船舶智能集成平臺的設(shè)計(jì)

朱錦廷

（大連海事大學(xué)，遼寧大連 116000）

0 引 言

當(dāng)今世界正處于人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)興起的時代，智能化船舶這一新興領(lǐng)域的概念日益受到了各國的普遍關(guān)注與高度重視,與此同時,智能化的船舶及其相關(guān)的技術(shù)逐漸成為行業(yè)的焦點(diǎn)與發(fā)展趨勢。

智能船舶是在目前已有條件的基礎(chǔ)上利用通信技術(shù)、信息技術(shù)、傳感技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，在物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、能源、機(jī)械設(shè)備、導(dǎo)航系統(tǒng)等相關(guān)領(lǐng)域建立起的虛實(shí)結(jié)合措施，用以對船舶的航行安全、船舶各設(shè)備運(yùn)行、能效管理等實(shí)現(xiàn)智能化監(jiān)測、控制以及管理，通過信息交互，實(shí)現(xiàn)對船舶的有效管理。

1 船舶智能集成平臺的概述

1.1 智能集成平臺的定義

船舶授予智能集成平臺功能標(biāo)志，應(yīng)至少能為智能航行、智能船體、智能機(jī)艙、智能能效管理和智能貨物管理中的兩個系統(tǒng)提供支持，形成船上數(shù)據(jù)采集/獲取、存儲、整合、交互、共享與展現(xiàn)，控制指令傳輸(如適用時)的統(tǒng)一集成平臺。集成平臺應(yīng)具備開放性，能夠整合現(xiàn)有船上信息管理系統(tǒng)及后續(xù)新增系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對船舶的全面監(jiān)控與智能化管理，并與岸基實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

1.2 智能集成平臺的功能

船舶智能集成平臺應(yīng)具有以下基本功能：

(1) 通過數(shù)據(jù)庫對各種狀態(tài)的數(shù)據(jù)收集，并作出綜合分析以及綜合評估，依據(jù)用戶的制定生成標(biāo)準(zhǔn)化和自動化的分析報(bào)告；

(2) 根據(jù)用戶設(shè)置的多維度邊界條件，為航行、安全、經(jīng)濟(jì)性等相關(guān)指標(biāo)提供綜合預(yù)報(bào)預(yù)警；

(3) 通過對船舶的歷史運(yùn)行狀態(tài)及參數(shù)的研究，預(yù)測目前船舶的操作和管理的方案的趨勢；

(4) 能夠支持良好的輔助決策，減少因?yàn)槿藶橐蛩貙?dǎo)致的失誤，從而提高船舶的性能。還可以根據(jù)評估結(jié)果和預(yù)測結(jié)果為事故的發(fā)生進(jìn)行預(yù)警，并制定及時的保護(hù)措施。另外還能為提高經(jīng)濟(jì)性和資源配置等提高優(yōu)化方案；

(5) 能夠?qū)崿F(xiàn)船舶和岸基數(shù)據(jù)的交互。

1.3 智能集成平臺的技術(shù)基礎(chǔ)

信息物理系統(tǒng)（cyber-physical systems）簡稱CPS，它是采用通過計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)，用以監(jiān)測它的物理進(jìn)程，從而對它實(shí)行有目的的控制，隨后通過反饋系統(tǒng)將檢測的物理數(shù)據(jù)進(jìn)行反饋。

而智能船舶的平臺集成正需要一個復(fù)雜而且非?？煽康膽?yīng)用系統(tǒng)， CPS滿足平臺所需的要求。CPS體系結(jié)構(gòu)的一般形式如圖1所示。

圖1 CPS體系結(jié)構(gòu)

船舶智能集成平臺可被認(rèn)為是一種可擴(kuò)展資源，它以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)平臺為基礎(chǔ)，以數(shù)據(jù)中心作為中間平臺，信息在其中匯集和轉(zhuǎn)換。它的關(guān)鍵內(nèi)容是面向服務(wù)的WEB應(yīng)用，從而可以高效復(fù)用基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)及其資源，充分利用智能化裝備網(wǎng)絡(luò)接口及信息化功能，有效融合智能化領(lǐng)域系統(tǒng)，提供給客戶更加安全、更加便捷、更加經(jīng)濟(jì)、更加安全的服務(wù)。

2 船舶智能集成平臺的設(shè)計(jì)

2.1 智能平臺設(shè)計(jì)目標(biāo)與框圖設(shè)計(jì)

（1）設(shè)計(jì)目標(biāo)

參考國際海事組織（IMO）海上安全委員會（MSC）第100屆會議關(guān)于MASS自主等級的劃分標(biāo)準(zhǔn)和中國船級社《智能船舶規(guī)范》（2020），通過搭建統(tǒng)一的智能集成平臺，實(shí)現(xiàn)全船數(shù)據(jù)的統(tǒng)一采集、處理、存儲和分發(fā)，以駕—機(jī)—電綜合自動化系統(tǒng)為基礎(chǔ)，基于全船統(tǒng)一的智能集成平臺，實(shí)現(xiàn)智能航行、智能船體、智能機(jī)艙和智能能效等功能。

（2）智能平臺框圖設(shè)計(jì)

智能集成平臺能夠整合現(xiàn)有的智能應(yīng)用、駕機(jī)電系統(tǒng)的信息資源及船舶信息管理系統(tǒng)，形成船上數(shù)據(jù)與應(yīng)用的統(tǒng)一平臺，以實(shí)現(xiàn)對本船的全面監(jiān)控，旨在實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：

①構(gòu)建全船統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)，集成本船已有的智能應(yīng)用、駕機(jī)電系統(tǒng)的信息資源和船舶信息管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對船舶的全面監(jiān)控與智能化管理；

②集成根據(jù)公約、規(guī)范及公司管理和操作需要新增的系統(tǒng)（如視頻監(jiān)控系統(tǒng)、綜合航行系統(tǒng)等）；

③具備船岸信息交互能力，可支持遠(yuǎn)程控制船內(nèi)駕機(jī)電設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)船舶日常操作行為的自動化處理。

智能集成平臺的框架如圖2所示：上圖是智能船舶集成平臺架構(gòu)。主要包括基礎(chǔ)平臺和智能集成系統(tǒng)，智能集成系統(tǒng)實(shí)施對智能船舶的整體監(jiān)控與管理。智能船舶智能子系統(tǒng)構(gòu)建于基礎(chǔ)平臺之上，并與智能集成系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互。岸基系統(tǒng)則通過船岸通信系統(tǒng)與智能集成系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，對船舶進(jìn)行遠(yuǎn)程的管理和控制。

圖2 智能平臺框圖

2.2 數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)采集、傳輸和存儲

數(shù)據(jù)采集、傳輸、儲存如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集、傳輸、儲存流程圖

（1）數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集接口模塊能通過網(wǎng)絡(luò)接口，采集綜合機(jī)艙自動化系統(tǒng)、智能航行設(shè)備、智能船體設(shè)備、智能機(jī)艙設(shè)備、智能能效管理設(shè)備等數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包括傳感器原始測量數(shù)據(jù)、智能系統(tǒng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)報(bào)文格式及安全管理由能夠進(jìn)行自主設(shè)定，支持客戶端和服務(wù)端等模式。

對數(shù)據(jù)采集終端軟件要具備以下功能要求：①硬件：嵌入式系統(tǒng)終端；

②數(shù)據(jù)采集硬件接口標(biāo)準(zhǔn)：RS232/485，CAN，Ethernet等；

③數(shù)據(jù)采集軟件接口標(biāo)準(zhǔn)：ModBus-RTU、NMEA-0183、串口自定義、ModBus-TCP、CANOpen、CAN自定義等；

④信息建模：采用標(biāo)準(zhǔn)OPC UA的信息建模方式對終端設(shè)備的元數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝和建模；

⑤信息傳輸：采用標(biāo)準(zhǔn)OPC UA的信息傳輸方式，構(gòu)建數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)器軟件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的加密傳輸。

（2）數(shù)據(jù)傳輸

數(shù)據(jù)傳輸采用socket通信原理，socket要通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行通信，至少需要一對套接字，其中一個運(yùn)行于客戶端，稱之為Client Socket，另一個運(yùn)行于服務(wù)器端，稱之為Server Socket。工作流程如圖4所示。

圖4 socket通信原理圖

（3）數(shù)據(jù)庫的建立與數(shù)據(jù)儲存

數(shù)據(jù)存儲模塊需實(shí)現(xiàn)船舶狀態(tài)數(shù)據(jù)和智能系統(tǒng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的可靠存儲及安全、評估管理，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、完整性和可用性，船舶狀態(tài)數(shù)據(jù)包括智能集成平臺采集綜合機(jī)艙自動化系統(tǒng)、智能航行系統(tǒng)傳感器、智能船體系統(tǒng)傳感器、智能機(jī)艙系統(tǒng)傳感器、智能能效系統(tǒng)傳感器等原始數(shù)據(jù)，智能系統(tǒng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包括系統(tǒng)基于原始數(shù)據(jù)二次計(jì)算的數(shù)據(jù)、用戶輸入的數(shù)據(jù)和系統(tǒng)日志數(shù)據(jù)。存儲過程（Stored Procedure）是一組為了完成特定功能的SQL語句集，經(jīng)編譯后存儲在數(shù)據(jù)庫中，用戶通過指定存儲過程的名字并給定參數(shù)（如果該存儲過程帶有參數(shù)）來調(diào)用執(zhí)行它：

以主機(jī)溫度和轉(zhuǎn)速為例，數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建語句如下：

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數(shù)據(jù)存儲語句如下：

import pymysqlimages/BZ_73_1270_2180_2235_2225.pngimages/BZ_73_1270_2225_2235_2270.pngimages/BZ_73_1270_2270_2235_2315.pngimages/BZ_73_1270_2315_2235_2360.pngimages/BZ_73_1270_2360_2235_2405.pngimages/BZ_73_1270_2405_2235_2450.pngimages/BZ_73_1270_2450_2235_2495.pngimages/BZ_73_1270_2495_2235_2540.pngimages/BZ_73_1270_2540_2235_2585.pngimages/BZ_73_1270_2585_2235_2630.pngimages/BZ_73_1270_2630_2235_2675.pngimages/BZ_73_1270_2675_2235_2720.pngimages/BZ_73_1270_2720_2235_2765.png

（4）數(shù)據(jù)檢索

數(shù)據(jù)檢索模塊實(shí)現(xiàn)對存儲數(shù)據(jù)的查詢和可視化顯示，實(shí)現(xiàn)所有場景下的數(shù)據(jù)查詢。提供數(shù)據(jù)描述功能，針對查詢的數(shù)據(jù)，可添加相關(guān)的數(shù)據(jù)屬性，包括數(shù)據(jù)名稱、平均值、最大值、最小值、數(shù)據(jù)質(zhì)量（異常值百分比）等。支持?jǐn)?shù)據(jù)導(dǎo)出，可導(dǎo)出為excel、csv、json等格式的文件。

2.3 基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)

（1）智能集成平臺基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)

智能集成平臺基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)基于全船一張網(wǎng)的核心思想，采用先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)技術(shù)，綜合考慮高可靠、低延遲的性能要求，構(gòu)建全船統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)，如圖5所示。

圖5 智能平臺全船統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)圖

根據(jù)不同的功能需求，設(shè)立多個業(yè)務(wù)子網(wǎng)，子網(wǎng)與子網(wǎng)通過安全設(shè)備實(shí)現(xiàn)隔離，保證數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)的安全性。通信鏈路層配置了3G/4G、VSAT、FBB、北斗、VDES、微波等通信手段，實(shí)現(xiàn)了多種信道的融合通信、數(shù)據(jù)傳輸負(fù)載均衡，為船岸一體化通信提供了可靠冗余鏈路，同時可實(shí)現(xiàn)船船數(shù)據(jù)交互。

安全防護(hù)層分邊界安全防護(hù)和應(yīng)用安全防護(hù)。邊界安全防護(hù)主要由2臺邊界安全網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)，為所有網(wǎng)絡(luò)提供基于網(wǎng)絡(luò)層的安全防護(hù)，包括入侵檢測、地址轉(zhuǎn)換、安全審計(jì)、病毒防護(hù)等；應(yīng)用安全防護(hù)主要由2臺或多臺船岸通信中間服務(wù)器實(shí)現(xiàn)。針對現(xiàn)場綜合監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，提供船岸業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)（控制指令等）的中轉(zhuǎn)與緩存功能，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層的數(shù)據(jù)安全過濾和監(jiān)控、流量控制、用戶權(quán)限管理等。

（2）綜合顯控

建立統(tǒng)一的程序框架，以友好的人機(jī)交互方式實(shí)現(xiàn)駕機(jī)電綜合信息顯示。綜合顯控模塊應(yīng)能高質(zhì)量的、全面的、多維的顯示全船駕、機(jī)、電系統(tǒng)與設(shè)備的運(yùn)行信息、狀態(tài)信息，船舶運(yùn)維管理信息，新增系統(tǒng)信息；能便捷的完成全船駕、機(jī)、電當(dāng)前系統(tǒng)與設(shè)備，新增系統(tǒng)與設(shè)備的控制。

3 結(jié) 論

在中國船級社《智能船舶規(guī)范（2020）》生效以及加強(qiáng)建設(shè)海洋強(qiáng)國的時代背景下，隨著大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代化信息技術(shù)的進(jìn)步帶動了我國船舶工業(yè)的進(jìn)步。船舶運(yùn)輸與以傳感器、信息、通信為代表的信息物理系統(tǒng)(cyberphysical system, CPS)的融合將促進(jìn)船舶智能化，成為船舶工業(yè)的發(fā)展趨勢。