船岸一體化船舶監(jiān)測(cè)平臺(tái)技術(shù)研究

王之民

摘要：? 針對(duì)岸端管理人員無法及時(shí)了解船舶動(dòng)態(tài)及船舶數(shù)據(jù)問題，提出結(jié)合船端綜合網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)和岸端綜合網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)構(gòu)成的組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)方案，通過MODBUS TCP傳輸方式實(shí)現(xiàn)船岸一體化船舶監(jiān)測(cè)平臺(tái)。由船端綜合網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)與監(jiān)測(cè)船舶中設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，通過LIBMODBUS通訊軟件將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸至網(wǎng)關(guān)中，再通過傳輸協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸至岸端綜合網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)船岸一體化監(jiān)測(cè)的方案。岸端LIBMODBUS通訊軟件能提供計(jì)算機(jī)仿真配合外接模擬器進(jìn)行訓(xùn)練，使船員可以提升自我專業(yè)能力，從而達(dá)到提高管理效率、降低管理和運(yùn)營(yíng)成本的目的。

關(guān)鍵詞：? 船舶、船岸一體化、綜合監(jiān)管;

中圖分類號(hào)：U662.9? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(jì)算機(jī)技術(shù)、工業(yè)過程控制與通信技術(shù)的迅速發(fā)展，船舶正在向高自動(dòng)化和智能化方向發(fā)展， 以節(jié)能、環(huán)保、安全等為管理目標(biāo)，主要體現(xiàn)在船岸一體化監(jiān)測(cè)平臺(tái)的設(shè)計(jì)上。

船岸一體化船舶監(jiān)測(cè)平臺(tái)，就是利用高速發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星通訊技術(shù)及現(xiàn)代化管理信息技術(shù)，方便對(duì)船舶進(jìn)行一體化管理，實(shí)現(xiàn)了船岸數(shù)據(jù)信息一體化[1]，以智能化的船舶管理時(shí)刻地觀察船舶運(yùn)行情況，增強(qiáng)了對(duì)船舶的監(jiān)控，對(duì)突發(fā)事件也能做出及時(shí)的處理。建立船岸一體化船舶監(jiān)測(cè)平臺(tái)，是船舶管理現(xiàn)代化體現(xiàn)的必經(jīng)之路，也對(duì)船舶業(yè)的發(fā)展起到重要作用。

2.系統(tǒng)架構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)船岸一體化船舶監(jiān)測(cè)平臺(tái)中船岸信息一體化和船員仿真培訓(xùn)功能，船岸一體化船舶監(jiān)測(cè)平臺(tái)架構(gòu)主要由船端綜合網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)、岸端綜合網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)兩部分組成，見圖1。岸端網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)提供遠(yuǎn)程訪問技術(shù)，方便設(shè)備供應(yīng)商對(duì)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和維護(hù)功能，同時(shí)，還提供外部接口方便模擬器接入，配合計(jì)算機(jī)仿真，供船員進(jìn)行模擬訓(xùn)練。

3.系統(tǒng)功能

3.1同步監(jiān)測(cè)

船舶停靠在碼頭時(shí)，船舶狀態(tài)運(yùn)行信息實(shí)時(shí)傳輸至岸端綜合網(wǎng)絡(luò)平臺(tái);[2]船舶離開碼頭后，4G信號(hào)消失，船舶通過北斗系統(tǒng)和衛(wèi)星通訊系統(tǒng)在集成后識(shí)別信號(hào)強(qiáng)弱實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換或者手動(dòng)強(qiáng)制切換，將conning界面中主機(jī)的轉(zhuǎn)速、功率、扭矩、油耗，舵槳的舵角和螺距，發(fā)電機(jī)三項(xiàng)功率和油耗，GPS等重要參數(shù)實(shí)時(shí)傳輸至岸端，岸端管理人員可通過PC網(wǎng)頁和手機(jī)APP軟件實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

3.2遠(yuǎn)程訪問

設(shè)備供應(yīng)商無需到現(xiàn)場(chǎng)，便可通過VPN技術(shù)進(jìn)入岸端綜合網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，根據(jù)設(shè)備報(bào)警情況對(duì)船端設(shè)備進(jìn)行指導(dǎo)維修。同時(shí)，還能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備狀態(tài)，對(duì)潛在故障進(jìn)行清除。

3.2船員培訓(xùn)平臺(tái)

岸端綜合平臺(tái)將報(bào)警數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫中，LIBMODBUS通訊軟件讀取并將數(shù)據(jù)傳輸至培訓(xùn)平臺(tái)中，配合外接模擬器讓船員模擬在真實(shí)船舶中并進(jìn)行修改。同時(shí)，還能模擬真實(shí)的考試環(huán)境，讓船員更好地掌握理論知識(shí)。

4.船端綜合網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)設(shè)計(jì)

船端綜合網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)主要有兩層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，上層采用以太網(wǎng)方式通訊，下層采集主要通過現(xiàn)場(chǎng)總線的通訊方式。[3]

現(xiàn)場(chǎng)總線具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、傳輸距離較遠(yuǎn)、抗電磁干擾能力強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)。主要用于獲取全船各艙環(huán)境溫度、房間溫度、設(shè)備傳感器溫度、艙室液位高度、設(shè)備壓力等?，F(xiàn)場(chǎng)總線將傳感器信號(hào)中數(shù)據(jù)接收，數(shù)據(jù)處理器監(jiān)聽現(xiàn)場(chǎng)總線上傳輸電平，并將總線上數(shù)據(jù)讀至模塊中。

同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)總線還能獲取轉(zhuǎn)速系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)、渦輪增壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)等系統(tǒng)中的設(shè)備數(shù)據(jù)，使用RS485接口將數(shù)據(jù)發(fā)送到通訊模塊中，并通過現(xiàn)場(chǎng)總線將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)處理器中。

兩層網(wǎng)絡(luò)之間的通訊主要通過數(shù)據(jù)處理器實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)處理器是將下層網(wǎng)絡(luò)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理和匯總，并通過MODBUS TCP通訊協(xié)議和船端綜合網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)相連接，船端綜合網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)將數(shù)據(jù)處理器中數(shù)據(jù)讀取過來。船端綜合網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)是可以將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至駕駛室、輪機(jī)長(zhǎng)和值班員的網(wǎng)絡(luò)客戶端中，便于船員在機(jī)艙以外的地方實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

4.1LIBMODBUS通訊軟件

LIBMODBUS是一個(gè)根據(jù)MODBUS協(xié)議發(fā)送/接收數(shù)據(jù)的免費(fèi)軟件庫。是一個(gè)快速且可移植的MODBUS第三方庫。

基于VC++開發(fā)的LIBMODBUS通訊軟件具有連接綜合網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)和網(wǎng)關(guān)的通訊方式，圖2中接收數(shù)據(jù)按鈕是通過OPC通訊協(xié)議用來接收綜合網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并將讀取到的數(shù)據(jù)保存至寄存器中;發(fā)送數(shù)據(jù)按鈕是讀取寄存器中數(shù)據(jù)并根據(jù)MODBUS TCP通訊協(xié)議將寄存器中的數(shù)據(jù)傳輸至網(wǎng)關(guān)中;船員培訓(xùn)按鈕是獲取岸端綜合網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)提供的外部接口接上模擬器產(chǎn)生的模擬數(shù)據(jù)，并在船員培訓(xùn)平臺(tái)大屏幕上顯示出來。船端LIBMODBUS通訊軟件只有接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)功能。

4.2通訊設(shè)備

船岸之間數(shù)據(jù)共享和交互是實(shí)現(xiàn)船岸一體化的技術(shù)難題，早期人們通過郵寄磁盤的方式傳遞相關(guān)數(shù)據(jù)信息，沒有任何時(shí)效性。隨著現(xiàn)有信息網(wǎng)絡(luò)和通訊資源技術(shù)的發(fā)展，人們也不斷尋求可靠船岸通訊技術(shù)，用于實(shí)現(xiàn)信息傳遞的快捷、安全、可靠和準(zhǔn)確性。[4]本文采用的是網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)姆绞絹韺?shí)現(xiàn)船岸一體化通訊，是一款支持多協(xié)議轉(zhuǎn)換的工業(yè)網(wǎng)關(guān)設(shè)備。

船端網(wǎng)關(guān)中有三種通訊協(xié)議可與岸端實(shí)現(xiàn)一體化數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，其中衛(wèi)星通訊方式需要在甲板上安裝天線，配合海事衛(wèi)星通訊系統(tǒng)和北斗衛(wèi)星通訊系統(tǒng)。[5]當(dāng)船舶行駛在海上時(shí)，沒有4G信號(hào)后，兩種衛(wèi)星通訊手段在集成后識(shí)別信號(hào)強(qiáng)弱實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換或者手動(dòng)強(qiáng)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(fèi)下降以及3G/4G無線模塊成本下降，4G作為通訊方式具體數(shù)據(jù)傳輸量大、傳輸穩(wěn)定、成本低、易于維護(hù)的特點(diǎn)。同時(shí)，還具有斷點(diǎn)續(xù)傳功能，此功能的實(shí)現(xiàn)需在網(wǎng)關(guān)中插入一張64G內(nèi)存的SD卡，在網(wǎng)關(guān)配套軟件中增加需進(jìn)行斷點(diǎn)續(xù)傳的點(diǎn)，如：主機(jī)轉(zhuǎn)速、功率、扭矩，發(fā)電機(jī)瞬時(shí)油耗、累計(jì)油耗，舵槳的轉(zhuǎn)速、舵角，艙室油量，船舶通導(dǎo)點(diǎn)，這些岸端管理人員在意的參數(shù);當(dāng)船舶?？看a頭，網(wǎng)關(guān)會(huì)自動(dòng)切換4G進(jìn)行通訊，同時(shí)，會(huì)將存儲(chǔ)在SD卡中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入至岸端綜合網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)中，供岸端查看并分析數(shù)據(jù)。

北斗系統(tǒng)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(fā)送船位，船舶主機(jī)、發(fā)電機(jī)、舵槳上的重要參數(shù)和報(bào)警等信息，與岸端綜合網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)進(jìn)行消息的交互。北斗作為通訊方式傳輸時(shí)，傳輸量小、流量計(jì)費(fèi)、費(fèi)用高的特點(diǎn)，同時(shí)，還具有電子海圖和遇險(xiǎn)報(bào)警功能。

海事衛(wèi)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(wǎng)關(guān)發(fā)送和接收海事衛(wèi)星信號(hào)，用戶終端是使用岸端綜合網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)接收衛(wèi)星發(fā)送的信號(hào)。[7]海事衛(wèi)星通訊系統(tǒng)和北斗系統(tǒng)一樣，能將船舶中重要的參數(shù)數(shù)據(jù)接近實(shí)時(shí)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(wèi)星追蹤定位和費(fèi)用高的特點(diǎn)。

5.岸端綜合網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)設(shè)計(jì)

船舶停靠碼頭時(shí)，船舶數(shù)據(jù)通過4G信號(hào)傳輸至岸端綜合網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，岸端能實(shí)時(shí)同步船端數(shù)據(jù)、趨勢(shì)、報(bào)警和報(bào)告信息，能將行駛中停止更新的數(shù)據(jù)重新上傳至平臺(tái)中，船端管理人員能通過查看歷史數(shù)據(jù)，對(duì)船舶運(yùn)行情況進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)、運(yùn)行效率比較，故障與報(bào)警信息分析等。[8]行駛中的船舶只能將主機(jī)、發(fā)電機(jī)、舵槳、通道程序中重要參數(shù)數(shù)據(jù)傳輸至岸端綜合網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)conning界面進(jìn)行同步刷新，但其它界面參數(shù)數(shù)據(jù)不會(huì)進(jìn)行改變。同時(shí)，會(huì)將數(shù)據(jù)保存至岸端數(shù)據(jù)庫，等待進(jìn)一步的分析和處理。

設(shè)備供應(yīng)商也可通過VPN授權(quán)對(duì)岸端綜合網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)進(jìn)行訪問，查看船端設(shè)備使用和運(yùn)行情況，并進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和維護(hù)。

6.船岸一體化監(jiān)測(cè)

船舶實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)傳輸至岸端綜合網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)中，平臺(tái)會(huì)將對(duì)應(yīng)船舶的配置工程進(jìn)行打包發(fā)送至云平臺(tái)中數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，通過Internet以TCP/IP協(xié)議與岸端綜合網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)相連接。岸端操作人員可以建立各種監(jiān)控的圖形、趨勢(shì)、報(bào)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(dòng)態(tài)信息。隨著手機(jī)的智能化越來越高，岸端管理人員可以隨時(shí)隨地通過智能手機(jī)中云平臺(tái)APP軟件能監(jiān)測(cè)船舶數(shù)據(jù)信息和報(bào)警情況。

6.船員培訓(xùn)平臺(tái)

傳統(tǒng)的船員培訓(xùn)主要分為實(shí)船培訓(xùn)、模擬器仿真培訓(xùn)和仿真船員培訓(xùn)三部分，其中實(shí)船培訓(xùn)是最佳方法，但安全風(fēng)險(xiǎn)大、成本高、效率低、排放污染不符合節(jié)能減排要求，仿真培訓(xùn)對(duì)于切實(shí)提高船員理論水平與實(shí)踐技能要求存在較大的差距。

單一的模擬器仿真培訓(xùn)只能通過購買大量的硬件設(shè)備和軟件，才能保證訓(xùn)練質(zhì)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(xùn)效果一般等缺點(diǎn)。

本文介紹的計(jì)算機(jī)仿真培訓(xùn)結(jié)合模擬器的新方法，岸端綜合網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)外部接口可以接輪機(jī)模擬器、船舶操縱模擬器和其他航海模擬器。培訓(xùn)平臺(tái)采用VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開發(fā)不同類型的航海場(chǎng)景，船員可在培訓(xùn)平臺(tái)中通過鍵盤和鼠標(biāo)操作獲得海上實(shí)踐的真實(shí)操作環(huán)境，使船員獲得身臨其境的感官感受，能讓船員處于實(shí)際工作環(huán)境相似的環(huán)境之下，操作外接模擬器;并可以設(shè)置類似實(shí)際工作可能碰到的問題進(jìn)行訓(xùn)練;從而能提升船員自身的專業(yè)能力，訓(xùn)練效果會(huì)十分有效。結(jié)束后，船員訓(xùn)練的結(jié)果數(shù)據(jù)能醒目地展示在大屏幕上。計(jì)算機(jī)仿真培訓(xùn)結(jié)合模擬器的新方法具有針對(duì)性強(qiáng)、成本低、維護(hù)方便、真實(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn)。

船員培訓(xùn)平臺(tái)不僅能提升船員的實(shí)際操作能力，而且還能模擬真實(shí)考試環(huán)境，能讓船員熟悉和了解現(xiàn)行考試系統(tǒng)，幫助船員更好地掌握理論知識(shí)。培訓(xùn)平臺(tái)擁有大量的海船船員考試真題和模擬題，且練習(xí)結(jié)束后，附有解析幫助，能夠提升理論知識(shí)。LIBMODBUS通訊軟件放到岸端綜合網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)中，點(diǎn)擊船員培訓(xùn)按鈕，船員根據(jù)自身的專業(yè)知識(shí)選擇需要接入岸端綜合網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的外接模擬器進(jìn)行仿真培訓(xùn)。船員操作模擬器會(huì)產(chǎn)生電流值，調(diào)零模塊會(huì)把模擬器中電阻量轉(zhuǎn)換成4-20mA電流量，通過RS485現(xiàn)場(chǎng)總線將數(shù)據(jù)傳輸至通訊模塊中，LIBMODBUS通訊軟件通過MODBUS TCP通訊協(xié)議將數(shù)據(jù)讀取至寄存器中，等待船員培訓(xùn)平臺(tái)獲取寄存器中的數(shù)據(jù)，并在大屏幕中顯示出來。具體流程見圖7。

7.結(jié)論

船岸一體化船舶監(jiān)測(cè)平臺(tái)技術(shù)的應(yīng)用解決了船端和岸端信息傳輸不及時(shí)的問題，岸端可以隨時(shí)隨地掌握船舶設(shè)備信息和船舶行駛狀況，設(shè)備供應(yīng)商也能最快速地為船舶設(shè)備提供維護(hù)，行駛中船舶能通過平臺(tái)得到岸端的服務(wù)和保障支持，提高船舶運(yùn)行的安全性。

船岸一體化船舶監(jiān)測(cè)平臺(tái)的應(yīng)用不僅對(duì)船端和岸端信息交互有了顯著提升，同時(shí)，岸端還能將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，分析并提供輔助決策等功能。建立船員培訓(xùn)平臺(tái)可以讓船員在計(jì)算機(jī)仿真和模擬器配合中訓(xùn)練提升自我的專業(yè)能力。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)，工業(yè)過程控制與通信技術(shù)的高速發(fā)展，船岸一體化船舶監(jiān)測(cè)平臺(tái)的信息交互能力的提升和其它智能應(yīng)用的開發(fā)，能使船舶安全、環(huán)保、高效的發(fā)展。

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