内河航道维护船队远程监测和管理系统设计

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(1．武汉理工大学 能源与动力工程学院可靠性工程研究所，武汉 430063；2. 长江航道局，武汉 430010；3. 船舶动力工程技术交通行业重点实验室，武汉 430063)

为了能够掌握船舶的实时状况，诸多机构和人员开展了船舶远程监测和船队管理系统的研究，由统一的岸基系统集中监测管理船队中的所有船舶[1-5]。长江航道维护船舶分散在2 000多km的长江沿线上，针对长江等内河航道维护船队船岸一体化的机务管理需求，利用3G移动通信、数据库、WEB等信息通信技术，面向整个船队，研制了一套远程监测和管理系统。除了船队监测常规的GPS位置监测外，更加强调有关船载设备技术状态的相关数据，更加强调数据的汇总统计，为优化船队运营，实现数字化、网络化的船队机务管理创造基础。

1 运行模式

船舶的远程监测和船队管理，有2种模式可供选择，见图1。一种是船舶中心模式，在原有机舱监测报警系统的基础上，提供因特网访问功能，就能够实现船舶运行工况的远程监测；另一种是中心建站模式，建立中心服务器，所有船舶数据上传到监测中心，通过监测中心的软件系统实现远程监测。

图1 船队远程监测和管理系统运行模式

许多船舶的监测报警系统利用工控组态软件开发而成，现代的工控组态软件通常提供了因特网访问能力，能够利用标准的Web浏览器查看运行界面，甚至还能够远程操控，便于掌握船舶的运行工况。在船舶中心模式下，查看船舶的运行工况时，需要分别连接到不同的远程船舶，这些船舶通常具有各自的定制界面，数据也不能够汇总、比较。中心建站模式需要开发中心站的数据库和应用软件系统，可以采用主流的数据库和Web等技术开发，具有单一的应用入口和统一的系统界面，能够实现数据的汇聚、统计和比较，并且能够进一步地挖掘数据，评估和优化船队的运行。两种模式比较见表1。

表1 船队远程监测和管理系统运行模式比较

根据远程监测和船队管理的内涵，选择中心建站模式，能够完整地实现船队管理的功能，并具有不断优化船队运行潜力。

2 功能需求与关键技术

船队机务管理面向整个船队，关注的对象从单一船舶到整个船队，强化了数据信息的船间应用。相对于传统面向单船的远程监测，提出了新的技术要求，更加强调监测数据的规范化和标准化。

2.1 功能需求

1)中心站集中监测。船队远程监测管理系统要求在统一的平台上，集中监测管理船队所有船舶的各种参数，是一种一对多的星形结构。为实现这一要求，需要建立中心站，船端数据集中上传到中心站，中心站解析并区分来自不同船舶的各种数据，这就要求对船舶、参数进行标准化编码，并制定标准的船岸通信协议及其数据结构。

2)船岸数据通信。远程监测需要在船岸之间建立通信链路，以便双向传递实时信息。船岸通信至少涉及三方面内容：通信网络的选用，船岸数据通信协议及其数据结构以及传输内容。

3)远程实时监测。在船队管理中，船舶位置、航向、航速、里程、设备工况、事件报警、燃油消耗等参数的远程实时监测是重要的基础性功能，使得岸基管理部门能够掌握实时状况，并为其他各种功能如船载设备健康状态评估、作业和燃油效率分析等提供基础性数据。

4)参数的汇总、统计和比较。某些参数，如事件报警、航行作业(里程和时间)、燃油消耗等可以进行汇总统计。在船队管理模式下，不仅仅需要针对特定船舶统计不同时间段的运行状况，还需要统计整个船队的信息，以及在不同船舶之间进行比较，这就需要在整个船队建立统一的编码体系，从而使得汇总统计和比较成为可能。

5)数据回放。数据回放功能主要是回放航行作业工况，有助于了解船舶航行作业的全过程，以及回放事件报警前后的设备工况数据，利于设备状况的评判和故障诊断。由于数据存储在中心站数据库中，且采用统一的编码，因此，可以在统一的中心站软件系统中回放船队中所有船舶的数据。

6)船岸一体化的机务管理。在掌握船舶个体及船队整体实时数据的基础上，由岸基软件系统自动识别船舶技术状况，合理地安排维修保养等技术工作，合理地确定备件库存水平，合理地安排备件采购计划，促进计划性维修(planned maintenance system，PMS)、船舶维修保养体系(CWBT)、视情维修(condition based maintenance，CBM；故障预测和健康管理(prognostics and health management，PHM)等先进的机务管理理念的实施，推进机务管理工作的现代化、科学化。

2.2 关键技术

1)远传测点的标准化编码。标准化的船舶测点编码是实现统一界面监控、汇总统计分析比较的关键。以中国船级社CCS“钢质海船入级规范”中的自动化系统监测项目表为基础，适应航道维护船艇的实际，考虑远程监测的需要，进行裁剪。测点编码分成3大部分，各2位十进制数字，第1部分为设备编码，例如01代表左主机，02代表右主机；中间2位代表参数类型，11代表工况参数，12代表事件报警参数；后2位代表测点序列号。例如011101为左主机转速，011201为左主机油压低，021101为右主机转速，012201为左主机本次运转时数。

2)通信网络的选用。由于船舶离岸且移动(航行)作业，必须选择无线移动通信网络。在可选的无线通信技术中，海事卫星覆盖广泛，没有盲点，但速率低，且过于昂贵[6]；移动专网与商业网络采用类似的技术，具有较好的横向(江面)覆盖率，但纵向(长江沿线)覆盖率较差，且面临技术升级换代缓慢的问题；AIS只适合传输少量文本数据，不适合通用数据传输；商用地面移动通信网络(3G/2G)(纵向)覆盖广泛、技术成熟，费用低廉，速率高，只是由于江面宽阔，横向覆盖率稍显不足。综合考虑，内河船舶远程监测选用3G/2G移动通信网络，通过断点续传缓解横向盲点问题。

3)船岸通信协议。无论是卫星通信，还是3G移动通信，均支持主流的TCP/IP协议，这样可以利用成熟的IP软硬件，并与主流的软硬件系统无缝集成。在IP协议之上，提供TCP和UDP两种方式可供选择，各有优缺点。TCP的优势在于感知网络状态，既能传输长文件，也能传输短消息，能够及时获知传输成功或是失败，利于断点续传功能的实现；UDP的优势在于传输速度快，但只能发送短消息，且传输状态无法自动感知。

4)GPS位置监测。位置监测是远程监测和船队管理的首要任务，一般通过主动报告的方式实现。船舶可通过GPS装置获知自身位置，大多数GPS装置支持NMEA的0183协议，通过解析协议文本获知位置、航向、航速等信息。中心站在接受到船舶的实时位置后，可通过GIS(地理信息系统)技术，在地图上实时显示整个船队的各船舶当前位置，还可以回放航行作业的历史轨迹。

5)设备工况远程监测。船舶设备，特别是机舱设备的热工参数，事件报警等信息，是表征设备运行状况的重要信息。通过远程监测，岸基机务部门能够掌握其运行过程中的动态变化过程，实现对船舶设备健康状态的即时掌握，特别是事件报警发生前后的工况参数，对设备状态的评判和故障诊断具有重要作用。

6)基于Web技术的中心站系统。采用Web等因特网技术搭建中心站系统，用户使用标准的Web浏览器(如IE, Firefox)即可直接使用，不需要安装特殊软件，既便于用户使用，也便于日常管理和升级维护。Web模式超越传统的2层C/S(客户端/服务器)模式，具有更好的性能，支持更多的用户同时在线使用。

7)高效的内存数据库技术。中心站需要将接收到船载数据存储到大型的关系型数据库中，从而高效地管理大规模的历史数据，并能够利用标准的SQL数据库查询语言进行各种汇总统计。此外，还需要利用内存数据库，存储最新的测点数据，并通过进程间通信技术，提供给中心站应用系统。

8)中心站监测数据处理技术。中心站接受了大量的远端船舶数据，这些数据反映了船舶的运行状况，研究数据处理方法，挖掘数据中蕴含的船舶状态信息，预测发展趋势，具有重要的价值，也是成功实施CBM/PHM的基础。

3 系统架构

航道维护船艇远程监测与管理系统由两大部分组成，见图2，分别为船载系统和中心站系统，包括3大模块：船载监测系统(on-board monitoring system,OMS)、船岸无线移动通信系统(mobile communication system,MCS)和中心站船队远程监测和管理系统(monitoring and analysis system,MAS)，其中船岸通信系统MCS包括船端模块和中心站模块，负责数据的可靠传输和动态实时解析。

船载监测系统OMS采集船舶及其设备的运行参数，通过调用船岸通信系统MCS模块，与中心站实时交换数据。机务中心站以Web服务器为核心，包括中心数据库、数据解析软件、监测和分析软件MAS。用户通过Web浏览器，如IE, Firefox等，可在任何计算机上访问使用中心站功能，进行船队的实时监测和统计分析。船岸通信系统MCS，在船端用于数据的打包上传，保存上传失效的数据，并择机再传；在岸端中心站一侧主要用于测点数据解析，关系数据库存储以及通过内存数据库提供实时数据。

图2 总体架构

4 运行实例

航道维护船队远程监测管理系统目前已经上线试运行，建立了一套中心站系统，并接入了5条航标维护船，后期将遵循同样的技术标准，接入更多的航道维护船艇。

在船端，随着计算通信技术的发展，现代船舶大多安装了功能丰富的机舱监控系统，用于实时全面地监测推进主柴油机、电站辅机、齿轮箱、舵机等船载设备的运行工况。在接触到的案例中，这些船载机舱监测系统通常采用工控组态软件作为开发和运行平台。服务于远程监测的船岸通信等软件功能，可以通过升级现有的监控软件实现，也可以通过独立的软件系统实现，而后者通常是更为现实的实现途径。

在原有的机舱监控系统之外，另行开发了远程监测船载软件，通过COM/ActiveX或者C/C++ API等组态软件提供的数据共享接口，直接读取机舱监控软件运行数据库中的测点和报警数据，具有很好的实时性。进一步将通过集成其中的船岸通信模块，上传到中心站。

船载系统采用多线程技术开发，用户界面、数据IO、超限报警、数据打包和远程传输各自运行于独立的线程，有利于数据的分类管理以及采用不同的上传策略，并具有很好的运行性能。

远传测点编码的设计采用分类的原则，将所有测点分成4类，分别具有不同的数据来源，不同的上传实时性要求，不同的数据格式，以及在中心站不同的存储位置和使用方式。这4种参数分别为1.机舱数据，并进一步细分为1.1 工况参数类，1.2 事件报警类；2. 作业数据，并进一步细分为2.1 实时数据，2.2 汇总数据。

考虑行业规范和航道维护船艇的实际情况，为航标维护船设计了70多个测点，其中工况类23个，报警类34个，作业实时类7个，作业汇总类14个。

远传数据的基本结构见表2～6。

船载系统根据传输策略，一定的间隔，通常为5～10 s，抓取数据快照，打包上传。报警数据则无一遗漏地全部上传，包括报警的产生、解除和确认；还可根据配置情况上传报警前后的工况数据。测点数据可以同类混合，也可以异类混合打包传送。网络数据包除了表1～4的基本数据结构外，还需要一些格外的字段，表明船舶的编号，打包发送的时间，数据的类型和长度等信息。每个数据包的额外字段约为45～60个字节。

表2 船岸通信一般格式

表3 工况参数数据结构

表4 事件报警数据结构

表5 作业实时

表6 作业汇总

报警类数据无一遗漏地上传，假设每天报警1 000个，则每天需上传的基本数据大小为13 k。假设其他类型的数据每10 s抓取一次快照，则工况类大小为0.46 k；作业实时类约为0.16 k，作业汇总类约为0.28 k，额外字段为0.06 k。假设平均每天作业5 h，每天的数据量大小约为170 Mb，所需网络带宽约为0.1 kb/s，微乎其微。假设平均每年作业300 d，每年传送的网络数据量约为5.10 G。

中心站数据库的存储量则远小于网络传送量。其中，每条船的作业汇总数据只占用1条记录，新的网络数据用于更新这个记录，而不增加新记录，因此作业汇总数据几乎不占用数据库容量。其他每条数据新增一条数据库记录，根据分类管理的原则，报警记录需要永久保存，作业实时数据次之，工况数据根据需要确定保存时间。其中，报警记录每年占用3.8 Mb，作业实时数据每年占用84 M，工况报警数据每年占用242 M。这样，每条船每年占用的数据库容量至多为330 M，100条船1年所需的容量约为33 G。500 G的硬盘容量足以容许数据长期保存10余年。

数据文件上传后，将由船岸移动无线通信软件的中心端解析，并分别存储到内存数据库和SQL Server数据库。MCS中心站模块通过扫描目录监测新的数据文件，文件扫描间隔可调，为提高实时性，可缩小间隔，设置为1 s扫描解析1次数据文件；而解析的负荷很低，按照前述计算，假设100条船同时上传数据，中心站的数据量也仅为10 kb/s，数据解析足以保证实时性。

图3为船载软件系统，显示了实时报警、工况趋势、工况实时数据的仪表显示和表格显示，以及航行和测深的相关信息。远程上传的所有数据均在运行界面上进行显示。

图3 船载软件系统

由于将相关数据集中上传到了中心站，并存储到大型数据库中长期保存，可以进行各种分析处理，从中汇总比较各单位、各船艇的运行状况，提炼最佳实践，指导日常业务，优化运行效率。

5 结束语

不同于传统的面向单船、目标单一的远程监测，从整个船队的角度出发设计远程监测系统，通过统一的中心站集中监测管理船队的运行数据，能够实现大规模船队的远程实时监测，实现运行数据的集中监测和综合分析，更可以进一步地挖掘数据，提炼知识，全面准确地掌握船队的运行实况和发展趋势。在此基础上，还可以深入挖掘系统收集的海量数据，发现潜在问题，优化船队的机务管理工作。还可以建立网络实验室，充分利用这些真实的在役系统现场直播数据，开展工况监测、优化运行、优化设计等方面的科研工作。

[1] 耿俊豹,金家善.舰船远程监测与故障诊断系统的研究[J].舰船科学技术,2004,26(2):48-50,52.

[2] 胡以怀,贾 靖,常 勇,等.基于3G技术的船舶远程监测系统[J].舰船科学技术,2009,31(2):100-103.

[3] 盛晨兴.挖泥船动力机械远程诊断系统关键技术研究[D].武汉:武汉理工大学,2009.

[4] SORRIBAS J,AFONSO D,ARILLA E,et al.Real-time fleet ship monitoring system using satellite broadband communications and google earth[C]∥First International Conference on Advances in Satellite and Space Communications,IEEE,2009.

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[6]毛奇凰,王卫宁.Fleet F-77 在货物链海运环节应用的探讨[J].中国航海,2003(2):12-14.