船舶運(yùn)維場(chǎng)景識(shí)別及數(shù)據(jù)劃分體系淺析

周天雄 中海油田服務(wù)股份有限公司

1.引言

信息和通信技術(shù)為工業(yè)領(lǐng)域帶來(lái)更多可能的同時(shí)，也帶來(lái)了信息安全風(fēng)險(xiǎn)，特別是智能船舶領(lǐng)域。為應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全的挑戰(zhàn)，智能船舶數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院头€(wěn)定性成為了遠(yuǎn)程傳輸設(shè)計(jì)工作的重點(diǎn)。體系化的識(shí)別船舶運(yùn)維數(shù)據(jù)場(chǎng)景并同時(shí)建立一套有效精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)分類識(shí)別與分級(jí)判定的體系，是確保船舶數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸安全的基礎(chǔ)，基于此才能在數(shù)據(jù)保護(hù)和利用之間取得優(yōu)化平衡，有針對(duì)性的采取不同策略來(lái)保護(hù)管理數(shù)據(jù)，同時(shí)支撐數(shù)據(jù)生命周期內(nèi)的管理。

2.識(shí)別及劃分路徑

本文關(guān)注船舶海上運(yùn)維的數(shù)據(jù)場(chǎng)景，針對(duì)船舶配套設(shè)備智能集成與遠(yuǎn)程運(yùn)維業(yè)務(wù)，進(jìn)行運(yùn)維業(yè)務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景定義，同時(shí)確定場(chǎng)景數(shù)據(jù)管理主體，以保障數(shù)據(jù)分類和定級(jí)的準(zhǔn)確性，在場(chǎng)景識(shí)別的基礎(chǔ)上，進(jìn)行橫向和縱向的類別—級(jí)別劃分體系闡述。在智能船舶的背景下，配套設(shè)備智能集成及遠(yuǎn)程運(yùn)維場(chǎng)景下，對(duì)于數(shù)據(jù)可使用一級(jí)場(chǎng)景和二級(jí)場(chǎng)景進(jìn)行劃分，如圖1所示，一級(jí)場(chǎng)景可分為設(shè)備監(jiān)測(cè)、設(shè)備遙控、設(shè)備運(yùn)維。二級(jí)場(chǎng)景一般主要包括遠(yuǎn)程綜合檢測(cè)、機(jī)器視覺檢測(cè)、無(wú)人智能巡檢、設(shè)備遙控、輔助維修、故障診斷等。

圖1 船用配套設(shè)備遠(yuǎn)程運(yùn)維場(chǎng)景細(xì)分方法圖

3.設(shè)備檢測(cè)

設(shè)備監(jiān)測(cè)場(chǎng)景可以細(xì)分為遠(yuǎn)程綜合監(jiān)測(cè)、機(jī)器視覺監(jiān)測(cè)和無(wú)人智能巡檢，其各自有不同和統(tǒng)一的場(chǎng)景屬性，具體歸納如表1。

表1 設(shè)備監(jiān)測(cè)場(chǎng)景屬性及特點(diǎn)

遠(yuǎn)程綜合監(jiān)測(cè)是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)IO模塊、工業(yè)通訊模塊、網(wǎng)關(guān)等設(shè)備和手段，船用配套設(shè)備各類傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等接入智能集成平臺(tái)，采集設(shè)備外部環(huán)境、運(yùn)行狀態(tài)、操作指令等數(shù)據(jù)，回傳至岸基監(jiān)控中心，對(duì)配套設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行高精度監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)提醒異常狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)船用配套設(shè)備的全方位智能化監(jiān)測(cè)和管理，為船舶安全運(yùn)行提供保障。

機(jī)器視覺監(jiān)測(cè)通常通過(guò)以太網(wǎng)和無(wú)線熱點(diǎn)模塊得以實(shí)現(xiàn)視頻圖像采集設(shè)備、熱成像設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)接入，實(shí)時(shí)拍攝船用配套設(shè)備及安裝場(chǎng)所的高清圖像。通過(guò)高速網(wǎng)絡(luò)傳輸至部署在船端的人工智能系統(tǒng)，人工智能系統(tǒng)基于算法進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，對(duì)比系統(tǒng)規(guī)則或預(yù)報(bào)模型，判斷設(shè)備及處所狀態(tài)，完成狀態(tài)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)火災(zāi)預(yù)報(bào)、人員安全監(jiān)測(cè)、漏泄檢測(cè)、損管檢測(cè)（如管道破損、燃?xì)庑孤┮约芭摰走M(jìn)水等）。

無(wú)人智能巡檢通過(guò)巡檢機(jī)器人、無(wú)人水下航行器、無(wú)人機(jī)等智能體輔助進(jìn)行船用配套設(shè)備、機(jī)艙、船舶的智能巡檢，替代巡檢人員進(jìn)行巡邏值守和水下檢驗(yàn)。無(wú)人智能巡檢場(chǎng)景的應(yīng)用包括：使用巡檢機(jī)器人完成機(jī)艙自動(dòng)巡檢；使用水下航行器完成船體污底情況、破損情況、水下設(shè)備狀況，如側(cè)推器、主推進(jìn)器、舵葉、海底門等狀況的檢查；使用無(wú)人機(jī)完成船舶周邊安保巡檢，防海盜、防恐等巡查；動(dòng)態(tài)采集現(xiàn)場(chǎng)視頻、語(yǔ)音、圖片等各項(xiàng)數(shù)據(jù)，自動(dòng)完成檢測(cè)、巡航以及記錄數(shù)據(jù)、遠(yuǎn)程告警確認(rèn)等工作。機(jī)器人和航行器通過(guò)將數(shù)據(jù)回傳至船端或岸基中心，對(duì)配套設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行高精度監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)提醒異常狀態(tài)，有效提升安全等級(jí)、巡檢效率及安防效果，實(shí)現(xiàn)對(duì)船用配套設(shè)備的全方位智能化監(jiān)測(cè)和管理，為船舶安全運(yùn)行提供保障。

4.設(shè)備遙控

該場(chǎng)景通過(guò)綜合利用自動(dòng)控制、邊緣計(jì)算等技術(shù)，升級(jí)或研制船用配套設(shè)備操控系統(tǒng)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)IO模塊、工業(yè)通訊模塊、網(wǎng)關(guān)等設(shè)備和手段將船用配套設(shè)備各類傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、圖像采集裝置接入智能集成平臺(tái)，接收岸基遙控中心的操作指令，并通過(guò)船端智能集成平臺(tái)將指令發(fā)送至相應(yīng)的設(shè)備，完成指令相應(yīng)的動(dòng)作。設(shè)備動(dòng)作后產(chǎn)生的反饋數(shù)據(jù)再通過(guò)智能繼承平臺(tái)回傳至岸基遙控中心采集，實(shí)現(xiàn)對(duì)配套設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，使船舶按照預(yù)期航線航行，滿足運(yùn)營(yíng)方的業(yè)務(wù)要求。船舶運(yùn)維期間的主動(dòng)力裝置及相關(guān)設(shè)備有全流程的設(shè)備遙控需求，輔助裝置及相關(guān)設(shè)備有間斷的設(shè)備遙控需求。設(shè)備遙控的數(shù)據(jù)傳輸涉及船端及岸端，船端隨航線和作業(yè)區(qū)域變化，差異很大；岸端一般固定，通訊條件良好，涉及岸端數(shù)據(jù)收發(fā)端、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)處理端兩方。

設(shè)備遙控場(chǎng)景涉及船舶所有人、船舶管理機(jī)構(gòu)、船舶運(yùn)營(yíng)機(jī)構(gòu)。特別是，船舶運(yùn)營(yíng)機(jī)構(gòu)應(yīng)能監(jiān)測(cè)船舶航行相關(guān)的關(guān)鍵狀態(tài)和關(guān)鍵的遙控歷史記錄，如車鐘變化、發(fā)電機(jī)并車解列、舵角變化、減搖鰭動(dòng)作、泵浦啟停等。

5.設(shè)備運(yùn)維

設(shè)備運(yùn)維具體細(xì)分為故障診斷和輔助維修兩個(gè)領(lǐng)域，而后者又細(xì)分為遠(yuǎn)程維修輔助和船端維修輔助兩個(gè)具體的次級(jí)場(chǎng)景。在不同細(xì)分環(huán)境下，數(shù)據(jù)管理主體和其對(duì)應(yīng)權(quán)力和責(zé)任存在不同，具體見表2。

表2 設(shè)備運(yùn)維場(chǎng)景屬性及特點(diǎn)

故障診斷通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)IO模塊、工業(yè)通訊模塊、網(wǎng)關(guān)等設(shè)備和手段，將海上配套設(shè)備各類傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、圖像采集裝置接入智能集成平臺(tái)，采集設(shè)備外部環(huán)境、運(yùn)行狀態(tài)、操作指令等數(shù)據(jù)，回傳至岸基故障診斷系統(tǒng)和專家系統(tǒng)，將狀態(tài)數(shù)據(jù)導(dǎo)入岸基的故障診斷系統(tǒng)和專家系統(tǒng)，系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)采集到的設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)、運(yùn)行數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行全周期監(jiān)測(cè)，建立設(shè)備故障知識(shí)圖譜，對(duì)發(fā)生故障的設(shè)備進(jìn)行診斷和定位，通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，對(duì)設(shè)備運(yùn)行趨勢(shì)進(jìn)行動(dòng)態(tài)智能分析預(yù)測(cè)，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)報(bào)警信息、診斷信息、預(yù)測(cè)信息、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等信息的智能推送。

維修輔助包括遠(yuǎn)程維修輔助和船端維修輔助。前者在船舶配套設(shè)備應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)網(wǎng)關(guān)和船岸通訊手段，實(shí)現(xiàn)AR/VR眼鏡、智能手機(jī)、PAD等智能終端的船岸傳輸網(wǎng)絡(luò)接入，采集現(xiàn)場(chǎng)圖像、視頻、聲音等數(shù)據(jù)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸至遠(yuǎn)程專家系統(tǒng)，專家的指導(dǎo)信息、設(shè)備操作說(shuō)明書、圖紙、文件等，也可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)同步到現(xiàn)場(chǎng)終端，船員簡(jiǎn)單培訓(xùn)后即可實(shí)施檢修，有效提升船員的維修水平，實(shí)現(xiàn)維修過(guò)程智能化，提升維修效率，也可解決因疫情等因素導(dǎo)致專家無(wú)法到現(xiàn)場(chǎng)等問(wèn)題，推動(dòng)專家資源共享和維修效率的提升。船端維修輔助則通過(guò)構(gòu)建一個(gè)貼近真實(shí)的全虛擬VR工作環(huán)境，讓船員置身其間，熟悉掌握船用配套設(shè)備的復(fù)雜檢修技能，設(shè)備操作說(shuō)明書、圖紙、文件等也可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)同步到VR頭顯，給予全面的提示、介紹、引導(dǎo)及評(píng)判。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)操作步驟的增強(qiáng)圖像疊加、維修環(huán)節(jié)的可視化呈現(xiàn)，幫助現(xiàn)場(chǎng)人員進(jìn)行復(fù)雜設(shè)備或精細(xì)化設(shè)備的裝配。

6.運(yùn)維數(shù)據(jù)分類

數(shù)據(jù)分類被廣泛定義為按相關(guān)類別組織數(shù)據(jù)的過(guò)程，以便可以更有效地使用和保護(hù)數(shù)據(jù),并使數(shù)據(jù)更易于定位和檢索。船用配套設(shè)備遠(yuǎn)程運(yùn)維數(shù)據(jù)分類是在明確運(yùn)維場(chǎng)景和運(yùn)維數(shù)據(jù)管理主體的基礎(chǔ)上解決運(yùn)維數(shù)據(jù)的分類問(wèn)題。運(yùn)維數(shù)據(jù)的分類需要針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景，分析其運(yùn)維數(shù)據(jù)特征，以便于對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和傳輸路徑進(jìn)行規(guī)劃。在船舶及船-岸網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與后續(xù)升級(jí)的過(guò)程中，分析梳理船用配套設(shè)備運(yùn)維場(chǎng)景，考慮應(yīng)用場(chǎng)景要求、數(shù)據(jù)復(fù)雜程度等實(shí)際情況，對(duì)船岸傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行分類梳理和標(biāo)識(shí)，形成船用設(shè)備運(yùn)維數(shù)據(jù)分類清單，人為進(jìn)行分類。具體分類方案如圖2所示。

圖2 船用配套設(shè)備多場(chǎng)景運(yùn)維數(shù)據(jù)分類方法

場(chǎng)景細(xì)分后，找到數(shù)據(jù)與二級(jí)場(chǎng)景之間對(duì)應(yīng)關(guān)系，經(jīng)歸類后確定一級(jí)場(chǎng)景數(shù)據(jù)（對(duì)應(yīng)某場(chǎng)景的數(shù)據(jù)綜合），對(duì)一級(jí)場(chǎng)景數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)分，得到二級(jí)場(chǎng)景數(shù)據(jù)。根據(jù)船用配套設(shè)備運(yùn)維場(chǎng)景分析結(jié)果，船岸數(shù)據(jù)可按表3進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)分。

表3 船用配套設(shè)備遠(yuǎn)程運(yùn)維數(shù)據(jù)分類清單

7.運(yùn)維數(shù)據(jù)分級(jí)

船舶配備有不同系統(tǒng)及其相應(yīng)的配套設(shè)備，其數(shù)據(jù)被盜的風(fēng)險(xiǎn)不同，被盜后產(chǎn)生的危害等級(jí)也不同，因此在運(yùn)維數(shù)據(jù)分類基礎(chǔ)上，進(jìn)行數(shù)據(jù)的定級(jí)。船舶數(shù)據(jù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)參照《工業(yè)數(shù)據(jù)分類分級(jí)指南（試行）》，智能船舶數(shù)據(jù)分級(jí)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有GB/T 37025—2018等。根據(jù)數(shù)據(jù)的身份、行為、能力等各項(xiàng)指標(biāo)來(lái)進(jìn)行安全分級(jí)，在不同的數(shù)據(jù)遭到篡改、破壞、泄露或非法利用后，對(duì)船舶航行，智能運(yùn)維，人員安全及經(jīng)濟(jì)效益方面帶來(lái)的潛在影響進(jìn)行衡量，對(duì)不同數(shù)據(jù)進(jìn)行分級(jí)，并依據(jù)風(fēng)險(xiǎn)和影響等級(jí)作為對(duì)船舶運(yùn)維數(shù)據(jù)分級(jí)的參考，具體分級(jí)流程如圖3。

圖3 船用配套設(shè)備多場(chǎng)景運(yùn)維數(shù)據(jù)分級(jí)方法

依照工業(yè)數(shù)據(jù)分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，可將船舶運(yùn)維數(shù)據(jù)擬定為三個(gè)級(jí)別，如圖4。三級(jí)為對(duì)船舶航行安全產(chǎn)生極大風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)海洋環(huán)境造成極大污染，造成重大經(jīng)濟(jì)損失以及威脅人員生命安全的數(shù)據(jù)，且此類數(shù)據(jù)一般極難恢復(fù)；二級(jí)為對(duì)于船舶航行安全及人員生命財(cái)產(chǎn)安全產(chǎn)生較大影響，易造成較大經(jīng)濟(jì)損失，對(duì)環(huán)境造成較大危害的相關(guān)運(yùn)維數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)的恢復(fù)較為困難，恢復(fù)數(shù)據(jù)或消除負(fù)面影響的代價(jià)較大；一級(jí)為對(duì)船舶的航行安全，人員生命及財(cái)產(chǎn)安全，海洋環(huán)境及相關(guān)企業(yè)產(chǎn)生的影響較小，數(shù)據(jù)出現(xiàn)丟失以及損壞的情況后可以恢復(fù)或能夠進(jìn)行及時(shí)止損的數(shù)據(jù)。

圖4 船用配套設(shè)備多場(chǎng)景運(yùn)維數(shù)據(jù)分級(jí)

8.回顧與總結(jié)

本文從場(chǎng)景識(shí)別出發(fā)，為船舶運(yùn)維數(shù)據(jù)定義出三類一級(jí)場(chǎng)景及其細(xì)分二級(jí)場(chǎng)景，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行淺析，初步建立了一套對(duì)運(yùn)維數(shù)據(jù)的分類和分級(jí)體系，以便將不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)和類別的數(shù)據(jù)進(jìn)行再組織，為將來(lái)后續(xù)可能關(guān)于船舶運(yùn)維數(shù)據(jù)傳輸安全保護(hù)的研究提供支撐和參考。