船舶智能集成平台的设计

2022-11-28朱锦廷

航海 2022年6期

朱锦廷

（大连海事大学，辽宁大连 116000）

0 引言

当今世界正处于人工智能、大数据、物联网等技术兴起的时代，智能化船舶这一新兴领域的概念日益受到了各国的普遍关注与高度重视,与此同时,智能化的船舶及其相关的技术逐渐成为行业的焦点与发展趋势。

智能船舶是在目前已有条件的基础上利用通信技术、信息技术、传感技术等相关技术的发展，在物联网、大数据、能源、机械设备、导航系统等相关领域建立起的虚实结合措施，用以对船舶的航行安全、船舶各设备运行、能效管理等实现智能化监测、控制以及管理，通过信息交互，实现对船舶的有效管理。

1 船舶智能集成平台的概述

1.1 智能集成平台的定义

船舶授予智能集成平台功能标志，应至少能为智能航行、智能船体、智能机舱、智能能效管理和智能货物管理中的两个系统提供支持，形成船上数据采集/获取、存储、整合、交互、共享与展现，控制指令传输(如适用时)的统一集成平台。集成平台应具备开放性，能够整合现有船上信息管理系统及后续新增系统，以实现对船舶的全面监控与智能化管理，并与岸基实现数据交互。

1.2 智能集成平台的功能

船舶智能集成平台应具有以下基本功能：

(1) 通过数据库对各种状态的数据收集，并作出综合分析以及综合评估，依据用户的制定生成标准化和自动化的分析报告；

(2) 根据用户设置的多维度边界条件，为航行、安全、经济性等相关指标提供综合预报预警；

(3) 通过对船舶的历史运行状态及参数的研究，预测目前船舶的操作和管理的方案的趋势；

(4) 能够支持良好的辅助决策，减少因为人为因素导致的失误，从而提高船舶的性能。还可以根据评估结果和预测结果为事故的发生进行预警，并制定及时的保护措施。另外还能为提高经济性和资源配置等提高优化方案；

(5) 能够实现船舶和岸基数据的交互。

1.3 智能集成平台的技术基础

信息物理系统（cyber-physical systems）简称CPS，它是采用通过计算机及网络，用以监测它的物理进程，从而对它实行有目的的控制，随后通过反馈系统将检测的物理数据进行反馈。

而智能船舶的平台集成正需要一个复杂而且非常可靠的应用系统， CPS满足平台所需的要求。CPS体系结构的一般形式如图1所示。

图1 CPS体系结构

船舶智能集成平台可被认为是一种可扩展资源，它以计算机网络平台为基础，以数据中心作为中间平台，信息在其中汇集和转换。它的关键内容是面向服务的WEB应用，从而可以高效复用基础网络及其资源，充分利用智能化装备网络接口及信息化功能，有效融合智能化领域系统，提供给客户更加安全、更加便捷、更加经济、更加安全的服务。

2 船舶智能集成平台的设计

2.1 智能平台设计目标与框图设计

（1）设计目标

参考国际海事组织（IMO）海上安全委员会（MSC）第100届会议关于MASS自主等级的划分标准和中国船级社《智能船舶规范》（2020），通过搭建统一的智能集成平台，实现全船数据的统一采集、处理、存储和分发，以驾—机—电综合自动化系统为基础，基于全船统一的智能集成平台，实现智能航行、智能船体、智能机舱和智能能效等功能。

（2）智能平台框图设计

智能集成平台能够整合现有的智能应用、驾机电系统的信息资源及船舶信息管理系统，形成船上数据与应用的统一平台，以实现对本船的全面监控，旨在实现以下目标：

①构建全船统一网络，集成本船已有的智能应用、驾机电系统的信息资源和船舶信息管理系统，实现对船舶的全面监控与智能化管理；

②集成根据公约、规范及公司管理和操作需要新增的系统（如视频监控系统、综合航行系统等）；

③具备船岸信息交互能力，可支持远程控制船内驾机电设备，可实现船舶日常操作行为的自动化处理。

智能集成平台的框架如图2所示：上图是智能船舶集成平台架构。主要包括基础平台和智能集成系统，智能集成系统实施对智能船舶的整体监控与管理。智能船舶智能子系统构建于基础平台之上，并与智能集成系统进行数据的交互。岸基系统则通过船岸通信系统与智能集成系统进行数据交互，对船舶进行远程的管理和控制。

图2 智能平台框图

2.2 数据库数据采集、传输和存储

数据采集、传输、储存如图3所示。

图3 数据采集、传输、储存流程图

（1）数据采集

数据采集接口模块能通过网络接口，采集综合机舱自动化系统、智能航行设备、智能船体设备、智能机舱设备、智能能效管理设备等数据，数据包括传感器原始测量数据、智能系统业务数据。数据报文格式及安全管理由能够进行自主设定，支持客户端和服务端等模式。

对数据采集终端软件要具备以下功能要求：①硬件：嵌入式系统终端；

②数据采集硬件接口标准：RS232/485，CAN，Ethernet等；

③数据采集软件接口标准：ModBus-RTU、NMEA-0183、串口自定义、ModBus-TCP、CANOpen、CAN自定义等；

④信息建模：采用标准OPC UA的信息建模方式对终端设备的元数据进行封装和建模；

⑤信息传输：采用标准OPC UA的信息传输方式，构建数据传输服务器软件，实现数据的加密传输。

（2）数据传输

数据传输采用socket通信原理，socket要通过互联网进行通信，至少需要一对套接字，其中一个运行于客户端，称之为Client Socket，另一个运行于服务器端，称之为Server Socket。工作流程如图4所示。

图4 socket通信原理图

（3）数据库的建立与数据储存

数据存储模块需实现船舶状态数据和智能系统业务数据的可靠存储及安全、评估管理，保证数据的准确性、完整性和可用性，船舶状态数据包括智能集成平台采集综合机舱自动化系统、智能航行系统传感器、智能船体系统传感器、智能机舱系统传感器、智能能效系统传感器等原始数据，智能系统业务数据包括系统基于原始数据二次计算的数据、用户输入的数据和系统日志数据。存储过程（Stored Procedure）是一组为了完成特定功能的SQL语句集，经编译后存储在数据库中，用户通过指定存储过程的名字并给定参数（如果该存储过程带有参数）来调用执行它：

以主机温度和转速为例，数据库创建语句如下：

images/BZ_73_1270_1319_2235_1364.png images/BZ_73_1270_1364_2235_1409.pngimages/BZ_73_1270_1409_2235_1454.pngimages/BZ_73_1270_1454_2235_1500.pngimages/BZ_73_1270_1499_2235_1545.pngimages/BZ_73_1270_1545_2235_1590.pngimages/BZ_73_1270_1590_2235_1635.pngimages/BZ_73_1270_1635_2235_1680.pngimages/BZ_73_1270_1680_2235_1725.pngimages/BZ_73_1270_1725_2235_1770.pngimages/BZ_73_1270_1770_2235_1815.pngimages/BZ_73_1270_1815_2235_1860.pngimages/BZ_73_1270_1860_2235_1905.pngimages/BZ_73_1270_1905_2235_1950.pngimages/BZ_73_1270_1950_2235_1995.pngimages/BZ_73_1270_1995_2235_2040.png

数据存储语句如下：

import pymysqlimages/BZ_73_1270_2180_2235_2225.pngimages/BZ_73_1270_2225_2235_2270.pngimages/BZ_73_1270_2270_2235_2315.pngimages/BZ_73_1270_2315_2235_2360.pngimages/BZ_73_1270_2360_2235_2405.pngimages/BZ_73_1270_2405_2235_2450.pngimages/BZ_73_1270_2450_2235_2495.pngimages/BZ_73_1270_2495_2235_2540.pngimages/BZ_73_1270_2540_2235_2585.pngimages/BZ_73_1270_2585_2235_2630.pngimages/BZ_73_1270_2630_2235_2675.pngimages/BZ_73_1270_2675_2235_2720.pngimages/BZ_73_1270_2720_2235_2765.png

（4）数据检索

数据检索模块实现对存储数据的查询和可视化显示，实现所有场景下的数据查询。提供数据描述功能，针对查询的数据，可添加相关的数据属性，包括数据名称、平均值、最大值、最小值、数据质量（异常值百分比）等。支持数据导出，可导出为excel、csv、json等格式的文件。

2.3 基础网络

（1）智能集成平台基础网络

智能集成平台基础网络基于全船一张网的核心思想，采用先进的网络架构技术，综合考虑高可靠、低延迟的性能要求，构建全船统一网络，如图5所示。

图5 智能平台全船统一网络图

根据不同的功能需求，设立多个业务子网，子网与子网通过安全设备实现隔离，保证数据和业务的安全性。通信链路层配置了3G/4G、VSAT、FBB、北斗、VDES、微波等通信手段，实现了多种信道的融合通信、数据传输负载均衡，为船岸一体化通信提供了可靠冗余链路，同时可实现船船数据交互。

安全防护层分边界安全防护和应用安全防护。边界安全防护主要由2台边界安全网关实现，为所有网络提供基于网络层的安全防护，包括入侵检测、地址转换、安全审计、病毒防护等；应用安全防护主要由2台或多台船岸通信中间服务器实现。针对现场综合监控网络，提供船岸业务数据（控制指令等）的中转与缓存功能，实现应用层的数据安全过滤和监控、流量控制、用户权限管理等。

（2）综合显控

建立统一的程序框架，以友好的人机交互方式实现驾机电综合信息显示。综合显控模块应能高质量的、全面的、多维的显示全船驾、机、电系统与设备的运行信息、状态信息，船舶运维管理信息，新增系统信息；能便捷的完成全船驾、机、电当前系统与设备，新增系统与设备的控制。