船舶信息管理系統(tǒng)的設(shè)計

姚明捷，戚峰，嚴(yán)婷婷

（1.南通中遠(yuǎn)川崎船舶工程有限公司技術(shù)本部，江蘇南通 226005；2.江蘇科技大學(xué)電子信息學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212003；3.江蘇鎮(zhèn)安電力設(shè)備有限公司設(shè)計部，江蘇鎮(zhèn)江 212000）

船舶信息管理系統(tǒng)的設(shè)計

姚明捷1，戚峰2，嚴(yán)婷婷3

（1.南通中遠(yuǎn)川崎船舶工程有限公司技術(shù)本部，江蘇南通 226005；2.江蘇科技大學(xué)電子信息學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212003；3.江蘇鎮(zhèn)安電力設(shè)備有限公司設(shè)計部，江蘇鎮(zhèn)江 212000）

文章針對目前國內(nèi)船舶的各類業(yè)務(wù)應(yīng)用普遍處于分離狀態(tài)，船岸溝通不便導(dǎo)致信息的脫節(jié)的問題，設(shè)計了一種船舶信息管理系統(tǒng)，并詳細(xì)說明了系統(tǒng)的硬件、軟件及系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫及E-R圖，具有一定的實際工程化應(yīng)用意義。

信息管理；網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；邏輯模塊；數(shù)據(jù)庫

0 引言

船舶的信息化和自動化管理是船舶未來設(shè)計的重要發(fā)展趨勢之一，隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的船舶自動化系統(tǒng)正在向船舶信息集成化方向發(fā)展。其核心是利用計算機、網(wǎng)絡(luò)通訊、自動控制等技術(shù)，將通信設(shè)備、導(dǎo)航設(shè)備、機艙監(jiān)控、船務(wù)管理、視頻監(jiān)視系統(tǒng)等相對獨立的分系統(tǒng)納入到統(tǒng)一的船舶網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，實現(xiàn)信息集成。

我國的造船技術(shù)處于世界領(lǐng)先水平，在各類船舶上均有成熟的輪機監(jiān)控、綜合導(dǎo)航、報警系統(tǒng)、視頻監(jiān)視等系統(tǒng)。隨著嵌入式技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，船舶的集成化水平將越來越高。因此，建立船舶信息管理系統(tǒng)已越來越受到各方面的重視，各種類型綜合平臺信息系統(tǒng)開始在船舶上逐步實施。[1]本文設(shè)計一種船舶信息管理系統(tǒng)，構(gòu)建了系統(tǒng)的總體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和硬件框架，在軟件開發(fā)中采用模塊化程序設(shè)計思想，劃分了各業(yè)務(wù)邏輯模塊，并詳細(xì)設(shè)計了數(shù)據(jù)庫中的主要數(shù)據(jù)表。

1 系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

因為存在物理環(huán)境惡劣，震動大、溫度高、濕度高等因素，為實現(xiàn)船舶信息管理系統(tǒng)的功能需求和性能需求，保證網(wǎng)絡(luò)的可靠性，船上采用有線網(wǎng)絡(luò)連接方式組成一個局域網(wǎng)，組網(wǎng)方式為以太網(wǎng)方式。

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用星形結(jié)構(gòu)，星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所需的通訊電纜少，可靠性高。采用星形拓?fù)?，網(wǎng)絡(luò)故障還便于診斷，又能提供方便的接入服務(wù)，在星形拓?fù)渲?，單個連接的故障只影響單個設(shè)備而不會影響到整個網(wǎng)絡(luò)。[2，3]岸端用戶通過衛(wèi)星通訊可以簡便、實時地對船舶狀態(tài)和現(xiàn)場設(shè)備參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，為船舶提供及時準(zhǔn)確的技術(shù)指導(dǎo)，進(jìn)而提升船舶航行的安全性，系統(tǒng)總體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

鑒于船舶惡劣的工作環(huán)境，以及電磁干擾等不利因素，同時船舶在航行中還有嚴(yán)重顛簸、搖擺和振動，對硬件的可靠性要求很高。因此，系統(tǒng)在設(shè)計時特別選用高性能、高穩(wěn)定性的硬件設(shè)備，兼顧快速、精確的要求。硬件系統(tǒng)設(shè)備主要包括網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換機、不間斷電源（Uninterruptible Power Systerm,UPS）、打印機、磁盤陣列、磁帶庫等，這里僅對部分設(shè)備的選型及要求作出分析。

（1）網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。系統(tǒng)采用兩臺互為備份的服務(wù)器，主干網(wǎng)服務(wù)器主要用于數(shù)據(jù)的存儲、信息收發(fā)等，每臺服務(wù)器要求有兩個10M/100M/1 000M自適應(yīng)以太網(wǎng)接口。另外，服務(wù)器還要符合船用特殊條件，包括震動、溫度、濕度及電磁兼容性等。因此，選用HP E5620型號的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，采用Windows Server2008作為網(wǎng)絡(luò)中心的操作系統(tǒng)，并配合SQL SERVER 2005軟件，為系統(tǒng)提供高可靠的支撐環(huán)境。

（2）UPS。主干網(wǎng)供電系統(tǒng)采用在線式APC Smart-UPS，為交換機、服務(wù)器等設(shè)備提供獨立電源，當(dāng)發(fā)生事故停電時，UPS立即將機內(nèi)電池的電能，通過逆變轉(zhuǎn)換的方法向負(fù)載繼續(xù)供應(yīng)220V交流電，使負(fù)載維持正常工作并保護(hù)負(fù)載軟、硬件不受損傷，UPS設(shè)備通常對電壓過大和電壓過低都提供保護(hù)。

（3）網(wǎng)絡(luò)機柜?？紤]到機艙工作環(huán)境具有震動大、溫度高、電磁干擾強的特點，此處定制防護(hù)等級IP23（符合船用標(biāo)準(zhǔn)）的屏蔽網(wǎng)絡(luò)機柜，機柜底部、側(cè)面進(jìn)行了加固以防止船舶的顛簸。

此外，船上濕度大、溫度差異大，網(wǎng)絡(luò)插座采用了密封性好、可靠性高的航空插座，網(wǎng)絡(luò)中心需要利用空調(diào)進(jìn)行24小時的調(diào)溫、抽濕來滿足系統(tǒng)設(shè)備工作環(huán)境的溫濕度要求。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 業(yè)務(wù)處理模塊設(shè)計

本系統(tǒng)軟件設(shè)計采用模塊化程序設(shè)計思想，通過劃分功能模塊，設(shè)計各個模塊之間的數(shù)據(jù)流向，以保持良好的可讀性、可移植性和可擴(kuò)充性，其總體框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能分析圖

3.2 動態(tài)數(shù)據(jù)采集功能模塊

數(shù)據(jù)采集模塊采集各導(dǎo)航設(shè)備（包括羅經(jīng)、測深儀、GPS等）信息和機艙集控臺的設(shè)備數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)解析、處理后存入實時數(shù)據(jù)庫，作為后臺數(shù)據(jù)調(diào)用顯示和數(shù)據(jù)分析處理的基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)采集示意圖如圖3所示。

圖3 動態(tài)數(shù)據(jù)采集示意圖

（1）導(dǎo)航信息。導(dǎo)航設(shè)備發(fā)出的數(shù)據(jù)量較大，數(shù)據(jù)的用途很多，實船所需的僅是其中部分?jǐn)?shù)據(jù)，從中挑選需要的數(shù)據(jù)，如：時間、經(jīng)度、維度、速度、航向等信息，導(dǎo)航數(shù)據(jù)信息如表1所示。

表1 導(dǎo)航數(shù)據(jù)信息表

數(shù)據(jù)格式為美國國家海洋電子協(xié)會（National Marine Electronics Association）為統(tǒng)一海洋導(dǎo)航規(guī)范而制定的標(biāo)準(zhǔn)格式NMEA-0183，NMEA-0183標(biāo)準(zhǔn)定義了電子信號所需要的傳輸協(xié)議、傳輸數(shù)據(jù)時間，并且指明了信息格式需要一個4 800bps的串行數(shù)據(jù)接口，信息的一般格式為：$aaaaa,df1,df2,…[CR][LF]，所有的信息由$（24）開始，以換行“CR(0D)LF(0A)”結(jié)束，緊跟著$后的五個字符表示信息的基本類型。[4]

（2）機艙數(shù)據(jù)。機艙集控臺采集各種機艙設(shè)備參數(shù)，系統(tǒng)與集控臺進(jìn)行通訊，只需要向集控臺發(fā)送指令，就能獲取需要的機艙數(shù)據(jù)。與集控臺的通訊協(xié)議為Modbus協(xié)議，RTU傳輸模式，RTU模式與ASCII模式相比，表達(dá)相同的信息需要較少的位數(shù)。

Modbus協(xié)議是一種工業(yè)通信和分布式控制系統(tǒng)協(xié)議，在此協(xié)議上，控制其相互之間可以經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)和其他設(shè)備通信。本文中Modbus協(xié)議應(yīng)用于主/從式點對點通信，主站要數(shù)間隔為1s，物理層采用RS485串行通信標(biāo)準(zhǔn)來實現(xiàn)，能夠很好地滿足實時性要求。[5]

在Modbus RTU中，主站設(shè)備發(fā)送一個信息，相應(yīng)的從站設(shè)備返回一個響應(yīng)，當(dāng)通訊命令由主機發(fā)送至從站時，符合相應(yīng)地址碼的從站接收通訊命令，并根據(jù)功能碼及相關(guān)要求讀取信息。如果CRC校驗無誤，則執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)，然后把執(zhí)行結(jié)果發(fā)送給主站，Modbus RTU的查詢響應(yīng)示意圖如圖4所示。

圖4 Modbus RTU的查詢響應(yīng)示意圖

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)定義如下：①主站向從站設(shè)備發(fā)送要數(shù)命令格式，從站地址（02）+功能碼（03）+寄存器地址高字節(jié)+寄存器地址低字節(jié)+數(shù)據(jù)個數(shù)（高字節(jié)）+數(shù)據(jù)個數(shù)（低字節(jié)）+CRC（低字節(jié)）+CRC（高字節(jié)）；②從站向主站設(shè)備發(fā)送回數(shù)命令格式，從站地址（02）+功能碼（03）+返回的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)（1個字節(jié)）+數(shù)據(jù)1（2個字節(jié)）+數(shù)據(jù)2（2個字節(jié)）+……+數(shù)據(jù)n+CRC（低字節(jié)）+CRC（高字節(jié)）。

4 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

本系統(tǒng)的所有操作都是以數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)而展開，如數(shù)據(jù)查詢、信息修改、數(shù)據(jù)分析等，因此數(shù)據(jù)庫在本系統(tǒng)中占據(jù)著重要地位。根據(jù)船舶的業(yè)務(wù)需求和安全操作的實際應(yīng)用特點，建立了數(shù)據(jù)庫文件shipping. mdb，部分?jǐn)?shù)據(jù)表信息如表2所示。

由于篇幅有限，本文只將系統(tǒng)部分功能模塊數(shù)據(jù)庫表的設(shè)計內(nèi)容作簡單闡述：

（1）Jicang_real。該表用來存儲機艙最新實時數(shù)據(jù)，包括時間（time）、監(jiān)測點1編號（0512）、監(jiān)測點2編號（0808）、監(jiān)測點3編號（0820）等參數(shù)，其中時間設(shè)置為主鍵。由于監(jiān)測點眾多且參數(shù)點數(shù)龐大，如果長時間運行并記錄保存所有的數(shù)據(jù)，則會導(dǎo)致數(shù)據(jù)總量急速增長，因此該數(shù)據(jù)庫會對過期的數(shù)據(jù)進(jìn)行刪減，保留最新的60條記錄，機艙實時數(shù)據(jù)表設(shè)計的詳細(xì)結(jié)構(gòu)信息如圖5所示。

表2 數(shù)據(jù)表信息

（2）Alarm_info。該表用來存儲機艙各設(shè)備參數(shù)的報警閥值信息，包括監(jiān)測點編號（code）、監(jiān)測點名稱（paraname）、報警類型（type）、報警上限參考值（limitup）、報警下限參考值（limitdown）、修改時間（modifydate）、修改人姓名（modifer），其中監(jiān)測點編號設(shè)置為主鍵，機艙參數(shù)閥值信息表設(shè)計的詳細(xì)結(jié)構(gòu)信息如圖6所示。

圖5 機艙實時數(shù)據(jù)表

圖6 機艙參數(shù)閥值信息表

對上述各表作了詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計后，畫出數(shù)據(jù)庫中各表之間的關(guān)系E-R圖，如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)庫E-R圖

5 結(jié)束語

本文根據(jù)船舶實際工程化應(yīng)用的需要，闡述了船舶信息管理系統(tǒng)總體設(shè)計的原則，并從系統(tǒng)可靠性角度考慮，構(gòu)建了整個系統(tǒng)的硬件框架和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在軟件開發(fā)過程中，遵循模塊化程序設(shè)計思想，劃分了動態(tài)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、實時監(jiān)測、船員管理等業(yè)務(wù)邏輯模塊，并詳細(xì)設(shè)計了各模塊功能實現(xiàn)的相關(guān)數(shù)據(jù)庫。最后對主要數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)表進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計，并給出了各數(shù)據(jù)表之間的關(guān)系E-R圖。本系統(tǒng)設(shè)計從提高船舶航行安全性和營運經(jīng)濟(jì)性的角度出發(fā)，可為船舶信息管理系統(tǒng)設(shè)計提供參考。

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[2]Becker E.Condition-oriented maintenance of vertical roller mills through autonomous telediagnostic systems with e-mail signalling [J].ZKG INTERNATIONAL,2000,53(5):262-268.

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[4]黃文燦.IBS綜合船舶信息顯示系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].大連:大連海事大學(xué),2012.

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Study on the Design of Ship’s Information Management System

YAO Ming-jie1,QI Feng2,YAN Ting-ting3
（1.Nantong COSCO KHI Ship Engineering Co.,Ltd,Nantong 226005,China; 2.School of Electronics and Information,Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang 212003,China; 3.Dept.of Designing,Zhen'an Electric Power Equipment Co.,Ltd.,Zhenjiang 212000,China）

In view of such problems as the state of separation confronting all types of ship business in China as well as the information gap resulting from the inconvenience in ship-to-shore communication,this article attempts to design a kind of ship's information management system.In addition,it elaborates on the hardware,software,database as well as E-R diagram of this system.

Information management;Network structure;Logic module;Database

U692.3

A

1671-9891（2014）03-0042-05

10.3969/j.issn.1671—9891.2014.03.012

2014-06-09

姚明捷（1977—），男，江蘇南通人，南通中遠(yuǎn)川崎船舶工程有限公司技術(shù)本部工程師，碩士。