智能船舶船岸一體化系統(tǒng)應(yīng)用

(上海外高橋造船有限公司,上海 200137)

1 系統(tǒng)構(gòu)成

智能船舶的自主航行、遠(yuǎn)程維護(hù)、能效管理等功能的實現(xiàn)都需要借助船岸一體化系統(tǒng)來完成船岸信息交互；而為了實現(xiàn)智能船舶船岸一體化系統(tǒng)的船岸信息交互的功能，船內(nèi)、船端和岸端均需進(jìn)行設(shè)備系統(tǒng)的改造升級。智能船舶船岸一體化系統(tǒng)被分成船端網(wǎng)絡(luò)信息平臺、船端通信設(shè)備、智能船舶岸端三個部分。

1.1 船端網(wǎng)絡(luò)信息平臺

常規(guī)船舶的導(dǎo)航、推進(jìn)、監(jiān)測、火警等系統(tǒng)各自獨立，各系統(tǒng)由自有的傳感器、處理器、及外部設(shè)備接口組成一個封閉獨立的系統(tǒng)。雖然相關(guān)設(shè)備通過接口可以達(dá)到信息傳輸?shù)哪康?，但是各系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)性提取無法實現(xiàn)。尤其是智能船舶的自主航行、遠(yuǎn)程維護(hù)等功能的實現(xiàn)，傳統(tǒng)獨立系統(tǒng)也無法滿足要求。

船舶智能網(wǎng)絡(luò)信息平臺的構(gòu)建應(yīng)運而生，傳感器、處理器不再專屬于某一系統(tǒng)，而是直接將其連至網(wǎng)絡(luò)信息平臺，所有信息由網(wǎng)絡(luò)信息平臺統(tǒng)一處理，網(wǎng)絡(luò)信息平臺的任意一臺服務(wù)器或指定服務(wù)器通過應(yīng)用模塊的運行，即可完成對該系統(tǒng)功能所需信息的調(diào)用和處理[2-3]。

1.2 船端通訊設(shè)備

目前營運船舶多采用FBB作為標(biāo)準(zhǔn)船岸通信方式，F(xiàn)BB使用L波段，最高理論速度只有432 kb/s，以流量計費，費用較高。新造船舶多采用FBB+VSAT的船岸通信方式，在原有L波段FBB的基礎(chǔ)上增加了Ku波段的VSAT，由于VSAT系統(tǒng)理論速度可以提高到2Mb/s，采用包月計費，相較單純使用FBB的方案經(jīng)濟(jì)一些。VSAT系統(tǒng)相對新一代Ka 波段的Global Xpress系統(tǒng)速度慢，但是目前Global Xpress系統(tǒng)的信號覆蓋范圍小，使用受到限制。綜合比較 FBB+VSAT組合的船岸通訊方式為目前的最佳方案[3]。

1.3 智能船舶岸端設(shè)備

岸端設(shè)備通常由服務(wù)器、網(wǎng)關(guān)設(shè)備、終端設(shè)備等相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成。岸端設(shè)備通過衛(wèi)星通訊接收來自在航船舶的數(shù)據(jù)信號，輸入到服務(wù)器后對數(shù)據(jù)進(jìn)行解壓縮、解密、校驗等屬具處理并存儲。擁有授權(quán)的終端設(shè)備可以通過網(wǎng)絡(luò)對服務(wù)器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和修改。服務(wù)器的應(yīng)用模塊可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，并將處理結(jié)果回傳至營運船舶。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 船端網(wǎng)絡(luò)信息平臺設(shè)計

智能網(wǎng)絡(luò)信息平臺網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用雙環(huán)網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),見圖1。船舶設(shè)備種類繁多、分布分散。環(huán)網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)擁有覆蓋面積大，距離中心節(jié)點距離較長的特點。單環(huán)網(wǎng)自愈性較差，雙環(huán)網(wǎng)具有優(yōu)秀的自愈性，即使出現(xiàn)少量系統(tǒng)故障依舊可以保持正常運行。較之其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，雙環(huán)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸速度有所損失，但與陸地網(wǎng)絡(luò)通訊距離相比船舶通訊距離對網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度影響可以忽略。同時在智能網(wǎng)絡(luò)信息平臺的設(shè)備使用光纖代替網(wǎng)線，提高了主干網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸速度，以滿足各系統(tǒng)的響應(yīng)時間要求[4]。

根據(jù)船舶的設(shè)備布置和數(shù)據(jù)通信需求，按照船舶艙室結(jié)構(gòu)布局，劃分為上建和機(jī)艙兩個物理空間，來構(gòu)建船舶網(wǎng)絡(luò)平臺的架構(gòu)。上建部分主要收集通導(dǎo)系統(tǒng)、火警系統(tǒng)、壓載系統(tǒng)等船舶導(dǎo)航、安全的系統(tǒng)信息。機(jī)艙部分主要收集主機(jī)、發(fā)電機(jī)、鍋爐等電站及推進(jìn)系統(tǒng)的信號。

為滿足智能船舶的大數(shù)據(jù)平臺共享的理念需要，導(dǎo)航系統(tǒng)、主機(jī)監(jiān)控、主機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)、機(jī)艙輔助系統(tǒng)、液位遙測等系統(tǒng)的感知傳感器都通過分布在上建和機(jī)艙內(nèi)的多個信號轉(zhuǎn)換單元直接接入網(wǎng)絡(luò)信息平臺，實現(xiàn)設(shè)備的信息參數(shù)對所有在線設(shè)備共享。設(shè)置在駕駛室、集控室等位置的網(wǎng)絡(luò)工作站根據(jù)定義的功能或授權(quán)，讀取部分或全部信息，完成數(shù)據(jù)的處理，實現(xiàn)原有單一系統(tǒng)或多系統(tǒng)的功能[5]。

2.2 船端通信系統(tǒng)設(shè)計

VSAT+FBB的衛(wèi)星通信的方式需要在羅徑甲板安裝VSAT、FBB天線，將2套衛(wèi)通設(shè)備的主單元布置在駕駛室的無線電區(qū)，同時在無線電區(qū)安裝一個船岸接口單元。該接口單元除具有網(wǎng)間連接器、協(xié)議轉(zhuǎn)換器、加密機(jī)等傳統(tǒng)功能外，還內(nèi)置了3G/4G等陸用移動通信模塊。通過該船岸接口單元將本船網(wǎng)絡(luò)信息平臺與VSAT、FBB連接，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信息平臺與岸端設(shè)備信息交互的連通。

2.3 船岸數(shù)據(jù)同步原理

首先在岸基的服務(wù)器中根據(jù)每一條實際運營船舶的初始運行參數(shù)建立一條數(shù)據(jù)虛擬船舶，當(dāng)船端信息網(wǎng)絡(luò)平臺發(fā)現(xiàn)設(shè)備異?；騾?shù)變化時，平臺對設(shè)備運行信息進(jìn)行初步的處理分析，此時將設(shè)備的參數(shù)變化或運行情況的判斷結(jié)果打包加密發(fā)送至岸端；岸端將船端發(fā)送的變化信息在虛擬船舶的數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行數(shù)據(jù)還原，以達(dá)到信息同步的目的。受限于VSAT通訊速度和流量的原因無法將網(wǎng)絡(luò)平臺的所有信息同步傳輸?shù)桨痘?G/4G等陸用移動通信功能就可以在船舶靠港時完成全網(wǎng)絡(luò)平臺信息的同步，避免了離岸時部分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸造成的虛擬船舶數(shù)據(jù)失真，彌補(bǔ)了VSAT通訊數(shù)據(jù)量的不足[6]。

3 系統(tǒng)功能

3.1 遠(yuǎn)程監(jiān)控

之前船舶離港后，船舶狀態(tài)運行情況在岸端不得而知。但船岸一體化系統(tǒng)應(yīng)用后，船舶的數(shù)據(jù)可以實時傳輸?shù)桨抖朔?wù)器。各種網(wǎng)絡(luò)終端可以在授權(quán)的情況下對服務(wù)器進(jìn)行訪問，船隊管理人員可以對在瀏覽器界面上查看整個船隊的位置和船舶航行的整體情況，船公司老板可以在手機(jī)的應(yīng)用終端查看實船conning上如航速、吃水、地理位置、配載、傾角、主機(jī)轉(zhuǎn)速、油耗等信息[8]。

同時設(shè)備供應(yīng)商也可以經(jīng)授權(quán)后通過對岸端服務(wù)器進(jìn)行訪問對該公司所提供的設(shè)備使用及運行情況進(jìn)行實時監(jiān)控。

3.2 遠(yuǎn)程維護(hù)

船岸一體化系統(tǒng)的應(yīng)用，船舶航行中的報警將實時傳送到岸端，船舶公司設(shè)備管理人員可以根據(jù)報警情況對船上的設(shè)備使用進(jìn)行指導(dǎo)。同時借助信息網(wǎng)絡(luò)平臺的機(jī)艙設(shè)備運行維護(hù)應(yīng)用模塊對設(shè)備運行狀態(tài)做出的實時判斷分析并反饋岸端[8]。岸端通過對虛擬數(shù)據(jù)和船舶的歷史數(shù)據(jù)對比分析，發(fā)現(xiàn)潛在的設(shè)備故障，為船端提供應(yīng)對解決方案，可以提前對有潛在故障的設(shè)備進(jìn)行排查維護(hù)[9]。

3.3 氣導(dǎo)服務(wù)

在岸端通過購買氣象信息的定制服務(wù)獲得船舶航行區(qū)域最新的風(fēng)速風(fēng)向、潮汐、浪高、臺風(fēng)等氣象信息，岸端服務(wù)器結(jié)合船期自動計算航線并在海圖上直接反映?？梢詫崿F(xiàn)預(yù)計到港時間最短，航行距離最短，航行成本最小等不同航線優(yōu)化策略。再將計算的航線策略數(shù)據(jù)打包回傳到船上。船員可以參考岸端的航線策略對船舶的實際航航線進(jìn)行規(guī)劃，為科學(xué)規(guī)劃航線提供理論支持[10]。

4 結(jié)論

船岸一體化系統(tǒng)的應(yīng)用解決了船舶與岸端的設(shè)備信息交互的問題。岸端可以時時掌握在航船舶的運行和設(shè)備狀態(tài)。離岸船舶可以有效利用大量在岸的服務(wù)和保障支持，提高了船舶運行的安全性。

船岸一體化系統(tǒng)的應(yīng)用為智能船舶所需信息交互提供了技術(shù)保障，使得智能船舶的船舶綜合能效，設(shè)備運行維護(hù)、貨物狀態(tài)監(jiān)控、自動駕駛輔助決策等功能成為實現(xiàn)，隨著智能船舶船岸一體化系統(tǒng)信息交互能力的提升及其他智能應(yīng)用的發(fā)展，未來智能船舶將逐步實現(xiàn)自主導(dǎo)航、遠(yuǎn)程控制、船舶自主航行等功能，使智能船舶更安全、更經(jīng)濟(jì)、更環(huán)保。