基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的綠色航運(yùn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

馮 寧, 吳曉鋒, 林悅忱, 華 金, 李水生

(1．上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所有限公司,上海 200135; 2．中遠(yuǎn)海運(yùn)科技(北京)有限公司,北京 100010; 3．中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司 上海市分公司,上海 200082)

0 引 言

近年來(lái),隨著國(guó)家“雙碳”戰(zhàn)略的發(fā)布和《綠色交通“十四五”發(fā)展規(guī)劃》的制訂實(shí)施,國(guó)內(nèi)港口配套設(shè)施的建設(shè)步伐逐漸加快,國(guó)家對(duì)船舶排放控制區(qū)的要求日益嚴(yán)格。中國(guó)遠(yuǎn)洋海運(yùn)集團(tuán)有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“中遠(yuǎn)海運(yùn)”)積極響應(yīng)國(guó)家號(hào)召,為正在運(yùn)營(yíng)的船舶加裝了船舶岸電系統(tǒng)和脫硫塔等減污降碳設(shè)備。隨著船舶環(huán)保設(shè)備的批量應(yīng)用,信息孤島等問(wèn)題逐漸凸顯,比如面對(duì)政府有關(guān)部門(mén)對(duì)航運(yùn)企業(yè)岸電使用情況的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)需求,各航運(yùn)公司大多以人工抄表和人工填報(bào)的方式應(yīng)對(duì)。為更高效、客觀、真實(shí)地對(duì)船舶環(huán)保設(shè)備的使用情況進(jìn)行自動(dòng)搜集、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和統(tǒng)計(jì)分析,提升各航運(yùn)公司的船舶智能管理和遠(yuǎn)程管理水平,中遠(yuǎn)海運(yùn)于2022年初組織相關(guān)單位開(kāi)展了綠色航運(yùn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研發(fā)和應(yīng)用推廣工作。

中遠(yuǎn)海運(yùn)聚焦《綠色交通“十四五”發(fā)展規(guī)劃》提出的岸電、排污和排放等船舶靠港作業(yè)期間應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容,采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建基于特定應(yīng)用場(chǎng)景的綠色航運(yùn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在中遠(yuǎn)海運(yùn)的船舶上部署船岸通信網(wǎng)關(guān),接入船舶岸電系統(tǒng),試點(diǎn)接入燃油流量計(jì),初步形成覆蓋集裝箱船、散貨船和客船等主營(yíng)船型的邊緣感知、加密遠(yuǎn)傳和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)(見(jiàn)圖1),為中遠(yuǎn)海運(yùn)各職能部門(mén)和下屬航運(yùn)公司提供定制化的數(shù)據(jù)查詢(xún)、業(yè)務(wù)分析、自動(dòng)報(bào)表和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警等服務(wù)。

圖1 綠色航運(yùn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)圖

1 系統(tǒng)框架

綠色航運(yùn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用云、邊、端協(xié)同數(shù)據(jù)框架的頂層設(shè)計(jì)理念設(shè)計(jì),其架構(gòu)見(jiàn)圖1。從云、邊和端等3個(gè)層面構(gòu)建一種集船端數(shù)據(jù)匯聚、網(wǎng)絡(luò)安全傳輸、岸端信息集成、數(shù)據(jù)多維展示和后臺(tái)運(yùn)營(yíng)分析等功能于一體的綠色航運(yùn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

在該綠色航運(yùn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中,船岸數(shù)據(jù)通信鏈路是連接船端與岸端的橋梁,必須選擇一種場(chǎng)景適用、資費(fèi)合理、傳輸可靠的船岸通信路徑。早期的蜂窩電話技術(shù)和基站建設(shè)尚不能滿足近海和內(nèi)河航運(yùn)的船岸通信需求;20世紀(jì)80—90年代的船岸數(shù)據(jù)通信多采用甚高頻(Very High Frequency,VHF)頻段數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)[1]實(shí)現(xiàn);隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展,21世紀(jì)初船岸數(shù)據(jù)通信開(kāi)始采用INMARSAT[2]和VSAT(Very Small Aperture Terminal)[3]海事衛(wèi)星提供的全程E-mail服務(wù)實(shí)現(xiàn)。最近幾年,國(guó)家加大了對(duì)沿海數(shù)字信息基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè),基于4G/5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已能很好地與綠色航運(yùn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的船岸數(shù)據(jù)通信契合。

綠色航運(yùn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在船端部署一體化的船岸通信網(wǎng)關(guān),采用現(xiàn)場(chǎng)總線連接船舶岸電系統(tǒng)、燃油流量計(jì)及其他船舶環(huán)保設(shè)備,采集相關(guān)數(shù)據(jù),并通過(guò)4G/5G物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)將其傳輸給岸端代理服務(wù)器。中遠(yuǎn)海運(yùn)數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的代理服務(wù)器程序通過(guò)證書(shū)驗(yàn)證船岸通信網(wǎng)關(guān)的身份,與其建立可靠的長(zhǎng)連接,接收并解析船端網(wǎng)關(guān)發(fā)送的數(shù)據(jù)。依托中遠(yuǎn)海運(yùn)的行業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)中臺(tái)提供的數(shù)據(jù)抽取、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)挖掘等功能,客戶(hù)端服務(wù)程序基于Angular框架,針對(duì)業(yè)務(wù)處理進(jìn)行封裝優(yōu)化,提供高效、簡(jiǎn)潔的開(kāi)發(fā)模式,保證前端系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全性,支持用戶(hù)以瀏覽器的方式訪問(wèn)該系統(tǒng)。

2 邊緣感知

在邊緣感知層方面,新研制的船岸通信網(wǎng)關(guān)的機(jī)械結(jié)構(gòu)沿用上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所有限公司的SRI-VC2100系列產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖2)。該系列產(chǎn)品采用工業(yè)設(shè)計(jì)理念設(shè)計(jì),具有結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、安裝方便和抗電磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),擁有中國(guó)船級(jí)社型式認(rèn)可證書(shū)。

圖2 船岸通信網(wǎng)關(guān)實(shí)物圖

硬件結(jié)構(gòu)采用層疊式堆棧結(jié)構(gòu),上層為中央處理器(Central Processing Unit,CPU)核心模組,下層為蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信模組,2層模組均配置獨(dú)立的電源模塊供電,數(shù)字信號(hào)全部進(jìn)行光電隔離。硬件架構(gòu)采用雙核心處理器架構(gòu), CPU核心模組選用NXP公司適于工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用的具有豐富外設(shè)通信接口的ARM(Advanced RISC Machine)處理器,對(duì)外提供多路開(kāi)關(guān)量I/O(Input/Output)接口、RS232/485/422串行通信接口、工業(yè)級(jí)以太網(wǎng)接口和CAN(Controller Area Network)現(xiàn)場(chǎng)總線接口,支持全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System,GPS)和北斗的全星座定位導(dǎo)航模塊。蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信模組選用RENESAS公司支持TrustZone技術(shù)增強(qiáng)型安全加密引擎的ARM處理器,建立起一道數(shù)據(jù)安全防火墻,外擴(kuò)4G/5G通信模塊實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)船岸通信。此外,充分考慮船舶甲板的環(huán)境溫度情況,選用中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司提供的工業(yè)級(jí)寬溫度范圍(-40～105 ℃)物聯(lián)網(wǎng)SIM(Subscriber Identification Module)卡。

在軟件設(shè)計(jì)方面,CPU核心模組支持NMEA0183報(bào)文解析,提供船舶靠港定位數(shù)據(jù),定位精度能達(dá)到2.5 m;支持MODBUD RS485和MODBUS TCP通信協(xié)議棧組件,以及廠商自定義通信協(xié)議的二次開(kāi)發(fā),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各種船用自動(dòng)化設(shè)備異構(gòu)數(shù)據(jù)的匯聚;同時(shí),根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景需求開(kāi)發(fā)相關(guān)的邊緣計(jì)算算法,例如自動(dòng)判別船舶岸電系統(tǒng)是左舷AMP(Alternative Marine Powered)正在接駁受電還是右舷AMP正在接駁受電的算法,以減少無(wú)效數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸。蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信模組軟件能實(shí)現(xiàn)MQTT(Message Queuing Telemetry Transport)+TLS(Transport Layer Security)傳輸協(xié)議的客戶(hù)端功能[4],客戶(hù)端和代理服務(wù)器必須采用CA(Certificate Authority)證書(shū)頒發(fā)機(jī)構(gòu)頒發(fā)的數(shù)字證書(shū)互相識(shí)別和驗(yàn)證對(duì)方的身份,并建立一個(gè)安全通道,支持長(zhǎng)度為1024/2048/4096密鑰的加密算法,從而保證傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不會(huì)被第三方惡意竊聽(tīng)或篡改。

船岸通信網(wǎng)關(guān)在接入船舶岸電系統(tǒng)數(shù)據(jù)過(guò)程中,根據(jù)船舶岸電系統(tǒng)電壓等級(jí)的不同有2種應(yīng)用場(chǎng)景:

1) 中壓岸電系統(tǒng),配有繼電保護(hù)裝置,船岸通信網(wǎng)關(guān)通過(guò)RS485接口與繼電保護(hù)裝置連接(見(jiàn)圖3a),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能;

圖3 船舶岸電系統(tǒng)接入船岸通信網(wǎng)關(guān)示意圖

2) 低壓岸電系統(tǒng),采用三相電流表改裝智能電表的方案,船岸通信網(wǎng)關(guān)通過(guò)RS485接口與智能電表連接(見(jiàn)圖3b),進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

上述2種應(yīng)用場(chǎng)景均采集船舶岸電系統(tǒng)的三相電壓、三相電流、有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)、正向有功電能、反向有功電能、正向無(wú)功電能和反向無(wú)功電能。

燃油流量計(jì)接入某型集裝箱船的船岸通信網(wǎng)關(guān)示意圖見(jiàn)圖4,該船在建造階段已安裝基于科式力效應(yīng)原理的燃油質(zhì)量流量計(jì)和質(zhì)量流量變送器等設(shè)備,燃油質(zhì)量流量信號(hào)通過(guò)RS485現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸給監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)。為保證原有設(shè)備正常運(yùn)行,同時(shí)兼顧4G/5G網(wǎng)關(guān)模塊的數(shù)據(jù)通信需求,將船岸通信網(wǎng)關(guān)的RS485接口搭接在質(zhì)量流量變送器與監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的通信線纜上,通過(guò)開(kāi)發(fā)Modbus RTU監(jiān)聽(tīng)程序,采用只聽(tīng)模式監(jiān)聽(tīng)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)與變送器之間的Modbus主從通信報(bào)文,截獲質(zhì)量流量率、溫度、密度和質(zhì)量總計(jì)等數(shù)據(jù),并通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)將其發(fā)送給岸端。

此外,依托船岸通信網(wǎng)關(guān)軟硬件支持的多種類(lèi)型的現(xiàn)場(chǎng)總線通信接口,該系統(tǒng)還能接入油污水排放系統(tǒng)、脫硫塔設(shè)備及其他具有數(shù)字化接口的船舶環(huán)保設(shè)備。

3 數(shù)據(jù)中臺(tái)

中遠(yuǎn)海運(yùn)行業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)中臺(tái)的云原生數(shù)據(jù)底座是以Hadoop3.2技術(shù)體系為基礎(chǔ)優(yōu)化的,能實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲(chǔ)計(jì)算。數(shù)據(jù)中臺(tái)采用湖倉(cāng)一體化設(shè)計(jì),支持對(duì)PB(PetaByte)級(jí)數(shù)據(jù)的計(jì)算、存儲(chǔ)、查詢(xún)和分析;通過(guò)采集能力的可視化配置機(jī)制,支持多數(shù)據(jù)源的靈活連接適配,降低數(shù)據(jù)入湖復(fù)雜度,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速采集接入;為全局采集共享的各類(lèi)離線和實(shí)時(shí)接口提供注冊(cè)、校驗(yàn)、監(jiān)控和目錄化管理機(jī)制,實(shí)現(xiàn)入湖數(shù)據(jù)與源數(shù)據(jù)的強(qiáng)一致性;提供數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)、治理一體化DataOps能力,支持對(duì)數(shù)據(jù)的全流程在線化管理(包括數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、共享、應(yīng)用、質(zhì)量管控和安全管理等),具備對(duì)數(shù)據(jù)和代碼的質(zhì)量及安全進(jìn)行策略化配置的能力,提供數(shù)據(jù)能力敏捷化構(gòu)建的規(guī)范框架和制作工具。圖5為中遠(yuǎn)海運(yùn)行業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)中臺(tái)架構(gòu)圖。

圖5 中遠(yuǎn)海運(yùn)行業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)中臺(tái)架構(gòu)圖

4 云接口和云服務(wù)

在云接口方面,采用開(kāi)源軟件Mosquitto作為消息代理(服務(wù)器)軟件,支持MQTT V3.1協(xié)議,支持可發(fā)布/可訂閱的消息推送模式。自主開(kāi)發(fā)MQTT消息處理軟件:一方面,通過(guò)安全證書(shū)與MQTT服務(wù)器連接,作為消費(fèi)者接收設(shè)備端的消息;另一方面,對(duì)設(shè)備消息進(jìn)行解密,按與船岸通信網(wǎng)關(guān)約定的格式解析消息內(nèi)容,將其緩存到數(shù)據(jù)中臺(tái)物聯(lián)網(wǎng)信息平臺(tái)中,同時(shí)作為生產(chǎn)者為數(shù)據(jù)中臺(tái)的抽取程序服務(wù)。

數(shù)據(jù)中臺(tái)抽取物聯(lián)網(wǎng)信息平臺(tái)船岸通信網(wǎng)關(guān)回傳的數(shù)據(jù),通過(guò)業(yè)務(wù)分析建立數(shù)據(jù)模型,搭建岸電接駁狀態(tài)和燃油加注狀態(tài)感知模型,融合云原生數(shù)據(jù)底座中其他系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)(如船舶信息數(shù)據(jù)、船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)和班輪船期表等),將其推送給前端應(yīng)用界面,用戶(hù)可通過(guò)瀏覽器或在手機(jī)端登錄監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)支持多種維度的數(shù)據(jù)圖形化展示,為公司的職能部門(mén)提供一個(gè)實(shí)時(shí)、全面、直觀的管理工具;能根據(jù)航運(yùn)公司的營(yíng)運(yùn)需求量身定制各種自動(dòng)報(bào)表(見(jiàn)圖6),滿足數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的需要。

圖6 綠色航運(yùn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)客戶(hù)端界面

5 應(yīng)用案例

綠色航運(yùn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自2022年10月在中遠(yuǎn)海運(yùn)客運(yùn)有限公司“龍興島”號(hào)客滾船上安裝使用以來(lái),已完成20余艘船舶(包括客滾船10艘、集裝箱船9艘和散貨船9)的船岸通信網(wǎng)關(guān)部署。

綠色航運(yùn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)云端服務(wù)程序以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行抽取、加工、匯總和整理,構(gòu)建綠色航運(yùn)指標(biāo)體系,根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)和決策導(dǎo)向生成一系列直觀、可挖掘的綠色航運(yùn)數(shù)據(jù)分析產(chǎn)品。以岸電設(shè)備使用情況統(tǒng)計(jì)為例,此前采用人工收集數(shù)據(jù)、人工填寫(xiě)報(bào)表的方式,至少需要2 d時(shí)間才能完成1次統(tǒng)計(jì),采用綠色航運(yùn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)之后,公司管理部門(mén)可隨時(shí)登錄系統(tǒng)查看多維度的自動(dòng)報(bào)表,為節(jié)能降碳效用統(tǒng)計(jì)提供數(shù)據(jù)支撐。

此外,中遠(yuǎn)海運(yùn)的綠色航運(yùn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)品支持SaaS服務(wù)模式,目前正在積極拓展其應(yīng)用范圍,與港航管理部門(mén)和多家航運(yùn)企業(yè)接洽,分享數(shù)智化的綠色航運(yùn)管理理念,降低經(jīng)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn),提升企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

6 結(jié) 語(yǔ)

以往的船岸遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要采集船舶機(jī)艙主輔機(jī)工況數(shù)據(jù)、導(dǎo)航及船橋系統(tǒng)的應(yīng)用數(shù)據(jù)[5],并將其打包暫存于船載數(shù)據(jù)庫(kù)中,定期發(fā)送給岸端數(shù)據(jù)庫(kù)。中遠(yuǎn)海運(yùn)根據(jù)綠色航運(yùn)管理的實(shí)際需求,采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研制了專(zhuān)注于船舶環(huán)保設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)。

利用船岸通信網(wǎng)關(guān)豐富的現(xiàn)場(chǎng)總線接口資源,圍繞綠色航運(yùn)監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)初衷,目前正在研究將油污水排放系統(tǒng)、脫硫塔設(shè)備和碳捕捉系統(tǒng)接入該綠色航運(yùn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中,全方位監(jiān)測(cè)船舶綠色航運(yùn)關(guān)鍵數(shù)據(jù),助力航運(yùn)管理的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。