫中，交由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器管理。

圖1 基于Web遠程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)的操作是以數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器可以實現(xiàn)對實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、預(yù)警和報警信息、趨勢查詢、故障診斷等信息的記錄功能。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器負責(zé)各類數(shù)據(jù)庫的管理，主要包括日常數(shù)據(jù)庫，報警數(shù)據(jù)庫、故障診斷庫、標準參照庫，運行閾值庫和值班考勤庫。每隔一定時間，機艙設(shè)備的運行參數(shù)將自動保存到數(shù)據(jù)庫中，各數(shù)據(jù)庫中存儲機艙設(shè)備的各類工作參數(shù)及報警信息，并允許從客戶端瀏覽器進行查詢、打印等。數(shù)據(jù)庫與和模塊間的關(guān)系如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)庫與各模塊間的關(guān)系圖

3 硬件組成

本系統(tǒng)硬件由服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)采集處理模塊和專家體系模塊組成。服務(wù)器及客戶機選用可靠性高的工業(yè)控制計算機，可適應(yīng)船舶在運行中存在的嚴重干擾和惡劣的工作環(huán)境。船舶內(nèi)部Ethernet通過TP－LINK公司的8端口10 M／100 M交換機實現(xiàn)連接，數(shù)據(jù)采集模塊采用研華公司的ADAM－5000／TCP系列［4］，該系列數(shù)據(jù)采集設(shè)備特別適合于網(wǎng)絡(luò)連接，局域網(wǎng)中的計算機可以直接通過該設(shè)備上的以太網(wǎng)接口訪問采集到的數(shù)據(jù)，而無需在網(wǎng)絡(luò)與設(shè)備中間另外加上其它的轉(zhuǎn)換器。

對于內(nèi)河船舶與碼頭之間的無線網(wǎng)絡(luò)通信是通過D－LINK公司的RG－1000無線網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)連接，其內(nèi)置的V.90Moden無線網(wǎng)卡可以同時支持多個無線設(shè)備的數(shù)據(jù)通信服務(wù)。在該網(wǎng)絡(luò)硬件中采用雙網(wǎng)卡系統(tǒng)增加了系統(tǒng)的可擴展性和冗余性。正常工作時，通過默認網(wǎng)卡通路進行數(shù)據(jù)的傳送，另一路備用；當網(wǎng)路出現(xiàn)故障時將自動轉(zhuǎn)化到備用通路繼續(xù)進行數(shù)據(jù)的傳送。另外，對于遠海船舶與岸臺之間的數(shù)據(jù)傳輸，可考慮海事衛(wèi)星通信Inmarsat系統(tǒng)［5］，該系統(tǒng)是國際海事衛(wèi)星組織對海上航行船舶提供全球范圍內(nèi)移動通信服務(wù)的系統(tǒng)，可以提供各種數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，其衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)是目前運行最為穩(wěn)定的全球覆蓋、全天候衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，可以滿足對水上的移動衛(wèi)星通信終端（遠洋船舶）進行遠程監(jiān)控并提供視頻、語音、傳真、數(shù)據(jù)通信等業(yè)務(wù)。

傳感器設(shè)備是各種測量和整個監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵［6］，本系統(tǒng)根據(jù)所測數(shù)據(jù)類型的不同，支持多種傳感器，其中包括測量電壓、電流、頻率、功率以及各種氣壓、油壓等傳感器，它們所提供的4~20 mA工業(yè)標準電流信號；另外還包括采集各種溫度、轉(zhuǎn)速、熱電阻、熱電耦、振動傳感器等。這些傳感器所輸出的模擬量經(jīng)過32位的A／D轉(zhuǎn)換寫入特定寄存器中，局域網(wǎng)中的工控機可以通過調(diào)用模塊所提供的動態(tài)鏈接庫（DLL）程序訪問模塊的接口，按一定順序讀取所需數(shù)據(jù)。對于開關(guān)量的數(shù)據(jù)，本模塊支持開關(guān)量的輸入／輸出，數(shù)據(jù)的讀取與輸出同樣可以通過調(diào)用動態(tài)鏈接庫程序?qū)崿F(xiàn)。

4 遠程故障診斷的系統(tǒng)分析及結(jié)構(gòu)

基于TCP／IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的遠程故障診斷系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集處理單元、實時監(jiān)控單元、本地故障診斷系統(tǒng)單元及遠程故障診斷單元4部分組成?；赥CP／IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的遠程故障診斷系統(tǒng)通過采用客戶機／服務(wù)器（Client／Sever）體系結(jié)構(gòu)，設(shè)備現(xiàn)場監(jiān)控采集系統(tǒng)和遠程故障診斷系統(tǒng)可以互為服務(wù)器，本文將遠程診斷中心設(shè)為服務(wù)器，設(shè)備現(xiàn)場監(jiān)控采集系統(tǒng)為客戶機，那么設(shè)備現(xiàn)場的工作人員將對設(shè)備狀態(tài)信息數(shù)據(jù)進行上傳，遠程診斷中心得到數(shù)據(jù)后對設(shè)備的故障分析評估后，提出修理意見和方案，并將診斷結(jié)果反饋給現(xiàn)場。

考慮船舶機艙設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的實際情況，利用基于LabVIEW的Web技術(shù)實現(xiàn)設(shè)備遠程故障診斷系統(tǒng)的C／S體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。遠程故障診斷中心是由各相關(guān)模塊組成，各個模塊獨立分布，功能單元封裝，便于管理和維修。本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集方屬客戶機方 （用于船舶機艙設(shè)備監(jiān)控主機），將監(jiān)測所得各類數(shù)據(jù)信息、狀態(tài)描述、工況參數(shù)及一些相關(guān)信息發(fā)送給遠程故障診斷中心 （科研院所等）服務(wù)器，以便專家和各類工程人員進行故障分析、問題求解、信息查詢、技術(shù)查詢等服務(wù)。

5 利用LabVIEW實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控

5.1LabVIEW的Web功能實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控

使用LabVIEW實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控概括起來有3種方法：使用DataSocket技術(shù)進行網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控；現(xiàn)場實時發(fā)布監(jiān)控程序的網(wǎng)頁（Web發(fā)布），異地使用瀏覽器（如Internet Explore，Netscape Communicator等）進行監(jiān)控；使用底層傳輸協(xié)議（TCP／IP，UDP，DDE或PPC）編程進行網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控。

圖3 基于Internet／Ethernet的遠程故障診斷

使用DataSocket技術(shù)進行遠程監(jiān)控，其優(yōu)點是DataSocket定義了一個監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，它摒除了較為復(fù)雜的TCP／IP底層編程，克服了傳輸速率較慢的缺點，大大簡化了Internet網(wǎng)上監(jiān)控數(shù)據(jù)交換的編程。從而利用這種方法可以達到很高的數(shù)據(jù)傳輸效率，實時性能相當好。缺點是必須在客戶端和服務(wù)器都安裝LabVIEW程序，并需要單獨編寫各自的收、發(fā)端應(yīng)用程序，所以客戶端的控制功能太弱。若服務(wù)器端的程序進行了修改調(diào)整，所有的遠程客戶端也必須進行相應(yīng)的調(diào)整才能正常使用。

利用LabVIEW進行Web發(fā)布就是把VI（虛擬儀器）的前面板直接嵌入到Web網(wǎng)頁中，而且還可以自動更新。優(yōu)點是只在服務(wù)器端運行VI程序，客戶端不需要單獨編寫接收端程序，并且可在未安裝LabVIEW的客戶端通過Web服務(wù)器直接打開發(fā)布的Web網(wǎng)頁看到服務(wù)器端運行的VI.，也就是說在遠程客戶端看到的是一個動態(tài)的實時畫面，就像是該VI運行在客戶端一樣，而且，客戶端獲得授權(quán)后還可以對前面板進行遠程控制。

由于LabVIEW內(nèi)嵌了Web服務(wù)器的功能，所以不必再開發(fā)Web服務(wù)應(yīng)用程序，只需要通過簡單的設(shè)置就可以將原來單機式的監(jiān)控系統(tǒng)升級為基于Web的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)，大大降低了開發(fā)遠程監(jiān)控系統(tǒng)的難度，減少了開發(fā)的工作量，縮短了開發(fā)周期。

鑒于此，本系統(tǒng)利用LabVIEW內(nèi)嵌的Web服務(wù)器功能，將需要進行網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的任意VI進行Web發(fā)布，從而也可以實現(xiàn)對機艙主要參數(shù)的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控。

5.2 使用Web功能發(fā)布遠程監(jiān)控網(wǎng)頁

在將程序發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)上前要做好程序的相關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)置，包括Web服務(wù)器、瀏覽器訪問設(shè)置、程序顯現(xiàn)設(shè)置等。Web服務(wù)器設(shè)置主要是對根目錄、HTTP端口及超時等設(shè)置；瀏覽器訪問設(shè)置用來設(shè)置允許或不允許訪問Web服務(wù)器的計算機IP地址及其查看和控制的權(quán)限，增強網(wǎng)絡(luò)安全性；程序顯現(xiàn)設(shè)置是用來設(shè)置允許用戶通過Web瀏覽的VI。

例如，將如圖4所示的利用LabVIEW編寫的“機艙主要參數(shù)監(jiān)控界面.vi”進行Web發(fā)布的對話框如圖5所示。按“下一步”進行“選擇HTML輸出”（文檔標題、頁眉、頁腳）的設(shè)定。繼續(xù)“下一步”保存新發(fā)布的Web網(wǎng)頁（包括保存根目錄、文件名和URL建立）。

在服務(wù)器（192.168.0.2）上運行“機艙監(jiān)控界面設(shè)計.vi”，在接入網(wǎng)絡(luò)中的另一客戶機上運行瀏覽器 IE進行遠程監(jiān)控，打開網(wǎng)址 http：／／192.168.0.2／機艙主要參數(shù)監(jiān)控界面.html，實時網(wǎng)頁如圖6所示。這樣就可以實現(xiàn)遠程客戶端多用戶同時登陸監(jiān)控頁面，對同一設(shè)備參數(shù)進行實時監(jiān)控，但每次只能有一個用戶對VI進行控制，當服務(wù)器段交出控制權(quán)時，按申請控制權(quán)的先后次序進行控制，服務(wù)器端可以隨時收回控制權(quán)。

圖4 遠程監(jiān)控界面

6 結(jié)束語

本系統(tǒng)采用可視化的LabVIEW圖形編程方法，避免了傳統(tǒng)開發(fā)語言的繁瑣要求，具有直觀、形象、開發(fā)周期短的效果。本文主要討論了利用LabVIEW實現(xiàn)基于Web的機艙遠程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能。利用LabVIEW的Web網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，避免了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議中較為復(fù)雜的TCP／IP底層編程，避免為服務(wù)器端和客戶端編寫?yīng)毩⒌氖?、發(fā)端VI程序，只需要將服務(wù)器端的VI進行Web發(fā)布，就可方便地實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的遠程監(jiān)控，而且大大簡化了基于Web的網(wǎng)絡(luò)遠程監(jiān)控程序的編程。本系統(tǒng)具有操作直觀簡便、性能穩(wěn)定、易于網(wǎng)絡(luò)升級的特點，將大大提高我國船舶機艙設(shè)備基于網(wǎng)絡(luò)的機艙設(shè)備遠程監(jiān)控水平和遠程故障診斷水平，具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖5 Web發(fā)布工具對話框

圖6 使用Web瀏覽器進行遠程監(jiān)控網(wǎng)頁

［1］ 劉沿陽，邵昱.艦船綜合自動化系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.船舶工程，2006，28（2）：63－66.

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Design of Remote Monitoring System of Ship's Engine Room Based on Web

Yao Bin Pang Zhi－yang Liang Shu－h(huán)ai
College of Naval Architecture and Power，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China

The trend of development of marine automation is to integrate the Web－based remote monitoring system and management of the instruments and equipments in ship＇s engine room.This paper applies the web technology to monitor and diagnosis the equipments in the ship＇s engine room，uses the Lab-VIEW－＂Web Publishing Tool＂－for system development as well as describes the system architecture，functions，hardware，and the details to achieve the goal.The remote client，through an internet navigator，can send a command to the monitoring computer on site and acquire the running data of the equipments.In case the abnormal data appears that the shipman cannot handle it，the system can take place to diagnosis the remote fault online.

remote monitoring；remote faults diagnosis；LabVIEW；Web

TP273.5

A

1673－3185（2009）03－66－04

2008-12-22

姚 斌（1982－），男，碩士研究生。研究方向：機艙自動化及計算機仿真。E-mail：yaobinyao＠126.com

龐之洋（1963－），男，副教授，碩士生導(dǎo)師。研究方向：艦船動力裝置。E-mail：pzy＠m(xù)ailme.cn