智能船舶船岸一體化系統應用

(上海外高橋造船有限公司,上海 200137)

1 系統構成

智能船舶的自主航行、遠程維護、能效管理等功能的實現都需要借助船岸一體化系統來完成船岸信息交互；而為了實現智能船舶船岸一體化系統的船岸信息交互的功能，船內、船端和岸端均需進行設備系統的改造升級。智能船舶船岸一體化系統被分成船端網絡信息平臺、船端通信設備、智能船舶岸端三個部分。

1.1 船端網絡信息平臺

常規船舶的導航、推進、監測、火警等系統各自獨立，各系統由自有的傳感器、處理器、及外部設備接口組成一個封閉獨立的系統。雖然相關設備通過接口可以達到信息傳輸的目的，但是各系統間的數據之間的關聯性提取無法實現。尤其是智能船舶的自主航行、遠程維護等功能的實現，傳統獨立系統也無法滿足要求。

船舶智能網絡信息平臺的構建應運而生，傳感器、處理器不再專屬于某一系統，而是直接將其連至網絡信息平臺，所有信息由網絡信息平臺統一處理，網絡信息平臺的任意一臺服務器或指定服務器通過應用模塊的運行，即可完成對該系統功能所需信息的調用和處理[2-3]。

1.2 船端通訊設備

目前營運船舶多采用FBB作為標準船岸通信方式，FBB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的基礎上增加了Ku波段的VSAT，由于VSAT系統理論速度可以提高到2Mb/s，采用包月計費，相較單純使用FBB的方案經濟一些。VSAT系統相對新一代Ka 波段的Global Xpress系統速度慢，但是目前Global Xpress系統的信號覆蓋范圍小，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 智能船舶岸端設備

岸端設備通常由服務器、網關設備、終端設備等相關的網絡設備組成。岸端設備通過衛星通訊接收來自在航船舶的數據信號，輸入到服務器后對數據進行解壓縮、解密、校驗等屬具處理并存儲。擁有授權的終端設備可以通過網絡對服務器中的數據進行讀取和修改。服務器的應用模塊可以對數據進行處理分析，并將處理結果回傳至營運船舶。

2 系統設計

2.1 船端網絡信息平臺設計

智能網絡信息平臺網絡結構采用雙環網的拓撲結構,見圖1。船舶設備種類繁多、分布分散。環網拓撲結構擁有覆蓋面積大，距離中心節點距離較長的特點。單環網自愈性較差，雙環網具有優秀的自愈性，即使出現少量系統故障依舊可以保持正常運行。較之其他拓撲結構，雙環網的網絡傳輸速度有所損失，但與陸地網絡通訊距離相比船舶通訊距離對網絡的傳輸速度影響可以忽略。同時在智能網絡信息平臺的設備使用光纖代替網線，提高了主干網絡的信息傳輸速度，以滿足各系統的響應時間要求[4]。

根據船舶的設備布置和數據通信需求，按照船舶艙室結構布局，劃分為上建和機艙兩個物理空間，來構建船舶網絡平臺的架構。上建部分主要收集通導系統、火警系統、壓載系統等船舶導航、安全的系統信息。機艙部分主要收集主機、發電機、鍋爐等電站及推進系統的信號。

為滿足智能船舶的大數據平臺共享的理念需要，導航系統、主機監控、主機推進系統、機艙輔助系統、液位遙測等系統的感知傳感器都通過分布在上建和機艙內的多個信號轉換單元直接接入網絡信息平臺，實現設備的信息參數對所有在線設備共享。設置在駕駛室、集控室等位置的網絡工作站根據定義的功能或授權，讀取部分或全部信息，完成數據的處理，實現原有單一系統或多系統的功能[5]。

2.2 船端通信系統設計

VSAT+FBB的衛星通信的方式需要在羅徑甲板安裝VSAT、FBB天線，將2套衛通設備的主單元布置在駕駛室的無線電區，同時在無線電區安裝一個船岸接口單元。該接口單元除具有網間連接器、協議轉換器、加密機等傳統功能外，還內置了3G/4G等陸用移動通信模塊。通過該船岸接口單元將本船網絡信息平臺與VSAT、FBB連接，實現網絡信息平臺與岸端設備信息交互的連通。

2.3 船岸數據同步原理

首先在岸基的服務器中根據每一條實際運營船舶的初始運行參數建立一條數據虛擬船舶，當船端信息網絡平臺發現設備異常或參數變化時，平臺對設備運行信息進行初步的處理分析，此時將設備的參數變化或運行情況的判斷結果打包加密發送至岸端；岸端將船端發送的變化信息在虛擬船舶的數據庫中進行數據還原，以達到信息同步的目的。受限于VSAT通訊速度和流量的原因無法將網絡平臺的所有信息同步傳輸到岸基，3G/4G等陸用移動通信功能就可以在船舶靠港時完成全網絡平臺信息的同步，避免了離岸時部分數據傳輸造成的虛擬船舶數據失真，彌補了VSAT通訊數據量的不足[6]。

3 系統功能

3.1 遠程監控

之前船舶離港后，船舶狀態運行情況在岸端不得而知。但船岸一體化系統應用后，船舶的數據可以實時傳輸到岸端服務器。各種網絡終端可以在授權的情況下對服務器進行訪問，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的應用終端查看實船conning上如航速、吃水、地理位置、配載、傾角、主機轉速、油耗等信息[8]。

同時設備供應商也可以經授權后通過對岸端服務器進行訪問對該公司所提供的設備使用及運行情況進行實時監控。

3.2 遠程維護

船岸一體化系統的應用，船舶航行中的報警將實時傳送到岸端，船舶公司設備管理人員可以根據報警情況對船上的設備使用進行指導。同時借助信息網絡平臺的機艙設備運行維護應用模塊對設備運行狀態做出的實時判斷分析并反饋岸端[8]。岸端通過對虛擬數據和船舶的歷史數據對比分析，發現潛在的設備故障，為船端提供應對解決方案，可以提前對有潛在故障的設備進行排查維護[9]。

3.3 氣導服務

在岸端通過購買氣象信息的定制服務獲得船舶航行區域最新的風速風向、潮汐、浪高、臺風等氣象信息，岸端服務器結合船期自動計算航線并在海圖上直接反映。可以實現預計到港時間最短，航行距離最短，航行成本最小等不同航線優化策略。再將計算的航線策略數據打包回傳到船上。船員可以參考岸端的航線策略對船舶的實際航航線進行規劃，為科學規劃航線提供理論支持[10]。

4 結論

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

船岸一體化系統的應用為智能船舶所需信息交互提供了技術保障，使得智能船舶的船舶綜合能效，設備運行維護、貨物狀態監控、自動駕駛輔助決策等功能成為實現，隨著智能船舶船岸一體化系統信息交互能力的提升及其他智能應用的發展，未來智能船舶將逐步實現自主導航、遠程控制、船舶自主航行等功能，使智能船舶更安全、更經濟、更環保。