分布式海上舰船远程监控系统算法研究

张　娅，李　庆

(1．宜宾职业技术学院，四川宜宾644003; 2．宜宾学院，四川宜宾644000)

分布式海上舰船远程监控系统算法研究

张娅1，李庆2

(1．宜宾职业技术学院，四川宜宾644003; 2．宜宾学院，四川宜宾644000)

摘要:海上舰船机舱监控系统通过对机舱内运行的动力系统监控，实时获取运行的参数及状态，通过对数据及图像的分析处理来发现或预知问题以便及时修理。所以一个精确﹑实时性好的舰船监控系统是保障其航行安全必不可少的设备之一。相比较于传统的单中心平台舰船监控系统，分布式网络监控平台具有更高的时效性。本文在研究现有舰船机舱监控系统的基础上，对系统中的数据库建立﹑大数据融合以及图像信号处理以及实时性通信等关键问题进行优化，并给出系统的整体实现方案。

关键词:远程监控系统;数据融合;分布式结构

Research on the algorithm of distributed offshore remote monitoring system

ZHANG Ya1，LI Qing2
(1．Yibin Vocational and Technical College，Yibin 644003，China; 2．Yibin University，Yibin 644000，China)

Abstract:Marine ship monitoring system monitor the power equipment running in the cabin，obtain the operating parameters and state，to find or predict the problem in time for repairing timely．So a precise and real-time ship monitoring system is one of the essential equipment to ensure the safety of ship navigation．Compared with the traditional single center platform ship monitoring system，the distributed network monitoring platform has better real-time performance．This paper analyzes the existing ship monitoring system architecture，optimize large data fusion and image signal processing algorithms，and give the implementation of the system．

Key words:remote monitoring system; data fusion;distributed structure

0　引言

随着电子科技的发展，对舰船运行过程中设备的状态进行自动化的检测监控已成为舰船维修策略中一个重要的辅助手段。海上舰船机舱监控系统［1］利用数据传感技术﹑图像处理技术﹑数据融合技术以及网络技术，对舰船机舱的动力系统进行实时监控，并获取运行状态与参数，来辅助设备的检测维修，是海上舰船安全运行保障体系中必须可少的设备。

传统的舰船监控中心是单中心模式，一组编队的所有舰船监控数据的处理集中在一台高性能机器上运行。随着技术的发展，舰船机舱动力设备的复杂集成度越来越高，所需要监控的参数也越来越多，并且当监控中心得到所有实时数据时，还需要进行一系列的算法处理，所以传统的舰船监控中心已经越来越不能满足监控实时性的要求。而通过对数据处理中心进行分布式处理，按照对监控的数据功能进行逻辑划分可以有效的提高系统的时效性。

相比较于传统的单中心平台舰船监控系统，分布式网络监控平台具有更高的时效性。本文在研究现有的舰船机舱监控系统的基础上，对系统中数据库建立﹑大数据融合以及图像信号处理以及实时性通信等关键问题进行优化，并给出系统的整体实现方案。

1　舰船机舱监控系统结构及原理

1.1监控系统组成

舰船监控系统一般由机舱内电力设备状态监控系统﹑主仓温度湿度告警系统﹑柴油机发电设备检测系统及图形化主机监测平台几部分组成［2］。每个检测系统相互独立，互不影响，各监测系统通过总线方式连接，图像数据及数字信号传输通过在其上进行传输。

图1　舰船监控系统结构图Fig.1　The structure chart of ship monitoring system

舰船机舱监控系统由硬件与软件联合组成。硬件资源主要由机舱湿度温度传感器、视频摄像头、数据采集器、报警器、监控主机及通信设备组成。数据采集器负责采集机舱中发电电力等设备的状态及参数;传感器则监控舱内温度湿度;监控主机负责整体设备运行的逻辑控制;通信模块则负责图像与数据传输。

软件以图像化界面对整个监控系统进行逻辑控制，以及观测检测数据。当机舱出现异常，则能够收到异常告警信息。

1.2分布式机舱监控器系统通信结构图

根据通信网络的组网结构不同，可分为如下几种拓扑结构:

1)星状拓扑结构:系统中所有节点的数据交换都通过中心节点组成，中心节点一般由高性能数字交换机组成，是整个数据交换的核心。此种方式，结构简单，中心交换器若发生故障，整个系统都将瘫痪。并不适用于海上舰船监控系统。

2)环形拓扑结构:此种方式所有通信节点通过转发器连接到封闭的环路中，信息按照顺时针或逆时针进行循环发送。由于所有节点共享闭环，一旦某个节点的数据转换器发生故障，整个环形闭环都将发生瘫痪，不利于组网扩展。

3)总线拓扑结构［3］:此种方式的数据交互通过一条总线进行传输，节点通过分接头接入总线。为了使信号在总线上衰减最小，在总线的两端固定2个终端器，它利用匹配阻抗用信号的放射波来修补信号在传输过程中的衰落，减少信号畸变及衰减。

由于这种结构易于扩展，并且是无源的组网结构，适用于舰船航行的海上环境，所以本文的分布式海上远程监控系统的通信方式采用总线结构实现，有利于设备的维修检测。

总线结构如图2所示。

图2　监控系统总线结构Fig.2　The monitor system bus structure

2　分布式舰船监控系统关键算法

2.1大数据融合算法

海上舰船机舱监控设备通过总线发送控制命令，来控制不同的采集器监控不同的设备，采集的数据在通过总线传输至中心计算机。由于不同设备采集的数字信号格式不同，最终信号处理之前，首先需要对不同的数据进行融合处理，进行逻辑功能分类。本文采用实时数据库的方法来实现数据融合。

整个过程分为以下3个部分:

1)数据采集与存储

数据监控模块在总线上监听各采集模块的监控数据，当采集模块的数据达到一定帧数(一般为40

帧)，则对帧数据进行打包通过UDP协议在总线上进行传输，在接收端则进行UDP解析，并在实时数据库中进行数据插入。

对于舰船监控系统，由于监控设备种类很多，数据量较大，一般每秒中需要处理万以上级别的数据，所以采用分布式存储具有很好的优势。具体按数据更新周期不同分为短期存储及长期存储，长期存储的数据以文件的形式保存，而每个采用周期更新的数据则采用内存数据库保存。

对于舰船监控系统的数据存储步骤如下:

①按照功能划分，需要存储的数据有实时数据、记录标识数据、状态分析数据及告警信息4种。实时数据每采样周期进行更新，保存在内存数据库中;记录标识数据则是对数据在数据库中的位置及标尺进行记录;状态分析数据记录在运行过程中，舰船机舱中设备出现的异常及维修信息，这部分数据需要长期保存，所以以文件形式保存;告警信息包括告警序号、告警级别等，同样保存在文件中。

②状态分析数据分类存储:按照不同设备的分类，对状态分析数据存储在不同的表文件中。

③文件及内存数据的时间戳存储:在内存及文件中分配一块连续的内存空间来保存时间戳信息。在舰船存储系统中，空间结构有时间刻度、时间偏移。

2)数据压缩［4］

由于舰船设备的复杂性增大及时间的积累，需要保存的实时数据及状态分析数据都会随着时间而呈现线性增大趋势，一般舰船监控数据信息包含时间、状态及实测值，而存储的容量有限，所以在进行存储前，需要对数据进行压缩，将压缩后的数据存储到硬盘。需要用到数据时，通过对硬盘数据进行解压缩，来获取原始数据。

3)实时数据逻辑管理

舰船监控系统按照监控的设备种类不同，存储的数据划分为不同的类，所以对数据进行管理时，可按照类的方法来进行。所谓数据管理也即对数据库进行数据查询、数据插入、数据更新以及事务请求等操作，并且管理程序也分装成一个管理类，调用类中不同功能用函数来实现对数据库的管理。

实时数据库的管理模块功能［5］如图3所示。

图3　实时数据库模块功能Fig.3 Real time database module function

2.2数据远程传输算法改进

当舰船监控系统中的数据传输至岸基信息中心时，其无线信道中是包含码间干扰以及多径衰落的时变信道，同时由于监控系统中经过压缩的视频信号速率可变，在时变信道中丢包现象严重，可以通过以下方式提高视频信号的传输质量。

通过对传统RTP实时信号传输协议进行改进，以适应速率变化的视频帧信号。

传统RTP协议通过对接收消息速率的变化值监测来进行自适应处理，设置2个阀值k1，k2，当视频信号速率小于k1，则对信号做加法处理，加上加法因子α;当视频信号速率大于k2，则对信号做加法处理，乘以一个因子b。公式如下:

其中(a≥0，0≤b＜1)。

上述传统算法并没有考虑网络阻塞等情况，由于海上无线通信信道带宽较窄，交易发生阻塞等情况，所以需要对拥塞时进行控制。

本文假设信号的增量为R，对式(1)中的变量a进行自适应控制，步骤如下:

1)设当前时刻进入到总线进行传输的视频帧信号在没有网络拥塞的情况下，a = R。

2)若当前时刻进入网络拥塞状况，将此刻视频信号的RTP速率记为x1，前一时刻的速率为x，满足x = x1－R。

3)若下一时刻网络拥塞缓解，x(n)为此刻视频信号速率，假设k用来判断x(n)是否接近拥塞时的视频RTP速率，则变量a按如下规则进行变换:

①当x(n) + R≤X，则a = R。

②当x(n) + R＞x，x1＞x(n) + K，则a = (x1－x(n) ) /2。

③当X(n) + R＞x，x1＜x(n) + K，则a = R。

3　舰船监控系统总体实现

整个舰船分布式机舱监控系统分为如下几个子系统:

1)舰船航行控制子系统:主要包括舰船计算机主机控制器﹑船舵控制器﹑无线通信设备﹑机舱重要故障告警控制设备﹑武器发射控制设备﹑雷达控制设备及机舱各动力设备的数据监测设备。

2)机舱信息控制管理子系统:主要负责采集机舱各设备的运行动态数据，并通过以太网传输至整个监控系统的总线，同时集控中心对告警数据进行采样，并进行处理。

3)远程监控系统:远程监控系统部署在岸基上，计算机通过WEB监控平台对舰船机舱各设备进行远程操控，通信方式可选择基于北斗的卫星网络，也可选择基于4G的无线通信网络，并与舰船总线构成的以太网进行连接。

整个舰船远程监控系统总体架构如图4所示。

图4　分布式舰船监控系统总体实现图Fig.4　Overall implementation chart of distributed ship monitoring system

4　结语

随着海上舰船设备的集成度和复杂度越来越高，监测系统需要监测的设备与数据也成线性增加，传统的利用单中心模式的数据监测中心已经很难满足对系统运行状态获取的实时性要求。

本文在研究现有舰船机舱监控系统的基础上，对系统中的数据库建立﹑大数据融合以及图像信号处理以及实时性通信等关键问题进行优化，并给出系统的整体实现方案。

参考文献:

［1］JIANG J，ZHANG G．PCI-based real-time image acquisition system for medical electronic endoscope［J］．Fifth International Symposium on Instrumentation and Control Technology，2003．

［2］SCHICKHUBER G，MCCARTHY O．Distributed field bus and control network systems［J］．Computing＆Control Engineering，2007，8(1) :21－32．

［3］LOOSE G．Field bus and its impact on the automation user ［J］．Computing＆Control Engineering，2005，6 (6) 259 －262．

［4］李文华，邱志强，孙瑜，等．基于现场总线的船舶电站实时监控系统研究［J］．舰船科学技术，2005，27(2) : 39 －42．LI Wen-hua，QIU Zhi-qiang，SUN Yu，et al，Study of the real-time monitor system of shipping power plant based of CAN field bus［J］．Ship Science and Technology，2005，27 (2) :39－42．

［5］赵德福．基于云计算的船舶动态监控系统设计［J］．舰船科学技术，2014，36(12) :120－124．ZHAO De-fu．Ship dynamic monitoring system design based on cloud computing［J］．Ship Science and Technology，2014，36(12) :120－124．

作者简介:张娅(1980－)，女，讲师，研究方向为计算机应用和物联网技术。

收稿日期:2015－02－04;修回日期: 2015－03－27

文章编号:1672－7649(2015) 07－0164－04doi:10.3404/j.issn.1672－7649.2015.07.038

中图分类号:U665．12

文献标识码:A