基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的LNG船舶監(jiān)管平臺的探索

顧小明，何洪鋒，鐘春波，景 勇，楊 旺

（厚普清潔能源股份有限公司，四川 成都 610000）

為了大力推行綠色、環(huán)保能源，國家也在不推的出臺新政策，如：《關(guān)于推進水運行業(yè)應(yīng)用液化天然氣的指導(dǎo)意見》、《2014—2015年節(jié)能減排低碳發(fā)展行動方案》、《長江經(jīng)濟帶船舶污染防治專項行動方案（2018—2020年）》、《長江干線京杭運河西江航運干線液化天然氣加注碼頭布局方案（2017—2025年）》等。隨著國家對清潔能源的政策指引下，為了保護環(huán)境減少大氣污染，推進航運船用清潔燃料的發(fā)展和需求，由此帶來了船舶燃料系統(tǒng)的升級和改造，以及各個碼頭港口的LNG躉船站、岸基站建設(shè)的迅速發(fā)展。但同時也面臨站點與站點之間距離跨度大、設(shè)備種類繁多、安全監(jiān)管難、船舶管理等問題，傳統(tǒng)運營管理方式面臨著巨大的挑戰(zhàn)。本論文從LNG躉船站、岸基站、船舶燃料設(shè)備等安全生產(chǎn)、企業(yè)互動管理環(huán)節(jié)與基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的LNG船舶設(shè)備安全監(jiān)管、設(shè)備運營的概念出發(fā)，利用GPS或北斗定位、無線傳輸、云平臺、大數(shù)據(jù)分析、傳感器采集等技術(shù)，對其生產(chǎn)運營流程進行專業(yè)化、信息化、智能化監(jiān)管，提升站點及船舶智能化管理程度。

1 平臺應(yīng)用功能設(shè)計

本平臺應(yīng)用功能分為3大模塊，包括設(shè)備監(jiān)管模塊、政府監(jiān)管模塊、企業(yè)與用戶管理模塊。其中設(shè)備監(jiān)管模塊包括實時數(shù)據(jù)與狀態(tài)監(jiān)控、報警與預(yù)警新信息推送、報警與預(yù)警信息統(tǒng)計、數(shù)據(jù)趨勢與效率分析、歷史數(shù)據(jù)查詢功能；政府監(jiān)控模塊包括環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)管、船只監(jiān)控、船只統(tǒng)計管理功能；企業(yè)與用戶管理模塊包括船只加注便捷管理、設(shè)備安全管理、經(jīng)濟效益分析功能。

2 LNG船聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺設(shè)計

本平臺分為六層：設(shè)備接入層、設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸層、設(shè)備數(shù)據(jù)處理層、云服務(wù)管理層、平臺應(yīng)用層、業(yè)務(wù)應(yīng)用端。設(shè)備接入層用某種數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)采集各種設(shè)備數(shù)據(jù)，經(jīng)過存儲和轉(zhuǎn)發(fā)給云服務(wù)器。設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸層用于傳輸來自設(shè)備接入層中采集到的設(shè)備數(shù)據(jù)，與設(shè)備數(shù)據(jù)處理層完成雙方的數(shù)據(jù)通信交互工作。設(shè)備數(shù)據(jù)處理層用于處理來自設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸層發(fā)送上來的數(shù)據(jù)和云服務(wù)器的請求數(shù)據(jù)。云服務(wù)管理層用于對數(shù)據(jù)庫操作的管理和平臺應(yīng)用層業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)請求及響應(yīng)。平臺應(yīng)用層主要用于接收和處理來自業(yè)務(wù)應(yīng)用端的業(yè)務(wù)請求和響應(yīng)，提供業(yè)務(wù)應(yīng)用端所需要展示的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。業(yè)務(wù)應(yīng)用端給客戶提供不同的終端應(yīng)用，便于客戶快速查詢和接收信息。

2.1 設(shè)備接入層關(guān)鍵技術(shù)

本層采用嵌入式技術(shù)，利用工業(yè)級ARM的芯片架構(gòu)，提供了大容量的Flash存儲，支持RJ45、RS232、USB、modbus-RTU等多種外圍接口和協(xié)議，提供多路數(shù)字量和模擬量通道實現(xiàn)設(shè)備層傳感器的接入，同時支持4G網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸。

數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)主要采集包括的數(shù)據(jù)信息有：視頻數(shù)據(jù)、LNG動力系統(tǒng)（如轉(zhuǎn)速、功率、電流、電壓、溫度等）、LNG供氣系統(tǒng)（如：儲罐液位、儲罐壓力、泵的進出口壓力、溫度、閥門狀態(tài)、燃?xì)鈭缶驖舛鹊龋⒋拔恢煤拖嚓P(guān)信息（如：船舶的速度、位置信息、水深數(shù)據(jù)）。數(shù)據(jù)采集主要設(shè)備，如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集主要設(shè)備圖

2.2 設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸層技術(shù)要求

本層應(yīng)用通過HTTP協(xié)議、TCP/UDP協(xié)議實現(xiàn)設(shè)備接入層中采集到的設(shè)備數(shù)據(jù)，與設(shè)備數(shù)據(jù)處理層完成雙方的數(shù)據(jù)通信交互工作。數(shù)據(jù)傳輸過程中采用MD5加密技術(shù)，保障數(shù)據(jù)傳輸過程中的安全性。

2.3 設(shè)備數(shù)據(jù)處理層技術(shù)

本層主要采用中間件技術(shù)進行數(shù)據(jù)的處理。采用的中間件為RabbitMQ和Storm，以及數(shù)據(jù)傳輸通信模塊。Storm中間件技術(shù)憑借免費開源、分布式、高容錯的實時計算系統(tǒng)，完成數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理，并將處理的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)單元中。RabbitMQ位于數(shù)據(jù)傳輸通信模塊與Storm之間，主要解決上述兩個模塊解耦合，降低協(xié)議處理器在高并發(fā)時出現(xiàn)的阻塞情況。Storm組件用于將終端上傳的數(shù)據(jù)按照指定協(xié)議解析為標(biāo)準(zhǔn)格式數(shù)據(jù)并存入相應(yīng)數(shù)據(jù)庫。同時采用負(fù)載均衡技術(shù)進行處理。負(fù)載均衡，如圖2所示。

圖2 負(fù)載均衡圖

2.4 云服務(wù)管理層技術(shù)

云服務(wù)管理層用于對數(shù)據(jù)庫操作的管理和平臺應(yīng)用層業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)請求及響應(yīng)，主要存儲設(shè)備業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)。本層采用三種開源數(shù)據(jù)庫技術(shù)進行數(shù)據(jù)管理任務(wù)，分別是MySQL數(shù)據(jù)庫、MongoDB數(shù)據(jù)庫、Redis數(shù)據(jù)庫。用于存儲設(shè)備數(shù)據(jù)分為業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)。

2.5 平臺應(yīng)用層處理

業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包括用戶信息、組織機構(gòu)信息、權(quán)限與資源信息、設(shè)備信息、參數(shù)信息、數(shù)據(jù)中繼器信息、采集協(xié)議信息、數(shù)據(jù)采集終端信息。

實時數(shù)據(jù)表示設(shè)備的最新狀態(tài)，會首先存儲在redis中，然后拷貝一個副本存入mongodb中。

歷史數(shù)據(jù)是用于平臺生成運行日志和數(shù)據(jù)分析，因此歷史數(shù)據(jù)需要具備可快速查詢的存儲方式。在協(xié)議處理器中需要設(shè)置一個周期性執(zhí)行的自動任務(wù)，其主要功能是從mongodb中查詢出未聚合的設(shè)備數(shù)據(jù)，并將其寫入到設(shè)備的基礎(chǔ)文檔中，自動任務(wù)根據(jù)業(yè)務(wù)的不同可靈活設(shè)置。利用上述的設(shè)計模式，可以快速進行圖表、圖形及曲線統(tǒng)計功能。

2.6 業(yè)務(wù)應(yīng)用端

業(yè)務(wù)應(yīng)用端可分為Web頁面系統(tǒng)、手機app（Android+IOS）、微信服務(wù)號及小程序。

如圖3所示，WEB頁面系統(tǒng)分為前端系統(tǒng)及后臺系統(tǒng)，前端系統(tǒng)供客戶使用具體的業(yè)務(wù)功能，包括數(shù)據(jù)實時展現(xiàn)、工藝流程圖查詢、軌跡回放等。后臺系統(tǒng)主要用于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)建立、權(quán)限管理等。

圖3 消息推送流程圖

手機app主要用于數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控、告警信息接收、視頻監(jiān)控、站點定位等功能。

微信服務(wù)號則便于企業(yè)向用戶推送服務(wù)信息，宣傳企業(yè)產(chǎn)品及服務(wù)。

3 結(jié)束語

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的LNG船舶監(jiān)管平臺提高了LNG躉船站、岸基站、船舶燃料設(shè)備的運營管理效率。全方位對LNG躉船站、岸基站、船舶燃料設(shè)備安全運行提供了有效的管理保障，為設(shè)備運行數(shù)據(jù)進行了科學(xué)的大數(shù)據(jù)分析，從而實現(xiàn)了LNG躉船站、岸基站、船舶燃料設(shè)備的信息化與智能化管理，具備較大的推廣價值。