船舶动力智能运维服务系统研究

2021-03-29卓金宝周晓洁王珊珊汪亚楠

物联网技术 2021年3期

谢钧，卓金宝，周晓洁，王珊珊，汪亚楠

（1.中国船舶重工集团公司第七一一研究所，上海 201108；2.船舶与海洋工程动力系统国家工程实验室，上海 201108）

0 引言

随着我国船舶设计、建造和航行技术的不断发展，开发出了较多高技术船舶及其配套系统[1-3]。作为高技术船舶的核心组成，现代船舶动力系统开始应用越来越多的高新技术，系统规模结构、技术复杂程度日益增加，导致其运行过程中极易发生故障[4-6]。故障维修所需技术和设备的复杂程度与难度急剧增加，维修费用也将大幅提升，现有运维服务已无法满足现代船舶日益增长的运维要求。

随着“中国制造2025”战略与“互联网+”的提出，我国大力引导船舶行业转型升级，基于现代信息技术发展船舶动力系统自动化、集成化、信息化和智能化技术。目前，虽已有部分将物联网技术、大数据技术、5G技术和互联网+技术应用到船舶系统设计研究中的报道[7-9]，但这些技术在船舶动力系统运维服务中的应用仍然较少，且大多应用于船上设备或系统的状态监控，缺少进一步对监控数据的处理研究[10-13]。针对船舶动力系统维护服务的智能化和信息化需求，本文提出了一种基于物联网技术、大数据技术和云技术的船舶动力智能运维服务系统，为船舶动力系统提供高质量的智能运维服务。基于智能运维服务系统的需求分析，设计系统的基本结构，分析船端和岸端系统的基本功能。

1 需求分析

船舶动力智能运维服务系统旨在对船舶动力系统提供实时数据采集监测报警以及预测性运维服务，构建统一的数据资源池，提供流式数据以及结构化数据的混合处理引擎。对数据进行标准化治理以及元数据管理，提供动力系统业务算法实施框架，为实现船舶动力系统大数据应用提供数据和计算支撑。

着眼于当今船舶智能化发展需求，围绕船舶动力系统集成全生命运维管理解决方案，基于船舶动力系统全生命周期的运行管理信息系统，汇集全生命周期核心资源。利用智能传感器、物联网、云技术、大数据等技术手段，自动感知和获取船舶设备、海洋环境、物流、船舶航行等方面的信息和数据，建立数据库，结合计算机技术、自动控制技术和大数据处理与分析技术为船岸互通搭建桥梁，实现船陆一体化与远程服务。

2 系统结构

船舶动力智能运维系统分为三个子系统：船舶动力数据采集系统（简称船端系统）、岸端大数据运维服务系统（简称岸端系统）和网络传输系统，系统功能结构示意图如图1所示。船端系统和岸端系统通过网络传输系统连接后协同工作。从物理空间的角度看，船端系统和船端数据上传部分位于各船舶上，岸端系统和云端数据接收部分位于岸上。

图1 船舶动力智能运维系统功能结构示意图

船端系统部署在船舶上，设计容量为500条船，采集船舶动力系统运行数据、辅助数据、视频监控数据，提供监测报警、基础设备数据维护等辅助功能。

岸端系统除了监测报警功能外，还提供基于大数据的健康管理、能效分析、账户管理、基础数据维护等辅助功能。网络传输系统部署在云上，实时与500条船上的船端系统建立网络连接，并接收船舶动力系统监测数据，将动力监测数据存储在大数据云服务器集群上。

从物联网的角度，又可以将系统划分为船舶动力系统、感知层、船端传输层、船端应用层、云端传输层和云端应用层。船端传输层同时为船端应用层和云端传输层提供数据来源。

3 船舶动力数据采集系统

船舶动力数据采集系统主要用于采集船舶的动力系统运行数据和相关辅助数据，现场提供视频监控，具有监测报警、基础设备数据维护等辅助功能。数据采集系统分为Client（客户端运维服务子系统）/Server（服务器端运维服务子系统），分别运行在不同的终端机器上，要求能够在船舶局域网内通过客户端实时查看动力系统数据。

在系统级设计时，需要关注客户端和服务器端子系统之间的通信。它们之间的通信分为以下4种：

（1）主要用于传输实时数据到客户端的实时数据通信；

（2）主要用于客户端从服务器端查询历史数据的历史数据通信；

（3）主要用于传输报警数据到客户端的报警数据通信；

（4）主要用于用户登录等系统服务管理功能的业务数据通信。

上述通信均通过工业件服务的远程服务调用实现。采集系统总体上分为两大类工业件，即客户端和服务器端的数据管理类工业件。它们分别运行在两个进程中，之间仅存在逻辑连接关系，主要通过系统的远程服务调用。

3.1 服务器端运维服务子系统

服务器端的主要功能是从船舶信息系统接收船舶动力实时数据、从左右遥测系统接收船舶动力实时数据、从左右转速测量仪采集主机转速实时数据、从气象仪与北斗系统采集航行实时数据、存储实时采集数据、为客户端提供实时数据推送功能、为客户端提供历史数据查询接口。按照功能角度又可以分解为实时数据采集模块、实时数据存储模块、实时数据服务模块、报警服务模块、历史数据服务模块、数据库服务模块、数据上报传输模块。

3.2 客户端运维服务子系统

客户端的主要功能是接收服务器子系统实时采集数据、接收服务器子系统实时报警数据、查询服务器子系统历史数据、按照船舶总体展示实时数据、按照各设备展示实时数据、提供历史数据查询功能、显示海康威视现场实时监控视频。按照功能角度又可以分解为数据服务管理模块、实时数据监控模块、历史数据模块、报警数据模块、视频监控模块。

4 网络传输系统

网络传输系统主要用于连接船舶动力数据采集系统与岸端大数据运维服务系统，其软件架构在逻辑上分为3个层次：数据接入层、数据管理层、数据上传层。

数据接入层负责管理最多500艘船的网络接入，实时接收最多500艘船的实时数据，同时接收最多500艘船的历史数据，并向数据管理层上报船舶在线状态。

数据管理层主要负责实时数据订阅管理，满足运维系统实时获取在线船舶动力监测数据的要求。考虑到船舶处于非常不稳定的网络状态，且从船端上传的历史数据量较大，往往无法一次上传成功，因此需要借助历史数据的断点续传功能管理船舶在线状态，为运维系统提供船舶在线状态查询能力。数据上传层根据运维系统订阅请求，实时上传在线船舶动力监测数据。从船端接收历史数据后，上传历史数据到岸端运维大数据系统。历史数据按照设备号/年/月/日目录结构存储，以1天或者半小时为单位切片存储。为岸端运维大数据系统提供在线状态查询服务。支持HTTPS协议传输，保障数据安全。数据上传时需压缩，以减少带宽压力，缩短上传时间。

5 岸端大数据运维服务系统

岸端大数据运维服务系统旨在实现对船舶动力系统进行实时数据监测以及预测性运维服务，构建统一的实时数据资源池，其软件架构如图2所示。系统可提供流式数据以及结构化数据的混合处理引擎，对船舶动力系统监控数据进行标准化处理以及元数据管理；提供具备船舶动力系统特色的机器学习引擎算法，为实现切实可用的动力相关大数据应用提供数据和计算支撑。

图2 岸端大数据运维服务系统软件架构

岸端大数据运维服务系统软件架构逻辑分为如下5个层次。

（1）数据源层：主要对接网络传输系统的上传层，获取船舶动力数据；

（2）数据采集层：准确实时采集所有船舶动力数据，清洗数据，保证动力数据质量；

（3）数据管理层：保存、管理、查询、删改采集的船舶动力数据；

（4）数据计算层：为基于船舶动力数据运维过程中需要的健康预测、能耗分析等环节提供运算支持；

（5）数据应用层：由用户对船舶动力的实时数据、历史数据、健康预测、能耗分析等处理结果采用表格、曲线、报表等形式进行人机交互处理或集中大屏显示。

岸端大数据运维服务系统提供支持全生命周期的大数据平台，主体包括数据抽取、数据存储与管理、数据模型与存储和数据交换与应用。根据不同的应用场景，选择不同的大数据基础组件，主要分为用于流式数据存储和路由的Kafka集群、用于时序数据快速检索的ElasticSearch集群、用于结果数据以及OLAP分析的关系型数据库以及用于保存文件数据、归档数据的Hadoop集群。

计算处理主要包含流式处理以及批处理支持。在计算框架层面，默认支持以YARN为资源调度的Spark计算平台、Flink计算平台以及Hive；在语言层面，主要以Python、R、Scala的在线编写为主；调度层面，提供批处理算法的DAG调度模式以及流式处理算法的部署。系统还会对运行的所有算法过程进行监控展现。通过计算处理调度框架实现计算资源的均衡部署，实现CPU资源和存储资源利用的最大化。