基于船岸通訊的智能機(jī)艙架構(gòu)技術(shù)研究

黃滔，董舟，李文榮

（中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七一一研究所，上海 201108）

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外智能船舶的發(fā)展成為船舶界的一大風(fēng)口，各中大型造船企業(yè)不斷優(yōu)化推出智能機(jī)艙在內(nèi)的智能船舶產(chǎn)品，并向數(shù)字化、遠(yuǎn)程運(yùn)維化方向升級(jí)。船舶機(jī)艙設(shè)備作為船舶動(dòng)力中樞，逐漸從自動(dòng)化向著智能機(jī)艙方向發(fā)展，不僅需要對(duì)各動(dòng)力設(shè)備狀態(tài)參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，還需對(duì)運(yùn)行狀態(tài)和健康狀況進(jìn)行智能分析和評(píng)估，為動(dòng)力設(shè)備日常運(yùn)行、檢修、備品備件等全生命周期管理提供決策建議[1-2]。

世界各國(guó)船舶企業(yè)和科研院所都在開(kāi)展智能船舶相關(guān)方面的應(yīng)用研究。2018 年三星重工開(kāi)發(fā)了船舶全生命周期管理在內(nèi)的新一代智能船舶解決方案“SVESSEL”。2021 年在對(duì)原有解決方案的升級(jí)中，加入了更多的傳感器感知技術(shù)，對(duì)設(shè)備是否需要維護(hù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，并在設(shè)備發(fā)生故障前進(jìn)行反饋。同時(shí)還可利用實(shí)時(shí)通信，整合信息、語(yǔ)音、影像、畫(huà)面共享功能，使得在陸上的工程師可以確認(rèn)設(shè)備狀態(tài)，并為船上的工程師提供遠(yuǎn)程維修指南[15]。尹安等[1]結(jié)合信息基礎(chǔ)設(shè)施，構(gòu)建應(yīng)用集成管理平臺(tái)，采用 Docker 技術(shù)和軟件集成管理倉(cāng)庫(kù)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同類(lèi)型信息服務(wù)模塊的統(tǒng)籌管理。但是研究未提及投入實(shí)船應(yīng)用。張躍文[13]等采用設(shè)備船岸一體化的智能化管理，但未提及具體實(shí)施方法及船岸通訊的安全性。

智能機(jī)艙設(shè)備數(shù)量較多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)要求較高[12]。目前，機(jī)艙信息化程度不高，各設(shè)備數(shù)據(jù)只能保存在船舶本地，信息共享能力較弱，使得在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行故障分析、運(yùn)行統(tǒng)計(jì)時(shí)，缺乏多系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成、遠(yuǎn)程狀態(tài)感知與運(yùn)維等手段，導(dǎo)致海量的船舶實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)無(wú)法為遠(yuǎn)程運(yùn)維團(tuán)隊(duì)或船東提供價(jià)值。同時(shí)，因?yàn)橹悄軝C(jī)艙面向的是全船動(dòng)力設(shè)備系統(tǒng)，具有設(shè)備與系統(tǒng)數(shù)量較多、采集與分析對(duì)于單一計(jì)算設(shè)備的負(fù)荷較大等特點(diǎn)，如果采用傳統(tǒng)單機(jī)部署架構(gòu)，會(huì)造成計(jì)算資源不足、網(wǎng)絡(luò)延遲較大等問(wèn)題[11]。

基于上述船舶機(jī)艙在智能化發(fā)展中的實(shí)際需求，本文提出了基于船岸通訊的智能機(jī)艙架構(gòu)思路。介紹了基于船岸通訊的智能機(jī)艙系統(tǒng)架構(gòu)總體設(shè)計(jì)，并從信息集成平臺(tái)、邊緣計(jì)算、船岸通訊等三個(gè)方面論述架構(gòu)技術(shù)方案。解決現(xiàn)有機(jī)艙監(jiān)控體系在多系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成、中心層數(shù)據(jù)計(jì)算、船岸協(xié)同管理等方面存在的問(wèn)題，為智能船舶和無(wú)人船舶技術(shù)的發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1 基于船岸通訊的智能機(jī)艙架構(gòu)總體設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)原則

（1）船岸一致性原則。船岸通訊方面，遵守CCS關(guān)于遠(yuǎn)程控制R1 標(biāo)志中對(duì)船舶與遠(yuǎn)程控制站（岸端）之間通訊的要求。采用多網(wǎng)絡(luò)鏈路冗余自動(dòng)切換的方式保證船岸通訊的穩(wěn)定，同時(shí)通過(guò)SSL 建立雙向加密長(zhǎng)鏈接等方式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊鏈路與數(shù)據(jù)雙加密，防止數(shù)據(jù)在通訊過(guò)程被篡改、竊取，保障船舶與岸端數(shù)據(jù)的一致。

（2）冗余性原則。冗余性包含網(wǎng)絡(luò)冗余、應(yīng)用與數(shù)據(jù)冗余,保障服務(wù)正常運(yùn)行的同時(shí)，保護(hù)數(shù)據(jù)完整性。網(wǎng)絡(luò)鏈路的冗余是為了提升網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的整體容錯(cuò)能力，防止因?yàn)閱吸c(diǎn)故障對(duì)服務(wù)造成影響。數(shù)據(jù)冗余則需要當(dāng)某一臺(tái)服務(wù)器出現(xiàn)故障無(wú)法恢復(fù)時(shí)，數(shù)據(jù)必須可以通過(guò)副本等機(jī)制進(jìn)行恢復(fù)，不能對(duì)上層應(yīng)用服務(wù)、歷史數(shù)據(jù)等產(chǎn)生影響。

（3）性能高可用原則。傳統(tǒng)的船舶信息化應(yīng)用，通常采用單一計(jì)算設(shè)備作為中心節(jié)點(diǎn)，在當(dāng)前設(shè)備信息化進(jìn)程不斷推動(dòng)的過(guò)程中，數(shù)據(jù)及處理量越來(lái)越大，如果采用傳統(tǒng)的架構(gòu)方法，機(jī)算資源及網(wǎng)絡(luò)負(fù)載會(huì)變得不堪重負(fù)。根據(jù)性能高可用原則，優(yōu)化中心計(jì)算節(jié)點(diǎn)資源及性能的同時(shí)，重構(gòu)信息化架構(gòu)，更好地實(shí)現(xiàn)智能機(jī)艙系統(tǒng)的高效運(yùn)行。

（4）數(shù)據(jù)安全性原則。數(shù)據(jù)安全體現(xiàn)在數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)兩方面，數(shù)據(jù)傳輸方面，無(wú)論是局域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)通信，都要保證數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中不被篡改、竊取。在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面，在保證數(shù)據(jù)冗余性的同時(shí)，增加網(wǎng)絡(luò)安全及終端安全防護(hù)策略，保證存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)不被惡意加密等勒索病毒、蠕蟲(chóng)所侵害。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)總體設(shè)計(jì)

基于船岸通訊的智能機(jī)艙架構(gòu)總體設(shè)計(jì)如圖1 所示，由邊緣計(jì)算層、中心端信息集成平臺(tái)、通訊安全層、船岸通訊層構(gòu)成。

圖1 基于船岸通訊的智能機(jī)艙架構(gòu)總體設(shè)計(jì)

其中邊緣計(jì)算層采用分布式的架構(gòu)手段，在動(dòng)力各設(shè)備及系統(tǒng)側(cè)安裝計(jì)算設(shè)備，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)緩存、數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)分析處理等操作，最后將分析處理后得到的二次數(shù)據(jù)及結(jié)果傳輸至信息集成平臺(tái)。降低船端數(shù)據(jù)中心計(jì)算負(fù)荷壓力的同時(shí)，提升數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性；

中心端信息集成平臺(tái)由計(jì)算資源硬件及應(yīng)用服務(wù)軟件組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)邊緣側(cè)傳輸過(guò)來(lái)的多系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行冗余存儲(chǔ)、再處理、數(shù)據(jù)檢索交互、功能可視化展示等功能。通訊安全層提供冗余的信息傳輸通道，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)智能機(jī)艙的網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)；并通過(guò)防火墻、安全網(wǎng)關(guān)等安全設(shè)備提供網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)作用。

船岸通訊層包含網(wǎng)絡(luò)鏈路冗余切換、船岸雙向長(zhǎng)鏈接建立、鏈接及數(shù)據(jù)加密等環(huán)節(jié)，構(gòu)建保障數(shù)據(jù)通訊安全、鏈路可靠的船岸通訊網(wǎng)絡(luò)。實(shí)現(xiàn)船上與岸端的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)同步，包含船舶實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)備健康度管理、運(yùn)維輔助決策建議等，為岸端運(yùn)維決策人員及船東創(chuàng)造價(jià)值。通過(guò)船岸通訊，在岸端架設(shè)數(shù)據(jù)中心，以更強(qiáng)的計(jì)算集群能力，將船舶實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行模型訓(xùn)練試驗(yàn)，不斷優(yōu)化算法，提高在預(yù)測(cè)性維護(hù)、故障輔助決策方面的準(zhǔn)確度。

2 基于船岸通訊的智能機(jī)艙架構(gòu)組成

2.1 船岸通訊架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1.1 船岸通訊網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

船岸通訊網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分為岸端、船岸通訊層及船端。架構(gòu)圖如圖2 所示：

圖2 船岸通訊架構(gòu)設(shè)計(jì)圖

船岸通訊的建立，是由船端安全網(wǎng)關(guān)發(fā)起SSL 握手請(qǐng)求，在雙方通過(guò)各自CA 身份認(rèn)證證書(shū)以及公鑰驗(yàn)證完身份合理性后，實(shí)現(xiàn)基于國(guó)密算法的雙向加密的長(zhǎng)鏈接通道。同時(shí)安全網(wǎng)關(guān)也可以將數(shù)據(jù)包通過(guò)其私鑰與隨機(jī)數(shù)進(jìn)行加密后傳輸。

船岸通訊層具備多種網(wǎng)絡(luò)接入線路，包括VSAT 衛(wèi)通及4G/5G 通訊。使用互聯(lián)網(wǎng)出口手動(dòng)或自動(dòng)切換模式，可搭配4G/5G 網(wǎng)絡(luò)基站與雙VSAT 天線實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡。同時(shí)作為互聯(lián)網(wǎng)出口，大幅提升網(wǎng)絡(luò)帶寬，帶來(lái)更好的網(wǎng)絡(luò)可用性及流暢度。

岸端由安全網(wǎng)關(guān)及通訊設(shè)備組成，安全網(wǎng)關(guān)在接收到加密數(shù)據(jù)包后，根據(jù)秘鑰進(jìn)行解密并發(fā)送至后端計(jì)算設(shè)備中，保證長(zhǎng)鏈接中雙向傳遞數(shù)據(jù)的安全性和完整性。

2.1.2 網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)計(jì)包含網(wǎng)絡(luò)冗余、邊界防護(hù)、終端防護(hù)及局域網(wǎng)準(zhǔn)入等內(nèi)容。不僅可以為船岸通訊提供防護(hù)，還能為船端智能機(jī)艙系統(tǒng)局域網(wǎng)絡(luò)提供數(shù)據(jù)及服務(wù)的安全保障。

（1）網(wǎng)絡(luò)冗余。網(wǎng)絡(luò)鏈路及相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)路由交換設(shè)備、安全網(wǎng)關(guān)設(shè)備等均采用冗余部署方式，以提升網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的整體容錯(cuò)能力，防止出現(xiàn)單點(diǎn)故障。同時(shí)，評(píng)估業(yè)務(wù)高峰期時(shí)的網(wǎng)絡(luò)流量、并發(fā)用戶和新建網(wǎng)絡(luò)連接等性能數(shù)據(jù)，必要時(shí)增加網(wǎng)絡(luò)帶寬、設(shè)備處理性能，保證網(wǎng)絡(luò)帶寬、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的業(yè)務(wù)處理能力滿足業(yè)務(wù)高峰期需要。

（2）邊界防護(hù)。防火墻受控接口提供跨邊界通信，在區(qū)域網(wǎng)絡(luò)邊界主備模式部署下一代防火墻，對(duì)防火墻配置基于端口的訪問(wèn)控制策略，并啟用入侵防御和防病毒安全檢測(cè)引擎，確保所有跨越網(wǎng)絡(luò)邊界的訪問(wèn)和所有流入、流出的數(shù)據(jù)均通過(guò)其受控接口進(jìn)行通信、接受安全檢查和處理。

（3）終端防護(hù)。為了防止惡意代碼、非法介質(zhì)接入等安全威脅，在每一臺(tái)服務(wù)器上安裝主機(jī)防護(hù)軟件；在每一臺(tái)邊緣計(jì)算終端上安裝終端安全控制軟件。采用以下防護(hù)策略：①需要定期進(jìn)行設(shè)備安全掃描，同時(shí)還需定期從病毒防護(hù)庫(kù)中更新病毒庫(kù)；②對(duì)每臺(tái)計(jì)算設(shè)備插入的移動(dòng)介質(zhì)進(jìn)行掃描；③下載、打開(kāi)或執(zhí)行外部來(lái)源文件時(shí)進(jìn)行掃描；④監(jiān)測(cè)到惡意代碼后，立即拖進(jìn)隔離區(qū)，并發(fā)出警報(bào)；⑤移動(dòng)介質(zhì)接入識(shí)別與控制。

（4）局域網(wǎng)準(zhǔn)入管理。局域網(wǎng)準(zhǔn)入管理系統(tǒng)能夠防止未經(jīng)授權(quán)的設(shè)備通過(guò)修改IP/MAC 地址等設(shè)備信息，進(jìn)行仿冒并接入局域網(wǎng)內(nèi)的違規(guī)行為?；诙喾N發(fā)現(xiàn)機(jī)制，自動(dòng)讀取交換機(jī)內(nèi)的arp 表、mac 轉(zhuǎn)發(fā)表，實(shí)現(xiàn)了全網(wǎng)終端自動(dòng)發(fā)現(xiàn)，建立了IP/MAC/PORT 對(duì)應(yīng)關(guān)系，做到了定位管理。同時(shí)利用底層終端類(lèi)型識(shí)別技術(shù)，實(shí)時(shí)識(shí)別接入終端是什么終端類(lèi)型，主要包括：交換機(jī)、HUB、路由器、無(wú)線AP、網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備、服務(wù)器、存儲(chǔ)、視頻設(shè)備、主機(jī)、手機(jī)等所有設(shè)備，同時(shí)系統(tǒng)支持自定義添加終端類(lèi)型，自定義豐富終端類(lèi)型識(shí)別庫(kù)。網(wǎng)絡(luò)準(zhǔn)入流程如圖3 所示。

圖3 局域網(wǎng)準(zhǔn)入流程圖

2.2 邊緣計(jì)算架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

邊緣計(jì)算架構(gòu)中包含有感知層和邊緣層。將智能傳感器、采集模塊、數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊結(jié)合，構(gòu)成智能感知層；將計(jì)算、存儲(chǔ)、分析、通信資源融合為邊緣層，在靠近數(shù)據(jù)源頭的邊緣側(cè)，提供算力服務(wù)，高效實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶機(jī)艙關(guān)鍵設(shè)備的預(yù)測(cè)性維護(hù)。

邊緣層完成動(dòng)力設(shè)備和信息集成平臺(tái)的數(shù)據(jù)銜接與計(jì)算。向下通過(guò)采集模塊連接獲取設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)，在預(yù)處理模塊中完成對(duì)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)清洗、故障特征挖掘及預(yù)測(cè)性分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備層數(shù)據(jù)的分析和處理，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備潛在故障；通過(guò)本地顯示數(shù)據(jù)傳輸軟件實(shí)現(xiàn)在邊緣側(cè)的數(shù)據(jù)及分析結(jié)果的監(jiān)測(cè)管理，充分利用邊緣側(cè)的算力資源，設(shè)置本地處理機(jī)制；在網(wǎng)絡(luò)條件良好的環(huán)境中，提供信息集成平臺(tái)服務(wù)，向上通過(guò)自定義網(wǎng)絡(luò)協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸與信息集成平臺(tái)連接，實(shí)現(xiàn)管理、執(zhí)行等關(guān)鍵能力的高效協(xié)同。

2.2.2 感知層設(shè)計(jì)

感知層由分布于機(jī)艙各部的智能傳感器、采集模塊、數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊組成。智能傳感器包括齒輪箱振動(dòng)傳感器、主機(jī)振動(dòng)傳感器、滑油傳感器、輔機(jī)振動(dòng)傳感器、電力系統(tǒng)參數(shù)傳感器。這些傳感器實(shí)時(shí)采集柴油機(jī)、齒輪箱和發(fā)電機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)行時(shí)參數(shù)，并通過(guò)線纜連接至采集模塊。

采集模塊采用Network Time Protocol（NTP）時(shí)間同步協(xié)議，接收業(yè)務(wù)服務(wù)器的對(duì)時(shí)指令，在各個(gè)模塊間完成時(shí)間同步，保證各個(gè)采集模塊采集到的數(shù)據(jù)時(shí)間的一致性及健康管理算法數(shù)據(jù)源頭的精度，同時(shí)將提取的特征值與部分診斷結(jié)果傳輸至邊緣層以供智能機(jī)艙整體的健康評(píng)估和故障診斷。

數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊用于數(shù)據(jù)清洗及初步分析分類(lèi)。相較于原始龐大的資料集合需要很大量的資源來(lái)描述，通過(guò)預(yù)處理去除質(zhì)量及定義不合格的數(shù)據(jù)，藉此減少業(yè)務(wù)服務(wù)器的算力負(fù)載和局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)帶寬。

2.2.3 邊緣層設(shè)計(jì)

三是強(qiáng)化24小時(shí)應(yīng)急值守。有關(guān)部門(mén)要立即進(jìn)入應(yīng)急狀態(tài)，加強(qiáng)應(yīng)急值守，相關(guān)人員必須保持全天候通信暢通。加強(qiáng)與地震災(zāi)區(qū)的聯(lián)系，隨時(shí)掌握水利工程最新情況和水利抗震救災(zāi)需求，做好前方工作組的支撐和保障，并及時(shí)向國(guó)務(wù)院抗震救災(zāi)指揮部報(bào)告有關(guān)信息。

邊緣層對(duì)智能傳感器傳來(lái)的多維數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取，通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘及多元特征融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同維度特征參數(shù)的篩選和融合，利用對(duì)微弱故障敏感度高且變化規(guī)律性強(qiáng)的多個(gè)狀態(tài)參量共同作為故障特征指標(biāo)。

在故障樣本不足的情況下，可根據(jù)設(shè)備正常狀態(tài)下的運(yùn)行數(shù)據(jù)和機(jī)理分析，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)手段搭建設(shè)備的自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)智能故障基線模型；待故障樣本充足后，以多源故障特征為基礎(chǔ)，建立設(shè)備智能故障診斷模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障類(lèi)別、故障部位的診斷。根據(jù)設(shè)備當(dāng)前運(yùn)行參數(shù)和歷史數(shù)據(jù)，建立狀態(tài)評(píng)估指標(biāo)體系，對(duì)設(shè)備當(dāng)前以及未來(lái)的健康狀況進(jìn)行綜合評(píng)定，為設(shè)備可靠運(yùn)行、故障診斷和狀態(tài)維修提供決策支持。采用基于知識(shí)的智能評(píng)估方法，完成對(duì)故障物理概念的明確、直觀表達(dá)，通過(guò)自學(xué)習(xí)能力和并行處理能力，給出設(shè)備的健康狀況評(píng)估結(jié)果。通過(guò)邊緣計(jì)算、大數(shù)據(jù)和人工智能的助力，建立船舶機(jī)艙關(guān)鍵設(shè)備的全生命周期維護(hù)機(jī)制。

2.3 信息集成平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.3.1 硬件架構(gòu)

組成信息集成平臺(tái)的硬件架構(gòu)包含網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及計(jì)算資源硬件，架構(gòu)圖如圖4 所示。以冗余性與高可用性為原則，搭建智能機(jī)艙業(yè)務(wù)服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器、備份服務(wù)器以及多個(gè)磁盤(pán)陣列在內(nèi)的基礎(chǔ)設(shè)施硬件資源，通過(guò)分布式存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)均衡負(fù)載、存儲(chǔ)備份等技術(shù)方案，保證系統(tǒng)及數(shù)據(jù)可靠性的同時(shí)，提高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及調(diào)取效率。

圖4 信息集成平臺(tái)硬件架構(gòu)圖

（1）通過(guò)分布式技術(shù)實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)層負(fù)載均衡。在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的技術(shù)選擇上，采用分布式存儲(chǔ)模式進(jìn)行。與目前常見(jiàn)的集中式存儲(chǔ)技術(shù)不同，分布式存儲(chǔ)技術(shù)并不是將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在某個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)上，而是分布在多個(gè)磁盤(pán)空間上，并將這些分散的存儲(chǔ)資源構(gòu)成一個(gè)虛擬的存儲(chǔ)設(shè)備。通過(guò)對(duì)分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)置負(fù)載均衡方案，從資源空閑節(jié)點(diǎn)調(diào)取數(shù)據(jù)，可有效提高數(shù)據(jù)存取速度。

（2）通過(guò)反向代理實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層負(fù)載均衡。隨著數(shù)據(jù)量不斷增多，一臺(tái)應(yīng)用虛擬化服務(wù)器在響應(yīng)繁重的請(qǐng)求時(shí)顯得吃力，不論在性能、響應(yīng)速度等方面都顯得力不從心，所以為滿足性能高可用需求，需要對(duì)業(yè)務(wù)計(jì)算節(jié)點(diǎn)做負(fù)載均衡，緩解一臺(tái)服務(wù)器的高并發(fā)請(qǐng)求壓力。與此同時(shí)，當(dāng)兩個(gè)冗余業(yè)務(wù)應(yīng)用同時(shí)熱備運(yùn)行，也需要通過(guò)反向代理去找到能夠正常訪問(wèn)的主備應(yīng)用。在網(wǎng)絡(luò)層，當(dāng)客戶端請(qǐng)求反向代理服務(wù)器時(shí)，代理服務(wù)器會(huì)根據(jù)設(shè)置的調(diào)度規(guī)則定位到指定的應(yīng)用服務(wù)器，然后從指定的服務(wù)器直接返回內(nèi)容給客戶端。它介于客戶端和冗余業(yè)務(wù)服務(wù)器之間，根據(jù)服務(wù)器的流量及是否掉線等情況，選擇當(dāng)前工況下，性能最優(yōu)的節(jié)點(diǎn)。最后，代理服務(wù)器再去請(qǐng)求該應(yīng)用虛擬服務(wù)器，當(dāng)應(yīng)用虛擬服務(wù)器處理好結(jié)果后，交給代理服務(wù)器并返回給客戶端。

（3）通過(guò)存儲(chǔ)熱備實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)安全。分布式存儲(chǔ)能將重要數(shù)據(jù)信息進(jìn)行冗余熱備份，并且保障數(shù)據(jù)能夠在服務(wù)器中進(jìn)行遷移。當(dāng)某一臺(tái)服務(wù)器出現(xiàn)故障無(wú)法恢復(fù)時(shí)，數(shù)據(jù)可以通過(guò)副本等機(jī)制進(jìn)行恢復(fù)，不會(huì)對(duì)上層應(yīng)用產(chǎn)生影響。最大限度地保護(hù)已運(yùn)行數(shù)據(jù)的安全以及平臺(tái)在運(yùn)行中的零差錯(cuò)，不會(huì)因?yàn)橄到y(tǒng)或是外部的故障造成用戶數(shù)據(jù)損失，進(jìn)一步提高服務(wù)器的災(zāi)備能力，保證數(shù)據(jù)的安全性。

信息集成平臺(tái)軟件架構(gòu)提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)檢索交互、功能可視化等內(nèi)容，為各邊緣計(jì)算端采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、二次計(jì)算結(jié)果提供信息集成應(yīng)用支撐。

2.3.2.1 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中涉及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)與故障數(shù)據(jù)庫(kù)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)用于分類(lèi)存儲(chǔ)各設(shè)備與系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、二次分析計(jì)算數(shù)據(jù)，并提供高效的數(shù)據(jù)查詢(xún)接口；故障數(shù)據(jù)庫(kù)用于存儲(chǔ)各設(shè)備與系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的報(bào)警與故障信息，同時(shí)提供統(tǒng)一的對(duì)外數(shù)據(jù)查詢(xún)接口。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)架構(gòu)由數(shù)據(jù)同步模塊、數(shù)據(jù)壓縮模塊、當(dāng)前數(shù)據(jù)庫(kù)模塊、歷史數(shù)據(jù)庫(kù)模塊、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)接口模塊、關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)模塊等組成，架構(gòu)圖如圖5 所示：

圖5 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)架構(gòu)圖

其中，當(dāng)前數(shù)據(jù)庫(kù)模塊主要對(duì)數(shù)據(jù)輸入接口來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存處理，另外針對(duì)經(jīng)常查詢(xún)的數(shù)據(jù)做暫存；歷史數(shù)據(jù)庫(kù)模塊接收同步數(shù)據(jù)，進(jìn)行壓縮存儲(chǔ)處理，并提供外部訪問(wèn)接口；數(shù)據(jù)同步模塊主要是防止數(shù)據(jù)的丟失，保證數(shù)據(jù)采集器和數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)同步。另外，也保障數(shù)據(jù)庫(kù)之間的熱備同步，實(shí)現(xiàn)船端數(shù)據(jù)庫(kù)和岸端數(shù)據(jù)庫(kù)之間的同步;數(shù)據(jù)壓縮模塊主要處理歷史數(shù)據(jù)的壓縮，采用無(wú)損、有損相結(jié)合以及LZ4 雙重壓縮算法;實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)模塊處理與關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)交互;關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)模塊主要處理來(lái)自用戶的查詢(xún)和配置。WebBrowser模塊提供多系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成平臺(tái)界面，提供多系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)測(cè)點(diǎn)管理、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查看及歷史曲線生成。

故障數(shù)據(jù)庫(kù)，主要存儲(chǔ)設(shè)備與系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的報(bào)警與故障信息，采用mariadb 數(shù)據(jù)庫(kù)。各系統(tǒng)產(chǎn)生的報(bào)警與故障信息通過(guò)HTTP 協(xié)議傳輸至此。每個(gè)報(bào)警與故障均有全局唯一的編號(hào)，編號(hào)是由設(shè)備編號(hào)、系統(tǒng)編號(hào)、設(shè)備部位編號(hào)、內(nèi)部編號(hào)等構(gòu)成的唯一編號(hào)。存儲(chǔ)信息時(shí)，記錄以下信息：當(dāng)前產(chǎn)生的時(shí)間戳、當(dāng)前產(chǎn)生的報(bào)警與故障編號(hào)與等級(jí)、當(dāng)前相關(guān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)值與限值、當(dāng)前相應(yīng)的決策建議、報(bào)警與故障產(chǎn)生的部位、報(bào)警與故障是否恢復(fù)、恢復(fù)時(shí)間戳等等。

2.3.2.2 數(shù)據(jù)檢索交互

數(shù)據(jù)檢索交互被頻繁使用在數(shù)據(jù)的應(yīng)用，例如數(shù)據(jù)深度分析、歷史曲線繪制中，涉及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和提取。該模塊是通過(guò)TCP 以及http 的API 接口完成的，分為存儲(chǔ)與讀取兩大類(lèi)接口，存入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)采用自定義的TCP 協(xié)議，其他存入方式均采用HTTP 協(xié)議，讀取數(shù)據(jù)的接口統(tǒng)一采用HTTP 協(xié)議，返回結(jié)果統(tǒng)一采用json 格式。

2.3.2.3 功能可視化架構(gòu)

采用B/S 結(jié)構(gòu)，并提供友好的人機(jī)交互界面，架構(gòu)中包括了展示層、業(yè)務(wù)層、數(shù)據(jù)訪問(wèn)層等。架構(gòu)如圖6所示：

圖6 基于B/S 的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)軟件框架

（1）展示層。前端展示層采用VUE 框架，采用自下向上增量開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)，VUE 采用單文件組件和 VUE生態(tài)系統(tǒng)支持的庫(kù)開(kāi)發(fā)復(fù)雜的單頁(yè)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)前后端分離的開(kāi)發(fā)理念，開(kāi)發(fā)前端項(xiàng)目。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)綁定，路由配置，項(xiàng)目編譯打包等一系列工作的技術(shù)框架。展現(xiàn)層是人際交互的核心，通過(guò)業(yè)務(wù)資源中的控件庫(kù)，方便建立豐富的圖形展示，目前支持表格、頻譜圖、實(shí)時(shí)曲線、軸心軌跡曲線等展現(xiàn)形式。

（2）業(yè)務(wù)層。后臺(tái)業(yè)務(wù)層基于Django 框架，Django 是一個(gè)開(kāi)放源代碼的Web 應(yīng)用框架，由Python寫(xiě)成，采用MTV 的框架模式，即模型M，視圖V 和模版T。模型（Model），即數(shù)據(jù)存取層，處理與數(shù)據(jù)相關(guān)的所有事務(wù)：如何存取、如何驗(yàn)證有效性、包含哪些行為以及數(shù)據(jù)之間的關(guān)系等；模板(Template)，即表現(xiàn)層，處理與表現(xiàn)相關(guān)的決定：如何在頁(yè)面或其他類(lèi)型文檔中進(jìn)行顯示；視圖（View），即業(yè)務(wù)邏輯層，存取模型及調(diào)取恰當(dāng)模板的相關(guān)邏輯，是模型與模板的橋梁。業(yè)務(wù)層根據(jù)業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)側(cè)重點(diǎn)不同又分為運(yùn)維管理單元業(yè)務(wù)、處理單元和業(yè)務(wù)資源單元。各業(yè)務(wù)單元相對(duì)獨(dú)立又緊密聯(lián)系，運(yùn)維管理單元為業(yè)務(wù)處理單元的高效、穩(wěn)定、安全地運(yùn)行保駕護(hù)航；業(yè)務(wù)處理單元依靠豐富的業(yè)務(wù)資源實(shí)現(xiàn)自身的業(yè)務(wù)功能，實(shí)現(xiàn)部分?jǐn)?shù)據(jù)的二次處理；業(yè)務(wù)資源單元提升平臺(tái)利用率，可根據(jù)不同船型及不同應(yīng)用系統(tǒng)靈活搭建適合用戶的遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)。

（3）數(shù)據(jù)接口層。數(shù)據(jù)接口層包含讀取數(shù)據(jù)和傳遞數(shù)據(jù)接口，支持多種類(lèi)型數(shù)據(jù)庫(kù)接口訪問(wèn)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的接口訪問(wèn)，及標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)的接口訪問(wèn)，為各系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)共享奠定基礎(chǔ)。

3 實(shí)船應(yīng)用展示

目前，多條海事船的智能機(jī)艙應(yīng)用中，采用上述基于船岸通訊的智能機(jī)艙架構(gòu)總體設(shè)計(jì)方案，其中船岸通訊架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了船端與岸端的數(shù)據(jù)互通。邊緣計(jì)算架構(gòu)采集機(jī)艙中不同系統(tǒng)，例如振動(dòng)、油液、缸壓、熱工等，將數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)預(yù)處理、分析的壓力分散于各個(gè)邊緣側(cè)，為網(wǎng)絡(luò)和中心計(jì)算資源減負(fù)。

同時(shí)信息集成將多設(shè)備及系統(tǒng)的數(shù)據(jù)及測(cè)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)一存儲(chǔ)、管理。圖7 為多系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理界面。圖8 為各系統(tǒng)數(shù)據(jù)測(cè)點(diǎn)管理界面。

圖7 多系統(tǒng)管理界面

圖8 各系統(tǒng)數(shù)據(jù)測(cè)點(diǎn)管理界面

平臺(tái)展示層提供可視化界面，提供用戶操作、瀏覽智能機(jī)艙系統(tǒng)各功能，其中各設(shè)備健康度及歷史數(shù)據(jù)展示如圖9 所示。數(shù)據(jù)歷史趨勢(shì)展示如圖10 所示。

圖9 智能機(jī)艙個(gè)設(shè)備狀態(tài)展示圖

圖10 智能機(jī)艙各設(shè)備健康度及歷史數(shù)據(jù)展示

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于船岸通訊的智能機(jī)艙架構(gòu)技術(shù)，根據(jù)智能機(jī)艙發(fā)展需求，從信息集成平臺(tái)、邊緣計(jì)算、船岸通訊等三個(gè)方面論述智能機(jī)艙架構(gòu)技術(shù)方案。設(shè)計(jì)了基于船岸數(shù)據(jù)一致性、通訊冗余和數(shù)據(jù)安全的船岸通訊架構(gòu)，解決了船岸通訊的問(wèn)題，為岸端運(yùn)維決策人員及船東創(chuàng)造價(jià)值；設(shè)計(jì)了邊緣計(jì)算架構(gòu)，解決了數(shù)據(jù)分析計(jì)算效率的問(wèn)題，為中心層計(jì)算資源分擔(dān)壓力；設(shè)計(jì)了信息集成平臺(tái)軟硬件架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力系統(tǒng)多設(shè)備信息融合。

實(shí)船驗(yàn)證表明，該智能機(jī)艙架構(gòu)技術(shù)不僅能夠提升數(shù)據(jù)分析及應(yīng)用效率，還能提高船岸協(xié)同管理能力，為進(jìn)一步開(kāi)展智能機(jī)艙乃至智能船舶研究和應(yīng)用提供了參考。