基于物聯(lián)網(wǎng)的船舶設(shè)備監(jiān)控及報(bào)警智能處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

朱貴寶 楊旸

（江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院 江蘇省南京市 211100）

伴隨“一帶一路”戰(zhàn)略的推進(jìn)，響應(yīng)和參加的國(guó)際組織越來越多，我國(guó)與各參與國(guó)之間的海運(yùn)貿(mào)易需求也大幅增加，這給我國(guó)的航運(yùn)業(yè)帶來的新的機(jī)遇，也對(duì)航運(yùn)企業(yè)的精細(xì)化、智能化管理水平提出了更高的要求。對(duì)船舶設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)對(duì)保證船舶安全穩(wěn)定運(yùn)行十分重要，然而很多航運(yùn)企業(yè)在日常經(jīng)營(yíng)中的設(shè)備管理一直以來都是處于一個(gè)滯后的被動(dòng)管理狀態(tài)，特別是關(guān)鍵設(shè)備的設(shè)備狀態(tài)，目前好多還是處于船員人工抄錄，無法有效的預(yù)防設(shè)備故障，事后也無法有效的進(jìn)行工況還原及事故分析等。借助于當(dāng)下先進(jìn)的科技對(duì)船舶船艙的檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)加以技術(shù)支撐，是實(shí)現(xiàn)船舶機(jī)艙自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的主要途徑，實(shí)時(shí)對(duì)機(jī)艙設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)控，確保整個(gè)船舶航行的穩(wěn)定與安全[1]。傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)主要采用PLC 或者嵌入式系統(tǒng)，通過總線和船舶控制室連接，可以在船舶控制室有效地對(duì)整個(gè)船舶基本運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)控[2]。但是僅僅實(shí)現(xiàn)在船舶控制室里對(duì)運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)控，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到現(xiàn)代船舶管理對(duì)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控的要求，有必要利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，把船舶設(shè)備通過信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)無線連接起來，將船舶設(shè)備運(yùn)行情況實(shí)時(shí)傳輸?shù)桨渡稀８M(jìn)一步的，在監(jiān)控中發(fā)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)出現(xiàn)異常報(bào)警時(shí)，及時(shí)進(jìn)行處理。

本研究設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的船舶設(shè)備工況監(jiān)控及報(bào)警智能處理系統(tǒng)，通過本系統(tǒng)，航行在近海和遠(yuǎn)洋的船舶的位置以及各種工況信息可以實(shí)時(shí)傳輸?shù)桨渡希瑬|可通過電腦或手機(jī)實(shí)時(shí)了解船舶運(yùn)行情況，為船東后續(xù)的運(yùn)營(yíng)改進(jìn)提供了有力的數(shù)據(jù)支持。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)運(yùn)行報(bào)警時(shí)，實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)照片，結(jié)合監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)發(fā)到岸上，實(shí)現(xiàn)船上和岸上同時(shí)診斷，幫助迅速解決故障。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)的船舶設(shè)備工況監(jiān)測(cè)及報(bào)警智能處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 功能設(shè)計(jì)

與傳統(tǒng)的船舶監(jiān)控系統(tǒng)不同，本研究所設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)的船舶設(shè)備工況監(jiān)控及報(bào)警智能處理系統(tǒng)，利用先進(jìn)的傳感器技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)、移動(dòng)通信技術(shù)，不僅可實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)對(duì)工況異常報(bào)警信息的智能化處理。其功能主要包括以下幾個(gè)方面：

（1）數(shù)據(jù)傳輸。根據(jù)查詢需要，將將船舶上電腦中的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)桨渡希?/p>

（2）船舶設(shè)備工況監(jiān)控。系統(tǒng)維護(hù)：用戶管理、船舶管理與工況參數(shù)設(shè)置、權(quán)限設(shè)置、操作日志、報(bào)警參數(shù)設(shè)置、預(yù)警參數(shù)設(shè)置、電子地理圍欄設(shè)置等功能；實(shí)時(shí)監(jiān)控：船舶航程實(shí)時(shí)監(jiān)控、船舶工況實(shí)時(shí)監(jiān)控、工況報(bào)警實(shí)時(shí)監(jiān)控、工況預(yù)警實(shí)時(shí)監(jiān)控、船舶進(jìn)出圍欄實(shí)時(shí)監(jiān)控；數(shù)據(jù)查詢：船舶航程查詢、船舶工況歷史數(shù)據(jù)查詢、船舶報(bào)警數(shù)據(jù)查詢、船舶預(yù)警數(shù)據(jù)查詢、船舶進(jìn)出圍欄查詢；統(tǒng)計(jì)分析：船舶航程軌跡、船舶工況綜合查詢、船舶工況統(tǒng)計(jì)分析、報(bào)警事件統(tǒng)計(jì)分析、船舶航程-工況-時(shí)間關(guān)聯(lián)綜合分析、船舶進(jìn)出圍欄統(tǒng)計(jì)分析；各類報(bào)表生成；

（3）報(bào)警智能處理。將設(shè)備工況數(shù)據(jù)與設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)照片相結(jié)合，實(shí)時(shí)傳輸?shù)酱翱刂婆_(tái)和岸上，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)和岸上同步診斷和處理；

（4）手機(jī)APP。通過手機(jī)APP 實(shí)現(xiàn)船舶航程實(shí)時(shí)通知與監(jiān)控、船舶工況實(shí)時(shí)通知與監(jiān)控、工況報(bào)警實(shí)時(shí)通知與監(jiān)控、工況預(yù)警實(shí)時(shí)通知與監(jiān)控、船舶進(jìn)出圍欄實(shí)時(shí)通知與監(jiān)控。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)基本架構(gòu)主要分為3 層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層[3]。分析該監(jiān)測(cè)及報(bào)警智能處理系統(tǒng)的功能和技術(shù)需求，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)的基本架構(gòu)，可把本系統(tǒng)的架構(gòu)也劃分為3 層：感知層是監(jiān)測(cè)及報(bào)警智能處理系統(tǒng)最底層，感知層的功能實(shí)現(xiàn)與硬件部分設(shè)計(jì)相結(jié)合，根據(jù)功能和技術(shù)需要配置電源、專用傳感器和電氣設(shè)備，通過傳感器對(duì)船舶設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，通過數(shù)據(jù)接口傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)層；本系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層選擇通過北斗衛(wèi)星或4G 通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸；應(yīng)用層是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)和用戶之間的信息交互，對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和處理，向系統(tǒng)發(fā)送智力，實(shí)現(xiàn)設(shè)備工況參數(shù)的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)顯示、查詢、診斷、報(bào)警處理等功能。系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1：船舶設(shè)備工況監(jiān)測(cè)及報(bào)警智能處理系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

基于物聯(lián)網(wǎng)的船舶設(shè)備工況監(jiān)測(cè)及報(bào)警智能處理系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)由設(shè)備傳感器、攝像頭、北斗衛(wèi)星收發(fā)器、4G 通信設(shè)備、服務(wù)器和終端設(shè)備構(gòu)成。軟件系統(tǒng)平臺(tái)采用Linux 平臺(tái)，系統(tǒng)的開發(fā)語言采用C++，開發(fā)工具采用VS2012，數(shù)據(jù)庫采用MySQL、MS SQL SERVER，以多線程方式采集數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)。

2 軟件實(shí)現(xiàn)

在設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)和硬件布置的基礎(chǔ)上，開發(fā)軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、傳輸、提示、報(bào)警及其他人機(jī)交互功能。

2.1 數(shù)據(jù)采集和傳輸

數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)墓δ苡纱皵?shù)據(jù)采集、船舶數(shù)據(jù)發(fā)送、岸基船舶數(shù)據(jù)接收、岸基船舶數(shù)據(jù)同步到云服務(wù)器等四個(gè)子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

在船舶上，船舶工況數(shù)據(jù)采集工控機(jī)通過MODBUS 協(xié)議自動(dòng)采集船舶上各個(gè)設(shè)備的工況數(shù)據(jù)并保存入本地?cái)?shù)據(jù)庫。船舶數(shù)據(jù)發(fā)送子系統(tǒng)從本地?cái)?shù)據(jù)庫中獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并通過船基北斗衛(wèi)星收發(fā)器發(fā)送到岸基北斗衛(wèi)星接收器，或者通過4G 通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)桨痘０痘皵?shù)據(jù)接收子系統(tǒng)從北斗衛(wèi)星或4G 網(wǎng)絡(luò)中接收數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)的業(yè)務(wù)邏輯處理，最后存入岸基數(shù)據(jù)庫。岸基船舶數(shù)據(jù)同步到云服務(wù)器子系統(tǒng)負(fù)責(zé)將岸基數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中船舶數(shù)據(jù)同步到云服務(wù)器。至此，數(shù)據(jù)采集和傳輸實(shí)現(xiàn)，整個(gè)過程無需人員介入，船東或船務(wù)公司相關(guān)人員可以通過電腦或手機(jī)實(shí)時(shí)查看船舶工況數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)監(jiān)控和報(bào)警智能處理

系統(tǒng)設(shè)定當(dāng)相關(guān)參數(shù)超出臺(tái)架試驗(yàn)額定負(fù)荷的100%對(duì)應(yīng)值時(shí)（說明書負(fù)荷對(duì)應(yīng)值或經(jīng)驗(yàn)值），系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)警提示；相關(guān)參數(shù)超出臺(tái)架試驗(yàn)額定負(fù)荷的110%對(duì)應(yīng)值時(shí)（說明書負(fù)荷對(duì)應(yīng)值或經(jīng)驗(yàn)值），系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警。對(duì)設(shè)定時(shí)間段內(nèi)對(duì)應(yīng)工況值的提示和報(bào)警的點(diǎn)，標(biāo)識(shí)出最大值的點(diǎn)，形成提示、預(yù)警列表。

當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)識(shí)別工況數(shù)據(jù)達(dá)到報(bào)警點(diǎn)時(shí)，將報(bào)警提示信息同時(shí)傳輸至船舶控制臺(tái)和岸上，同時(shí)系統(tǒng)將調(diào)用現(xiàn)場(chǎng)不同角度的攝像頭，從不同角度拍攝提示異常設(shè)備的相關(guān)場(chǎng)景照片，將傳感器監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和攝像機(jī)拍攝的場(chǎng)景數(shù)據(jù)，融合顯示在一個(gè)界面上，實(shí)時(shí)傳輸?shù)酱翱刂婆_(tái)和岸上，船東或船務(wù)公司可組織專家組在岸上對(duì)報(bào)警情況進(jìn)行多方會(huì)診，從而便捷、快速的實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)和岸上專家同步會(huì)診和處理，提高效率故障排除效率。

2.3 其他人機(jī)交互功能

系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)查詢、分析、生成統(tǒng)計(jì)報(bào)表等功能。在電腦端或手機(jī)APP 可列表顯示工況參數(shù)信息；按時(shí)間顯示實(shí)時(shí)工況列表，時(shí)間間隔可設(shè)定。可調(diào)用、查看以前時(shí)段工況信息；顯示工況參數(shù)連續(xù)曲線圖，一個(gè)時(shí)間段內(nèi)同一曲線圖中可同時(shí)顯示航速、轉(zhuǎn)速、排溫、增壓壓力，以便于分析。在選中某點(diǎn)時(shí)，可光標(biāo)顯示具體的時(shí)間、地點(diǎn)、航速等信息。

3 系統(tǒng)的實(shí)踐應(yīng)用

在某海輪上裝載了本系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用實(shí)踐。系統(tǒng)軟硬件包括：主機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器、主機(jī)增壓壓力變送器、排溫總管溫度變送器、滑油壓力變送器、滑油溫度變送器、淡水溫度變送器、工業(yè)4G 通訊模塊、北斗衛(wèi)星收發(fā)器、信號(hào)采集箱（壁掛式安裝于機(jī)艙）、控制電腦、通信中繼器、電腦端軟件及手機(jī)APP 軟件。核心數(shù)據(jù)采集包括：轉(zhuǎn)速、增壓壓力、排溫、滑油壓力、滑油溫度、淡水溫度等關(guān)鍵參數(shù)，數(shù)據(jù)采集周期不大于5 秒，通過2 路485/422 接口，將采集數(shù)據(jù)上傳至船上工控機(jī)，保存入本地?cái)?shù)據(jù)庫。同時(shí)自動(dòng)計(jì)算航速，位置，判斷流向并將所有數(shù)據(jù)以圖、表的形式顯示在電腦及移動(dòng)端。管理人員通過移動(dòng)終端（手機(jī)、電腦、平板等）就能便捷的查看船舶的相關(guān)信息、查詢分析設(shè)備運(yùn)行趨勢(shì)、查看月統(tǒng)計(jì)報(bào)表，進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控管理，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)運(yùn)行智能化、管理數(shù)據(jù)可視化、決策科學(xué)化。本系統(tǒng)目前在該輪船上已實(shí)際運(yùn)行一年，可靠性、穩(wěn)定性良好，幫助船企極大地提高了管理效率。部分設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)顯示圖如圖2 所示。

圖2：部分設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)顯示圖

4 結(jié)論

船舶智能化管理是航運(yùn)企業(yè)未來發(fā)展的必然選擇，而船舶設(shè)備工況實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控是實(shí)現(xiàn)船舶智能化管理的重要一環(huán)，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)利用先進(jìn)的傳感器技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)、移動(dòng)通信技術(shù)建立企業(yè)船舶設(shè)備工況遠(yuǎn)程監(jiān)控信息管理系統(tǒng)。采集船舶的主機(jī)關(guān)鍵數(shù)據(jù)，幫助企業(yè)詳細(xì)了解船舶航行過程中的設(shè)備使用情況，發(fā)現(xiàn)問題，建立科學(xué)的管理模式，為企業(yè)優(yōu)化管理流程提供數(shù)據(jù)支持,減少船舶的故障率，降低運(yùn)營(yíng)成本，實(shí)現(xiàn)船舶內(nèi)部的智能化管理，以及對(duì)船舶動(dòng)態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。運(yùn)行實(shí)踐證實(shí)，該系統(tǒng)操作便捷、設(shè)計(jì)先進(jìn)、可靠性高，在航運(yùn)業(yè)內(nèi)有很好的應(yīng)用前景。