船舶智能集成平臺的設計

朱錦廷

（大連海事大學，遼寧大連 116000）

0 引 言

當今世界正處于人工智能、大數據、物聯網等技術興起的時代，智能化船舶這一新興領域的概念日益受到了各國的普遍關注與高度重視,與此同時,智能化的船舶及其相關的技術逐漸成為行業的焦點與發展趨勢。

智能船舶是在目前已有條件的基礎上利用通信技術、信息技術、傳感技術等相關技術的發展，在物聯網、大數據、能源、機械設備、導航系統等相關領域建立起的虛實結合措施，用以對船舶的航行安全、船舶各設備運行、能效管理等實現智能化監測、控制以及管理，通過信息交互，實現對船舶的有效管理。

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志，應至少能為智能航行、智能船體、智能機艙、智能能效管理和智能貨物管理中的兩個系統提供支持，形成船上數據采集/獲取、存儲、整合、交互、共享與展現，控制指令傳輸(如適用時)的統一集成平臺。集成平臺應具備開放性，能夠整合現有船上信息管理系統及后續新增系統，以實現對船舶的全面監控與智能化管理，并與岸基實現數據交互。

1.2 智能集成平臺的功能

船舶智能集成平臺應具有以下基本功能：

(1) 通過數據庫對各種狀態的數據收集，并作出綜合分析以及綜合評估，依據用戶的制定生成標準化和自動化的分析報告；

(2) 根據用戶設置的多維度邊界條件，為航行、安全、經濟性等相關指標提供綜合預報預警；

(3) 通過對船舶的歷史運行狀態及參數的研究，預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，減少因為人為因素導致的失誤，從而提高船舶的性能。還可以根據評估結果和預測結果為事故的發生進行預警，并制定及時的保護措施。另外還能為提高經濟性和資源配置等提高優化方案；

(5) 能夠實現船舶和岸基數據的交互。

1.3 智能集成平臺的技術基礎

信息物理系統（cyber-physical systems）簡稱CPS，它是采用通過計算機及網絡，用以監測它的物理進程，從而對它實行有目的的控制，隨后通過反饋系統將檢測的物理數據進行反饋。

而智能船舶的平臺集成正需要一個復雜而且非常可靠的應用系統， CPS滿足平臺所需的要求。CPS體系結構的一般形式如圖1所示。

圖1 CPS體系結構

船舶智能集成平臺可被認為是一種可擴展資源，它以計算機網絡平臺為基礎，以數據中心作為中間平臺，信息在其中匯集和轉換。它的關鍵內容是面向服務的WEB應用，從而可以高效復用基礎網絡及其資源，充分利用智能化裝備網絡接口及信息化功能，有效融合智能化領域系統，提供給客戶更加安全、更加便捷、更加經濟、更加安全的服務。

2 船舶智能集成平臺的設計

2.1 智能平臺設計目標與框圖設計

（1）設計目標

參考國際海事組織（IMO）海上安全委員會（MSC）第100屆會議關于MASS自主等級的劃分標準和中國船級社《智能船舶規范》（2020），通過搭建統一的智能集成平臺，實現全船數據的統一采集、處理、存儲和分發，以駕—機—電綜合自動化系統為基礎，基于全船統一的智能集成平臺，實現智能航行、智能船體、智能機艙和智能能效等功能。

（2）智能平臺框圖設計

智能集成平臺能夠整合現有的智能應用、駕機電系統的信息資源及船舶信息管理系統，形成船上數據與應用的統一平臺，以實現對本船的全面監控，旨在實現以下目標：

①構建全船統一網絡，集成本船已有的智能應用、駕機電系統的信息資源和船舶信息管理系統，實現對船舶的全面監控與智能化管理；

②集成根據公約、規范及公司管理和操作需要新增的系統（如視頻監控系統、綜合航行系統等）；

③具備船岸信息交互能力，可支持遠程控制船內駕機電設備，可實現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。主要包括基礎平臺和智能集成系統，智能集成系統實施對智能船舶的整體監控與管理。智能船舶智能子系統構建于基礎平臺之上，并與智能集成系統進行數據的交互。岸基系統則通過船岸通信系統與智能集成系統進行數據交互，對船舶進行遠程的管理和控制。

圖2 智能平臺框圖

2.2 數據庫數據采集、傳輸和存儲

數據采集、傳輸、儲存如圖3所示。

圖3 數據采集、傳輸、儲存流程圖

（1）數據采集

數據采集接口模塊能通過網絡接口，采集綜合機艙自動化系統、智能航行設備、智能船體設備、智能機艙設備、智能能效管理設備等數據，數據包括傳感器原始測量數據、智能系統業務數據。數據報文格式及安全管理由能夠進行自主設定，支持客戶端和服務端等模式。

對數據采集終端軟件要具備以下功能要求：①硬件：嵌入式系統終端；

②數據采集硬件接口標準：RS232/485，CAN，Ethernet等；

③數據采集軟件接口標準：ModBus-RTU、NMEA-0183、串口自定義、ModBus-TCP、CANOpen、CAN自定義等；

④信息建模：采用標準OPC UA的信息建模方式對終端設備的元數據進行封裝和建模；

⑤信息傳輸：采用標準OPC UA的信息傳輸方式，構建數據傳輸服務器軟件，實現數據的加密傳輸。

（2）數據傳輸

數據傳輸采用socket通信原理，socket要通過互聯網進行通信，至少需要一對套接字，其中一個運行于客戶端，稱之為Client Socket，另一個運行于服務器端，稱之為Server Socket。工作流程如圖4所示。

圖4 socket通信原理圖

（3）數據庫的建立與數據儲存

數據存儲模塊需實現船舶狀態數據和智能系統業務數據的可靠存儲及安全、評估管理，保證數據的準確性、完整性和可用性，船舶狀態數據包括智能集成平臺采集綜合機艙自動化系統、智能航行系統傳感器、智能船體系統傳感器、智能機艙系統傳感器、智能能效系統傳感器等原始數據，智能系統業務數據包括系統基于原始數據二次計算的數據、用戶輸入的數據和系統日志數據。存儲過程（Stored Procedure）是一組為了完成特定功能的SQL語句集，經編譯后存儲在數據庫中，用戶通過指定存儲過程的名字并給定參數（如果該存儲過程帶有參數）來調用執行它：

以主機溫度和轉速為例，數據庫創建語句如下：

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數據存儲語句如下：

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（4）數據檢索

數據檢索模塊實現對存儲數據的查詢和可視化顯示，實現所有場景下的數據查詢。提供數據描述功能，針對查詢的數據，可添加相關的數據屬性，包括數據名稱、平均值、最大值、最小值、數據質量（異常值百分比）等。支持數據導出，可導出為excel、csv、json等格式的文件。

2.3 基礎網絡

（1）智能集成平臺基礎網絡

智能集成平臺基礎網絡基于全船一張網的核心思想，采用先進的網絡架構技術，綜合考慮高可靠、低延遲的性能要求，構建全船統一網絡，如圖5所示。

圖5 智能平臺全船統一網絡圖

根據不同的功能需求，設立多個業務子網，子網與子網通過安全設備實現隔離，保證數據和業務的安全性。通信鏈路層配置了3G/4G、VSAT、FBB、北斗、VDES、微波等通信手段，實現了多種信道的融合通信、數據傳輸負載均衡，為船岸一體化通信提供了可靠冗余鏈路，同時可實現船船數據交互。

安全防護層分邊界安全防護和應用安全防護。邊界安全防護主要由2臺邊界安全網關實現，為所有網絡提供基于網絡層的安全防護，包括入侵檢測、地址轉換、安全審計、病毒防護等；應用安全防護主要由2臺或多臺船岸通信中間服務器實現。針對現場綜合監控網絡，提供船岸業務數據（控制指令等）的中轉與緩存功能，實現應用層的數據安全過濾和監控、流量控制、用戶權限管理等。

（2）綜合顯控

建立統一的程序框架，以友好的人機交互方式實現駕機電綜合信息顯示。綜合顯控模塊應能高質量的、全面的、多維的顯示全船駕、機、電系統與設備的運行信息、狀態信息，船舶運維管理信息，新增系統信息；能便捷的完成全船駕、機、電當前系統與設備，新增系統與設備的控制。

3 結 論

在中國船級社《智能船舶規范（2020）》生效以及加強建設海洋強國的時代背景下，隨著大數據、物聯網等現代化信息技術的進步帶動了我國船舶工業的進步。船舶運輸與以傳感器、信息、通信為代表的信息物理系統(cyberphysical system, CPS)的融合將促進船舶智能化，成為船舶工業的發展趨勢。