船舶油耗远程监管系统的设计

魏小星，徐轶群，郭涛

（集美大学轮机工程学院，福建厦门361021）

船舶油耗远程监管系统的设计

魏小星，徐轶群，郭涛

（集美大学轮机工程学院，福建厦门361021）

基于STM32嵌入式和传感测量技术，将船舶的航行参数、主机基本运行参数和船舶各大动力装置的燃油消耗数据进行集中采集并传给岸端的数据管理服务中心，采用WAMP开发了一套基于WEB具有良好人机界面的，B/S架构的船舶油耗数据中心管理系统，实现了更加直观的船舶远程动态监管，也能为船东高效的解决船舶油耗数据分析统计等一系列问题。

0　引言

船舶作为交通运输中运力最大的运输工具，燃油消耗成本占其运营成本的40%~60%。近年来，由于全球经济危机的冲击，世界原油价格不断上涨，船东及租船人对燃油费用及管理倍加关注[1]。然而在船舶运输过程中，由于承运方很难做到全程跟踪监管，船员盗窃船舶燃油等物资的现象屡有发生，同时大多数船舶还是采用传统的人计量燃油消耗方式，油耗数据时效差、误差大，基本已不能满足燃油精细化管理的需求。本系统集成应用卫星定位系统、传感测量、物联网等多项技术实现对船舶燃油的远程实时监管，方便管理者统计运营成本，提高工作效率以及船东的综合效益。

1　系统概述及总体方案

船舶油耗远程监管系统主要由船载信息采集终端以及岸基数据管理服务中心两大部分构成。其中船载终端包括智能数字燃油流量计、转速采集模块、GPS定位模块及数据采集网关等，岸基油耗数据管理服务中心主要由数据服务器和WEB应用服务器组成。系统拓扑结构如图1所示。

1.1系统构成

1）燃油流量计：安装在燃油系统中，负责将实船的燃油消耗数据转换为数字信号。由于船舶普遍主要采用低质重油，粘度较高，故系统中采用安全性高且适用于高黏度液体的容积式齿轮流量计，该流量计含有变送器和计数机构，可测量系统的瞬时耗油量和累计耗油量。

2）GPS模块：获取运行船舶的位置动态信息（经度、纬度、航速、航向等），由采集网关处理后将信息发送给数据中心，方便管理者实时掌握船舶动态信息，有效分析油耗与航行的关系。

3）采集网关：采集网关安装在运行船舶上，在整个系统中的功能类似于“中央传感器”[2]。它需要将下层现场各数据仪表、传感等装置的数据信息定时集中采集并处理，然后通过有线、无线或卫星网络传给岸端数据服务中心。

图1　系统拓扑结构图

1.2总体方案设计

船舶油耗实时监测与管理系统的功能实现依赖于硬件和软件两大部分，二者缺一不可。系统开发过程中硬件设计和软件设计是相互关联的，有时也是交叉进行的。船端负责对各类仪表数据进行采集，其关键是制定采集网关与各硬件设备的通信与传输方案以及相关程序的设计；岸端数据中心的工作主要是搭建船舶各类数据信息的数据库，以及开发基于B/S架构的WEB应用。

2　系统硬件通讯方案设计

系统的硬件设计主要集中于船端部分。采集网关是硬件层的“中央处理器”，可以根据现场仪表的协议要求灵活编程。网关采用STM32微控制器作为核心处理单元，外围扩展了IO模块、以太网、RS485/232、CAN端口、3G无线通讯等功能模块，以实现其采集、存储、通讯等相关功能，其总体结构如图2所示。

图2　采集网关总体结构图

2.1油耗采集通信

本系统采用的燃油流量计自带变送器及发信器，带有RS485通讯接口，支持MODBUS RTU协议数据传输功能。MODBUS是一种完全公开透明的主从串行异步通信协议，广泛应用在各工业领域中。

根据流量计的接口特征，网关采用USART串口通讯。STM32外设众多，它拥有一套完善的时钟系统控制每个外设工作，因此与流量计通信前必须配置相应时钟并完成初始化工作。串口配置一般步骤如下[3]：

1)串口时钟使能，GPIO时钟使能；

2)设置引脚复用器映射：调用GPIO_PinAFConfig函数；

颜姨是米多兄妹俩的监护人。自从米多的双亲去世后，她就一直照顾他们。不过，因为从事外贸工作，颜姨总是“飞”来“飞”去，在家的时间非常有限。

3)GPIO初始化设置：要设置模式为复用功能；

4)串口参数初始化：设置波特率，字长，奇偶校验等参数；

5)开启中断并且初始化NVIC，使能中断；6)使能串口；

7)编写中断处理函数。

结合网关工作原理以及MODBUS协议特点，采集网关定时通过串口向流量计发送请求数据帧，等待串口中断，并接收流量计的响应帧，从中解析包括设备地址、累计流量、瞬时流量等有效数据，然后保存在本地FLASH中。采集流量计数据程序流程图3所示。

2.2GPS定位通信

与采用MODBUS主从通信的流量计不同，GPS模块一上电后就会连续的按照一定时间给上位机发送一定格式的数据，这些数据采用了GPS导航统一的标准NMEA-0183协议。数据提供了多种形式包括GPGSV、GPGLL、GPRMC、GPVTG等。GPRMC为推荐最小信息，包含了定位、航速、航向等有效信息，极其适用于船舶定位，其数据帖结构如下：

图4　获取定位数据程序流程图

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

其中<3><4>为纬度信息<5><6>为经度信息<7>为航速信息<8>为航向信息。

STM32提供了多达6个USART串口，网关与GPS定位模块依然采用串口通信，获取有效数据的流程如图4所示。数据解析函数代码如下：

3　远程监测管理系统软件建立

本油耗远程监测管理系统采用B/S架构，管理人员通过浏览器即可进入操作界面，登录后通过WEB界面向服务器发请求，服务器端处理业务请求后，对数据库进行一列的增删改查操作，将最终数据信息组织成HTML文件利用HTTP协议返回给客户浏览器。整个软件系统的实现基于WAMP环境（Windows+Apache+Mysql+PHP），系统的服务端来实现后台数据与业务的逻辑，只有少部分逻辑事务在前端处理，如利用JS调用第三方地图的API等。

3.1数据库系统设计

Mysql是目前市场上主流的开源免费的中小型关系型数据库管理系统，本系统数据库不仅需要存储网关发送的各仪表原始数据，还需要存储对原始数据分类分项后的数据，另外也要存储船舶资料、船东及用户资料、权限等基本信息。针对这一需求，数据库遵守三范式设计规范创建了用户表(user)、船公司表（company）、船舶表（ship）、原始数据表（original_data）、刻钟表（quarter）、小时表（hour）、月表（moth）、年表（year）等。其中用户表属于权限系统管理子系统，船公司表和船舶表属于基本船舶信息子系统，原始数据表和刻钟、小时、月、年等历史数据表属于数据管理子系统。

虽然各表之间独立存在，但却又相互关联，如公司表与用户表，公司表与船舶表、船舶表与各数据表之间都是一对多的关系，它们之间都是通过外接保证相互之间的关联，这种关联可以实现指定公司的用户只能访问本公司的船舶信息及数据，同时这种设计也实现了数据库系统的“高内聚、低耦合”，极大的方便了后期的维护管理工作。图5为数据库系统的基本模型图。

3.2人机界面设计

监测管理系统基于B/S架构，以动态网页的人机界面形式更加真实的向用户展示所需要的数据库信息。本系统采用PHP编程语言来实现动态网页的开发，它是一种运行在服务器端的面向对象的动态脚本语言，负责处理用户提交的请求，同时作为Mysql的客户端与数据库进行关联交互。

项目采用了面向对象思想的一种设计典范-MVC（视图、模型、控制）框架思想，也就是将业务逻辑与数据显示分离。在服务端后台设计的过程中封装了实现对数据库增删改查基本操作功能的DB类，针对数据库中不同表的业务逻辑也封装了对应的继承了DB类的Table子类，另外还有大量诸如实现列表分页等功能的常用类。这样不仅可以提高代码的复用性及开发效率，并且可以减少后期的维护工作，还方便后期系统扩展和二次开发[4]。

PHP主要实现了后台的业务逻辑和数据库操作，为了能给用户提供更加良好和直观的的前台操作界面，系统项目在充分利用div+css布局的基础上也大量使用了JavaScript脚本技术。例如，为了让用户直观的了解船舶动态信息，在系统中嵌入了基于JS脚本技术的地图模块。鉴于岸端管理系统仅使用地图的定位功能，所以在开发过程中暂时没有使用电子海图API，而是采用了免费的百度地图API，以下为定位标示和航向显示的主要脚本程序。

mymap.addOverlay(marker);//将矢量定位标示添加在地图中。

4　结语

在“互联网+”以及“大数据”时代的背景下，对船舶的基本信息以及油耗数据进行远程监测管理也将会是航运业发展的一个重要发展方向[5]。船舶的远程监管、有利于船东更加直观的掌握船舶实时动态信息、方便船舶的调度和管理工作，同时对船舶油耗数据库的进行深入开发，联合油耗数据和各项运行参数挖掘分析，可为船东制定船舶节能和轮机保养方案提供有效数据参考，这样响应了节能减排的号召，也实现了企业综合效益的最大化。

[1]陶秀.船舶燃油消耗状况实时远程监测系统的设计[D].武汉:武汉理工大学,2008.

[2]李洪亮.车辆油耗实时监测与信息管理系统研究[D].吉林:东北林业大学,2014.

[3]刘火良.STM32库开发实战指南[M].北京:机械工业出版,2013.

[4]传智播客高教产品研发部.PHP程序设计基础教程[M].北京:中国铁道出版社,2014.

[5]郑士君.远洋船舶在线监控系统的研究[J].中国航海,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，硕士研究生，远洋高级轮机员。研究领域：轮机工程。

关健词：航行参数船舶油耗远程监管