分布式海上艦船遠程監控系統算法研究

張　婭，李　慶

(1．宜賓職業技術學院，四川宜賓644003; 2．宜賓學院，四川宜賓644000)

分布式海上艦船遠程監控系統算法研究

張婭1，李慶2

(1．宜賓職業技術學院，四川宜賓644003; 2．宜賓學院，四川宜賓644000)

摘要:海上艦船機艙監控系統通過對機艙內運行的動力系統監控，實時獲取運行的參數及狀態，通過對數據及圖像的分析處理來發現或預知問題以便及時修理。所以一個精確﹑實時性好的艦船監控系統是保障其航行安全必不可少的設備之一。相比較于傳統的單中心平臺艦船監控系統，分布式網絡監控平臺具有更高的時效性。本文在研究現有艦船機艙監控系統的基礎上，對系統中的數據庫建立﹑大數據融合以及圖像信號處理以及實時性通信等關鍵問題進行優化，并給出系統的整體實現方案。

關鍵詞:遠程監控系統;數據融合;分布式結構

Research on the algorithm of distributed offshore remote monitoring system

ZHANG Ya1，LI Qing2
(1．Yibin Vocational and Technical College，Yibin 644003，China; 2．Yibin University，Yibin 644000，China)

Abstract:Marine ship monitoring system monitor the power equipment running in the cabin，obtain the operating parameters and state，to find or predict the problem in time for repairing timely．So a precise and real-time ship monitoring system is one of the essential equipment to ensure the safety of ship navigation．Compared with the traditional single center platform ship monitoring system，the distributed network monitoring platform has better real-time performance．This paper analyzes the existing ship monitoring system architecture，optimize large data fusion and image signal processing algorithms，and give the implementation of the system．

Key words:remote monitoring system; data fusion;distributed structure

0　引言

隨著電子科技的發展，對艦船運行過程中設備的狀態進行自動化的檢測監控已成為艦船維修策略中一個重要的輔助手段。海上艦船機艙監控系統［1］利用數據傳感技術﹑圖像處理技術﹑數據融合技術以及網絡技術，對艦船機艙的動力系統進行實時監控，并獲取運行狀態與參數，來輔助設備的檢測維修，是海上艦船安全運行保障體系中必須可少的設備。

傳統的艦船監控中心是單中心模式，一組編隊的所有艦船監控數據的處理集中在一臺高性能機器上運行。隨著技術的發展，艦船機艙動力設備的復雜集成度越來越高，所需要監控的參數也越來越多，并且當監控中心得到所有實時數據時，還需要進行一系列的算法處理，所以傳統的艦船監控中心已經越來越不能滿足監控實時性的要求。而通過對數據處理中心進行分布式處理，按照對監控的數據功能進行邏輯劃分可以有效的提高系統的時效性。

相比較于傳統的單中心平臺艦船監控系統，分布式網絡監控平臺具有更高的時效性。本文在研究現有的艦船機艙監控系統的基礎上，對系統中數據庫建立﹑大數據融合以及圖像信號處理以及實時性通信等關鍵問題進行優化，并給出系統的整體實現方案。

1　艦船機艙監控系統結構及原理

1.1監控系統組成

艦船監控系統一般由機艙內電力設備狀態監控系統﹑主倉溫度濕度告警系統﹑柴油機發電設備檢測系統及圖形化主機監測平臺幾部分組成［2］。每個檢測系統相互獨立，互不影響，各監測系統通過總線方式連接，圖像數據及數字信號傳輸通過在其上進行傳輸。

圖1　艦船監控系統結構圖Fig.1　The structure chart of ship monitoring system

艦船機艙監控系統由硬件與軟件聯合組成。硬件資源主要由機艙濕度溫度傳感器、視頻攝像頭、數據采集器、報警器、監控主機及通信設備組成。數據采集器負責采集機艙中發電電力等設備的狀態及參數;傳感器則監控艙內溫度濕度;監控主機負責整體設備運行的邏輯控制;通信模塊則負責圖像與數據傳輸。

軟件以圖像化界面對整個監控系統進行邏輯控制，以及觀測檢測數據。當機艙出現異常，則能夠收到異常告警信息。

1.2分布式機艙監控器系統通信結構圖

根據通信網絡的組網結構不同，可分為如下幾種拓撲結構:

1)星狀拓撲結構:系統中所有節點的數據交換都通過中心節點組成，中心節點一般由高性能數字交換機組成，是整個數據交換的核心。此種方式，結構簡單，中心交換器若發生故障，整個系統都將癱瘓。并不適用于海上艦船監控系統。

2)環形拓撲結構:此種方式所有通信節點通過轉發器連接到封閉的環路中，信息按照順時針或逆時針進行循環發送。由于所有節點共享閉環，一旦某個節點的數據轉換器發生故障，整個環形閉環都將發生癱瘓，不利于組網擴展。

3)總線拓撲結構［3］:此種方式的數據交互通過一條總線進行傳輸，節點通過分接頭接入總線。為了使信號在總線上衰減最小，在總線的兩端固定2個終端器，它利用匹配阻抗用信號的放射波來修補信號在傳輸過程中的衰落，減少信號畸變及衰減。

由于這種結構易于擴展，并且是無源的組網結構，適用于艦船航行的海上環境，所以本文的分布式海上遠程監控系統的通信方式采用總線結構實現，有利于設備的維修檢測。

總線結構如圖2所示。

圖2　監控系統總線結構Fig.2　The monitor system bus structure

2　分布式艦船監控系統關鍵算法

2.1大數據融合算法

海上艦船機艙監控設備通過總線發送控制命令，來控制不同的采集器監控不同的設備，采集的數據在通過總線傳輸至中心計算機。由于不同設備采集的數字信號格式不同，最終信號處理之前，首先需要對不同的數據進行融合處理，進行邏輯功能分類。本文采用實時數據庫的方法來實現數據融合。

整個過程分為以下3個部分:

1)數據采集與存儲

數據監控模塊在總線上監聽各采集模塊的監控數據，當采集模塊的數據達到一定幀數(一般為40

幀)，則對幀數據進行打包通過UDP協議在總線上進行傳輸，在接收端則進行UDP解析，并在實時數據庫中進行數據插入。

對于艦船監控系統，由于監控設備種類很多，數據量較大，一般每秒中需要處理萬以上級別的數據，所以采用分布式存儲具有很好的優勢。具體按數據更新周期不同分為短期存儲及長期存儲，長期存儲的數據以文件的形式保存，而每個采用周期更新的數據則采用內存數據庫保存。

對于艦船監控系統的數據存儲步驟如下:

①按照功能劃分，需要存儲的數據有實時數據、記錄標識數據、狀態分析數據及告警信息4種。實時數據每采樣周期進行更新，保存在內存數據庫中;記錄標識數據則是對數據在數據庫中的位置及標尺進行記錄;狀態分析數據記錄在運行過程中，艦船機艙中設備出現的異常及維修信息，這部分數據需要長期保存，所以以文件形式保存;告警信息包括告警序號、告警級別等，同樣保存在文件中。

②狀態分析數據分類存儲:按照不同設備的分類，對狀態分析數據存儲在不同的表文件中。

③文件及內存數據的時間戳存儲:在內存及文件中分配一塊連續的內存空間來保存時間戳信息。在艦船存儲系統中，空間結構有時間刻度、時間偏移。

2)數據壓縮［4］

由于艦船設備的復雜性增大及時間的積累，需要保存的實時數據及狀態分析數據都會隨著時間而呈現線性增大趨勢，一般艦船監控數據信息包含時間、狀態及實測值，而存儲的容量有限，所以在進行存儲前，需要對數據進行壓縮，將壓縮后的數據存儲到硬盤。需要用到數據時，通過對硬盤數據進行解壓縮，來獲取原始數據。

3)實時數據邏輯管理

艦船監控系統按照監控的設備種類不同，存儲的數據劃分為不同的類，所以對數據進行管理時，可按照類的方法來進行。所謂數據管理也即對數據庫進行數據查詢、數據插入、數據更新以及事務請求等操作，并且管理程序也分裝成一個管理類，調用類中不同功能用函數來實現對數據庫的管理。

實時數據庫的管理模塊功能［5］如圖3所示。

圖3　實時數據庫模塊功能Fig.3 Real time database module function

2.2數據遠程傳輸算法改進

當艦船監控系統中的數據傳輸至岸基信息中心時，其無線信道中是包含碼間干擾以及多徑衰落的時變信道，同時由于監控系統中經過壓縮的視頻信號速率可變，在時變信道中丟包現象嚴重，可以通過以下方式提高視頻信號的傳輸質量。

通過對傳統RTP實時信號傳輸協議進行改進，以適應速率變化的視頻幀信號。

傳統RTP協議通過對接收消息速率的變化值監測來進行自適應處理，設置2個閥值k1，k2，當視頻信號速率小于k1，則對信號做加法處理，加上加法因子α;當視頻信號速率大于k2，則對信號做加法處理，乘以一個因子b。公式如下:

其中(a≥0，0≤b＜1)。

上述傳統算法并沒有考慮網絡阻塞等情況，由于海上無線通信信道帶寬較窄，交易發生阻塞等情況，所以需要對擁塞時進行控制。

本文假設信號的增量為R，對式(1)中的變量a進行自適應控制，步驟如下:

1)設當前時刻進入到總線進行傳輸的視頻幀信號在沒有網絡擁塞的情況下，a = R。

2)若當前時刻進入網絡擁塞狀況，將此刻視頻信號的RTP速率記為x1，前一時刻的速率為x，滿足x = x1－R。

3)若下一時刻網絡擁塞緩解，x(n)為此刻視頻信號速率，假設k用來判斷x(n)是否接近擁塞時的視頻RTP速率，則變量a按如下規則進行變換:

①當x(n) + R≤X，則a = R。

②當x(n) + R＞x，x1＞x(n) + K，則a = (x1－x(n) ) /2。

③當X(n) + R＞x，x1＜x(n) + K，則a = R。

3　艦船監控系統總體實現

整個艦船分布式機艙監控系統分為如下幾個子系統:

1)艦船航行控制子系統:主要包括艦船計算機主機控制器﹑船舵控制器﹑無線通信設備﹑機艙重要故障告警控制設備﹑武器發射控制設備﹑雷達控制設備及機艙各動力設備的數據監測設備。

2)機艙信息控制管理子系統:主要負責采集機艙各設備的運行動態數據，并通過以太網傳輸至整個監控系統的總線，同時集控中心對告警數據進行采樣，并進行處理。

3)遠程監控系統:遠程監控系統部署在岸基上，計算機通過WEB監控平臺對艦船機艙各設備進行遠程操控，通信方式可選擇基于北斗的衛星網絡，也可選擇基于4G的無線通信網絡，并與艦船總線構成的以太網進行連接。

整個艦船遠程監控系統總體架構如圖4所示。

圖4　分布式艦船監控系統總體實現圖Fig.4　Overall implementation chart of distributed ship monitoring system

4　結語

隨著海上艦船設備的集成度和復雜度越來越高，監測系統需要監測的設備與數據也成線性增加，傳統的利用單中心模式的數據監測中心已經很難滿足對系統運行狀態獲取的實時性要求。

本文在研究現有艦船機艙監控系統的基礎上，對系統中的數據庫建立﹑大數據融合以及圖像信號處理以及實時性通信等關鍵問題進行優化，并給出系統的整體實現方案。

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作者簡介:張婭(1980－)，女，講師，研究方向為計算機應用和物聯網技術。

收稿日期:2015－02－04;修回日期: 2015－03－27

文章編號:1672－7649(2015) 07－0164－04doi:10.3404/j.issn.1672－7649.2015.07.038

中圖分類號:U665．12

文獻標識碼:A