基于Web的機艙遠程監控系統設計

姚 斌 龐之洋 梁述海

海軍工程大學船舶與動力學院，湖北武漢430033

基于Web的機艙遠程監控系統設計

姚 斌 龐之洋 梁述海

海軍工程大學船舶與動力學院，湖北武漢430033

使用基于Web的監控技術實現機艙設備的遠程監控與管理是當前船舶自動化發展的趨勢。本文把基于Web的網絡技術應用到船舶機艙設備遠程監控和故障診斷領域，提出了利用LabVIEW的Web發布工具實現遠程監控的系統方案，給出了該系統的基本結構、功能、硬件組成和利用LabVIEW實現Web發布的具體方法。遠程用戶通過Web瀏覽器可對現場監控機發出監控指令，獲取機艙設備的狀態參數。當出現異常數據本船無法判別時，可通過遠程故障診斷系統進行在線診斷。

遠程監控；遠程故障診斷；LabVIEW；Web

1 引言

隨著現代船舶制造業的快速發展，機艙監控系統性能和結構日趨復雜化，出于對船舶安全可靠運行和經濟效益的考慮，及時準確和動態地掌握船舶系統的運行狀態，并根據故障趨勢分析預測存在的潛在故障以及進一步實現船岸一體化，提高船舶的安全性、可靠性和最大經濟效益，這也是目前艦船集成平臺管理系統（IPMS）中對船舶機艙監控系統研究的重要方面［1］。由于船員的故障維修能力有限，面對一些突發復雜故障，由于缺乏故障專家及時指導而造成故障進一步發展，尤其是一些具有特殊任務的船舶和一些遠洋航運船舶對安全可靠性、時效性有更高的要求。而建立基于Web的船舶遠程監控系統能有效地解決這些問題［2］：通過海事衛星或微波通信技術將船舶設備的運行參數，以及有關的設備圖片實時地傳回岸上公司，利用公司的專家或專家系統軟件做出故障預測、判斷和排除對策，并及時地傳回船舶供船員參考，有利于及時有效地采取適當的應對措施。

LabVIEW作為一個優秀的虛擬儀器開發平臺，為構建基于計算機網絡的遠程監控和故障診斷系統，提供了多種功能強大的工具和方便靈活的方法。LabVIEW是一個圖形化編程工具［3］，它提供了一種全新的程序編寫方法，使用這種G語言編程時，基本上不用編寫程序代碼，取而代之的是程序流程圖。LabVIEW的網絡功能主要建立在DataSocket技術 （數據套接技術）、Web服務器和TCP／IP協議這三個方面的基礎上。本文采用LabVIEW的Web發布功能來實現船舶的遠程監控功能，保證監控數據實時高效的傳輸。

2 系統組成及功能

本系統由船上部分和岸上部分組成。船舶內部物理環境惡劣，高濕度、高溫度、高振動和高噪音等，且其它干擾因素多，為保證網絡的實時可靠運行，采用有線網絡組成局域網，組網方式為Ethernet方式；岸上部分也組成一個遠程監控局域網，并和Internet相連，可供遠程端客戶查看、分析和調整參數等。船上部分和岸上部分通過無線網絡相連。系統組成如圖1所示。

系統主要由數據采集處理模塊、數據庫服務器、web服務器、客戶端瀏覽器等組成。數據采集處理模塊，一方面與分布在船上各設備部件上的傳感器相連，采集各種工作參數，另一方面與需要調整的參數控制接口相連，可對運行參數進行調整設定。對采集來的信號進行相應處理、轉換后經由網絡與服務器通信，進行數據的交換并存儲在數據庫中，交由數據庫服務器管理。

圖1 基于Web遠程監控系統結構圖

本系統的操作是以數據庫為基礎，數據庫服務器可以實現對實時數據、歷史數據、預警和報警信息、趨勢查詢、故障診斷等信息的記錄功能。數據庫服務器負責各類數據庫的管理，主要包括日常數據庫，報警數據庫、故障診斷庫、標準參照庫，運行閾值庫和值班考勤庫。每隔一定時間，機艙設備的運行參數將自動保存到數據庫中，各數據庫中存儲機艙設備的各類工作參數及報警信息，并允許從客戶端瀏覽器進行查詢、打印等。數據庫與和模塊間的關系如圖2所示。

圖2 數據庫與各模塊間的關系圖

3 硬件組成

本系統硬件由服務器、數據庫、數據采集處理模塊和專家體系模塊組成。服務器及客戶機選用可靠性高的工業控制計算機，可適應船舶在運行中存在的嚴重干擾和惡劣的工作環境。船舶內部Ethernet通過TP－LINK公司的8端口10 M／100 M交換機實現連接，數據采集模塊采用研華公司的ADAM－5000／TCP系列［4］，該系列數據采集設備特別適合于網絡連接，局域網中的計算機可以直接通過該設備上的以太網接口訪問采集到的數據，而無需在網絡與設備中間另外加上其它的轉換器。

對于內河船舶與碼頭之間的無線網絡通信是通過D－LINK公司的RG－1000無線網關實現連接，其內置的V.90Moden無線網卡可以同時支持多個無線設備的數據通信服務。在該網絡硬件中采用雙網卡系統增加了系統的可擴展性和冗余性。正常工作時，通過默認網卡通路進行數據的傳送，另一路備用；當網路出現故障時將自動轉化到備用通路繼續進行數據的傳送。另外，對于遠海船舶與岸臺之間的數據傳輸，可考慮海事衛星通信Inmarsat系統［5］，該系統是國際海事衛星組織對海上航行船舶提供全球范圍內移動通信服務的系統，可以提供各種數據業務，其衛星通信網絡是目前運行最為穩定的全球覆蓋、全天候衛星通信網絡，可以滿足對水上的移動衛星通信終端（遠洋船舶）進行遠程監控并提供視頻、語音、傳真、數據通信等業務。

傳感器設備是各種測量和整個監控系統的關鍵［6］，本系統根據所測數據類型的不同，支持多種傳感器，其中包括測量電壓、電流、頻率、功率以及各種氣壓、油壓等傳感器，它們所提供的4~20 mA工業標準電流信號；另外還包括采集各種溫度、轉速、熱電阻、熱電耦、振動傳感器等。這些傳感器所輸出的模擬量經過32位的A／D轉換寫入特定寄存器中，局域網中的工控機可以通過調用模塊所提供的動態鏈接庫（DLL）程序訪問模塊的接口，按一定順序讀取所需數據。對于開關量的數據，本模塊支持開關量的輸入／輸出，數據的讀取與輸出同樣可以通過調用動態鏈接庫程序實現。

4 遠程故障診斷的系統分析及結構

基于TCP／IP協議的網絡環境的遠程故障診斷系統由數據采集處理單元、實時監控單元、本地故障診斷系統單元及遠程故障診斷單元4部分組成。基于TCP／IP協議的網絡環境的遠程故障診斷系統通過采用客戶機／服務器（Client／Sever）體系結構，設備現場監控采集系統和遠程故障診斷系統可以互為服務器，本文將遠程診斷中心設為服務器，設備現場監控采集系統為客戶機，那么設備現場的工作人員將對設備狀態信息數據進行上傳，遠程診斷中心得到數據后對設備的故障分析評估后，提出修理意見和方案，并將診斷結果反饋給現場。

考慮船舶機艙設備監控系統的實際情況，利用基于LabVIEW的Web技術實現設備遠程故障診斷系統的C／S體系結構如圖3所示。遠程故障診斷中心是由各相關模塊組成，各個模塊獨立分布，功能單元封裝，便于管理和維修。本系統中數據采集方屬客戶機方 （用于船舶機艙設備監控主機），將監測所得各類數據信息、狀態描述、工況參數及一些相關信息發送給遠程故障診斷中心 （科研院所等）服務器，以便專家和各類工程人員進行故障分析、問題求解、信息查詢、技術查詢等服務。

5 利用LabVIEW實現網絡監控

5.1LabVIEW的Web功能實現網絡監控

使用LabVIEW實現網絡監控概括起來有3種方法：使用DataSocket技術進行網絡監控；現場實時發布監控程序的網頁（Web發布），異地使用瀏覽器（如Internet Explore，Netscape Communicator等）進行監控；使用底層傳輸協議（TCP／IP，UDP，DDE或PPC）編程進行網絡監控。

圖3 基于Internet／Ethernet的遠程故障診斷

使用DataSocket技術進行遠程監控，其優點是DataSocket定義了一個監控數據傳輸協議，它摒除了較為復雜的TCP／IP底層編程，克服了傳輸速率較慢的缺點，大大簡化了Internet網上監控數據交換的編程。從而利用這種方法可以達到很高的數據傳輸效率，實時性能相當好。缺點是必須在客戶端和服務器都安裝LabVIEW程序，并需要單獨編寫各自的收、發端應用程序，所以客戶端的控制功能太弱。若服務器端的程序進行了修改調整，所有的遠程客戶端也必須進行相應的調整才能正常使用。

利用LabVIEW進行Web發布就是把VI（虛擬儀器）的前面板直接嵌入到Web網頁中，而且還可以自動更新。優點是只在服務器端運行VI程序，客戶端不需要單獨編寫接收端程序，并且可在未安裝LabVIEW的客戶端通過Web服務器直接打開發布的Web網頁看到服務器端運行的VI.，也就是說在遠程客戶端看到的是一個動態的實時畫面，就像是該VI運行在客戶端一樣，而且，客戶端獲得授權后還可以對前面板進行遠程控制。

由于LabVIEW內嵌了Web服務器的功能，所以不必再開發Web服務應用程序，只需要通過簡單的設置就可以將原來單機式的監控系統升級為基于Web的網絡監控系統，大大降低了開發遠程監控系統的難度，減少了開發的工作量，縮短了開發周期。

鑒于此，本系統利用LabVIEW內嵌的Web服務器功能，將需要進行網絡監控的任意VI進行Web發布，從而也可以實現對機艙主要參數的網絡監控。

5.2 使用Web功能發布遠程監控網頁

在將程序發布到網絡上前要做好程序的相關網絡設置，包括Web服務器、瀏覽器訪問設置、程序顯現設置等。Web服務器設置主要是對根目錄、HTTP端口及超時等設置；瀏覽器訪問設置用來設置允許或不允許訪問Web服務器的計算機IP地址及其查看和控制的權限，增強網絡安全性；程序顯現設置是用來設置允許用戶通過Web瀏覽的VI。

例如，將如圖4所示的利用LabVIEW編寫的“機艙主要參數監控界面.vi”進行Web發布的對話框如圖5所示。按“下一步”進行“選擇HTML輸出”（文檔標題、頁眉、頁腳）的設定。繼續“下一步”保存新發布的Web網頁（包括保存根目錄、文件名和URL建立）。

在服務器（192.168.0.2）上運行“機艙監控界面設計.vi”，在接入網絡中的另一客戶機上運行瀏覽器 IE進行遠程監控，打開網址 http：／／192.168.0.2／機艙主要參數監控界面.html，實時網頁如圖6所示。這樣就可以實現遠程客戶端多用戶同時登陸監控頁面，對同一設備參數進行實時監控，但每次只能有一個用戶對VI進行控制，當服務器段交出控制權時，按申請控制權的先后次序進行控制，服務器端可以隨時收回控制權。

圖4 遠程監控界面

6 結束語

本系統采用可視化的LabVIEW圖形編程方法，避免了傳統開發語言的繁瑣要求，具有直觀、形象、開發周期短的效果。本文主要討論了利用LabVIEW實現基于Web的機艙遠程監控系統結構和功能。利用LabVIEW的Web網絡發布，避免了傳統網絡傳輸協議中較為復雜的TCP／IP底層編程，避免為服務器端和客戶端編寫獨立的收、發端VI程序，只需要將服務器端的VI進行Web發布，就可方便地實現網絡的遠程監控，而且大大簡化了基于Web的網絡遠程監控程序的編程。本系統具有操作直觀簡便、性能穩定、易于網絡升級的特點，將大大提高我國船舶機艙設備基于網絡的機艙設備遠程監控水平和遠程故障診斷水平，具有廣闊的應用前景。

圖5 Web發布工具對話框

圖6 使用Web瀏覽器進行遠程監控網頁

［1］ 劉沿陽，邵昱.艦船綜合自動化系統的現狀與發展趨勢［J］.船舶工程，2006，28（2）：63－66.

［2］ 楊自勇，張均東.基于Web的遠程監測技術在機艙監控系統中的應用 ［J］.大連海事大學學報 （自然科學版），2005，31（1）：45－47.

［3］ 王磊，陶梅.精通LabVIEW8.0［M］.北京：電子工業出版社，2007.

［4］ ADAM－5000／TCP Distributed DA＆C System Based on Ethernet［Z］ShangHai：Advantech Co Ltd，2001.

［5］ 崔海深.船舶遠程圖像監控系統的研究與設計［D］.大連海事大學，2006.

［6］ 宗陽，王建華，劉維亭.基于無線以太網的船舶機艙自動化監控系統的設計［J］.華東船舶工業學院學報（自然科學版），2004，18（1）：27－31.

Design of Remote Monitoring System of Ship's Engine Room Based on Web

Yao Bin Pang Zhi－yang Liang Shu－hai
College of Naval Architecture and Power，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China

The trend of development of marine automation is to integrate the Web－based remote monitoring system and management of the instruments and equipments in ship＇s engine room.This paper applies the web technology to monitor and diagnosis the equipments in the ship＇s engine room，uses the Lab-VIEW－＂Web Publishing Tool＂－for system development as well as describes the system architecture，functions，hardware，and the details to achieve the goal.The remote client，through an internet navigator，can send a command to the monitoring computer on site and acquire the running data of the equipments.In case the abnormal data appears that the shipman cannot handle it，the system can take place to diagnosis the remote fault online.

remote monitoring；remote faults diagnosis；LabVIEW；Web

TP273.5

A

1673－3185（2009）03－66－04

2008-12-22

姚 斌（1982－），男，碩士研究生。研究方向：機艙自動化及計算機仿真。E-mail：yaobinyao＠126.com

龐之洋（1963－），男，副教授，碩士生導師。研究方向：艦船動力裝置。E-mail：pzy＠mailme.cn