基于云服务平台的船舶远程实时监控系统的研究

何 东,宁文慧

（重庆城市职业学院 信息工程系,重庆 402160）

0 引言

随着海洋开发的发展，船舶技术也得到了飞速发展。船舶设备逐渐增多，生产规模日益扩大，设备的自动化程度正在被不断地提高，系统的复杂程度也越来越高，不同系统设备间的关联程度日益紧密，故障诊断和维修难度日益加大，管理要求不断升级，对系统的可靠性和安全性要求越来越高。如何及时了解和监控船舶设备的运行状态，船舶运行过程中的系统故障检测与排除，对船舶设备运行状态进行预测，船舶的安全可靠调度就成了航海任务安全的关键。因此，设计一套高效的远程实时监控系统是指导船舶航行的关键所在。

现有技术行业以船舶自动识别系统 (AIS系统)为成熟、全面、应用较广的一套设备系统，系统功能强大，能实时性接收船舶静态、动态数据、船舶航程数据，能发布实时性的天文水文信息，但是不具备远洋通信、应急求救预警及提供应急方案功能、远程接收信息处理、远程故障诊断、设备预警，船舶终端和监控管理终端之间在线信息交换量小，随着航运事业的迅猛发展，通行船舶数量迅猛增加，船舶通行的动态、静态数据与日俱增，因此本文提出一种基于云服务平台的3G/4G无线通信的船舶远程实时监控系统，可以通过船载终端与多种设备进行连接，客户端也采用多种模式及移动客户端，便于船舶客户及时查询，以解决航运企业的监督管理、预警、报警、故障诊断、指挥、调度的实际需求。

1 船舶远程实时监控系统的总体架构

船舶远程实时监控系统主要由船载终端（船舶端）、云服务平台、岸基系统（公司端）三部分组成。系统总体架构如图1所示。

船载终端主要负责采集船设备的运行状态（包括经纬度、航向）、参数的收集，同时将数据通过3G/4G网络将数据按照一定协议发送到云服务平台，云服务平台对数据按相关协议进行解析，处理和存储。岸基系统的实时远程监控系统根据云平台解析出来的数据能够实时动态的掌握船舶设备的运行状态和参数，及时分析发现船舶设备的故障情况，以及预测将会发生故障的设备，以便船舶设备能够得到及时高效的维修和保养，同时可以对船舶进行控制和合理调度，甚至可以联系相关设备的厂家对设备进行远程故障诊断和排除。

2 船舶远程实时监控系统的功能及设计

2.1 船载终端的功能及设计

船载终端的主要功能是采集船上设备的主要数据并统一进行数据综合处理，然后通过无线网络的方式将数据包发送至云服务平台，同时公司或设备厂家在客户端通过云服务平台发送数据给船载终端。由于船舶设备的接口类型不统一，所以船载终端可以通过CAN总线、485总线、网络与船舶设备进行通信（网络接口通过交换机进行扩展），如图2所示。

船载终端采用LINUX操作系统，处理器为4核ARM CORTEX-A53，并包含有LCD显示器以及触摸屏、音频接口、USB接口、SD接口、报警单元、GPS模块、3G/4G模块、RS485接口、RS232接口、网口等。LCD显示及触摸屏实时显示被监控船舶设备的相关信息,并能进行交互操作,信息输入通过触摸屏来实现,同时通过音频接口可以播放相应的语音信息。船载终端根据设备的接口需要可以通过RS232、RS485、CAN接口、网口进行灵活的连接，SD接口可以实现数据文件的存储,因此船载终端设备的数据除了通过3G/4G网络传输到云服务中心外,也可以保存在SD存储卡中（相当于黑匣子）。GPS模块是为了获取船舶的定位信息。当船舶发生紧急事件时可以通过音频单元进行语音报警和通过报警单元进行声光报警。船载终端的系统结构示意图如图3所示。

2.1.1 数据采集

（1）采集参数分类。通导设备数据如船舶的GPS模块接收的经纬度，航向，测深仪、风速风向仪；燃料罐数据包括温度数据、压力数据、液位数据等;排漏气体数据，二氧化碳、氮、硫等排放数据；船用设备数据如辅机、主机；船舶施工数据、工况数据、文件报表等各种信息。

（2）参数采集方法。目前船舶设备的数据采集方式主要有485串口通讯采集（常见的有MODBUS等协议），CAN总线采集，网络采集等等，远程监控前期主要是针对常见协议开发通用转换驱动，后期在分析不同的船舶设备厂家的通讯规范的基础上，制定一套符合船舶远程监控系统的数据输入输出接口标准(硬件接口、软件通讯协议)[1]。

2.1.2 数据综合处理及保存

数据综合处理模块将采集到的船载设备中的各类数据先保存然后进行数据整合，并按照统一的格式（通信协议格式）进行处理(主要是数据的有效性检查，数据的格式统一，异常数据检验，并添加当前时间、船舶编号和船载终端编号，并生成实时数据，以便岸端数据使用)[2]。

2.1.3 数据传输

船载终端在采集和处理数据后，将按照通信协议的数据包通过3G/4G无线网络实时的发送到云平台。

2.1.4 数据显示报警

船载终端在触摸屏上可以实时显示采集到的数据，并且检测到参数异常就马上进行预警、报警，以提醒船舶值班人员马上进行处理，故障排除，避免事故发生（可以通过报警单元进行声光报警和通过音频部分进行语音报警）。

2.1.5 数据接收控制

船载终端可以接收企业发送来数据和语音提醒；当船舶的设备发生故障，根据权限允许设备供应商通过船载终端对其设备进行远程预警、故障诊断、排除和修复（具有远程调试功能的设备）。

2.2 云服务平台

为了保证船舶远程实时监控系统中海量数据的通信效率和可靠性，实现船舶的实时监控和动态管理，因此数据的处理和存储通过云服务平台。

云计算[3]是一种新兴的基于互联网的分布式网络服务技术，利用互联网的高速传输能力，将数据处理过程从个人计算机或服务器转移到互联网上的计算机集群中。集群机器都是普通的计算机，由某一中心服务器统一管理，中心服务器按客户的需要分配计算资源，最终达到与超级计算机相同的效果。

云计算有3种部署模式，即公有云、私有云、混合云[4]。公有云价格低廉、灵活、有弹性，但是公有云存储的数据并不是在企业本地，应用存在安全问题。所以构建一个私有云平台，使其主要为企业内部提供云服务，不对公众开放，在企业的防火墙内工作，这样就能对其数据、安全性和服务质量进行有效的控制，并且能够提供个性化和高效的弹性计算资源分配能力，能够更有效地利用企业内部已有的计算机设备资源，打造更符合企业需求的云平台。本文讨论如何构建一个本地环境的私有云。

目前开源的云计算项目有Eucalyptus、Open Stack、Cloud Stack 和Open Nebula 等。其中Open Stack 目前已经获得英特尔、Ubuntu、惠普、思科等多个重要公司和开源组织的支持，并且已经有多家公司发布了基于Open Stack的产品。因此，本文开源云操作系统选择为Openstack，以4台服务器为基础搭建云计算平台，其中1台服务器作为控制节点，另外3台作为计算节点。控制节点提供磁盘存储、调度、权限认证和网络在线管理功能模块;计算节点部署虚拟化、计算和网络通讯模块。通过Open-stack管理平台在3台计算节点服务器上划分8台虚拟主机，一台独立的高配置虚拟主机用于双实例的主从Oracle服务，一台文件和视频服务器，两台虚拟主机作为应用服务器，两台虚拟主机作为通信服务器，两台虚拟主机作为memcached和redis高速缓存服务器。如果把船舶监控系统的组件全部部署到一台服务器上，数据量大时高并发部分组件故障问题，整个系统无法运行。现在，根据需求划分多台虚拟主机，可有效提高计算机资源的利用率，采取分布式部署，把可能出现的故障局限在了单台虚拟主机上，并且主要部件都采用双实例轮询部署到不同的虚拟主机上，理论上可以保障在故障出现时冗余组件提供续航服务[5]。

2.3 岸基系统的结构及功能

2.3.1 岸基系统的结构组成

岸基系统的实时远程监控系统根据云服务平台解析的数据(包括船舶端的实时设备信息，视频信息和航海信息等)，对船舶端数据进行处理和综合分析，通过辅助决策系统生成航行方案或处置方案，将指令发给船端，从而进行故障排除、调度和应急指挥。同时还可以与现有的企业船舶安全管理系统数据共享，提供实时查询、异常报警、航行状态等数据，还可以为船舶设备的厂家提供大数据为设备企业进行设备分析提供有力可靠的数据来源。

远程实时监控系统的软件架构采用C/S，B/S混合的模式。核心的应用程序主要采用C/S模式，对外发布一般采用B/S模式，为了保障数据安全，根据不同用户设定不同的软件功能权限，同时移动端也采用C/S模式。

2.3.2 实时远程监控系统的功能

（1）船舶设备信息查询。对于船舶设备的发动机机型及其结构性能指标和工作性能指标；船舶正常航行中船动装置的工作状况；船舶结构强度、吃水、航速、吨位、客货载情况等信息是在船舶航行前就建立起来的，这些信息可以查询，该功能主要是实时查询船舶航行过程中各个设备的运行状态，参数。比如船舶的舵角、航向、速度、液位。

（2）定位及电子地图显示。根据获得的GPS模块的数据信息，可以显示出船舶的位置信息，同时可以在电子地图上显示出来，以空间数据库为基础，应用数据与地图有机结合，提供的空间分析和查询功能，直观地显示结果。

（3）信息发布。通过数值预报产品和天气海况资料获取相应的气象、水文信息以及航行中注意事项，通过信息发布功能发布到船载终端，然后在船载终端上显示出来，也可以在船舶的大屏幕上显示出来。

（4）规划航速、航线及定期加注功能。根据船舶反馈的信息，结合船舶基础数据，船舶航行的区域特征，及不可避免的气象水文等客观条件，给船舶提出更加合理的航行方案，船舶航行的利润最大化，定时对船舶航行过程中的航行区域、航行图及航行特性进行分析，论证方案的可实施性及合理性，定规划航速、航线及加注等问题，将方案提交给船舶[6]。

（5）调度指挥功能。根据船载终端上传的紧急突发事件处理过程现场视频图像采、实时音视频交互，可以让相关政府部门对应急突发事件的情况了解更加完整全面、对突发事件的反应更加迅速、对有关人员之间的协调更加充分、决策更加有效，还大大降低了工作人员的工作难度。

（6）预警、报警和联动管理。根据设备厂家提供的设备运行预警状态参数（可能或即将会产生故障的状态参数），提前产生预警信息，从而通知船舶采取相应措施，避免更大故障或危机事件的产生，将事故提前解决；同时当船舶设备出现故障时、气源不足、机器异常工作、火灾、碰撞、溢油及漏气等一系列故障时，远程监控系统马上进行报警，根据不同的报警级别，船载终端可以通过音频口进行报警，还可以通过报警单元进行声光报警，同时在船舶大屏幕上进行显示。同时也可以联动中心服务器录像功能。

（7）远程故障诊断和排除。由于船舶设备在航行的过程中出现故障，船舶人员可能不会修理或排除故障，设备厂家人员不可能马上赶到现场，那么有些设备厂家的设备具有远程调试的功能，可以通过船载终端进行通信，从而对船舶设备进行远程故障判断、调试、控制和排除，这样大大减轻了船舶工作人员的负担并且故障能及时得到解决。

（8）信息存储和备份。对船载终端采集到的数据进行存储和备份，以便进行分析，为以后提供宝贵的经验；同时船舶设备厂家对可以其设备的运行参数的大量数据进行分析，为设备出现故障进行提前预警，产生故障的原因，设备中哪些部件容易损坏，如何提高产品的质量提供有效的有力的数据来源。

（9）移动APP。用户使用移动终端时通过验证后，可以随时浏览船舶的信息，位置（根据用户权限）等相关信息。

（10）系统管理。用户访问权限管理、数据库维护管理、安全策略管理。

3 结束语

船舶远程实时监控系统能有效监控船舶在航行中各种状态及参数，为船舶的安全、经济航行提供更好的航行方案，且通过获取的大数据进行分析能够实时有效的达到船舶高效管理的目标，文章从系统的总体架构及各部分的功能及其设计做了详细的描述，系统能够满足几乎所有类型的船舶监控管理需求，通过云平台的运用，可以同时连接成千上万个船载终端进行并发的数据传输及处理，从而更有效的对船舶进行管理、指挥和调度。

[1]许艳梅.基于3G技术的船舶远程监控系统的研究与设计[D].大连:大连海事大学,2013.

[2]曾明亮.船舶机舱监控报警系统的设计与实现[D].南京:南京理工大学,2013.

[3]陈康,郑纬民.云计算: 系统实例与研究现状[J].软件学报,2009,20(05):1337-1348.

[4]李爱国,原建伟.云计算部署模式及应用类型研究[J].电子设计工程,2013,21(02):24-26.

[5]陈鹏,刘爽,史国友.船舶监控系统中可扩展高效通信软件的设计[J].大连海事大学学报,2014,40(02):86-40.

[6]贺银根,田堃,刘建朔.一种船舶远传监控系统的设计与应用研究[J].中国修船,2016,29(01):25-30.