基于大數據技術的監測系統的實現

管芳景 田志峰

摘? 要：隨著世界經濟一體化發展，船舶行業面臨嚴峻的節能減排形勢。為了讓船東方了解船舶實時狀態，文章基于大數據技術提出了一種船舶能效監測系統的軟件架構。基于該架構設計了船舶能效智能監測系統，系統實現了對船舶數據的采集和在線監測，并通過海事衛星或4G網絡與岸端系統保持同步更新，實現船岸信息共享，岸端系統能實現對船舶航行狀態、油耗、功率等的分析。最終智能監測系統實現基于大數據的能效智能決策，從而為航運企業創造新的價值。

關鍵詞：大數據;能效監測;能效分析;智能決策

中圖分類號：TP311.13;TP393.08 ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）17-0055-05

Abstract：With the increase of the proportion of the subjunctive economy，shipbuilding industry is facing severe situation of energy saving and emission reduction.In order to let the ship-owner know the real-time state of the ship，a software architecture of ship energy efficiency monitoring system based on big data technology is proposed. Based on this framework，automatic real-time acquisition and on-line monitoring of ship main equipment parameters are realized. Through maritime satellite or 4G network，the ship shore information can be shared with shore based system;the analysis of navigation status，fuel consumption and power is realized. Finally，the intelligent monitoring system realizes the energy efficiency intelligent decision based on big data，so as to create new value for shipping enterprises.

Keywords：big data;energy efficiency monitoring;energy efficiency analysis;intelligent decision

0? 引? 言

隨著國際海事組織（IMO）海上環境保護委員會（MEPC）會議對提高船舶能效的技術性和操作性措施討論的升級，關于船舶燃油消耗數據收集機制的討論也日益升溫。船舶燃油消耗數據收集機制要求在船舶營運過程中，監測反應船舶能效的各項參數，并對監測結果進行報告，由第三方驗證機構核查報告并發放合格證明。國內外對船舶能效的研究，主要集中在公式的適用范圍、參考線公式以及為減小新造船能效數值所采取的節能措施上面。面對即將強制實施的MRV機制，目前市場上并沒有相應的完善且實用的監測和報告系統。自主研制船舶CO2排放監測、報告和驗證（MRV）系統，可以為將來MRV機制的實施提供技術支持，對于促進航運業的技術進步、搶占MRV研究的制高點等方面具有重要意義。

本文綜合集成計算機應用、傳感器、數據采集、Modbus總線、遠程傳輸、大數據處理、數值計算分析、統計回歸分析等技術，提出了一種基于大數據技術的船舶能效監測系統的軟件架構。基于此架構，作者主要完成岸端系統總體框架及部分模塊的開發和船端系統及岸端系統部分模塊的開發，實現對船舶軸功率、軸轉速、主輔機油耗、風速風向、GPS、主機監測報警系統數據等主要設備參數的自動實時采集、在線監測;并通過海事衛星或4G網絡與岸端系統保持同步更新，實現船岸信息共享;建立船舶航行狀態數據庫，實現對船舶航行狀態、油耗、功率等的分析;為航運企業提供船舶排放控制區（ECA）預警、能效分析及報表管理服務，最終實現基于大數據的能效智能決策，從而為航運企業創造新的價值。

1? 系統分析

EEOI根據一個航次或者多個航次的數據統計得出，需要對船舶航行及在港停泊期間船舶主機、副機、鍋爐等所消耗的所有燃料油量進行統計。對此本監測系統有以下幾點要求。

1.1? 能效監控及計算分析

本系統需能夠對船舶進行能效監控，可實時記錄并顯示船舶航速、軸功率、燃油消耗量、主機輸出功率等數據，并計算EEOI指數，可在指定時間范圍內生成報表（每海里油耗、每運輸功油耗、每海里CO2排放及每運輸單位CO2排放）。

1.2? 船舶狀態以及主輔機等狀態監控

本系統可以完成對船舶狀態的實時監控，可實時完成對主機、輔機、鍋爐等耗能設備的功率、壓力、溫度、燃油消耗量的監測和記錄，可在指定時間范圍內生成報表（燃油小時消耗量、日消耗量等）。

1.3? 船舶航行期間海洋環境參數記錄

本系統可以完成對相對風速風向的實時顯示和記錄，并根據船舶航速航向，計算實時真實風速風向;可以完成對氣溫、氣壓、水深等自然環境的實時記錄，并可以根據用戶要求生成報表（指定時間范圍內）。

2? 系統設計

2.1? 系統總體架構

系統采用船端系統+岸端系統的方式進行建設，船端系統部署在每條需要監測的船舶上。岸端系統部署在岸端系統應用服務器上。每個船端系統通過海事衛星或4G網絡實現與岸端系統的通信，如圖1所示。

2.1.1? 船端系統

船端系統采用基于C++的C/S架構進行設計，船端系統基于總線技術實現船舶設備參數的采集，包括主機、輔機、風速儀、燃油流量計等設備。船端系統可實現實時數據的采集、展示預警等功能，并能與岸端系統進行連接，將實時數據傳遞到岸端系統。

2.1.2? 岸端系統

岸端系統采用基于PHP的B/S架構的Web系統進行設計，實時接收來自各船端系統的數據進行監測與存儲，并提供能效分析和報表管理功能。

2.2? 系統組成及實現方法

2.2.1? 船端系統

船端系統由數據采集模塊、數據處理模塊、數據傳輸模塊三個核心模塊組成，如圖2所示。

2.2.1.1? 數據采集模塊

數據采集模塊采用基于Modbus協議的數據采集方式，將數據從Modbus總線中讀取出來。Modbus協議是電子控制器常用的一種語言，通過此協議，控制器可以與其他控制器或其他控制設備進行通信。在船端安裝了遠程數據采集模塊，使用Modbus協議進行船端數據采集。數據采集主要實現對船舶軸功率、軸轉速、主輔機油耗、風速風向、GPS、主機監測報警系統數據等主要設備參數的自動實時采集、在線監測，并通過海事衛星或4G網絡與岸端系統保持同步更新。

2.2.1.2? 數據處理模塊

數據處理模塊通過數據采集模塊取得船端各設備數據，數據格式均為16進制報文數據，數據處理模塊基于船舶總線數據協議，對16進制報文進行轉義。

2.2.1.3? 數據傳輸模塊

船端通過基于TCP/IP協議的Socket通信方式與岸端系統進行數據傳輸。

鑒于船舶上數據傳輸需要通過4G網絡或海事衛星，對數據流量大小比較敏感，作者考慮傳統JSON數據格式占用數據過大，決定采用自定義二進制文本方式進行傳輸。這種方式占用網絡數據小，不含有冗余數據，占用帶寬小，占用資源小，網絡IO少，提高了傳輸效率。此外，考慮到數據安全性，數據傳輸模塊將傳輸數據進行加密，提高數據傳輸的網絡安全性，最終的傳輸格式為加密的自定義二進制文本方式。

2.2.2? 岸端系統

岸端系統基于PHP實現，岸端系統由數據接收模塊、數據監控模塊、數據存儲模塊、數據分析模塊、報表管理模塊五個核心模塊組成，如圖3所示。

2.2.2.1? 數據接收模塊

岸端系統的數據接收模塊采用了基于PHP的Workerman框架。Workerman是一個高性能的PHP Socket服務器框架，其本身也是一個PHP多進程服務器框架，具有PHP進程管理以及Socket通信的模塊，所以不需要依賴如Apache的其他容器便可獨立運行。

Worker是WorkerMan中最基本的容器，Worker可以開啟多個進程監聽端口并使用特定協議通訊。每個Worker進程都可以獨立運作，都能連接上萬的客戶端，并且可以處理已連接的客戶端上發來的數據。

2.2.2.2? 數據監控模塊

數據監測模塊通過儀表盤、柱狀圖、折線圖、數據表格等展現形式，將數據接收模塊接收的船舶航速、軸功率、燃油消耗量、主機輸出功率等數據進行實時展示。

2.2.2.3? 數據存儲模塊

數據存儲模塊采用MySQL數據庫進行數據存儲，分別建立航次管理、船舶動態、加油管理、油品切換記錄、油耗管理、軸功率、燃油流量、風速流向、GPS、午報、歐盟報告、IMO報告等核心數據表。數據接收模塊接收數據后通過數據存儲模塊接口進行數據存儲。

2.2.2.4? 能效分析模塊

能效分析模塊為本系統的核心模塊，其基于存儲的數據進行能效指數的計算。

計算公式來自《環保會MEPC.1/Circ.684通函：船舶能效營運指數（EEOI）自愿使用指南》：

能效營運指數（EE0I）：船舶單位運輸作業所排放的CO2量，即消耗燃油所排放的CO2與貨物的數量和運輸距離的比值，用來衡量階段時期內船舶能效的高低。

EEOI核心計算公式如下：

一個航次EEOI的基本表達式為：

平均EE0I：為船舶某段時間或多個航次運輸作業所排放的CO2量。如獲得某段時間或多個航程的指數平均值，指數計算為：

式中：j為燃油類型;i為航程數;FCij為在航程i中燃油j的消耗量;CFj為燃油j 的燃油量與CO2量轉換系數;mcargo為客船所載貨物（噸）或所做的功（TEU或乘客數量）或總噸;D為對應于所載貨物或所做的功的距離（海里）。

2.2.2.5? 報表管理模塊

報表管理模塊基于固定格式，選擇時間區間產生報表。報表包括午報、月報、季報、年報、IMO報告等。

3? 系統實現

3.1? 船端系統

根據船端系統框架設計，實現船舶能效智能監測管理系統的船端系統，完成了數據采集、數據處理和數據傳輸。在船端系統可實時查看采集到的輸入，如圖4所示。

3.2? 岸端系統

根據岸端系統框架設計，實現船舶能效智能監測管理系統的岸端系統，完成了營運信息、狀態監測、能效分析、報表管理等功能建設，實現了數據接收、數據存儲、數據監控、能效分析等模塊功能點。

3.2.1? 營運信息

船東方企業可以查看船舶的航次管理信息、船舶動態、加油管理、油品切換記錄及油耗管理信息，航次信息如圖5所示。

3.2.2? 狀態監測

狀態監測功能可以實現對船舶測量參數的實時顯示和數據導出，支持數據以Excel格式導出。顯示內容包含軸功率、燃油流量、風速流向、GPS，可以指定船舶統計時間，結合一段時間內的船舶數據進行統計分析，燃油流量監測如圖6所示。

3.2.3? 基于采集及輸入數據進行能效分析

分析模塊能支持指定船舶、不同時間段航速、燃料消耗、CO2等維度的數據分析，可展示同一時間點內數據，能夠結合特定要求，將統計信息圖片導出，如圖7所示。

4? 結? 論

在當前船舶燃油消耗數據收集機制日趨重要的形勢下，通過本系統的建設，能有效地完成船舶進出港信息、燃油消耗、載貨量、航行距離、航行狀態等數據的監測與記錄，實現了船舶能效營運指數等數據的計算與分析，建立了完善且實用的監測報告機制與系統，對促進航運業的技術進步具有重要意義。該系統已在節能技術發展有限公司實施，系統上線以來運行良好，性能穩定，能效分析結果及時，系統在后期維護中不斷進行更新，擴展功能模塊，更好地滿足了船運行業的需求。

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作者簡介：管芳景（1980—），女，漢族，河南濮陽人，副教授，碩士，研究方向：計算機應用技術、系統仿真。