基于云服務(wù)平臺(tái)的船舶遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的研究

何 東,寧文慧

（重慶城市職業(yè)學(xué)院 信息工程系,重慶 402160）

0 引言

隨著海洋開發(fā)的發(fā)展，船舶技術(shù)也得到了飛速發(fā)展。船舶設(shè)備逐漸增多，生產(chǎn)規(guī)模日益擴(kuò)大，設(shè)備的自動(dòng)化程度正在被不斷地提高，系統(tǒng)的復(fù)雜程度也越來越高，不同系統(tǒng)設(shè)備間的關(guān)聯(lián)程度日益緊密，故障診斷和維修難度日益加大，管理要求不斷升級(jí)，對系統(tǒng)的可靠性和安全性要求越來越高。如何及時(shí)了解和監(jiān)控船舶設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，船舶運(yùn)行過程中的系統(tǒng)故障檢測與排除，對船舶設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測，船舶的安全可靠調(diào)度就成了航海任務(wù)安全的關(guān)鍵。因此，設(shè)計(jì)一套高效的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)是指導(dǎo)船舶航行的關(guān)鍵所在。

現(xiàn)有技術(shù)行業(yè)以船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng) (AIS系統(tǒng))為成熟、全面、應(yīng)用較廣的一套設(shè)備系統(tǒng)，系統(tǒng)功能強(qiáng)大，能實(shí)時(shí)性接收船舶靜態(tài)、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)、船舶航程數(shù)據(jù)，能發(fā)布實(shí)時(shí)性的天文水文信息，但是不具備遠(yuǎn)洋通信、應(yīng)急求救預(yù)警及提供應(yīng)急方案功能、遠(yuǎn)程接收信息處理、遠(yuǎn)程故障診斷、設(shè)備預(yù)警，船舶終端和監(jiān)控管理終端之間在線信息交換量小，隨著航運(yùn)事業(yè)的迅猛發(fā)展，通行船舶數(shù)量迅猛增加，船舶通行的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)數(shù)據(jù)與日俱增，因此本文提出一種基于云服務(wù)平臺(tái)的3G/4G無線通信的船舶遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，可以通過船載終端與多種設(shè)備進(jìn)行連接，客戶端也采用多種模式及移動(dòng)客戶端，便于船舶客戶及時(shí)查詢，以解決航運(yùn)企業(yè)的監(jiān)督管理、預(yù)警、報(bào)警、故障診斷、指揮、調(diào)度的實(shí)際需求。

1 船舶遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的總體架構(gòu)

船舶遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)主要由船載終端（船舶端）、云服務(wù)平臺(tái)、岸基系統(tǒng)（公司端）三部分組成。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

船載終端主要負(fù)責(zé)采集船設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)（包括經(jīng)緯度、航向）、參數(shù)的收集，同時(shí)將數(shù)據(jù)通過3G/4G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)按照一定協(xié)議發(fā)送到云服務(wù)平臺(tái)，云服務(wù)平臺(tái)對數(shù)據(jù)按相關(guān)協(xié)議進(jìn)行解析，處理和存儲(chǔ)。岸基系統(tǒng)的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)云平臺(tái)解析出來的數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)的掌握船舶設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)，及時(shí)分析發(fā)現(xiàn)船舶設(shè)備的故障情況，以及預(yù)測將會(huì)發(fā)生故障的設(shè)備，以便船舶設(shè)備能夠得到及時(shí)高效的維修和保養(yǎng)，同時(shí)可以對船舶進(jìn)行控制和合理調(diào)度，甚至可以聯(lián)系相關(guān)設(shè)備的廠家對設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程故障診斷和排除。

2 船舶遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的功能及設(shè)計(jì)

2.1 船載終端的功能及設(shè)計(jì)

船載終端的主要功能是采集船上設(shè)備的主要數(shù)據(jù)并統(tǒng)一進(jìn)行數(shù)據(jù)綜合處理，然后通過無線網(wǎng)絡(luò)的方式將數(shù)據(jù)包發(fā)送至云服務(wù)平臺(tái)，同時(shí)公司或設(shè)備廠家在客戶端通過云服務(wù)平臺(tái)發(fā)送數(shù)據(jù)給船載終端。由于船舶設(shè)備的接口類型不統(tǒng)一，所以船載終端可以通過CAN總線、485總線、網(wǎng)絡(luò)與船舶設(shè)備進(jìn)行通信（網(wǎng)絡(luò)接口通過交換機(jī)進(jìn)行擴(kuò)展），如圖2所示。

船載終端采用LINUX操作系統(tǒng)，處理器為4核ARM CORTEX-A53，并包含有LCD顯示器以及觸摸屏、音頻接口、USB接口、SD接口、報(bào)警單元、GPS模塊、3G/4G模塊、RS485接口、RS232接口、網(wǎng)口等。LCD顯示及觸摸屏實(shí)時(shí)顯示被監(jiān)控船舶設(shè)備的相關(guān)信息,并能進(jìn)行交互操作,信息輸入通過觸摸屏來實(shí)現(xiàn),同時(shí)通過音頻接口可以播放相應(yīng)的語音信息。船載終端根據(jù)設(shè)備的接口需要可以通過RS232、RS485、CAN接口、網(wǎng)口進(jìn)行靈活的連接，SD接口可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)文件的存儲(chǔ),因此船載終端設(shè)備的數(shù)據(jù)除了通過3G/4G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)皆品?wù)中心外,也可以保存在SD存儲(chǔ)卡中（相當(dāng)于黑匣子）。GPS模塊是為了獲取船舶的定位信息。當(dāng)船舶發(fā)生緊急事件時(shí)可以通過音頻單元進(jìn)行語音報(bào)警和通過報(bào)警單元進(jìn)行聲光報(bào)警。船載終端的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

2.1.1 數(shù)據(jù)采集

（1）采集參數(shù)分類。通導(dǎo)設(shè)備數(shù)據(jù)如船舶的GPS模塊接收的經(jīng)緯度，航向，測深儀、風(fēng)速風(fēng)向儀；燃料罐數(shù)據(jù)包括溫度數(shù)據(jù)、壓力數(shù)據(jù)、液位數(shù)據(jù)等;排漏氣體數(shù)據(jù)，二氧化碳、氮、硫等排放數(shù)據(jù)；船用設(shè)備數(shù)據(jù)如輔機(jī)、主機(jī)；船舶施工數(shù)據(jù)、工況數(shù)據(jù)、文件報(bào)表等各種信息。

（2）參數(shù)采集方法。目前船舶設(shè)備的數(shù)據(jù)采集方式主要有485串口通訊采集（常見的有MODBUS等協(xié)議），CAN總線采集，網(wǎng)絡(luò)采集等等，遠(yuǎn)程監(jiān)控前期主要是針對常見協(xié)議開發(fā)通用轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)，后期在分析不同的船舶設(shè)備廠家的通訊規(guī)范的基礎(chǔ)上，制定一套符合船舶遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸入輸出接口標(biāo)準(zhǔn)(硬件接口、軟件通訊協(xié)議)[1]。

2.1.2 數(shù)據(jù)綜合處理及保存

數(shù)據(jù)綜合處理模塊將采集到的船載設(shè)備中的各類數(shù)據(jù)先保存然后進(jìn)行數(shù)據(jù)整合，并按照統(tǒng)一的格式（通信協(xié)議格式）進(jìn)行處理(主要是數(shù)據(jù)的有效性檢查，數(shù)據(jù)的格式統(tǒng)一，異常數(shù)據(jù)檢驗(yàn)，并添加當(dāng)前時(shí)間、船舶編號(hào)和船載終端編號(hào)，并生成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，以便岸端數(shù)據(jù)使用)[2]。

2.1.3 數(shù)據(jù)傳輸

船載終端在采集和處理數(shù)據(jù)后，將按照通信協(xié)議的數(shù)據(jù)包通過3G/4G無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)的發(fā)送到云平臺(tái)。

2.1.4 數(shù)據(jù)顯示報(bào)警

船載終端在觸摸屏上可以實(shí)時(shí)顯示采集到的數(shù)據(jù)，并且檢測到參數(shù)異常就馬上進(jìn)行預(yù)警、報(bào)警，以提醒船舶值班人員馬上進(jìn)行處理，故障排除，避免事故發(fā)生（可以通過報(bào)警單元進(jìn)行聲光報(bào)警和通過音頻部分進(jìn)行語音報(bào)警）。

2.1.5 數(shù)據(jù)接收控制

船載終端可以接收企業(yè)發(fā)送來數(shù)據(jù)和語音提醒；當(dāng)船舶的設(shè)備發(fā)生故障，根據(jù)權(quán)限允許設(shè)備供應(yīng)商通過船載終端對其設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程預(yù)警、故障診斷、排除和修復(fù)（具有遠(yuǎn)程調(diào)試功能的設(shè)備）。

2.2 云服務(wù)平臺(tái)

為了保證船舶遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)中海量數(shù)據(jù)的通信效率和可靠性，實(shí)現(xiàn)船舶的實(shí)時(shí)監(jiān)控和動(dòng)態(tài)管理，因此數(shù)據(jù)的處理和存儲(chǔ)通過云服務(wù)平臺(tái)。

云計(jì)算[3]是一種新興的基于互聯(lián)網(wǎng)的分布式網(wǎng)絡(luò)服務(wù)技術(shù)，利用互聯(lián)網(wǎng)的高速傳輸能力，將數(shù)據(jù)處理過程從個(gè)人計(jì)算機(jī)或服務(wù)器轉(zhuǎn)移到互聯(lián)網(wǎng)上的計(jì)算機(jī)集群中。集群機(jī)器都是普通的計(jì)算機(jī)，由某一中心服務(wù)器統(tǒng)一管理，中心服務(wù)器按客戶的需要分配計(jì)算資源，最終達(dá)到與超級(jí)計(jì)算機(jī)相同的效果。

云計(jì)算有3種部署模式，即公有云、私有云、混合云[4]。公有云價(jià)格低廉、靈活、有彈性，但是公有云存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)并不是在企業(yè)本地，應(yīng)用存在安全問題。所以構(gòu)建一個(gè)私有云平臺(tái)，使其主要為企業(yè)內(nèi)部提供云服務(wù)，不對公眾開放，在企業(yè)的防火墻內(nèi)工作，這樣就能對其數(shù)據(jù)、安全性和服務(wù)質(zhì)量進(jìn)行有效的控制，并且能夠提供個(gè)性化和高效的彈性計(jì)算資源分配能力，能夠更有效地利用企業(yè)內(nèi)部已有的計(jì)算機(jī)設(shè)備資源，打造更符合企業(yè)需求的云平臺(tái)。本文討論如何構(gòu)建一個(gè)本地環(huán)境的私有云。

目前開源的云計(jì)算項(xiàng)目有Eucalyptus、Open Stack、Cloud Stack 和Open Nebula 等。其中Open Stack 目前已經(jīng)獲得英特爾、Ubuntu、惠普、思科等多個(gè)重要公司和開源組織的支持，并且已經(jīng)有多家公司發(fā)布了基于Open Stack的產(chǎn)品。因此，本文開源云操作系統(tǒng)選擇為Openstack，以4臺(tái)服務(wù)器為基礎(chǔ)搭建云計(jì)算平臺(tái)，其中1臺(tái)服務(wù)器作為控制節(jié)點(diǎn)，另外3臺(tái)作為計(jì)算節(jié)點(diǎn)。控制節(jié)點(diǎn)提供磁盤存儲(chǔ)、調(diào)度、權(quán)限認(rèn)證和網(wǎng)絡(luò)在線管理功能模塊;計(jì)算節(jié)點(diǎn)部署虛擬化、計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)通訊模塊。通過Open-stack管理平臺(tái)在3臺(tái)計(jì)算節(jié)點(diǎn)服務(wù)器上劃分8臺(tái)虛擬主機(jī)，一臺(tái)獨(dú)立的高配置虛擬主機(jī)用于雙實(shí)例的主從Oracle服務(wù)，一臺(tái)文件和視頻服務(wù)器，兩臺(tái)虛擬主機(jī)作為應(yīng)用服務(wù)器，兩臺(tái)虛擬主機(jī)作為通信服務(wù)器，兩臺(tái)虛擬主機(jī)作為memcached和redis高速緩存服務(wù)器。如果把船舶監(jiān)控系統(tǒng)的組件全部部署到一臺(tái)服務(wù)器上，數(shù)據(jù)量大時(shí)高并發(fā)部分組件故障問題，整個(gè)系統(tǒng)無法運(yùn)行。現(xiàn)在，根據(jù)需求劃分多臺(tái)虛擬主機(jī)，可有效提高計(jì)算機(jī)資源的利用率，采取分布式部署，把可能出現(xiàn)的故障局限在了單臺(tái)虛擬主機(jī)上，并且主要部件都采用雙實(shí)例輪詢部署到不同的虛擬主機(jī)上，理論上可以保障在故障出現(xiàn)時(shí)冗余組件提供續(xù)航服務(wù)[5]。

2.3 岸基系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及功能

2.3.1 岸基系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

岸基系統(tǒng)的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)云服務(wù)平臺(tái)解析的數(shù)據(jù)(包括船舶端的實(shí)時(shí)設(shè)備信息，視頻信息和航海信息等)，對船舶端數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和綜合分析，通過輔助決策系統(tǒng)生成航行方案或處置方案，將指令發(fā)給船端，從而進(jìn)行故障排除、調(diào)度和應(yīng)急指揮。同時(shí)還可以與現(xiàn)有的企業(yè)船舶安全管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享，提供實(shí)時(shí)查詢、異常報(bào)警、航行狀態(tài)等數(shù)據(jù)，還可以為船舶設(shè)備的廠家提供大數(shù)據(jù)為設(shè)備企業(yè)進(jìn)行設(shè)備分析提供有力可靠的數(shù)據(jù)來源。

遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的軟件架構(gòu)采用C/S，B/S混合的模式。核心的應(yīng)用程序主要采用C/S模式，對外發(fā)布一般采用B/S模式，為了保障數(shù)據(jù)安全，根據(jù)不同用戶設(shè)定不同的軟件功能權(quán)限，同時(shí)移動(dòng)端也采用C/S模式。

2.3.2 實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的功能

（1）船舶設(shè)備信息查詢。對于船舶設(shè)備的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)型及其結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)和工作性能指標(biāo)；船舶正常航行中船動(dòng)裝置的工作狀況；船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、吃水、航速、噸位、客貨載情況等信息是在船舶航行前就建立起來的，這些信息可以查詢，該功能主要是實(shí)時(shí)查詢船舶航行過程中各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，參數(shù)。比如船舶的舵角、航向、速度、液位。

（2）定位及電子地圖顯示。根據(jù)獲得的GPS模塊的數(shù)據(jù)信息，可以顯示出船舶的位置信息，同時(shí)可以在電子地圖上顯示出來，以空間數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，應(yīng)用數(shù)據(jù)與地圖有機(jī)結(jié)合，提供的空間分析和查詢功能，直觀地顯示結(jié)果。

（3）信息發(fā)布。通過數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品和天氣海況資料獲取相應(yīng)的氣象、水文信息以及航行中注意事項(xiàng)，通過信息發(fā)布功能發(fā)布到船載終端，然后在船載終端上顯示出來，也可以在船舶的大屏幕上顯示出來。

（4）規(guī)劃航速、航線及定期加注功能。根據(jù)船舶反饋的信息，結(jié)合船舶基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，船舶航行的區(qū)域特征，及不可避免的氣象水文等客觀條件，給船舶提出更加合理的航行方案，船舶航行的利潤最大化，定時(shí)對船舶航行過程中的航行區(qū)域、航行圖及航行特性進(jìn)行分析，論證方案的可實(shí)施性及合理性，定規(guī)劃航速、航線及加注等問題，將方案提交給船舶[6]。

（5）調(diào)度指揮功能。根據(jù)船載終端上傳的緊急突發(fā)事件處理過程現(xiàn)場視頻圖像采、實(shí)時(shí)音視頻交互，可以讓相關(guān)政府部門對應(yīng)急突發(fā)事件的情況了解更加完整全面、對突發(fā)事件的反應(yīng)更加迅速、對有關(guān)人員之間的協(xié)調(diào)更加充分、決策更加有效，還大大降低了工作人員的工作難度。

（6）預(yù)警、報(bào)警和聯(lián)動(dòng)管理。根據(jù)設(shè)備廠家提供的設(shè)備運(yùn)行預(yù)警狀態(tài)參數(shù)（可能或即將會(huì)產(chǎn)生故障的狀態(tài)參數(shù)），提前產(chǎn)生預(yù)警信息，從而通知船舶采取相應(yīng)措施，避免更大故障或危機(jī)事件的產(chǎn)生，將事故提前解決；同時(shí)當(dāng)船舶設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)、氣源不足、機(jī)器異常工作、火災(zāi)、碰撞、溢油及漏氣等一系列故障時(shí)，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)馬上進(jìn)行報(bào)警，根據(jù)不同的報(bào)警級(jí)別，船載終端可以通過音頻口進(jìn)行報(bào)警，還可以通過報(bào)警單元進(jìn)行聲光報(bào)警，同時(shí)在船舶大屏幕上進(jìn)行顯示。同時(shí)也可以聯(lián)動(dòng)中心服務(wù)器錄像功能。

（7）遠(yuǎn)程故障診斷和排除。由于船舶設(shè)備在航行的過程中出現(xiàn)故障，船舶人員可能不會(huì)修理或排除故障，設(shè)備廠家人員不可能馬上趕到現(xiàn)場，那么有些設(shè)備廠家的設(shè)備具有遠(yuǎn)程調(diào)試的功能，可以通過船載終端進(jìn)行通信，從而對船舶設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程故障判斷、調(diào)試、控制和排除，這樣大大減輕了船舶工作人員的負(fù)擔(dān)并且故障能及時(shí)得到解決。

（8）信息存儲(chǔ)和備份。對船載終端采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和備份，以便進(jìn)行分析，為以后提供寶貴的經(jīng)驗(yàn)；同時(shí)船舶設(shè)備廠家對可以其設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為設(shè)備出現(xiàn)故障進(jìn)行提前預(yù)警，產(chǎn)生故障的原因，設(shè)備中哪些部件容易損壞，如何提高產(chǎn)品的質(zhì)量提供有效的有力的數(shù)據(jù)來源。

（9）移動(dòng)APP。用戶使用移動(dòng)終端時(shí)通過驗(yàn)證后，可以隨時(shí)瀏覽船舶的信息，位置（根據(jù)用戶權(quán)限）等相關(guān)信息。

（10）系統(tǒng)管理。用戶訪問權(quán)限管理、數(shù)據(jù)庫維護(hù)管理、安全策略管理。

3 結(jié)束語

船舶遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)能有效監(jiān)控船舶在航行中各種狀態(tài)及參數(shù)，為船舶的安全、經(jīng)濟(jì)航行提供更好的航行方案，且通過獲取的大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析能夠?qū)崟r(shí)有效的達(dá)到船舶高效管理的目標(biāo)，文章從系統(tǒng)的總體架構(gòu)及各部分的功能及其設(shè)計(jì)做了詳細(xì)的描述，系統(tǒng)能夠滿足幾乎所有類型的船舶監(jiān)控管理需求，通過云平臺(tái)的運(yùn)用，可以同時(shí)連接成千上萬個(gè)船載終端進(jìn)行并發(fā)的數(shù)據(jù)傳輸及處理，從而更有效的對船舶進(jìn)行管理、指揮和調(diào)度。

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