基于物联网的船舶设备监控及报警智能处理系统设计

朱贵宝 杨旸

（江苏海事职业技术学院信息工程学院 江苏省南京市 211100）

伴随“一带一路”战略的推进，响应和参加的国际组织越来越多，我国与各参与国之间的海运贸易需求也大幅增加，这给我国的航运业带来的新的机遇，也对航运企业的精细化、智能化管理水平提出了更高的要求。对船舶设备运行状态进行监测对保证船舶安全稳定运行十分重要，然而很多航运企业在日常经营中的设备管理一直以来都是处于一个滞后的被动管理状态，特别是关键设备的设备状态，目前好多还是处于船员人工抄录，无法有效的预防设备故障，事后也无法有效的进行工况还原及事故分析等。借助于当下先进的科技对船舶船舱的检测报警系统加以技术支撑，是实现船舶机舱自动化监测的主要途径，实时对机舱设备的运行状况进行监控，确保整个船舶航行的稳定与安全[1]。传统的监控系统主要采用PLC 或者嵌入式系统，通过总线和船舶控制室连接，可以在船舶控制室有效地对整个船舶基本运行情况进行监控[2]。但是仅仅实现在船舶控制室里对运行情况进行监控，已经远远达不到现代船舶管理对实时远程监控的要求，有必要利用物联网技术的优势，把船舶设备通过信息传感设备与互联网无线连接起来，将船舶设备运行情况实时传输到岸上。更进一步的，在监控中发现运行状态出现异常报警时，及时进行处理。

本研究设计了基于物联网的船舶设备工况监控及报警智能处理系统，通过本系统，航行在近海和远洋的船舶的位置以及各种工况信息可以实时传输到岸上，船东可通过电脑或手机实时了解船舶运行情况，为船东后续的运营改进提供了有力的数据支持。当设备出现运行报警时，实时采集现场照片，结合监控数据发到岸上，实现船上和岸上同时诊断，帮助迅速解决故障。

1 基于物联网的船舶设备工况监测及报警智能处理系统设计

1.1 功能设计

与传统的船舶监控系统不同，本研究所设计的基于物联网的船舶设备工况监控及报警智能处理系统，利用先进的传感器技术、数字信号处理技术、计算机软件技术、移动通信技术，不仅可实现对船舶设备运行状态的实时监控，同时还可实现对工况异常报警信息的智能化处理。其功能主要包括以下几个方面：

（1）数据传输。根据查询需要，将将船舶上电脑中的数据通过无线网络传输到岸上；

（2）船舶设备工况监控。系统维护：用户管理、船舶管理与工况参数设置、权限设置、操作日志、报警参数设置、预警参数设置、电子地理围栏设置等功能；实时监控：船舶航程实时监控、船舶工况实时监控、工况报警实时监控、工况预警实时监控、船舶进出围栏实时监控；数据查询：船舶航程查询、船舶工况历史数据查询、船舶报警数据查询、船舶预警数据查询、船舶进出围栏查询；统计分析：船舶航程轨迹、船舶工况综合查询、船舶工况统计分析、报警事件统计分析、船舶航程-工况-时间关联综合分析、船舶进出围栏统计分析；各类报表生成；

（3）报警智能处理。将设备工况数据与设备现场照片相结合，实时传输到船舶控制台和岸上，实现现场和岸上同步诊断和处理；

（4）手机APP。通过手机APP 实现船舶航程实时通知与监控、船舶工况实时通知与监控、工况报警实时通知与监控、工况预警实时通知与监控、船舶进出围栏实时通知与监控。

1.2 系统架构

物联网基本架构主要分为3 层：感知层、网络层和应用层[3]。分析该监测及报警智能处理系统的功能和技术需求，结合物联网的基本架构，可把本系统的架构也划分为3 层：感知层是监测及报警智能处理系统最底层，感知层的功能实现与硬件部分设计相结合，根据功能和技术需要配置电源、专用传感器和电气设备，通过传感器对船舶设备的运行参数进行实时采集，通过数据接口传输到网络层；本系统网络层选择通过北斗卫星或4G 通信网络实现数据的无线传输；应用层是实现系统和用户之间的信息交互，对收到的数据进行解析和处理，向系统发送智力，实现设备工况参数的动态实时显示、查询、诊断、报警处理等功能。系统的拓扑结构如图1 所示。

图1：船舶设备工况监测及报警智能处理系统拓扑结构

基于物联网的船舶设备工况监测及报警智能处理系统的硬件系统由设备传感器、摄像头、北斗卫星收发器、4G 通信设备、服务器和终端设备构成。软件系统平台采用Linux 平台，系统的开发语言采用C++，开发工具采用VS2012，数据库采用MySQL、MS SQL SERVER，以多线程方式采集数据和处理数据。

2 软件实现

在设计系统架构和硬件布置的基础上，开发软件系统实现数据的采集、传输、提示、报警及其他人机交互功能。

2.1 数据采集和传输

数据采集和传输的功能由船舶数据采集、船舶数据发送、岸基船舶数据接收、岸基船舶数据同步到云服务器等四个子系统实现。

在船舶上，船舶工况数据采集工控机通过MODBUS 协议自动采集船舶上各个设备的工况数据并保存入本地数据库。船舶数据发送子系统从本地数据库中获取实时数据并通过船基北斗卫星收发器发送到岸基北斗卫星接收器，或者通过4G 通信网络传输到岸基。岸基船舶数据接收子系统从北斗卫星或4G 网络中接收数据，并对数据进行相关的业务逻辑处理，最后存入岸基数据库。岸基船舶数据同步到云服务器子系统负责将岸基数据库服务器中船舶数据同步到云服务器。至此，数据采集和传输实现，整个过程无需人员介入，船东或船务公司相关人员可以通过电脑或手机实时查看船舶工况数据。

2.2 数据监控和报警智能处理

系统设定当相关参数超出台架试验额定负荷的100%对应值时（说明书负荷对应值或经验值），系统进行预警提示；相关参数超出台架试验额定负荷的110%对应值时（说明书负荷对应值或经验值），系统自动报警。对设定时间段内对应工况值的提示和报警的点，标识出最大值的点，形成提示、预警列表。

当监控系统识别工况数据达到报警点时，将报警提示信息同时传输至船舶控制台和岸上，同时系统将调用现场不同角度的摄像头，从不同角度拍摄提示异常设备的相关场景照片，将传感器监控数据和摄像机拍摄的场景数据，融合显示在一个界面上，实时传输到船舶控制台和岸上，船东或船务公司可组织专家组在岸上对报警情况进行多方会诊，从而便捷、快速的实现现场和岸上专家同步会诊和处理，提高效率故障排除效率。

2.3 其他人机交互功能

系统可实现查询、分析、生成统计报表等功能。在电脑端或手机APP 可列表显示工况参数信息；按时间显示实时工况列表，时间间隔可设定。可调用、查看以前时段工况信息；显示工况参数连续曲线图，一个时间段内同一曲线图中可同时显示航速、转速、排温、增压压力，以便于分析。在选中某点时，可光标显示具体的时间、地点、航速等信息。

3 系统的实践应用

在某海轮上装载了本系统进行应用实践。系统软硬件包括：主机转速传感器、主机增压压力变送器、排温总管温度变送器、滑油压力变送器、滑油温度变送器、淡水温度变送器、工业4G 通讯模块、北斗卫星收发器、信号采集箱（壁挂式安装于机舱）、控制电脑、通信中继器、电脑端软件及手机APP 软件。核心数据采集包括：转速、增压压力、排温、滑油压力、滑油温度、淡水温度等关键参数，数据采集周期不大于5 秒，通过2 路485/422 接口，将采集数据上传至船上工控机，保存入本地数据库。同时自动计算航速，位置，判断流向并将所有数据以图、表的形式显示在电脑及移动端。管理人员通过移动终端（手机、电脑、平板等）就能便捷的查看船舶的相关信息、查询分析设备运行趋势、查看月统计报表，进行远程监控管理，实现了系统运行智能化、管理数据可视化、决策科学化。本系统目前在该轮船上已实际运行一年，可靠性、稳定性良好，帮助船企极大地提高了管理效率。部分设备运行状态监测显示图如图2 所示。

图2：部分设备运行状态监测显示图

4 结论

船舶智能化管理是航运企业未来发展的必然选择，而船舶设备工况实时动态监控是实现船舶智能化管理的重要一环，本文设计的系统利用先进的传感器技术、数字信号处理技术、计算机软件技术、移动通信技术建立企业船舶设备工况远程监控信息管理系统。采集船舶的主机关键数据，帮助企业详细了解船舶航行过程中的设备使用情况，发现问题，建立科学的管理模式，为企业优化管理流程提供数据支持,减少船舶的故障率，降低运营成本，实现船舶内部的智能化管理，以及对船舶动态的实时监控。运行实践证实，该系统操作便捷、设计先进、可靠性高，在航运业内有很好的应用前景。