基于物聯網技術的綠色航運監測系統的設計與實現

馮 寧, 吳曉鋒, 林悅忱, 華 金, 李水生

(1．上海船舶運輸科學研究所有限公司,上海 200135; 2．中遠海運科技(北京)有限公司,北京 100010; 3．中國聯合網絡通信有限公司 上海市分公司,上海 200082)

0 引 言

近年來,隨著國家“雙碳”戰略的發布和《綠色交通“十四五”發展規劃》的制訂實施,國內港口配套設施的建設步伐逐漸加快,國家對船舶排放控制區的要求日益嚴格。中國遠洋海運集團有限公司(以下簡稱“中遠海運”)積極響應國家號召,為正在運營的船舶加裝了船舶岸電系統和脫硫塔等減污降碳設備。隨著船舶環保設備的批量應用,信息孤島等問題逐漸凸顯,比如面對政府有關部門對航運企業岸電使用情況的數據統計需求,各航運公司大多以人工抄表和人工填報的方式應對。為更高效、客觀、真實地對船舶環保設備的使用情況進行自動搜集、遠程監測和統計分析,提升各航運公司的船舶智能管理和遠程管理水平,中遠海運于2022年初組織相關單位開展了綠色航運監測系統研發和應用推廣工作。

中遠海運聚焦《綠色交通“十四五”發展規劃》提出的岸電、排污和排放等船舶靠港作業期間應重點關注的內容,采用物聯網技術構建基于特定應用場景的綠色航運監測系統。在中遠海運的船舶上部署船岸通信網關,接入船舶岸電系統,試點接入燃油流量計,初步形成覆蓋集裝箱船、散貨船和客船等主營船型的邊緣感知、加密遠傳和實時監測網絡(見圖1),為中遠海運各職能部門和下屬航運公司提供定制化的數據查詢、業務分析、自動報表和風險預警等服務。

圖1 綠色航運監測系統架構圖

1 系統框架

綠色航運監測系統采用云、邊、端協同數據框架的頂層設計理念設計,其架構見圖1。從云、邊和端等3個層面構建一種集船端數據匯聚、網絡安全傳輸、岸端信息集成、數據多維展示和后臺運營分析等功能于一體的綠色航運監測系統。

在該綠色航運監測系統中,船岸數據通信鏈路是連接船端與岸端的橋梁,必須選擇一種場景適用、資費合理、傳輸可靠的船岸通信路徑。早期的蜂窩電話技術和基站建設尚不能滿足近海和內河航運的船岸通信需求;20世紀80—90年代的船岸數據通信多采用甚高頻(Very High Frequency,VHF)頻段數字調制解調技術[1]實現;隨著衛星通信技術的發展,21世紀初船岸數據通信開始采用INMARSAT[2]和VSAT(Very Small Aperture Terminal)[3]海事衛星提供的全程E-mail服務實現。最近幾年,國家加大了對沿海數字信息基礎設施的建設,基于4G/5G蜂窩網絡的物聯網網絡技術已能很好地與綠色航運監測系統的船岸數據通信契合。

綠色航運監測系統在船端部署一體化的船岸通信網關,采用現場總線連接船舶岸電系統、燃油流量計及其他船舶環保設備,采集相關數據,并通過4G/5G物聯網網絡將其傳輸給岸端代理服務器。中遠海運數據中心服務器的代理服務器程序通過證書驗證船岸通信網關的身份,與其建立可靠的長連接,接收并解析船端網關發送的數據。依托中遠海運的行業級數據中臺提供的數據抽取、數據存儲和數據挖掘等功能,客戶端服務程序基于Angular框架,針對業務處理進行封裝優化,提供高效、簡潔的開發模式,保證前端系統數據的安全性,支持用戶以瀏覽器的方式訪問該系統。

2 邊緣感知

在邊緣感知層方面,新研制的船岸通信網關的機械結構沿用上海船舶運輸科學研究所有限公司的SRI-VC2100系列產品的結構(見圖2)。該系列產品采用工業設計理念設計,具有結構堅固、安裝方便和抗電磁干擾能力強等優點,擁有中國船級社型式認可證書。

圖2 船岸通信網關實物圖

硬件結構采用層疊式堆棧結構,上層為中央處理器(Central Processing Unit,CPU)核心模組,下層為蜂窩網絡通信模組,2層模組均配置獨立的電源模塊供電,數字信號全部進行光電隔離。硬件架構采用雙核心處理器架構, CPU核心模組選用NXP公司適于工業控制領域應用的具有豐富外設通信接口的ARM(Advanced RISC Machine)處理器,對外提供多路開關量I/O(Input/Output)接口、RS232/485/422串行通信接口、工業級以太網接口和CAN(Controller Area Network)現場總線接口,支持全球定位系統(Global Positioning System,GPS)和北斗的全星座定位導航模塊。蜂窩網絡通信模組選用RENESAS公司支持TrustZone技術增強型安全加密引擎的ARM處理器,建立起一道數據安全防火墻,外擴4G/5G通信模塊實現物聯網船岸通信。此外,充分考慮船舶甲板的環境溫度情況,選用中國聯合網絡通信有限公司提供的工業級寬溫度范圍(-40～105 ℃)物聯網SIM(Subscriber Identification Module)卡。

在軟件設計方面,CPU核心模組支持NMEA0183報文解析,提供船舶靠港定位數據,定位精度能達到2.5 m;支持MODBUD RS485和MODBUS TCP通信協議棧組件,以及廠商自定義通信協議的二次開發,從而實現對各種船用自動化設備異構數據的匯聚;同時,根據應用場景需求開發相關的邊緣計算算法,例如自動判別船舶岸電系統是左舷AMP(Alternative Marine Powered)正在接駁受電還是右舷AMP正在接駁受電的算法,以減少無效數據的網絡傳輸。蜂窩網絡通信模組軟件能實現MQTT(Message Queuing Telemetry Transport)+TLS(Transport Layer Security)傳輸協議的客戶端功能[4],客戶端和代理服務器必須采用CA(Certificate Authority)證書頒發機構頒發的數字證書互相識別和驗證對方的身份,并建立一個安全通道,支持長度為1024/2048/4096密鑰的加密算法,從而保證傳輸的數據不會被第三方惡意竊聽或篡改。

船岸通信網關在接入船舶岸電系統數據過程中,根據船舶岸電系統電壓等級的不同有2種應用場景:

1) 中壓岸電系統,配有繼電保護裝置,船岸通信網關通過RS485接口與繼電保護裝置連接(見圖3a),實現數據采集功能;

圖3 船舶岸電系統接入船岸通信網關示意圖

2) 低壓岸電系統,采用三相電流表改裝智能電表的方案,船岸通信網關通過RS485接口與智能電表連接(見圖3b),進行數據采集。

上述2種應用場景均采集船舶岸電系統的三相電壓、三相電流、有功功率、無功功率、功率因數、正向有功電能、反向有功電能、正向無功電能和反向無功電能。

燃油流量計接入某型集裝箱船的船岸通信網關示意圖見圖4,該船在建造階段已安裝基于科式力效應原理的燃油質量流量計和質量流量變送器等設備,燃油質量流量信號通過RS485現場總線傳輸給監測報警系統。為保證原有設備正常運行,同時兼顧4G/5G網關模塊的數據通信需求,將船岸通信網關的RS485接口搭接在質量流量變送器與監測報警系統的通信線纜上,通過開發Modbus RTU監聽程序,采用只聽模式監聽監測報警系統與變送器之間的Modbus主從通信報文,截獲質量流量率、溫度、密度和質量總計等數據,并通過物聯網將其發送給岸端。

此外,依托船岸通信網關軟硬件支持的多種類型的現場總線通信接口,該系統還能接入油污水排放系統、脫硫塔設備及其他具有數字化接口的船舶環保設備。

3 數據中臺

中遠海運行業級數據中臺的云原生數據底座是以Hadoop3.2技術體系為基礎優化的,能實現對結構化、半結構化和非結構化數據的統一存儲計算。數據中臺采用湖倉一體化設計,支持對PB(PetaByte)級數據的計算、存儲、查詢和分析;通過采集能力的可視化配置機制,支持多數據源的靈活連接適配,降低數據入湖復雜度,實現數據的快速采集接入;為全局采集共享的各類離線和實時接口提供注冊、校驗、監控和目錄化管理機制,實現入湖數據與源數據的強一致性;提供數據開發、治理一體化DataOps能力,支持對數據的全流程在線化管理(包括數據設計、開發、共享、應用、質量管控和安全管理等),具備對數據和代碼的質量及安全進行策略化配置的能力,提供數據能力敏捷化構建的規范框架和制作工具。圖5為中遠海運行業級數據中臺架構圖。

圖5 中遠海運行業級數據中臺架構圖

4 云接口和云服務

在云接口方面,采用開源軟件Mosquitto作為消息代理(服務器)軟件,支持MQTT V3.1協議,支持可發布/可訂閱的消息推送模式。自主開發MQTT消息處理軟件:一方面,通過安全證書與MQTT服務器連接,作為消費者接收設備端的消息;另一方面,對設備消息進行解密,按與船岸通信網關約定的格式解析消息內容,將其緩存到數據中臺物聯網信息平臺中,同時作為生產者為數據中臺的抽取程序服務。

數據中臺抽取物聯網信息平臺船岸通信網關回傳的數據,通過業務分析建立數據模型,搭建岸電接駁狀態和燃油加注狀態感知模型,融合云原生數據底座中其他系統的相關數據(如船舶信息數據、船舶自動識別系統、地理信息系統數據和班輪船期表等),將其推送給前端應用界面,用戶可通過瀏覽器或在手機端登錄監測系統。監測系統支持多種維度的數據圖形化展示,為公司的職能部門提供一個實時、全面、直觀的管理工具;能根據航運公司的營運需求量身定制各種自動報表(見圖6),滿足數據統計分析的需要。

圖6 綠色航運監測系統客戶端界面

5 應用案例

綠色航運監測系統自2022年10月在中遠海運客運有限公司“龍興島”號客滾船上安裝使用以來,已完成20余艘船舶(包括客滾船10艘、集裝箱船9艘和散貨船9)的船岸通信網關部署。

綠色航運監測系統云端服務程序以實時數據為基礎,通過對數據進行抽取、加工、匯總和整理,構建綠色航運指標體系,根據實際業務和決策導向生成一系列直觀、可挖掘的綠色航運數據分析產品。以岸電設備使用情況統計為例,此前采用人工收集數據、人工填寫報表的方式,至少需要2 d時間才能完成1次統計,采用綠色航運監測系統之后,公司管理部門可隨時登錄系統查看多維度的自動報表,為節能降碳效用統計提供數據支撐。

此外,中遠海運的綠色航運監測系統產品支持SaaS服務模式,目前正在積極拓展其應用范圍,與港航管理部門和多家航運企業接洽,分享數智化的綠色航運管理理念,降低經營風險,提升企業的經濟效益。

6 結 語

以往的船岸遠程監測系統主要采集船舶機艙主輔機工況數據、導航及船橋系統的應用數據[5],并將其打包暫存于船載數據庫中,定期發送給岸端數據庫。中遠海運根據綠色航運管理的實際需求,采用物聯網技術研制了專注于船舶環保設備的實時監測管理系統。

利用船岸通信網關豐富的現場總線接口資源,圍繞綠色航運監測設計初衷,目前正在研究將油污水排放系統、脫硫塔設備和碳捕捉系統接入該綠色航運監測系統中,全方位監測船舶綠色航運關鍵數據,助力航運管理的數字化轉型。