船岸一體化船舶監測平臺技術研究

王之民

摘要：? 針對岸端管理人員無法及時了解船舶動態及船舶數據問題，提出結合船端綜合網絡平臺和岸端綜合網絡平臺構成的組態監控系統方案，通過MODBUS TCP傳輸方式實現船岸一體化船舶監測平臺。由船端綜合網絡平臺負責采集數據與監測船舶中設備運行狀態，通過LIBMODBUS通訊軟件將實時數據傳輸至網關中，再通過傳輸協議將數據傳輸至岸端綜合網絡平臺中實現船岸一體化監測的方案。岸端LIBMODBUS通訊軟件能提供計算機仿真配合外接模擬器進行訓練，使船員可以提升自我專業能力，從而達到提高管理效率、降低管理和運營成本的目的。

關鍵詞：? 船舶、船岸一體化、綜合監管;

中圖分類號：U662.9? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Abstract： In order to solve the problem that the managers at the shore end cannot timely understand the ship dynamics and ship data， a configuration monitoring system scheme combining the integrated network platform at the ship end and the integrated network platform at the shore end was proposed. The method through the MODBUS TCP transport way integrates the ship shore Marine monitoring platform， first by the vessel end of network platform is responsible for collecting data and monitoring of ship equipment running status， then through LIBMODBUS communication software to transmit real-time data to the gateway， through transport protocol to transmit data to the shore end comprehensive network platform integrates ship-to-shore monitoring scheme， shore side LIBMODBUS communication software can provide the computer simulation with external training simulator， the crew can improve self professional skills. The purpose of improving management efficiency and reducing management and operation costs.

Key words： Ship; Ship and shore integration; Comprehensive supervision;

1. 引言

隨著計算機技術、工業過程控制與通信技術的迅速發展，船舶正在向高自動化和智能化方向發展， 以節能、環保、安全等為管理目標，主要體現在船岸一體化監測平臺的設計上。

船岸一體化船舶監測平臺，就是利用高速發展的網絡、衛星通訊技術及現代化管理信息技術，方便對船舶進行一體化管理，實現了船岸數據信息一體化[1]，以智能化的船舶管理時刻地觀察船舶運行情況，增強了對船舶的監控，對突發事件也能做出及時的處理。建立船岸一體化船舶監測平臺，是船舶管理現代化體現的必經之路，也對船舶業的發展起到重要作用。

2.系統架構

為實現船岸一體化船舶監測平臺中船岸信息一體化和船員仿真培訓功能，船岸一體化船舶監測平臺架構主要由船端綜合網絡平臺、岸端綜合網絡平臺兩部分組成，見圖1。岸端網絡平臺提供遠程訪問技術，方便設備供應商對設備進行實時監控和維護功能，同時，還提供外部接口方便模擬器接入，配合計算機仿真，供船員進行模擬訓練。

3.系統功能

3.1同步監測

船舶停靠在碼頭時，船舶狀態運行信息實時傳輸至岸端綜合網絡平臺;[2]船舶離開碼頭后，4G信號消失，船舶通過北斗系統和衛星通訊系統在集成后識別信號強弱實現自動切換或者手動強制切換，將conning界面中主機的轉速、功率、扭矩、油耗，舵槳的舵角和螺距，發電機三項功率和油耗，GPS等重要參數實時傳輸至岸端，岸端管理人員可通過PC網頁和手機APP軟件實時監測。

3.2遠程訪問

設備供應商無需到現場，便可通過VPN技術進入岸端綜合網絡平臺，根據設備報警情況對船端設備進行指導維修。同時，還能實時監測設備狀態，對潛在故障進行清除。

3.2船員培訓平臺

岸端綜合平臺將報警數據存儲至數據庫中，LIBMODBUS通訊軟件讀取并將數據傳輸至培訓平臺中，配合外接模擬器讓船員模擬在真實船舶中并進行修改。同時，還能模擬真實的考試環境，讓船員更好地掌握理論知識。

4.船端綜合網絡平臺設計

船端綜合網絡平臺主要有兩層網絡結構，上層采用以太網方式通訊，下層采集主要通過現場總線的通訊方式。[3]

現場總線具有實時性強、傳輸距離較遠、抗電磁干擾能力強、成本低等優點。主要用于獲取全船各艙環境溫度、房間溫度、設備傳感器溫度、艙室液位高度、設備壓力等。現場總線將傳感器信號中數據接收，數據處理器監聽現場總線上傳輸電平，并將總線上數據讀至模塊中。

同時，現場總線還能獲取轉速系統、燃油系統、滑油系統、渦輪增壓系統、冷卻系統和排氣系統等系統中的設備數據，使用RS485接口將數據發送到通訊模塊中，并通過現場總線將數據傳輸至數據處理器中。

兩層網絡之間的通訊主要通過數據處理器實現，數據處理器是將下層網絡采集的數據進行分析、處理和匯總，并通過MODBUS TCP通訊協議和船端綜合網絡平臺相連接，船端綜合網絡平臺將數據處理器中數據讀取過來。船端綜合網絡平臺是可以將數據實時傳輸至駕駛室、輪機長和值班員的網絡客戶端中，便于船員在機艙以外的地方實現實時監測。

4.1LIBMODBUS通訊軟件

LIBMODBUS是一個根據MODBUS協議發送/接收數據的免費軟件庫。是一個快速且可移植的MODBUS第三方庫。

基于VC++開發的LIBMODBUS通訊軟件具有連接綜合網絡平臺和網關的通訊方式，圖2中接收數據按鈕是通過OPC通訊協議用來接收綜合網絡平臺傳輸的數據，并將讀取到的數據保存至寄存器中;發送數據按鈕是讀取寄存器中數據并根據MODBUS TCP通訊協議將寄存器中的數據傳輸至網關中;船員培訓按鈕是獲取岸端綜合網絡平臺提供的外部接口接上模擬器產生的模擬數據，并在船員培訓平臺大屏幕上顯示出來。船端LIBMODBUS通訊軟件只有接收數據和發送數據功能。

4.2通訊設備

船岸之間數據共享和交互是實現船岸一體化的技術難題，早期人們通過郵寄磁盤的方式傳遞相關數據信息，沒有任何時效性。隨著現有信息網絡和通訊資源技術的發展，人們也不斷尋求可靠船岸通訊技術，用于實現信息傳遞的快捷、安全、可靠和準確性。[4]本文采用的是網關傳輸的方式來實現船岸一體化通訊，是一款支持多協議轉換的工業網關設備。

船端網關中有三種通訊協議可與岸端實現一體化數據監測，其中衛星通訊方式需要在甲板上安裝天線，配合海事衛星通訊系統和北斗衛星通訊系統。[5]當船舶行駛在海上時，沒有4G信號后，兩種衛星通訊手段在集成后識別信號強弱實現自動切換或者手動強制切換，保證船舶航行全程的信息通信不間斷。

目前，船端采用4G作為船岸通訊其中一種方式。隨著通訊資費下降以及3G/4G無線模塊成本下降，4G作為通訊方式具體數據傳輸量大、傳輸穩定、成本低、易于維護的特點。同時，還具有斷點續傳功能，此功能的實現需在網關中插入一張64G內存的SD卡，在網關配套軟件中增加需進行斷點續傳的點，如：主機轉速、功率、扭矩，發電機瞬時油耗、累計油耗，舵槳的轉速、舵角，艙室油量，船舶通導點，這些岸端管理人員在意的參數;當船舶停靠碼頭，網關會自動切換4G進行通訊，同時，會將存儲在SD卡中的數據導入至岸端綜合網絡平臺中，供岸端查看并分析數據。

北斗系統是以電子海圖為依托，接收北斗船舶位置信息，[6]船端可以通過發送船位，船舶主機、發電機、舵槳上的重要參數和報警等信息，與岸端綜合網絡平臺進行消息的交互。北斗作為通訊方式傳輸時，傳輸量小、流量計費、費用高的特點，同時，還具有電子海圖和遇險報警功能。

海事衛星通訊由空間部分、地面部分、用戶終端三部分組成，地面部分是通過網關發送和接收海事衛星信號，用戶終端是使用岸端綜合網絡平臺接收衛星發送的信號。[7]海事衛星通訊系統和北斗系統一樣，能將船舶中重要的參數數據接近實時傳輸回岸端，具有高效的傳輸頻率、全球覆蓋且不受天氣影響、衛星追蹤定位和費用高的特點。

5.岸端綜合網絡平臺設計

船舶停靠碼頭時，船舶數據通過4G信號傳輸至岸端綜合網絡平臺，岸端能實時同步船端數據、趨勢、報警和報告信息，能將行駛中停止更新的數據重新上傳至平臺中，船端管理人員能通過查看歷史數據，對船舶運行情況進行分析統計、運行效率比較，故障與報警信息分析等。[8]行駛中的船舶只能將主機、發電機、舵槳、通道程序中重要參數數據傳輸至岸端綜合網絡平臺conning界面進行同步刷新，但其它界面參數數據不會進行改變。同時，會將數據保存至岸端數據庫，等待進一步的分析和處理。

設備供應商也可通過VPN授權對岸端綜合網絡平臺進行訪問，查看船端設備使用和運行情況，并進行遠程監控和維護。

6.船岸一體化監測

船舶實時數據通過網關傳輸至岸端綜合網絡平臺中，平臺會將對應船舶的配置工程進行打包發送至云平臺中數據處理系統，通過Internet以TCP/IP協議與岸端綜合網絡平臺相連接。岸端操作人員可以建立各種監控的圖形、趨勢、報警、腳本等。

岸端管理人員可通過瀏覽器查看船舶的位置和船舶航行的動態信息。隨著手機的智能化越來越高，岸端管理人員可以隨時隨地通過智能手機中云平臺APP軟件能監測船舶數據信息和報警情況。

6.船員培訓平臺

傳統的船員培訓主要分為實船培訓、模擬器仿真培訓和仿真船員培訓三部分，其中實船培訓是最佳方法，但安全風險大、成本高、效率低、排放污染不符合節能減排要求，仿真培訓對于切實提高船員理論水平與實踐技能要求存在較大的差距。

單一的模擬器仿真培訓只能通過購買大量的硬件設備和軟件，才能保證訓練質量。但是，仍不能使船員有身臨其境的感官感受，還具有資金投入大、船員培訓效果一般等缺點。

本文介紹的計算機仿真培訓結合模擬器的新方法，岸端綜合網絡平臺外部接口可以接輪機模擬器、船舶操縱模擬器和其他航海模擬器。培訓平臺采用VR虛擬現實技術開發不同類型的航海場景，船員可在培訓平臺中通過鍵盤和鼠標操作獲得海上實踐的真實操作環境，使船員獲得身臨其境的感官感受，能讓船員處于實際工作環境相似的環境之下，操作外接模擬器;并可以設置類似實際工作可能碰到的問題進行訓練;從而能提升船員自身的專業能力，訓練效果會十分有效。結束后，船員訓練的結果數據能醒目地展示在大屏幕上。計算機仿真培訓結合模擬器的新方法具有針對性強、成本低、維護方便、真實性強等特點。

船員培訓平臺不僅能提升船員的實際操作能力，而且還能模擬真實考試環境，能讓船員熟悉和了解現行考試系統，幫助船員更好地掌握理論知識。培訓平臺擁有大量的海船船員考試真題和模擬題，且練習結束后，附有解析幫助，能夠提升理論知識。LIBMODBUS通訊軟件放到岸端綜合網絡平臺中，點擊船員培訓按鈕，船員根據自身的專業知識選擇需要接入岸端綜合網絡平臺的外接模擬器進行仿真培訓。船員操作模擬器會產生電流值，調零模塊會把模擬器中電阻量轉換成4-20mA電流量，通過RS485現場總線將數據傳輸至通訊模塊中，LIBMODBUS通訊軟件通過MODBUS TCP通訊協議將數據讀取至寄存器中，等待船員培訓平臺獲取寄存器中的數據，并在大屏幕中顯示出來。具體流程見圖7。

7.結論

船岸一體化船舶監測平臺技術的應用解決了船端和岸端信息傳輸不及時的問題，岸端可以隨時隨地掌握船舶設備信息和船舶行駛狀況，設備供應商也能最快速地為船舶設備提供維護，行駛中船舶能通過平臺得到岸端的服務和保障支持，提高船舶運行的安全性。

船岸一體化船舶監測平臺的應用不僅對船端和岸端信息交互有了顯著提升，同時，岸端還能將數據進行存儲，分析并提供輔助決策等功能。建立船員培訓平臺可以讓船員在計算機仿真和模擬器配合中訓練提升自我的專業能力。

隨著計算機技術，工業過程控制與通信技術的高速發展，船岸一體化船舶監測平臺的信息交互能力的提升和其它智能應用的開發，能使船舶安全、環保、高效的發展。

參考文獻

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