內河航道維護船隊遠程監測和管理系統設計

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(1．武漢理工大學 能源與動力工程學院可靠性工程研究所，武漢 430063；2. 長江航道局，武漢 430010；3. 船舶動力工程技術交通行業重點實驗室，武漢 430063)

為了能夠掌握船舶的實時狀況，諸多機構和人員開展了船舶遠程監測和船隊管理系統的研究，由統一的岸基系統集中監測管理船隊中的所有船舶[1-5]。長江航道維護船舶分散在2 000多km的長江沿線上，針對長江等內河航道維護船隊船岸一體化的機務管理需求，利用3G移動通信、數據庫、WEB等信息通信技術，面向整個船隊，研制了一套遠程監測和管理系統。除了船隊監測常規的GPS位置監測外，更加強調有關船載設備技術狀態的相關數據，更加強調數據的匯總統計，為優化船隊運營，實現數字化、網絡化的船隊機務管理創造基礎。

1 運行模式

船舶的遠程監測和船隊管理，有2種模式可供選擇，見圖1。一種是船舶中心模式，在原有機艙監測報警系統的基礎上，提供因特網訪問功能，就能夠實現船舶運行工況的遠程監測；另一種是中心建站模式，建立中心服務器，所有船舶數據上傳到監測中心，通過監測中心的軟件系統實現遠程監測。

圖1 船隊遠程監測和管理系統運行模式

許多船舶的監測報警系統利用工控組態軟件開發而成，現代的工控組態軟件通常提供了因特網訪問能力，能夠利用標準的Web瀏覽器查看運行界面，甚至還能夠遠程操控，便于掌握船舶的運行工況。在船舶中心模式下，查看船舶的運行工況時，需要分別連接到不同的遠程船舶，這些船舶通常具有各自的定制界面，數據也不能夠匯總、比較。中心建站模式需要開發中心站的數據庫和應用軟件系統，可以采用主流的數據庫和Web等技術開發，具有單一的應用入口和統一的系統界面，能夠實現數據的匯聚、統計和比較，并且能夠進一步地挖掘數據，評估和優化船隊的運行。兩種模式比較見表1。

表1 船隊遠程監測和管理系統運行模式比較

根據遠程監測和船隊管理的內涵，選擇中心建站模式，能夠完整地實現船隊管理的功能，并具有不斷優化船隊運行潛力。

2 功能需求與關鍵技術

船隊機務管理面向整個船隊，關注的對象從單一船舶到整個船隊，強化了數據信息的船間應用。相對于傳統面向單船的遠程監測，提出了新的技術要求，更加強調監測數據的規范化和標準化。

2.1 功能需求

1)中心站集中監測。船隊遠程監測管理系統要求在統一的平臺上，集中監測管理船隊所有船舶的各種參數，是一種一對多的星形結構。為實現這一要求，需要建立中心站，船端數據集中上傳到中心站，中心站解析并區分來自不同船舶的各種數據，這就要求對船舶、參數進行標準化編碼，并制定標準的船岸通信協議及其數據結構。

2)船岸數據通信。遠程監測需要在船岸之間建立通信鏈路，以便雙向傳遞實時信息。船岸通信至少涉及三方面內容：通信網絡的選用，船岸數據通信協議及其數據結構以及傳輸內容。

3)遠程實時監測。在船隊管理中，船舶位置、航向、航速、里程、設備工況、事件報警、燃油消耗等參數的遠程實時監測是重要的基礎性功能，使得岸基管理部門能夠掌握實時狀況，并為其他各種功能如船載設備健康狀態評估、作業和燃油效率分析等提供基礎性數據。

4)參數的匯總、統計和比較。某些參數，如事件報警、航行作業(里程和時間)、燃油消耗等可以進行匯總統計。在船隊管理模式下，不僅僅需要針對特定船舶統計不同時間段的運行狀況，還需要統計整個船隊的信息，以及在不同船舶之間進行比較，這就需要在整個船隊建立統一的編碼體系，從而使得匯總統計和比較成為可能。

5)數據回放。數據回放功能主要是回放航行作業工況，有助于了解船舶航行作業的全過程，以及回放事件報警前后的設備工況數據，利于設備狀況的評判和故障診斷。由于數據存儲在中心站數據庫中，且采用統一的編碼，因此，可以在統一的中心站軟件系統中回放船隊中所有船舶的數據。

6)船岸一體化的機務管理。在掌握船舶個體及船隊整體實時數據的基礎上，由岸基軟件系統自動識別船舶技術狀況，合理地安排維修保養等技術工作，合理地確定備件庫存水平，合理地安排備件采購計劃，促進計劃性維修(planned maintenance system，PMS)、船舶維修保養體系(CWBT)、視情維修(condition based maintenance，CBM；故障預測和健康管理(prognostics and health management，PHM)等先進的機務管理理念的實施，推進機務管理工作的現代化、科學化。

2.2 關鍵技術

1)遠傳測點的標準化編碼。標準化的船舶測點編碼是實現統一界面監控、匯總統計分析比較的關鍵。以中國船級社CCS“鋼質海船入級規范”中的自動化系統監測項目表為基礎，適應航道維護船艇的實際，考慮遠程監測的需要，進行裁剪。測點編碼分成3大部分，各2位十進制數字，第1部分為設備編碼，例如01代表左主機，02代表右主機；中間2位代表參數類型，11代表工況參數，12代表事件報警參數；后2位代表測點序列號。例如011101為左主機轉速，011201為左主機油壓低，021101為右主機轉速，012201為左主機本次運轉時數。

2)通信網絡的選用。由于船舶離岸且移動(航行)作業，必須選擇無線移動通信網絡。在可選的無線通信技術中，海事衛星覆蓋廣泛，沒有盲點，但速率低，且過于昂貴[6]；移動專網與商業網絡采用類似的技術，具有較好的橫向(江面)覆蓋率，但縱向(長江沿線)覆蓋率較差，且面臨技術升級換代緩慢的問題；AIS只適合傳輸少量文本數據，不適合通用數據傳輸；商用地面移動通信網絡(3G/2G)(縱向)覆蓋廣泛、技術成熟，費用低廉，速率高，只是由于江面寬闊，橫向覆蓋率稍顯不足。綜合考慮，內河船舶遠程監測選用3G/2G移動通信網絡，通過斷點續傳緩解橫向盲點問題。

3)船岸通信協議。無論是衛星通信，還是3G移動通信，均支持主流的TCP/IP協議，這樣可以利用成熟的IP軟硬件，并與主流的軟硬件系統無縫集成。在IP協議之上，提供TCP和UDP兩種方式可供選擇，各有優缺點。TCP的優勢在于感知網絡狀態，既能傳輸長文件，也能傳輸短消息，能夠及時獲知傳輸成功或是失敗，利于斷點續傳功能的實現；UDP的優勢在于傳輸速度快，但只能發送短消息，且傳輸狀態無法自動感知。

4)GPS位置監測。位置監測是遠程監測和船隊管理的首要任務，一般通過主動報告的方式實現。船舶可通過GPS裝置獲知自身位置，大多數GPS裝置支持NMEA的0183協議，通過解析協議文本獲知位置、航向、航速等信息。中心站在接受到船舶的實時位置后，可通過GIS(地理信息系統)技術，在地圖上實時顯示整個船隊的各船舶當前位置，還可以回放航行作業的歷史軌跡。

5)設備工況遠程監測。船舶設備，特別是機艙設備的熱工參數，事件報警等信息，是表征設備運行狀況的重要信息。通過遠程監測，岸基機務部門能夠掌握其運行過程中的動態變化過程，實現對船舶設備健康狀態的即時掌握，特別是事件報警發生前后的工況參數，對設備狀態的評判和故障診斷具有重要作用。

6)基于Web技術的中心站系統。采用Web等因特網技術搭建中心站系統，用戶使用標準的Web瀏覽器(如IE, Firefox)即可直接使用，不需要安裝特殊軟件，既便于用戶使用，也便于日常管理和升級維護。Web模式超越傳統的2層C/S(客戶端/服務器)模式，具有更好的性能，支持更多的用戶同時在線使用。

7)高效的內存數據庫技術。中心站需要將接收到船載數據存儲到大型的關系型數據庫中，從而高效地管理大規模的歷史數據，并能夠利用標準的SQL數據庫查詢語言進行各種匯總統計。此外，還需要利用內存數據庫，存儲最新的測點數據，并通過進程間通信技術，提供給中心站應用系統。

8)中心站監測數據處理技術。中心站接受了大量的遠端船舶數據，這些數據反映了船舶的運行狀況，研究數據處理方法，挖掘數據中蘊含的船舶狀態信息，預測發展趨勢，具有重要的價值，也是成功實施CBM/PHM的基礎。

3 系統架構

航道維護船艇遠程監測與管理系統由兩大部分組成，見圖2，分別為船載系統和中心站系統，包括3大模塊：船載監測系統(on-board monitoring system,OMS)、船岸無線移動通信系統(mobile communication system,MCS)和中心站船隊遠程監測和管理系統(monitoring and analysis system,MAS)，其中船岸通信系統MCS包括船端模塊和中心站模塊，負責數據的可靠傳輸和動態實時解析。

船載監測系統OMS采集船舶及其設備的運行參數，通過調用船岸通信系統MCS模塊，與中心站實時交換數據。機務中心站以Web服務器為核心，包括中心數據庫、數據解析軟件、監測和分析軟件MAS。用戶通過Web瀏覽器，如IE, Firefox等，可在任何計算機上訪問使用中心站功能，進行船隊的實時監測和統計分析。船岸通信系統MCS，在船端用于數據的打包上傳，保存上傳失效的數據，并擇機再傳；在岸端中心站一側主要用于測點數據解析，關系數據庫存儲以及通過內存數據庫提供實時數據。

圖2 總體架構

4 運行實例

航道維護船隊遠程監測管理系統目前已經上線試運行，建立了一套中心站系統，并接入了5條航標維護船，后期將遵循同樣的技術標準，接入更多的航道維護船艇。

在船端，隨著計算通信技術的發展，現代船舶大多安裝了功能豐富的機艙監控系統，用于實時全面地監測推進主柴油機、電站輔機、齒輪箱、舵機等船載設備的運行工況。在接觸到的案例中，這些船載機艙監測系統通常采用工控組態軟件作為開發和運行平臺。服務于遠程監測的船岸通信等軟件功能，可以通過升級現有的監控軟件實現，也可以通過獨立的軟件系統實現，而后者通常是更為現實的實現途徑。

在原有的機艙監控系統之外，另行開發了遠程監測船載軟件，通過COM/ActiveX或者C/C++ API等組態軟件提供的數據共享接口，直接讀取機艙監控軟件運行數據庫中的測點和報警數據，具有很好的實時性。進一步將通過集成其中的船岸通信模塊，上傳到中心站。

船載系統采用多線程技術開發，用戶界面、數據IO、超限報警、數據打包和遠程傳輸各自運行于獨立的線程，有利于數據的分類管理以及采用不同的上傳策略，并具有很好的運行性能。

遠傳測點編碼的設計采用分類的原則，將所有測點分成4類，分別具有不同的數據來源，不同的上傳實時性要求，不同的數據格式，以及在中心站不同的存儲位置和使用方式。這4種參數分別為1.機艙數據，并進一步細分為1.1 工況參數類，1.2 事件報警類；2. 作業數據，并進一步細分為2.1 實時數據，2.2 匯總數據。

考慮行業規范和航道維護船艇的實際情況，為航標維護船設計了70多個測點，其中工況類23個，報警類34個，作業實時類7個，作業匯總類14個。

遠傳數據的基本結構見表2～6。

船載系統根據傳輸策略，一定的間隔，通常為5～10 s，抓取數據快照，打包上傳。報警數據則無一遺漏地全部上傳，包括報警的產生、解除和確認；還可根據配置情況上傳報警前后的工況數據。測點數據可以同類混合，也可以異類混合打包傳送。網絡數據包除了表1～4的基本數據結構外，還需要一些格外的字段，表明船舶的編號，打包發送的時間，數據的類型和長度等信息。每個數據包的額外字段約為45～60個字節。

表2 船岸通信一般格式

表3 工況參數數據結構

表4 事件報警數據結構

表5 作業實時

表6 作業匯總

報警類數據無一遺漏地上傳，假設每天報警1 000個，則每天需上傳的基本數據大小為13 k。假設其他類型的數據每10 s抓取一次快照，則工況類大小為0.46 k；作業實時類約為0.16 k，作業匯總類約為0.28 k，額外字段為0.06 k。假設平均每天作業5 h，每天的數據量大小約為170 Mb，所需網絡帶寬約為0.1 kb/s，微乎其微。假設平均每年作業300 d，每年傳送的網絡數據量約為5.10 G。

中心站數據庫的存儲量則遠小于網絡傳送量。其中，每條船的作業匯總數據只占用1條記錄，新的網絡數據用于更新這個記錄，而不增加新記錄，因此作業匯總數據幾乎不占用數據庫容量。其他每條數據新增一條數據庫記錄，根據分類管理的原則，報警記錄需要永久保存，作業實時數據次之，工況數據根據需要確定保存時間。其中，報警記錄每年占用3.8 Mb，作業實時數據每年占用84 M，工況報警數據每年占用242 M。這樣，每條船每年占用的數據庫容量至多為330 M，100條船1年所需的容量約為33 G。500 G的硬盤容量足以容許數據長期保存10余年。

數據文件上傳后，將由船岸移動無線通信軟件的中心端解析，并分別存儲到內存數據庫和SQL Server數據庫。MCS中心站模塊通過掃描目錄監測新的數據文件，文件掃描間隔可調，為提高實時性，可縮小間隔，設置為1 s掃描解析1次數據文件；而解析的負荷很低，按照前述計算，假設100條船同時上傳數據，中心站的數據量也僅為10 kb/s，數據解析足以保證實時性。

圖3為船載軟件系統，顯示了實時報警、工況趨勢、工況實時數據的儀表顯示和表格顯示，以及航行和測深的相關信息。遠程上傳的所有數據均在運行界面上進行顯示。

圖3 船載軟件系統

由于將相關數據集中上傳到了中心站，并存儲到大型數據庫中長期保存，可以進行各種分析處理，從中匯總比較各單位、各船艇的運行狀況，提煉最佳實踐，指導日常業務，優化運行效率。

5 結束語

不同于傳統的面向單船、目標單一的遠程監測，從整個船隊的角度出發設計遠程監測系統，通過統一的中心站集中監測管理船隊的運行數據，能夠實現大規模船隊的遠程實時監測，實現運行數據的集中監測和綜合分析，更可以進一步地挖掘數據，提煉知識，全面準確地掌握船隊的運行實況和發展趨勢。在此基礎上，還可以深入挖掘系統收集的海量數據，發現潛在問題，優化船隊的機務管理工作。還可以建立網絡實驗室，充分利用這些真實的在役系統現場直播數據，開展工況監測、優化運行、優化設計等方面的科研工作。

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