大數(shù)據(jù)技術(shù)在船舶管理中的運用及效果觀察

◎ 王維成 撫州市交通運輸局

隨著水路運輸行業(yè)的不斷發(fā)展，船舶管理工作越發(fā)受到重視，將大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用到船舶管理中，借助大數(shù)據(jù)的優(yōu)勢，有利于提高船舶運輸過程中的系統(tǒng)識別效果以及數(shù)據(jù)分析水平，促使船舶信息化發(fā)展水平得到快速發(fā)展。此外利用大數(shù)據(jù)技術(shù)還能夠有效提高船舶管理效能，降低船舶運行成本，對加快水路運輸?shù)哪苄в忻黠@幫助。

1.大數(shù)據(jù)技術(shù)運用特點

大數(shù)據(jù)技術(shù)在應(yīng)用過程中將網(wǎng)絡(luò)與電腦整合，能夠在短時間內(nèi)完成對海量數(shù)據(jù)的收集、處理與集成。其不僅具有速度快和量大等特點，同時具備多種表達(dá)方式，且結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，能夠應(yīng)用到不同的系統(tǒng)中，促使相關(guān)系統(tǒng)功能價值得到顯著提升。大數(shù)據(jù)技術(shù)在運用過程中的特點主要體現(xiàn)為：規(guī)模性、多樣性、高速性和價值性四個方面，在實際應(yīng)用時，多用于數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)預(yù)測以及聚類分析中。通過對大量數(shù)據(jù)的整合分析，能夠找到不同數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行預(yù)測，或數(shù)據(jù)分類，有利于提高數(shù)據(jù)的使用效率。

未來大數(shù)據(jù)的發(fā)展趨勢主要包括以下方面：其一，與云計算結(jié)合，構(gòu)建新的計算形態(tài)，如在船舶管理中，可以提高數(shù)據(jù)的采集與運用效率。其二為數(shù)據(jù)管理。通過與管理功能的結(jié)合，使其水平得到提升，如在船舶管理中，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)能夠幫助調(diào)度工作，分析資源情況，并對故障系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)等。

2.大數(shù)據(jù)技術(shù)在船舶管理中的運用

2.1 識別系統(tǒng)的運用

船舶管理中的自動識別系統(tǒng)（AIS）在運行中，通過收集和分析船舶與岸邊以及運行經(jīng)緯度變化等數(shù)據(jù)，分析當(dāng)前船舶運行狀態(tài)，自動識別船舶運行中的風(fēng)險因素和非法操作，保障船舶的穩(wěn)定運行[1]。由于水路網(wǎng)整體復(fù)雜性較高，尤其在內(nèi)陸河道中，水體面積有限，船舶運行過程中容易受到多種因素影響，產(chǎn)生運輸故障，為保障安全性，應(yīng)借助大數(shù)據(jù)技術(shù)構(gòu)建自動識別系統(tǒng)，提高船舶管理效率。

在識別系統(tǒng)構(gòu)建時，應(yīng)在大數(shù)據(jù)技術(shù)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建新的計算框架，為大規(guī)模數(shù)據(jù)的計算提供幫助。以Spark為例，其在運行過程中，需要構(gòu)建計算框架，如圖1所示，在驅(qū)動器作用下，構(gòu)建集群管理器，并與不同工作節(jié)點聯(lián)系，為驅(qū)動系統(tǒng)的運行提供調(diào)整依據(jù)，使啟動程序順利運行。

圖1 Spark計算框架

以船舶軌跡數(shù)據(jù)預(yù)處理工作為例，在大數(shù)據(jù)技術(shù)作用下，優(yōu)化船舶軌跡AIS系統(tǒng)的運行效果[2]。由于船舶運行過程中，內(nèi)部安裝多個AIS設(shè)備，使得其在運行中，收集大量的軌跡數(shù)據(jù)，而想要得到船舶的運行情況，需要利用軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以此來確定數(shù)據(jù)是否存在異常。由于軌跡處理數(shù)據(jù)量非常大，因此可以使用大數(shù)據(jù)技術(shù)提高數(shù)據(jù)預(yù)處理速度，同時避免數(shù)據(jù)的缺失和異常情況，保障數(shù)據(jù)完整性。

在船舶軌跡數(shù)據(jù)預(yù)處理時，需要結(jié)合船舶的編號、報告位置的時間和經(jīng)緯度以及船舶類型，并將其繪制成表格，見表1，再利用系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)處理工作。

表1 AIS數(shù)據(jù)模式表格

在數(shù)據(jù)預(yù)處理時，需要將原始的船舶軌跡數(shù)據(jù)傳輸?shù)较到y(tǒng)中，并借助大數(shù)據(jù)技術(shù)清洗數(shù)據(jù)，去除重復(fù)和異常內(nèi)容，并按照要求進(jìn)行整合排序。完成后進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣分析。結(jié)合計算結(jié)果提取異常數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上刪除異常數(shù)據(jù)并重新計算航向等信息，為后續(xù)的AIS軌跡數(shù)據(jù)管理提供參考。

2.2 調(diào)度工作中的運用

船舶調(diào)度工作主要是安排船舶的生產(chǎn)活動，同時監(jiān)管指導(dǎo)船舶穩(wěn)定作業(yè)與航行，在該過程中需要結(jié)合各種影響因素對船舶的運行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)度，保障船舶安全航行。在該過程中，融合大數(shù)據(jù)技術(shù)構(gòu)建智能監(jiān)控體系，是當(dāng)前船舶調(diào)度工作發(fā)展的主要方向，工作人員可以利用系統(tǒng)監(jiān)控船舶的運行動態(tài)，并利用大數(shù)據(jù)處理船舶的運行參數(shù)，并由系統(tǒng)自動跟蹤和批量查詢船舶的相關(guān)數(shù)據(jù)，全面加強船舶調(diào)度作業(yè)效率。

與傳統(tǒng)的調(diào)度系統(tǒng)相比，智能大數(shù)據(jù)調(diào)度系統(tǒng)的運行效率更為理想，且整體數(shù)據(jù)的分析準(zhǔn)確性較高[3]。設(shè)置仿真測試，設(shè)置傳統(tǒng)船舶調(diào)度系統(tǒng)和新型智能大數(shù)據(jù)調(diào)度系統(tǒng)兩個實驗組，并向其中分別輸入難度等級1-5的數(shù)據(jù)，計算數(shù)據(jù)的調(diào)度時間和準(zhǔn)確率，整合測試數(shù)據(jù)并分析。通過仿真測試，分析不同難易程度狀態(tài)下，調(diào)度程序的運行情況，不同調(diào)度系統(tǒng)的時間消耗情況如表2所示，調(diào)度數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率如表3所示。

表2 仿真調(diào)度數(shù)據(jù)時間對比表（s）

表3 仿真測試調(diào)度數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率對比表（%）

通過結(jié)合仿真測試的數(shù)據(jù)能夠發(fā)現(xiàn)，相同調(diào)度系統(tǒng)下，難度等級提升后，其調(diào)度時間延長，同時相同難度等級下，智能大數(shù)據(jù)調(diào)度系統(tǒng)的數(shù)據(jù)調(diào)度時間明顯少于傳統(tǒng)調(diào)度系統(tǒng)，且智能系統(tǒng)的調(diào)度準(zhǔn)確率始終保持100%，在應(yīng)用上具有明顯的優(yōu)勢，對提高船舶運行穩(wěn)定性和安全性有較大幫助。

2.3 數(shù)據(jù)采集中的運用

船舶運行過程中，利用各類型傳感器識別并采集環(huán)境信息和運行信息，并對信息進(jìn)行處理，以確保船舶的穩(wěn)定運行[4]。此類數(shù)據(jù)量較大且存在較多的無效數(shù)據(jù)，因此使用大數(shù)據(jù)技術(shù)完成數(shù)據(jù)的采集與處理，對保障系統(tǒng)穩(wěn)定性十分重要。在船舶數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)建時，需要設(shè)置船舶無線局域網(wǎng)以及傳感器，在網(wǎng)絡(luò)支持下，使傳感器數(shù)據(jù)順利回傳到系統(tǒng)中。傳感器的設(shè)置需要根據(jù)需求合理選擇，常見的傳感器包括姿態(tài)傳感器、GPS、溫度傳感器以及超聲波傳感器，其中GPS系統(tǒng)使用時需要在船舶上安裝RD射頻以及基帶芯片等設(shè)備，構(gòu)建監(jiān)測站，確保能夠與衛(wèi)星系統(tǒng)達(dá)成合作，完成數(shù)據(jù)的傳輸。超聲波傳感器在測量時，主要使用s=vt/2計算（其中s為測量距離；v為超聲波傳播速度；t為超聲波往返時間）。

數(shù)據(jù)采集時，系統(tǒng)識別數(shù)據(jù)類型，并構(gòu)建相應(yīng)表格，使后續(xù)的查詢更加便捷，在設(shè)置表格時，以用戶表格為例，見表4。

表4 用戶信息數(shù)據(jù)采集表格

結(jié)合實際數(shù)據(jù)采集工作需求，采集用戶信息、船舶運行信息、船舶內(nèi)設(shè)備運行數(shù)據(jù)等相關(guān)內(nèi)容，借此來進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析，了解當(dāng)前船舶的實際運行情況，幫助識別運行故障，為船舶運行提供相關(guān)的參考，保障船舶順利航行。

2.4 資源分析中的運用

船舶資源分析的主要目的是提高船舶運行中的能源利用率，加大節(jié)能航行管理效果。在該過程中，一方面，應(yīng)利用大數(shù)據(jù)技術(shù)提高船舶縱傾優(yōu)化效果，快速并準(zhǔn)確計算船舶在不同條件下的運行情況，以及不同運行速度下受到的阻力情況，在此基礎(chǔ)上通過優(yōu)化的方式減小船舶航行阻力，提高實際的運行效率，保障船舶運行穩(wěn)定性。設(shè)定不同的船舶運行條件，使用大數(shù)據(jù)技術(shù)完成數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和計算，分析在不同狀態(tài)下船舶的資源消耗情況，此時考慮船舶在外界影響下的動態(tài)變化情況，最終得到最佳的船舶動態(tài)縱傾情況[5]。

另一方面，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)優(yōu)化船速，提高船舶的航行能效，以此減少油耗情況，使資源利用率得到提升。在大數(shù)據(jù)技術(shù)計算時，需要采集船舶在不同速度下的航行狀態(tài)，包括主機轉(zhuǎn)速、油耗情況等，結(jié)合船舶的運行航線要求以及運輸過程中的載重情況，計算最佳的運行速度，有效減少能源消耗。在計算時，可以構(gòu)建相應(yīng)的計算模型，如速度與功率的關(guān)系模型、設(shè)備負(fù)荷與油耗的關(guān)系模型等。收集大量船舶運行數(shù)據(jù)，并分析不同變量之間的關(guān)系，使船舶保持在最佳航行速度。

2.5 預(yù)測性維護(hù)中的運用

預(yù)測性維護(hù)技術(shù)能夠通過分析設(shè)備運行數(shù)據(jù)，預(yù)測設(shè)備可能發(fā)生故障的可能性，并根據(jù)監(jiān)測的數(shù)據(jù)，提出恰當(dāng)?shù)膽?yīng)對措施，以此加大設(shè)備監(jiān)管效果，保障設(shè)備的穩(wěn)定運行。船舶管理中，由于船舶整體控制體系較為復(fù)雜，且容易受到多種環(huán)境因素影響，恰當(dāng)?shù)念A(yù)測性維護(hù)管理，能夠提前識別并發(fā)現(xiàn)船舶的運行故障情況，并自主采取恰當(dāng)?shù)木S護(hù)方法，使船舶系統(tǒng)保持穩(wěn)定性。在預(yù)測性維護(hù)系統(tǒng)運用時，需要利用船舶監(jiān)控體系，收集相關(guān)裝置和設(shè)備的運行數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息。

以船舶液壓裝置為例，在液壓系統(tǒng)中安裝傳感器，監(jiān)測系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)，并利用網(wǎng)絡(luò)上傳到系統(tǒng)中。使用大數(shù)據(jù)對采集的監(jiān)控數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，一是剔除數(shù)據(jù)集中的異常值，此類異常值受到不可控因素影響，不具備代表性。二是去除數(shù)據(jù)噪聲，將監(jiān)測數(shù)據(jù)中非實驗數(shù)據(jù)剔除，加大特征提取效果。特征提取時，根據(jù)液壓裝置監(jiān)測數(shù)據(jù)，從時域和頻域兩方面分析信號，最終得到真實特征數(shù)據(jù)。

3.大數(shù)據(jù)技術(shù)在船舶管理中的運用效果

船舶管理過程中，合理融入大數(shù)據(jù)技術(shù)，不僅能夠加大對船舶狀態(tài)的把控效果，同時能夠為船舶運行狀態(tài)做出正確指導(dǎo)，促使船舶保持穩(wěn)定運行狀態(tài)。在具體應(yīng)用過程中，利用系統(tǒng)識別技術(shù)了解船舶運行情況，利用智能化大數(shù)據(jù)調(diào)度系統(tǒng)，提高船舶調(diào)度精準(zhǔn)性和效率，同時借助數(shù)據(jù)采集和資源分析系統(tǒng)，結(jié)合船舶實際情況，使船舶保持最佳的運行狀態(tài)，并利用預(yù)測性維護(hù)系統(tǒng)，保障船舶運行安全。通過對大數(shù)據(jù)技術(shù)的充分應(yīng)用，構(gòu)建新的船舶運行線路和管理方案，將其與以往的船舶航行數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，結(jié)果如表5所示。

表5 船舶管理狀態(tài)對比表

通過船舶狀態(tài)對比情況能夠發(fā)現(xiàn)，在大數(shù)據(jù)技術(shù)支持下，船舶的載貨工況變化幅度相對較小，同時船舶管理的年耗油量明顯減少，降低7.29%，船舶的波浪增阻下降，使船舶運行過程中的阻力減小，通過增加速度達(dá)到提高能源利用的目的。由此可見，大數(shù)據(jù)技術(shù)作用下，船舶管理效果有明顯提升[6]。

4.結(jié)束語

綜上所述，大數(shù)據(jù)技術(shù)在船舶管理中具有十分重要的作用，通過分析能夠發(fā)現(xiàn)，大數(shù)據(jù)技術(shù)能夠明顯提升船舶管理中的相應(yīng)功能使用效果，能夠大幅度提高系統(tǒng)識別能力、強化調(diào)度系統(tǒng)作用效果、加強數(shù)據(jù)收集處理效率、加大資源分析力度、提升預(yù)測性識別準(zhǔn)確率，促使船舶的管理功能更加完善。未來發(fā)展中，為進(jìn)一步提高船舶管理效果，需要相關(guān)人員加大相關(guān)技術(shù)的研究與應(yīng)用，不斷提升我國船舶管理水平。