基于大數(shù)據(jù)技術的監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)

管芳景 田志峰

摘? 要：隨著世界經(jīng)濟一體化發(fā)展，船舶行業(yè)面臨嚴峻的節(jié)能減排形勢。為了讓船東方了解船舶實時狀態(tài)，文章基于大數(shù)據(jù)技術提出了一種船舶能效監(jiān)測系統(tǒng)的軟件架構。基于該架構設計了船舶能效智能監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)實現(xiàn)了對船舶數(shù)據(jù)的采集和在線監(jiān)測，并通過海事衛(wèi)星或4G網(wǎng)絡與岸端系統(tǒng)保持同步更新，實現(xiàn)船岸信息共享，岸端系統(tǒng)能實現(xiàn)對船舶航行狀態(tài)、油耗、功率等的分析。最終智能監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)基于大數(shù)據(jù)的能效智能決策，從而為航運企業(yè)創(chuàng)造新的價值。

關鍵詞：大數(shù)據(jù);能效監(jiān)測;能效分析;智能決策

中圖分類號：TP311.13;TP393.08 ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）17-0055-05

Abstract：With the increase of the proportion of the subjunctive economy，shipbuilding industry is facing severe situation of energy saving and emission reduction.In order to let the ship-owner know the real-time state of the ship，a software architecture of ship energy efficiency monitoring system based on big data technology is proposed. Based on this framework，automatic real-time acquisition and on-line monitoring of ship main equipment parameters are realized. Through maritime satellite or 4G network，the ship shore information can be shared with shore based system;the analysis of navigation status，fuel consumption and power is realized. Finally，the intelligent monitoring system realizes the energy efficiency intelligent decision based on big data，so as to create new value for shipping enterprises.

Keywords：big data;energy efficiency monitoring;energy efficiency analysis;intelligent decision

0? 引? 言

隨著國際海事組織（IMO）海上環(huán)境保護委員會（MEPC）會議對提高船舶能效的技術性和操作性措施討論的升級，關于船舶燃油消耗數(shù)據(jù)收集機制的討論也日益升溫。船舶燃油消耗數(shù)據(jù)收集機制要求在船舶營運過程中，監(jiān)測反應船舶能效的各項參數(shù)，并對監(jiān)測結果進行報告，由第三方驗證機構核查報告并發(fā)放合格證明。國內(nèi)外對船舶能效的研究，主要集中在公式的適用范圍、參考線公式以及為減小新造船能效數(shù)值所采取的節(jié)能措施上面。面對即將強制實施的MRV機制，目前市場上并沒有相應的完善且實用的監(jiān)測和報告系統(tǒng)。自主研制船舶CO2排放監(jiān)測、報告和驗證（MRV）系統(tǒng)，可以為將來MRV機制的實施提供技術支持，對于促進航運業(yè)的技術進步、搶占MRV研究的制高點等方面具有重要意義。

本文綜合集成計算機應用、傳感器、數(shù)據(jù)采集、Modbus總線、遠程傳輸、大數(shù)據(jù)處理、數(shù)值計算分析、統(tǒng)計回歸分析等技術，提出了一種基于大數(shù)據(jù)技術的船舶能效監(jiān)測系統(tǒng)的軟件架構?；诖思軜?，作者主要完成岸端系統(tǒng)總體框架及部分模塊的開發(fā)和船端系統(tǒng)及岸端系統(tǒng)部分模塊的開發(fā)，實現(xiàn)對船舶軸功率、軸轉速、主輔機油耗、風速風向、GPS、主機監(jiān)測報警系統(tǒng)數(shù)據(jù)等主要設備參數(shù)的自動實時采集、在線監(jiān)測;并通過海事衛(wèi)星或4G網(wǎng)絡與岸端系統(tǒng)保持同步更新，實現(xiàn)船岸信息共享;建立船舶航行狀態(tài)數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)對船舶航行狀態(tài)、油耗、功率等的分析;為航運企業(yè)提供船舶排放控制區(qū)（ECA）預警、能效分析及報表管理服務，最終實現(xiàn)基于大數(shù)據(jù)的能效智能決策，從而為航運企業(yè)創(chuàng)造新的價值。

1? 系統(tǒng)分析

EEOI根據(jù)一個航次或者多個航次的數(shù)據(jù)統(tǒng)計得出，需要對船舶航行及在港停泊期間船舶主機、副機、鍋爐等所消耗的所有燃料油量進行統(tǒng)計。對此本監(jiān)測系統(tǒng)有以下幾點要求。

1.1? 能效監(jiān)控及計算分析

本系統(tǒng)需能夠?qū)Υ斑M行能效監(jiān)控，可實時記錄并顯示船舶航速、軸功率、燃油消耗量、主機輸出功率等數(shù)據(jù)，并計算EEOI指數(shù)，可在指定時間范圍內(nèi)生成報表（每海里油耗、每運輸功油耗、每海里CO2排放及每運輸單位CO2排放）。

1.2? 船舶狀態(tài)以及主輔機等狀態(tài)監(jiān)控

本系統(tǒng)可以完成對船舶狀態(tài)的實時監(jiān)控，可實時完成對主機、輔機、鍋爐等耗能設備的功率、壓力、溫度、燃油消耗量的監(jiān)測和記錄，可在指定時間范圍內(nèi)生成報表（燃油小時消耗量、日消耗量等）。

1.3? 船舶航行期間海洋環(huán)境參數(shù)記錄

本系統(tǒng)可以完成對相對風速風向的實時顯示和記錄，并根據(jù)船舶航速航向，計算實時真實風速風向;可以完成對氣溫、氣壓、水深等自然環(huán)境的實時記錄，并可以根據(jù)用戶要求生成報表（指定時間范圍內(nèi)）。

2? 系統(tǒng)設計

2.1? 系統(tǒng)總體架構

系統(tǒng)采用船端系統(tǒng)+岸端系統(tǒng)的方式進行建設，船端系統(tǒng)部署在每條需要監(jiān)測的船舶上。岸端系統(tǒng)部署在岸端系統(tǒng)應用服務器上。每個船端系統(tǒng)通過海事衛(wèi)星或4G網(wǎng)絡實現(xiàn)與岸端系統(tǒng)的通信，如圖1所示。

2.1.1? 船端系統(tǒng)

船端系統(tǒng)采用基于C++的C/S架構進行設計，船端系統(tǒng)基于總線技術實現(xiàn)船舶設備參數(shù)的采集，包括主機、輔機、風速儀、燃油流量計等設備。船端系統(tǒng)可實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)的采集、展示預警等功能，并能與岸端系統(tǒng)進行連接，將實時數(shù)據(jù)傳遞到岸端系統(tǒng)。

2.1.2? 岸端系統(tǒng)

岸端系統(tǒng)采用基于PHP的B/S架構的Web系統(tǒng)進行設計，實時接收來自各船端系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行監(jiān)測與存儲，并提供能效分析和報表管理功能。

2.2? 系統(tǒng)組成及實現(xiàn)方法

2.2.1? 船端系統(tǒng)

船端系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊三個核心模塊組成，如圖2所示。

2.2.1.1? 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊采用基于Modbus協(xié)議的數(shù)據(jù)采集方式，將數(shù)據(jù)從Modbus總線中讀取出來。Modbus協(xié)議是電子控制器常用的一種語言，通過此協(xié)議，控制器可以與其他控制器或其他控制設備進行通信。在船端安裝了遠程數(shù)據(jù)采集模塊，使用Modbus協(xié)議進行船端數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集主要實現(xiàn)對船舶軸功率、軸轉速、主輔機油耗、風速風向、GPS、主機監(jiān)測報警系統(tǒng)數(shù)據(jù)等主要設備參數(shù)的自動實時采集、在線監(jiān)測，并通過海事衛(wèi)星或4G網(wǎng)絡與岸端系統(tǒng)保持同步更新。

2.2.1.2? 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊通過數(shù)據(jù)采集模塊取得船端各設備數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式均為16進制報文數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理模塊基于船舶總線數(shù)據(jù)協(xié)議，對16進制報文進行轉義。

2.2.1.3? 數(shù)據(jù)傳輸模塊

船端通過基于TCP/IP協(xié)議的Socket通信方式與岸端系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)傳輸。

鑒于船舶上數(shù)據(jù)傳輸需要通過4G網(wǎng)絡或海事衛(wèi)星，對數(shù)據(jù)流量大小比較敏感，作者考慮傳統(tǒng)JSON數(shù)據(jù)格式占用數(shù)據(jù)過大，決定采用自定義二進制文本方式進行傳輸。這種方式占用網(wǎng)絡數(shù)據(jù)小，不含有冗余數(shù)據(jù)，占用帶寬小，占用資源小，網(wǎng)絡IO少，提高了傳輸效率。此外，考慮到數(shù)據(jù)安全性，數(shù)據(jù)傳輸模塊將傳輸數(shù)據(jù)進行加密，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡安全性，最終的傳輸格式為加密的自定義二進制文本方式。

2.2.2? 岸端系統(tǒng)

岸端系統(tǒng)基于PHP實現(xiàn)，岸端系統(tǒng)由數(shù)據(jù)接收模塊、數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、報表管理模塊五個核心模塊組成，如圖3所示。

2.2.2.1? 數(shù)據(jù)接收模塊

岸端系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接收模塊采用了基于PHP的Workerman框架。Workerman是一個高性能的PHP Socket服務器框架，其本身也是一個PHP多進程服務器框架，具有PHP進程管理以及Socket通信的模塊，所以不需要依賴如Apache的其他容器便可獨立運行。

Worker是WorkerMan中最基本的容器，Worker可以開啟多個進程監(jiān)聽端口并使用特定協(xié)議通訊。每個Worker進程都可以獨立運作，都能連接上萬的客戶端，并且可以處理已連接的客戶端上發(fā)來的數(shù)據(jù)。

2.2.2.2? 數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊

數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊通過儀表盤、柱狀圖、折線圖、數(shù)據(jù)表格等展現(xiàn)形式，將數(shù)據(jù)接收模塊接收的船舶航速、軸功率、燃油消耗量、主機輸出功率等數(shù)據(jù)進行實時展示。

2.2.2.3? 數(shù)據(jù)存儲模塊

數(shù)據(jù)存儲模塊采用MySQL數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)存儲，分別建立航次管理、船舶動態(tài)、加油管理、油品切換記錄、油耗管理、軸功率、燃油流量、風速流向、GPS、午報、歐盟報告、IMO報告等核心數(shù)據(jù)表。數(shù)據(jù)接收模塊接收數(shù)據(jù)后通過數(shù)據(jù)存儲模塊接口進行數(shù)據(jù)存儲。

2.2.2.4? 能效分析模塊

能效分析模塊為本系統(tǒng)的核心模塊，其基于存儲的數(shù)據(jù)進行能效指數(shù)的計算。

計算公式來自《環(huán)保會MEPC.1/Circ.684通函：船舶能效營運指數(shù)（EEOI）自愿使用指南》：

能效營運指數(shù)（EE0I）：船舶單位運輸作業(yè)所排放的CO2量，即消耗燃油所排放的CO2與貨物的數(shù)量和運輸距離的比值，用來衡量階段時期內(nèi)船舶能效的高低。

EEOI核心計算公式如下：

一個航次EEOI的基本表達式為：

平均EE0I：為船舶某段時間或多個航次運輸作業(yè)所排放的CO2量。如獲得某段時間或多個航程的指數(shù)平均值，指數(shù)計算為：

式中：j為燃油類型;i為航程數(shù);FCij為在航程i中燃油j的消耗量;CFj為燃油j 的燃油量與CO2量轉換系數(shù);mcargo為客船所載貨物（噸）或所做的功（TEU或乘客數(shù)量）或總噸;D為對應于所載貨物或所做的功的距離（海里）。

2.2.2.5? 報表管理模塊

報表管理模塊基于固定格式，選擇時間區(qū)間產(chǎn)生報表。報表包括午報、月報、季報、年報、IMO報告等。

3? 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1? 船端系統(tǒng)

根據(jù)船端系統(tǒng)框架設計，實現(xiàn)船舶能效智能監(jiān)測管理系統(tǒng)的船端系統(tǒng)，完成了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳輸。在船端系統(tǒng)可實時查看采集到的輸入，如圖4所示。

3.2? 岸端系統(tǒng)

根據(jù)岸端系統(tǒng)框架設計，實現(xiàn)船舶能效智能監(jiān)測管理系統(tǒng)的岸端系統(tǒng)，完成了營運信息、狀態(tài)監(jiān)測、能效分析、報表管理等功能建設，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)監(jiān)控、能效分析等模塊功能點。

3.2.1? 營運信息

船東方企業(yè)可以查看船舶的航次管理信息、船舶動態(tài)、加油管理、油品切換記錄及油耗管理信息，航次信息如圖5所示。

3.2.2? 狀態(tài)監(jiān)測

狀態(tài)監(jiān)測功能可以實現(xiàn)對船舶測量參數(shù)的實時顯示和數(shù)據(jù)導出，支持數(shù)據(jù)以Excel格式導出。顯示內(nèi)容包含軸功率、燃油流量、風速流向、GPS，可以指定船舶統(tǒng)計時間，結合一段時間內(nèi)的船舶數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，燃油流量監(jiān)測如圖6所示。

3.2.3? 基于采集及輸入數(shù)據(jù)進行能效分析

分析模塊能支持指定船舶、不同時間段航速、燃料消耗、CO2等維度的數(shù)據(jù)分析，可展示同一時間點內(nèi)數(shù)據(jù)，能夠結合特定要求，將統(tǒng)計信息圖片導出，如圖7所示。

4? 結? 論

在當前船舶燃油消耗數(shù)據(jù)收集機制日趨重要的形勢下，通過本系統(tǒng)的建設，能有效地完成船舶進出港信息、燃油消耗、載貨量、航行距離、航行狀態(tài)等數(shù)據(jù)的監(jiān)測與記錄，實現(xiàn)了船舶能效營運指數(shù)等數(shù)據(jù)的計算與分析，建立了完善且實用的監(jiān)測報告機制與系統(tǒng)，對促進航運業(yè)的技術進步具有重要意義。該系統(tǒng)已在節(jié)能技術發(fā)展有限公司實施，系統(tǒng)上線以來運行良好，性能穩(wěn)定，能效分析結果及時，系統(tǒng)在后期維護中不斷進行更新，擴展功能模塊，更好地滿足了船運行業(yè)的需求。

參考文獻：

[1] writer786. 環(huán)保會MEPC.282（70）決議 （2016年10月28日通過） 2016年船舶能效管理計劃（SEEMP）編制指南 [EB/OL].（2019-09-17）.https：//wenku.baidu.com/view/37ef64ce302b3169a45177232f60ddccda38e69a.html.

[2] 中國船檢.IMO航運減排大幕正式拉開 [EB/OL].（2018-01-09）.http：//www.cssponline.com/plus/view.php？aid =10799.

[3] 中國船級社.船舶CO2排放監(jiān)測、報告和驗證實施指南 2018 [EB/OL].（2018-09-13）.https：//www.ccs.org.cn/ccswz/articleDetail？id=201900001000008822.

[4] 沈通，楊世知.全球碳減排背景下的歐盟MRV規(guī)則 [J].中國船檢，2015（11）：35-38.

[5] 徐延軍，王敏.基于能效管理的船舶經(jīng)濟航速決策系統(tǒng) [J].中國航海，2013，36（4）：135-138.

作者簡介：管芳景（1980—），女，漢族，河南濮陽人，副教授，碩士，研究方向：計算機應用技術、系統(tǒng)仿真。