龐 林， 陳 亮

（上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 民品分所，上海200135）

0 引 言

船舶遠(yuǎn)程監(jiān)控是先進(jìn)的船岸數(shù)據(jù)交互技術(shù)，它的出現(xiàn)順應(yīng)了企業(yè)船舶設(shè)備逐漸增多、生產(chǎn)規(guī)模日益擴(kuò)大、管理要求不斷升級的現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)了及時(shí)了解和監(jiān)控船舶設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，有效掌握和控制施工狀況，提高經(jīng)營生產(chǎn)的決策效率和質(zhì)量，提升了企業(yè)信息化管理水平。

隨著船舶動力裝置的大型化、自動化、高速化和復(fù)雜化程度不斷提高，故障診斷和維修難度日益加大。船舶航行期間難以獲得及時(shí)的故障診斷和強(qiáng)有力的技術(shù)支持，許多復(fù)雜的實(shí)際問題，依靠船上人員自身的力量，往往難以解決。因而，如何保持船舶動力裝置的可靠性和預(yù)定的營運(yùn)功能，是當(dāng)前急需解決的問題。隨著維修技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，集合各方力量，建立基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程監(jiān)測、維護(hù)與故障診斷系統(tǒng)，使得船舶動力裝置在運(yùn)行的同時(shí)兼顧監(jiān)測、診斷和維護(hù)功能，以保證船舶動力裝置可靠地運(yùn)行。

1 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀

20世紀(jì)90年代以前，船舶的監(jiān)控系統(tǒng)大多為單船封閉系統(tǒng)，系統(tǒng)經(jīng)歷了集中型監(jiān)控系統(tǒng)、集散型監(jiān)控系統(tǒng)和分布式現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)等發(fā)展階段。雖然監(jiān)控系統(tǒng)的逐步完善提高了船舶運(yùn)行的可靠性和經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也降低了船員的勞動強(qiáng)度，但仍無法滿足與陸地公司實(shí)時(shí)的互通信息，公司無法有效地獲得航行船舶的運(yùn)行狀態(tài)。

近年來隨著衛(wèi)星通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，在激烈的市場競爭中，以計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)為代表的信息化技術(shù)已經(jīng)成為航運(yùn)企業(yè)賴以生存和發(fā)展的必備條件，但是高額的衛(wèi)星通信費(fèi)用制約了船岸數(shù)據(jù)通信的推廣。設(shè)計(jì)的船舶遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)在利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)船岸數(shù)據(jù)通信的同時(shí)，利用2次壓縮技術(shù)，最大程度地節(jié)約了通信成本。

2 設(shè)計(jì)目標(biāo)

1.面向服務(wù)。一方面通過系統(tǒng)本身功能將船舶運(yùn)行數(shù)據(jù)，如機(jī)艙監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）、船舶自動識別系統(tǒng)（Auto matic Identification Syste m，AIS）等采集后統(tǒng)一處理；另一方面向管理者和用戶提供所需的信息服務(wù)。

2.強(qiáng)化管理。按需求將全部數(shù)據(jù)或選擇部分?jǐn)?shù)據(jù)通過衛(wèi)星通信定時(shí)自動上傳至公司端，公司端下載數(shù)據(jù)后，通過公司端軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)回放及動態(tài)分析，保證了公司對航行中船只或船隊(duì)的監(jiān)管。

3.方便使用。軟件設(shè)計(jì)中體現(xiàn)了人性化的設(shè)計(jì)理念，界面簡潔清晰，易于操作。

4.結(jié)構(gòu)科學(xué)。軟件的系統(tǒng)架構(gòu)采用多種開發(fā)語言，設(shè)計(jì)科學(xué)、高效，充分考慮到各使用端的實(shí)際情況。另外采用了數(shù)據(jù)2次壓縮，最大程度地節(jié)約通信成本。

5.擴(kuò)展靈活。滿足了船舶動力裝置的大型化、自動化、高速化和復(fù)雜化的需要。在船端數(shù)據(jù)采集上，可方便地收集數(shù)據(jù)統(tǒng)一處理；岸端通過軟件對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并可用多種形式回放。

3 系統(tǒng)架構(gòu)

船舶遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)以船舶動力裝置為研究對象，主要由船載系統(tǒng)（船舶端）和岸基系統(tǒng)（公司端）兩方面組成，并通過海事衛(wèi)星進(jìn)行數(shù)據(jù)交換（見圖1）。

圖1 船舶遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

4 系統(tǒng)功能

4.1 船載系統(tǒng)功能

船舶端的主要功能是采集船上的主要數(shù)據(jù)并統(tǒng)一進(jìn)行數(shù)據(jù)綜合處理，而后通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將壓縮后的數(shù)據(jù)包發(fā)送至公司的服務(wù)器端。

4.1.1 數(shù)據(jù)采集

系統(tǒng)通過網(wǎng)關(guān)，采集機(jī)艙監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)和GPS或AIS系統(tǒng)的當(dāng)前數(shù)據(jù)（可根據(jù)實(shí)際需要選擇全部或者部分測點(diǎn)）。機(jī)艙監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)的數(shù)據(jù)包含歷史報(bào)警、消警、報(bào)警抑制、傳感器故障等。除以上采集的數(shù)據(jù)外，系統(tǒng)還可以根據(jù)客戶的要求，采集船舶定位數(shù)據(jù)、施工數(shù)據(jù)、工況參數(shù)、文件報(bào)表等各類信息（見圖2）。

4.1.2 數(shù)據(jù)綜合處理

數(shù)據(jù)綜合處理模塊將采集的數(shù)據(jù)按照統(tǒng)一的格式進(jìn)行處理（主要是數(shù)據(jù)的有效性檢查、數(shù)據(jù)的格式統(tǒng)一、異常數(shù)據(jù)檢驗(yàn)，并添加當(dāng)前的時(shí)間和設(shè)定的船名生成數(shù)據(jù)包，以便公司端系統(tǒng)應(yīng)用）。船端數(shù)據(jù)包有兩種形式：

（1）由基礎(chǔ)數(shù)據(jù)組成的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)包，架構(gòu)見圖3；

（2）由實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和報(bào)警數(shù)據(jù)組成的動態(tài)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)包，架構(gòu)見圖4。

圖2 船舶遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集示意圖

圖3 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)包架構(gòu)

圖4 動態(tài)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)包架構(gòu)

圖3 中：Data表屬列表型數(shù)據(jù)，直接生成sqlite數(shù)據(jù)表；Menu表存儲為Bl ob數(shù)據(jù)，便于還原時(shí)加入字符編碼進(jìn)行轉(zhuǎn)換，解決船岸不同操作系統(tǒng)字符編碼不統(tǒng)一的問題；Mi mic表則將Windows標(biāo)準(zhǔn)圖像格式圖像（Bit map，BMP）轉(zhuǎn)換為流式網(wǎng)絡(luò)圖形格式（Portable Net wor k Graphic For mat，PNG），再以Blob數(shù)據(jù)類型存入數(shù)據(jù)表。

4.1.3 數(shù)據(jù)傳輸模塊

系統(tǒng)在完成了一系列數(shù)據(jù)采集和處理后，將數(shù)據(jù)包通過郵件系統(tǒng)發(fā)送至公司端（通信終端主要采用衛(wèi)星通信F站、B站、M站等）。傳輸模塊提供兩種方式發(fā)送數(shù)據(jù)。

（1）定時(shí)循環(huán)發(fā)送；

（2）遠(yuǎn)程郵件控制發(fā)送。

圖5 岸基系統(tǒng)功能流程圖

4.2 岸基系統(tǒng)功能

4.2.1 岸基系統(tǒng)流程

系統(tǒng)在公司端收取郵件，將自動啟動船舶遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)公司端，根據(jù)傳回的數(shù)據(jù)可自動識別船舶信息，分類存儲至對應(yīng)船舶數(shù)據(jù)庫中。此外，接收到的數(shù)據(jù)通過列表和圖形方式可以進(jìn)行回放，便于管理人員或?qū)＜疫M(jìn)行遠(yuǎn)程管理和技術(shù)支持（見圖5）。

4.2.2 船舶數(shù)據(jù)回放

公司端接收船舶發(fā)回的郵件，可用表格和系統(tǒng)模擬圖顯示船上數(shù)據(jù)，并對船舶進(jìn)行定位，也可通過歷史數(shù)據(jù)庫查詢報(bào)警、消警、報(bào)警抑制、傳感器故障等歷史數(shù)據(jù)（見圖6、圖7）。

4.2.3 數(shù)據(jù)導(dǎo)出

根據(jù)公司的管理需要，可定制數(shù)據(jù)導(dǎo)出格式與內(nèi)容，對已存數(shù)據(jù)進(jìn)行2次開發(fā)。

圖6 報(bào)警清單示意圖

圖7 空氣管系示意圖

（1）將船員由手工抄表的工作中徹底解放出來；

（2）實(shí)現(xiàn)對主機(jī)流量、主機(jī)轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)。

5 關(guān)鍵技術(shù)

5.1 船岸兩套開發(fā)平臺適用性更廣

為確保船端系統(tǒng)的可靠性和降低成本，采用Visual C＋＋從底層操作數(shù)據(jù)，可在不額外配置計(jì)算機(jī)的情況下達(dá)到效果。

岸端設(shè)計(jì)采用C＃平臺。C＃是微軟推出的1種優(yōu)秀的編程語言，大多數(shù)C＃編譯器都運(yùn)作于.NET平臺上，新的語言細(xì)節(jié)不斷地推出，比如直接支持SQL（Str uct ured Quer y Language）的語言集成查詢 （Language INtegrated Quer y，LINQ）語法等，使得由C＃設(shè)計(jì)的界面元素更豐富，顯示效果更佳。

5.2 運(yùn)用數(shù)據(jù)2次壓縮，節(jié)省大量衛(wèi)星通信費(fèi)用

采用sqlite進(jìn)行數(shù)據(jù)二進(jìn)制轉(zhuǎn)換壓縮，然后采用zipcode進(jìn)行2次壓縮，形成極小的數(shù)據(jù)包。實(shí)船操作中，船端每天發(fā)送2個(gè)數(shù)據(jù)包，每個(gè)數(shù)據(jù)包容量＜5 K，比船員發(fā)送1封普通郵件的數(shù)據(jù)量還低。

SQLite是輕型的數(shù)據(jù)庫，遵守原子性、一致性、隔離性和持久性（Atomicity、Consistency、Isolation、Durability，ACID）的關(guān)聯(lián)式數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，嵌入式的設(shè)計(jì)目標(biāo)，目前已在很多嵌入式產(chǎn)品中使用，它占用資源低，只需要幾百K的內(nèi)存。SQLite能夠支持Windows／Linux／Unix等主流的操作系統(tǒng)，同時(shí)能夠跟很多程序語言相結(jié)合，如 Tcl、C＃、PHP、Java等，另有開放數(shù)據(jù)庫互連（Open Database Connectivity，ODBC）接口，比Mysql、PostgreSQL這兩款世界著名的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的處理速度都快。SQLite第1個(gè)Alpha版本（內(nèi)部測試版）誕生于2000年5月，現(xiàn)已迎來了SQLite 3新版本。

BLOB（binary large object）是1個(gè)可以存儲二進(jìn)制文件的容器。在計(jì)算機(jī)中，BLOB常常是數(shù)據(jù)庫中用來存儲二進(jìn)制文件的字段類型。典型的BLOB是1張圖片或1個(gè)聲音文件，考慮到它們的文件大小，必須使用特殊的方式來處理（例如：上傳、下載或者存放到1個(gè)數(shù)據(jù)庫）。

ZIP是可以分別壓縮每個(gè)文件的存檔格式。分別壓縮文件允許不必讀取另外的數(shù)據(jù)而檢索獨(dú)立的文件；理論上，這種格式允許對不同的文件使用不同的算法。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用的是卡茨（Katz）的DEFLATE算法。DEFLATE是同時(shí)使用了LZ77算法與哈夫曼編碼（Huff man Coding）的無損數(shù)據(jù)壓縮算法。

5.3 圖形壓縮處理及自適應(yīng)分辨率

船端采用BMP格式的模擬圖，在不降低圖形質(zhì)量的情況下，采用圖形壓縮成PNG格式的算法，縮小了數(shù)據(jù)包大小。

表1 數(shù)據(jù)包壓縮對照表

根據(jù)表1可以看出，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包的壓縮比達(dá)到1.3%，其中第1次壓縮效果尤為明顯。這是因?yàn)閷A(chǔ)數(shù)據(jù)中的模擬圖進(jìn)行了轉(zhuǎn)換壓縮，其實(shí)現(xiàn)原理是通過.Net Frame Work（又稱 .NET框架）中的System.IO類讀取圖片文件，通過算法將其轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)流，再對數(shù)據(jù)流（Memory Stream）進(jìn)行操作，進(jìn)行位圖轉(zhuǎn)換（System.Drawing.Bit map），將原BMP格式的模擬圖動態(tài)轉(zhuǎn)換為PNG格式的模擬圖。這里需要特別指出，之所以采取動態(tài)轉(zhuǎn)換，是為了不影響原始模擬圖文件，從根本上杜絕船上監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)與遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)同時(shí)爭搶數(shù)據(jù)的可能性。而且通過底層文件流對位圖進(jìn)行轉(zhuǎn)換的算法提高了效率。選擇將BMP文件轉(zhuǎn)換為PNG格式，考慮了PNG格式的特殊性能。

5.3.1 顯示能力

PNG用來存儲灰度圖像時(shí)，灰度圖像的深度可多到16位；存儲彩色圖像時(shí)，彩色圖像的深度可多到48位；并且可存儲多到16位的α通道數(shù)據(jù)。PNG使用從LZ77派生的無損數(shù)據(jù)壓縮算法。

5.3.2 流式讀／寫性能（streamability）

PNG圖像文件格式允許連續(xù)讀出和寫入圖像數(shù)據(jù)，這個(gè)特性很適合于在通信過程中生成和顯示圖像。

5.3.3 透明性（transparency）

這個(gè)性能可使圖像中某些部分不顯示出來，用來創(chuàng)建一些有特色的圖像。有利于后期對模擬圖進(jìn)行動態(tài)加點(diǎn)（數(shù)據(jù)監(jiān)測點(diǎn)）和標(biāo)注等。

5.3.4 文件結(jié)構(gòu)

PNG圖像格式文件（或者稱為數(shù)據(jù)流）由1個(gè)8 Byte的PNG文件署名（PNG file signature）域和按照特定結(jié)構(gòu)組織的3個(gè)以上的數(shù)據(jù)塊（chunk）組成。PNG文件結(jié)構(gòu)PNG定義了兩種類型的數(shù)據(jù)塊：一種是關(guān)鍵數(shù)據(jù)塊（critical chunk），為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)塊；另一種是輔助數(shù)據(jù)塊（ancillary chunks），為可選數(shù)據(jù)塊。關(guān)鍵數(shù)據(jù)塊定義了4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)塊，每個(gè)PNG文件都必須包含它們，PNG讀寫軟件也都必須要支持這些數(shù)據(jù)塊。它的這些流相關(guān)的數(shù)據(jù)塊，與.NET Frame Work中的流可以更好地結(jié)合起來，提高效率（見圖8）。

還原后的圖形，采取動態(tài)適應(yīng)顯示器算法，在岸端軟件中能自動適應(yīng)4∶3顯示器與16∶9顯示器。16∶9顯示器的顯示中還加入了自動裁邊算法，最大程度提高了顯示效果。

5.4 對各種數(shù)據(jù)進(jìn)行集中處理與管理

結(jié)合船公司的管理需要，集成各船或船隊(duì)的實(shí)際管理內(nèi)容，使船舶的日常管理工作更具備網(wǎng)絡(luò)化功能。

船公司通過網(wǎng)絡(luò)對船只或船隊(duì)的船舶設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行動態(tài)跟蹤，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)洋船舶現(xiàn)場的航行信息、機(jī)艙信息、貨物信息、海況信息、視頻信息和工作文件向岸端的實(shí)時(shí)傳輸，實(shí)現(xiàn)船岸之間信息相互傳遞，使得管理人員能夠及時(shí)迅速地了解船舶的動態(tài)，更使得客戶在辦公室里就可管理其航行于世界各大洋的船隊(duì)。例如能將船上的主機(jī)壓力、主機(jī)溫度、配電板、鍋爐等一系列的報(bào)警數(shù)值傳回岸上公司，公司端在研究了數(shù)據(jù)后可及時(shí)做出故障診斷，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

所傳回的數(shù)據(jù)不局限于以表格的形式進(jìn)行顯示，也可顯示在模擬圖上，使其顯示更加清晰和直觀（見圖9）。

圖8 數(shù)據(jù)塊文件結(jié)構(gòu)

圖9 主機(jī)系統(tǒng)示意圖

6 結(jié) 語

船舶遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)，解決了船公司對本企業(yè)航行在世界各地船只或船隊(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)的及時(shí)掌控，使得船舶遠(yuǎn)程監(jiān)控、維護(hù)與故障診斷得以實(shí)現(xiàn)，保證了船舶動力裝置的可靠性和正常運(yùn)行。隨著船舶動力裝置的大型化和復(fù)雜化，該系統(tǒng)更可結(jié)合各方面的技術(shù)支持，借助網(wǎng)絡(luò)對運(yùn)行在海上的船舶給予更多的技術(shù)支持，對船舶油耗進(jìn)行監(jiān)督管理等，使得船公司提高經(jīng)營效率，提升企業(yè)信息化管理水平。

［1］ 馮思春.船舶遠(yuǎn)程監(jiān)控及數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)的研究與應(yīng)用.［D］.大連：大連理工大學(xué)，2007.

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