魏小星，徐軼群，郭濤

（集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，福建廈門361021）

船舶油耗遠(yuǎn)程監(jiān)管系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

魏小星，徐軼群，郭濤

（集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，福建廈門361021）

基于STM32嵌入式和傳感測(cè)量技術(shù)，將船舶的航行參數(shù)、主機(jī)基本運(yùn)行參數(shù)和船舶各大動(dòng)力裝置的燃油消耗數(shù)據(jù)進(jìn)行集中采集并傳給岸端的數(shù)據(jù)管理服務(wù)中心，采用WAMP開發(fā)了一套基于WEB具有良好人機(jī)界面的，B/S架構(gòu)的船舶油耗數(shù)據(jù)中心管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了更加直觀的船舶遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)監(jiān)管，也能為船東高效的解決船舶油耗數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)等一系列問題。

0　引言

船舶作為交通運(yùn)輸中運(yùn)力最大的運(yùn)輸工具，燃油消耗成本占其運(yùn)營(yíng)成本的40%~60%。近年來(lái)，由于全球經(jīng)濟(jì)危機(jī)的沖擊，世界原油價(jià)格不斷上漲，船東及租船人對(duì)燃油費(fèi)用及管理倍加關(guān)注[1]。然而在船舶運(yùn)輸過程中，由于承運(yùn)方很難做到全程跟蹤監(jiān)管，船員盜竊船舶燃油等物資的現(xiàn)象屢有發(fā)生，同時(shí)大多數(shù)船舶還是采用傳統(tǒng)的人計(jì)量燃油消耗方式，油耗數(shù)據(jù)時(shí)效差、誤差大，基本已不能滿足燃油精細(xì)化管理的需求。本系統(tǒng)集成應(yīng)用衛(wèi)星定位系統(tǒng)、傳感測(cè)量、物聯(lián)網(wǎng)等多項(xiàng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶燃油的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)管，方便管理者統(tǒng)計(jì)運(yùn)營(yíng)成本，提高工作效率以及船東的綜合效益。

1　系統(tǒng)概述及總體方案

船舶油耗遠(yuǎn)程監(jiān)管系統(tǒng)主要由船載信息采集終端以及岸基數(shù)據(jù)管理服務(wù)中心兩大部分構(gòu)成。其中船載終端包括智能數(shù)字燃油流量計(jì)、轉(zhuǎn)速采集模塊、GPS定位模塊及數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)等，岸基油耗數(shù)據(jù)管理服務(wù)中心主要由數(shù)據(jù)服務(wù)器和WEB應(yīng)用服務(wù)器組成。系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1系統(tǒng)構(gòu)成

1）燃油流量計(jì)：安裝在燃油系統(tǒng)中，負(fù)責(zé)將實(shí)船的燃油消耗數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。由于船舶普遍主要采用低質(zhì)重油，粘度較高，故系統(tǒng)中采用安全性高且適用于高黏度液體的容積式齒輪流量計(jì)，該流量計(jì)含有變送器和計(jì)數(shù)機(jī)構(gòu)，可測(cè)量系統(tǒng)的瞬時(shí)耗油量和累計(jì)耗油量。

2）GPS模塊：獲取運(yùn)行船舶的位置動(dòng)態(tài)信息（經(jīng)度、緯度、航速、航向等），由采集網(wǎng)關(guān)處理后將信息發(fā)送給數(shù)據(jù)中心，方便管理者實(shí)時(shí)掌握船舶動(dòng)態(tài)信息，有效分析油耗與航行的關(guān)系。

3）采集網(wǎng)關(guān)：采集網(wǎng)關(guān)安裝在運(yùn)行船舶上，在整個(gè)系統(tǒng)中的功能類似于“中央傳感器”[2]。它需要將下層現(xiàn)場(chǎng)各數(shù)據(jù)儀表、傳感等裝置的數(shù)據(jù)信息定時(shí)集中采集并處理，然后通過有線、無(wú)線或衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)傳給岸端數(shù)據(jù)服務(wù)中心。

圖1　系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

1.2總體方案設(shè)計(jì)

船舶油耗實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與管理系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)依賴于硬件和軟件兩大部分，二者缺一不可。系統(tǒng)開發(fā)過程中硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)是相互關(guān)聯(lián)的，有時(shí)也是交叉進(jìn)行的。船端負(fù)責(zé)對(duì)各類儀表數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，其關(guān)鍵是制定采集網(wǎng)關(guān)與各硬件設(shè)備的通信與傳輸方案以及相關(guān)程序的設(shè)計(jì)；岸端數(shù)據(jù)中心的工作主要是搭建船舶各類數(shù)據(jù)信息的數(shù)據(jù)庫(kù)，以及開發(fā)基于B/S架構(gòu)的WEB應(yīng)用。

2　系統(tǒng)硬件通訊方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要集中于船端部分。采集網(wǎng)關(guān)是硬件層的“中央處理器”，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)儀表的協(xié)議要求靈活編程。網(wǎng)關(guān)采用STM32微控制器作為核心處理單元，外圍擴(kuò)展了IO模塊、以太網(wǎng)、RS485/232、CAN端口、3G無(wú)線通訊等功能模塊，以實(shí)現(xiàn)其采集、存儲(chǔ)、通訊等相關(guān)功能，其總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　采集網(wǎng)關(guān)總體結(jié)構(gòu)圖

2.1油耗采集通信

本系統(tǒng)采用的燃油流量計(jì)自帶變送器及發(fā)信器，帶有RS485通訊接口，支持MODBUS RTU協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸功能。MODBUS是一種完全公開透明的主從串行異步通信協(xié)議，廣泛應(yīng)用在各工業(yè)領(lǐng)域中。

根據(jù)流量計(jì)的接口特征，網(wǎng)關(guān)采用USART串口通訊。STM32外設(shè)眾多，它擁有一套完善的時(shí)鐘系統(tǒng)控制每個(gè)外設(shè)工作，因此與流量計(jì)通信前必須配置相應(yīng)時(shí)鐘并完成初始化工作。串口配置一般步驟如下[3]：

1)串口時(shí)鐘使能，GPIO時(shí)鐘使能；

2)設(shè)置引腳復(fù)用器映射：調(diào)用GPIO_PinAFConfig函數(shù)；

顏姨是米多兄妹倆的監(jiān)護(hù)人。自從米多的雙親去世后，她就一直照顧他們。不過，因?yàn)閺氖峦赓Q(mào)工作，顏姨總是“飛”來(lái)“飛”去，在家的時(shí)間非常有限。

3)GPIO初始化設(shè)置：要設(shè)置模式為復(fù)用功能；

4)串口參數(shù)初始化：設(shè)置波特率，字長(zhǎng)，奇偶校驗(yàn)等參數(shù)；

5)開啟中斷并且初始化NVIC，使能中斷；6)使能串口；

7)編寫中斷處理函數(shù)。

結(jié)合網(wǎng)關(guān)工作原理以及MODBUS協(xié)議特點(diǎn)，采集網(wǎng)關(guān)定時(shí)通過串口向流量計(jì)發(fā)送請(qǐng)求數(shù)據(jù)幀，等待串口中斷，并接收流量計(jì)的響應(yīng)幀，從中解析包括設(shè)備地址、累計(jì)流量、瞬時(shí)流量等有效數(shù)據(jù)，然后保存在本地FLASH中。采集流量計(jì)數(shù)據(jù)程序流程圖3所示。

2.2GPS定位通信

與采用MODBUS主從通信的流量計(jì)不同，GPS模塊一上電后就會(huì)連續(xù)的按照一定時(shí)間給上位機(jī)發(fā)送一定格式的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)采用了GPS導(dǎo)航統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)NMEA-0183協(xié)議。數(shù)據(jù)提供了多種形式包括GPGSV、GPGLL、GPRMC、GPVTG等。GPRMC為推薦最小信息，包含了定位、航速、航向等有效信息，極其適用于船舶定位，其數(shù)據(jù)帖結(jié)構(gòu)如下：

圖4　獲取定位數(shù)據(jù)程序流程圖

$GPRMC,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8 >,<9>,<10>,<11>,<12>*hh(CR)(LF)

其中<3><4>為緯度信息<5><6>為經(jīng)度信息<7>為航速信息<8>為航向信息。

STM32提供了多達(dá)6個(gè)USART串口，網(wǎng)關(guān)與GPS定位模塊依然采用串口通信，獲取有效數(shù)據(jù)的流程如圖4所示。數(shù)據(jù)解析函數(shù)代碼如下：

3　遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)軟件建立

本油耗遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，管理人員通過瀏覽器即可進(jìn)入操作界面，登錄后通過WEB界面向服務(wù)器發(fā)請(qǐng)求，服務(wù)器端處理業(yè)務(wù)請(qǐng)求后，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行一列的增刪改查操作，將最終數(shù)據(jù)信息組織成HTML文件利用HTTP協(xié)議返回給客戶瀏覽器。整個(gè)軟件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)基于WAMP環(huán)境（Windows+Apache+Mysql+PHP），系統(tǒng)的服務(wù)端來(lái)實(shí)現(xiàn)后臺(tái)數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)的邏輯，只有少部分邏輯事務(wù)在前端處理，如利用JS調(diào)用第三方地圖的API等。

3.1數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

Mysql是目前市場(chǎng)上主流的開源免費(fèi)的中小型關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)不僅需要存儲(chǔ)網(wǎng)關(guān)發(fā)送的各儀表原始數(shù)據(jù)，還需要存儲(chǔ)對(duì)原始數(shù)據(jù)分類分項(xiàng)后的數(shù)據(jù)，另外也要存儲(chǔ)船舶資料、船東及用戶資料、權(quán)限等基本信息。針對(duì)這一需求，數(shù)據(jù)庫(kù)遵守三范式設(shè)計(jì)規(guī)范創(chuàng)建了用戶表(user)、船公司表（company）、船舶表（ship）、原始數(shù)據(jù)表（original_data）、刻鐘表（quarter）、小時(shí)表（hour）、月表（moth）、年表（year）等。其中用戶表屬于權(quán)限系統(tǒng)管理子系統(tǒng)，船公司表和船舶表屬于基本船舶信息子系統(tǒng)，原始數(shù)據(jù)表和刻鐘、小時(shí)、月、年等歷史數(shù)據(jù)表屬于數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)。

雖然各表之間獨(dú)立存在，但卻又相互關(guān)聯(lián)，如公司表與用戶表，公司表與船舶表、船舶表與各數(shù)據(jù)表之間都是一對(duì)多的關(guān)系，它們之間都是通過外接保證相互之間的關(guān)聯(lián)，這種關(guān)聯(lián)可以實(shí)現(xiàn)指定公司的用戶只能訪問本公司的船舶信息及數(shù)據(jù)，同時(shí)這種設(shè)計(jì)也實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的“高內(nèi)聚、低耦合”，極大的方便了后期的維護(hù)管理工作。圖5為數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的基本模型圖。

3.2人機(jī)界面設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)基于B/S架構(gòu)，以動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)的人機(jī)界面形式更加真實(shí)的向用戶展示所需要的數(shù)據(jù)庫(kù)信息。本系統(tǒng)采用PHP編程語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)的開發(fā)，它是一種運(yùn)行在服務(wù)器端的面向?qū)ο蟮膭?dòng)態(tài)腳本語(yǔ)言，負(fù)責(zé)處理用戶提交的請(qǐng)求，同時(shí)作為Mysql的客戶端與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)交互。

項(xiàng)目采用了面向?qū)ο笏枷氲囊环N設(shè)計(jì)典范-MVC（視圖、模型、控制）框架思想，也就是將業(yè)務(wù)邏輯與數(shù)據(jù)顯示分離。在服務(wù)端后臺(tái)設(shè)計(jì)的過程中封裝了實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)增刪改查基本操作功能的DB類，針對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中不同表的業(yè)務(wù)邏輯也封裝了對(duì)應(yīng)的繼承了DB類的Table子類，另外還有大量諸如實(shí)現(xiàn)列表分頁(yè)等功能的常用類。這樣不僅可以提高代碼的復(fù)用性及開發(fā)效率，并且可以減少后期的維護(hù)工作，還方便后期系統(tǒng)擴(kuò)展和二次開發(fā)[4]。

PHP主要實(shí)現(xiàn)了后臺(tái)的業(yè)務(wù)邏輯和數(shù)據(jù)庫(kù)操作，為了能給用戶提供更加良好和直觀的的前臺(tái)操作界面，系統(tǒng)項(xiàng)目在充分利用div+css布局的基礎(chǔ)上也大量使用了JavaScript腳本技術(shù)。例如，為了讓用戶直觀的了解船舶動(dòng)態(tài)信息，在系統(tǒng)中嵌入了基于JS腳本技術(shù)的地圖模塊。鑒于岸端管理系統(tǒng)僅使用地圖的定位功能，所以在開發(fā)過程中暫時(shí)沒有使用電子海圖API，而是采用了免費(fèi)的百度地圖API，以下為定位標(biāo)示和航向顯示的主要腳本程序。

mymap.addOverlay(marker);//將矢量定位標(biāo)示添加在地圖中。

4　結(jié)語(yǔ)

在“互聯(lián)網(wǎng)+”以及“大數(shù)據(jù)”時(shí)代的背景下，對(duì)船舶的基本信息以及油耗數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)管理也將會(huì)是航運(yùn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要發(fā)展方向[5]。船舶的遠(yuǎn)程監(jiān)管、有利于船東更加直觀的掌握船舶實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息、方便船舶的調(diào)度和管理工作，同時(shí)對(duì)船舶油耗數(shù)據(jù)庫(kù)的進(jìn)行深入開發(fā)，聯(lián)合油耗數(shù)據(jù)和各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)挖掘分析，可為船東制定船舶節(jié)能和輪機(jī)保養(yǎng)方案提供有效數(shù)據(jù)參考，這樣響應(yīng)了節(jié)能減排的號(hào)召，也實(shí)現(xiàn)了企業(yè)綜合效益的最大化。

[1]陶秀.船舶燃油消耗狀況實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].武漢:武漢理工大學(xué),2008.

[2]李洪亮.車輛油耗實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與信息管理系統(tǒng)研究[D].吉林:東北林業(yè)大學(xué),2014.

[3]劉火良.STM32庫(kù)開發(fā)實(shí)戰(zhàn)指南[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版,2013.

[4]傳智播客高教產(chǎn)品研發(fā)部.PHP程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教程[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,2014.

[5]鄭士君.遠(yuǎn)洋船舶在線監(jiān)控系統(tǒng)的研究[J].中國(guó)航海,2008,31(4):335-340.

Design of Remote Fuel Consumption Managementsystem for Aship

Wei Xiaoxing,Xu Yiqun,Guo Tao
(Marine Engineering,Jimei University Institute,Xiamen 360121,Fujian,China)

Based onsTM32 embedded andsensor measurement technology,theship navigation parameters, the basic operating parameters of main engine and the fuel consumption details ofship's major power plant are centralzedly collected andsent to data managementservices center onshore.Data center managementsystem of theship fuel consumption with B/Sstructure and good man-machine interface is developed based on WAMP,which achieves intuitive dynamicship remotesupervision task and efficientlysolutes the analysis of fuel consumption ofVessel forshipowner.

navigation parameters;fuel consumption ofship;remote management

TP274

A

1003-4862（2015）10-0045-05

2015-07-25

魏小星（1987-），男，碩士研究生，遠(yuǎn)洋高級(jí)輪機(jī)員。研究領(lǐng)域：輪機(jī)工程。

關(guān)健詞：航行參數(shù)船舶油耗遠(yuǎn)程監(jiān)管