一种船舶远传监控系统的设计与应用研究

贺银根，田 堃，刘建朔

(上海新奥新能源技术有限公司，河北 廊坊 065001)

一种船舶远传监控系统的设计与应用研究

贺银根，田 堃，刘建朔

(上海新奥新能源技术有限公司，河北 廊坊 065001)

文章以现有的船舶监控系统为研究对象，针对现有的船舶监控系统存在的优缺点做出了简要分析，提出一种可应用于远洋及近海的船舶航行远传监控系统，系统可根据功能添置或删减以适应几乎所有类型的船舶，尤其指现在正快速发展过程中的LNG运输船，文章从系统的结构设计，功能及其工作原理做了详细介绍和分析，并从实际应用上做出了明确介绍，最后得出系统的结论及未来展望。

船舶；远传监控；应用研究

在航运业飞速发展的同时，因船舶私营化的扩大和管理体制的老化，船舶管理的弊端也逐渐凸现出来，如：航运管理不完善、资源浪费、效率低。因此，如何利用有效的手段将船舶管理上升到有序、合理、高效的管理层面上来成为航运企业的当务之急。随着航运发展对信息化管理的迫切要求，经济和科技迅速提高，船舶智能化要求越来越高，无人机舱的实现已成为发展的必然。伴随LNG船舶的诞生和广泛运营，船舶LNG燃料海上及时加注问题也是现实问题。

现有技术行业以船舶自动识别系统(AIS系统)为成熟、全面、应用较广的一套设备系统，AIS系统功能强大，能实时性接受船舶静态数据、船舶动态数据、船舶航程数据，以及发布实时性的天文水文信息，对船舶行业技术发展起到了很大的推动作用。然而，AIS系统尚存在功能比较单一，不具备远洋通信、应急求救预警及提供应急方案功能、远程接收信息处理和LNG船舶加注等功能，船舶终端和监控管理终端之间在线信息交换量小，且建设平台均基于单独的航运企业内部或是为保证船舶航行安全的海事部门，相对封闭，标准不统一，各系统未实现互联互通，在线监控功能较低，可作为智能船舶的基石，其功能尚存空缺。为此我们提出船舶远传监控系统(RMCSS系统)可以接入多种船载终端设备及移动客户端，实现互联互通，方便船舶客户及时查询，以解决航运企业近海和远洋的监督管理、指挥、调度的实际需求[1]。

1 船舶远传监控系统简介

船舶远传监控系统，是一种能通过对船舶主要设备运行的运行状态和参数的收集，并通过3G/4G 网络将数据发回公司，使公司能够动态的了解船舶主要设备的运行状态和参数。公司也可根据运行船舶发回的数据，及时分析发现船舶设备故障情况，以便船舶设备得到及时有效地维修和保养，实现对运行船舶的信息化管理。船舶远传监控系统由远程监控系统船端和远程监控公司端2部分组成。船端主要负责采集船公司所需设备的运行状态和参数，并加以处理、存储，并可通过3G 网络将数据定时发送回船公司。远传监控公司端将船端发回的数据进行集中处理，并回放和分析。

船务公司直接把握着人、机、环境3大要素的宏观控制。海事事故发生在船舶，根本原因在公司。重视公司的安全管理已成为国际海事界控制海上事故的重要途径[2]。船舶远传监控系统产品的主要功能包括：正常航行时，实时接收陆、海各类信息，合理规划船舶航速及航线，以及船舶加注等问题，获得最优经济航运方案；特殊航行时，实现运输船舶的本地视频监控管理、陆地视频监控管理和突发事件发生时的远程调度指挥，减少财产损失和保障生命安全，为水上交通安全提供有力的支持和保障；事故航行时，当发生海事事故或海上突发事件时，海上救助打捞船只及时救援抢险，实现陆地应急指挥中心对突发事件现场情况的及时掌控和调度指挥[2]。

2 船舶远传监控系统的结构设计及功能

2.1 船舶远传监控系统的结构组成

船舶远传监控系统由船端和数据中心组成。船端主要利用船舶已有数据采集系统和内部通信系统，对分散在各类船载设备中的船舶参数、航道和气象环境、船舶机务状态信息进行数据采集、数据整合处理、事件检测和记录船舶数据采集，将采集的数据进行综合处理，并将数据传输到岸端数据中心。岸端数据中心接收船端各类信息(包括船端的实时设备信息，音视频信息和航海信息)，并对船端数据进行处理和综合分析，通过调度和应急指挥系统，综合分析和辅助决策系统生成航行方案或处置方案，将指令发给船端。同时，也考虑与现有的企业船舶安全管理系统数据共享，为后者提供实时查询、异常报警、航行状态等数据。软件架构采用C/S,B/S混合的模式。采集数据和处理数据主要采用C/S模式。对外发布一般采用B/S模式，移动APP采用C/S模式，如图1所示。

图1 船端系统结构框图

岸端数据中心主要分为中央服务器、数据服务器、视频服务器、文件服务器、web服务器、VPN路由器。中央服务器用于统筹处理来自于船端和海事,港口及航运公司的数据,并提供权限设置。数据服务器接收来自于船端的实时航行和设备信息数据, 视频服务器接收来自于船端的音视频信息,文件服务器其主要功能是接收来自于航运公司、航运管理部门、船端的各类报表、人员等信息，web服务器主要是将处理好的数据提供给海事、港行管理界面入口,航运公司的界面入口。如图2所示。

图2 岸端数据中心结构框图

按照上述功能方案，整个远传监控系统在技术性能上分为调度指挥中心、监控中心及海上船舶无线网络监控管理系统。调度指挥中心、监控中心设置中心管理平台及显示大屏幕系统，实现把船舶无线网络监控信息在一个监控平台进行管理、控制，达到全面技术供给的最优方案。

2.2 船舶远传监控系统的功能

2.2.1 船舶航行特征信息获取

通过系统的设备或信息渠道，通常在船舶航行前或航行过程中可以实时获取船舶结构参数及性能函数、动力参数及性能函数；发动机机型及其结构性能指标和工作性能指标；船舶正常航行过程中的发动机转速、燃料消耗率、各管路及气口的不同工质的温度；船舶正常航行中船动装置的工作状况、性能函数及参数关系；船舶结构强度、吃水、航速、吨位、客货载情况、船员数量、罐液位。

2.2.2 实时定位及信息收集功能

系统能够提供遥感卫星定位功能，同时也支持GPS定位功能，GPS模块与LNG船舶无线网络监控采集传输终端的RS232接口连接，通过3G无线网络实现GPS定位功能。使得LNG船舶在大风浪、大雾的恶劣海况下，仍可保持一定的航速前行，并通过数值预报产品及天气海况适时资料获取相应的气象、水文信息[3]。

2.2.3 规划航速、航线及定期加注功能

根据船舶反馈的信息，远传系统通过预处理系统先对船舶基础数据信息进行储存和预处理，并将处理好的数据反馈到系统储存和处理，系统平台接收到反馈信息后，结合船舶航行的区域特征，以及不可避免的气象水文等客观条件，对船舶提出更加合理的航行方案，使船舶航行的利润最大化，定时对船舶航行过程中的航行区域、航行图及航行特性进行分析，验证方案的可实施性及合理性，确定规划航速、航线及加注等问题，并将方案提交给船舶。

2.2.4 调度指挥功能

实现紧急突发事件处理过程现场视频图像采集上报、实时音视频交互、应急现场支持，使得相关政府部门对应急突发事件的情况了解更加全面、对突发事件的反应更加迅速、对相关人员之间的协调更加充分、决策更加有依据。同时，远传监控系统还大大降低了工作人员的工作难度，在内河，可根据信息反馈，高效过闸。

2.2.5 紧急报警信息的采集和联动管理

当现场出现紧急情况时，抢险人员触发LNG船舶无线网络监控采集传输终端的“视警”按钮，系统会以声音方式通知指挥中心，并在指挥中心大屏幕上弹出现场摄像机画面。同时也可以联动中心服务器录像功能。具有同时处理多任务能力，实现多个现场的同时报警。

2.2.6 监控信息的存储和备份

通过设备自带录像功能，实现本地录像(功能可选)。也可以直接通过数码摄像机录像。启动指挥中心的计算机中心管理服务器录像功能，前端现场的音视频信号经过模数转换，编码压缩，传送到应急指挥中心的中心管理服务器，通过中心管理服务器进行集中录像。正在运行的监视器可对当前监视的视频图像，进行实时录像。该功能利于对阳光执法过程进行监督，为事后取证提供依据。同时可对典型事件进行编辑，为同行提供教材[4]。

2.2.7 电子地图

系统支持电子地图访问，以空间数据库为基础，将应用数据与地图有机结合，提供强大的空间分析和查询功能，丰富的表达方式直观地显示结果。

3 船舶远传监控系统的技术及工作原理

3.1 远传监控系统的技术原理

船舶远传监控系统的结构主要包含船舶航运参数信息反馈系统、实时地理气象水文信息接收系统、客户信息收集反馈与存储系统、岸船(船长)通信系统以及中央信息收集处理系统5大系统，并由中央信息收集处理系统担负着该监控系统的核心工作，掌握着该套系统的运行脉络，主要指由其它系统反馈过来的信息，通过特定技术快速转换为数字化信息并将信息报告第一时间交复给船长，从而达到远程实时监控和调节的服务型目的。

如图3所示，基于物联网网络的前提下，对于船舶A和船舶B各自通过显示处理器对船舶数据进行采集和初级处理，同时进行通讯需求，同时通过视频监控器进行视频采集，进而采集的数据通过3G/4G/VPN路由器跟数据网络进行互通，物联网网络采集的数据可以在云端建立数据库，通过电信光纤专线供APP用户、船管部门和船舶客户进行实时性的监督、管理和调看；云端数据通过电信光纤专线和VPN路由器传输到数据核心交换机，核心交换机接收数据信息后将数据信息分别发送到视频服务器、文件服务器和数据服务器，分别进行做视频分析或实时航运状况调阅、文件处理或存储查阅及数据分析处理或历史数据存储，然后将处理后的各类数据信息通过数据交换机将数据全部传输到中央服务器，由中央服务器将一部分信息发送到调度服务系统，进行船舶调度，同时通过交换机将相关信息发布到web服务器跟物联网网络形成互通和共享。

图3 远传监控系统原理图

3.2 远传监控系统的工作原理

如图4所示，在以中心数据平台为基础的前提下，由天文、水文、船舶定位端、海面和地理、自然地理信息接收处理器，形成地理气象信息接收系统，系统将接受的信息传输到中心数据平台；由船舶信息接受器、预计航线接收器、货源信息接收器和燃料实时价格接收器、客户信息处理端形成客户信息收集反馈与存储系统，该系统将信息全部收集存储后，进行分析，并将分析报告及结果发往中心数据平台；由船舶储罐液位监控端、船舶结构显示器、动力参数监视器、动力设备性能显示端和航行工况显示器、船舶航行信息实时接收存储端组成船舶航运参数信息反馈系统，系统将信息进一步的传输到航运信息预处理器，再传输到中心数据平台；由岸船传讯器、船长和船舶航行调控界面形成岸船通讯系统，系统接受来自中心处理系统的反馈信息对船舶航行状况进行实时的调整；由航运信息预处理器、中心数据平台、特殊信息处理端和信息处理报告输出端形成中央信息收集处理系统，系统对信息进行储存、分类和处理。

4 船舶远传监控系统的应用研究

4.1 船端监控数据中心

远程监控系统在船端主要应用包括数据采集模块、数据综合处理模块、数据显示报警模块、数据传输模块、视频服务模块、管理模块等。

4.1.1 数据采集

1)船舶参数分类。燃料罐数据，包括压力数据、温度数据、液位数据等；排漏气体数据，船舶罐区、供气管线区LNG气体泄漏，二氧化碳、氮、硫等排放数据；通导设备数据，如GPS、测深仪、风速风向仪等；船用设备数据，主机、辅机、配电屏等。

2)船舶参数采集方法。目前船舶设备的数据采集方式主要采用各类模块采集,串口通讯采集,网络通讯采集等方式：数据模块采集，对于传感器信号，需采用模拟量或开关量模块转换为数字量信号提供数据综合处理单元处理；基于通讯的数据采集(串口通讯、网络通讯)，在基于通讯采集的设备其通信协议的规范上，航行通导设备的数据输出一般都遵循IEC61162协议，其他机舱设备和货物设备的通讯协议接口规范一般采用各种不同的协议(常见的有MODBUS等协议)，远程监控前期主要是针对常见协议开发通用转换驱动,后期在分析不同的船舶设备厂家的通讯规范的基础上，制定一套符合船舶远传监控系统的数据输入输出接口标准(硬件接口、软件通讯协议)[5]。

4.1.2 数据综合处理

数据综合处理模块将来将分散在各类船载设备中的船舶航行参数、航道和气象环境、船舶机务状态信息进行数据采集后,在综合处理模块进行数据整合,采集的数据按照统一的格式进行处理(主要是数据的有效性检查,数据的格式统一,异常数据检验,并生成实时数据，以便岸端数据中心使用)[6]。

图4 远传监控系统的工作原理图

4.1.3 数据显示报警

1)监测参数异常预警、报警，包括航道水深信息变化预警，以提醒船舶值班人员进行处理，避免事故发生。

2)通过岸端数据中心或本船的AIS系统获取周围其它船舶的GPS信息，显示本船一定范围内安装该系统的其它船舶的位置。

4.1.4 数据传输

该模块主要通过船舶通信设备，定时向岸基传输，为岸基指挥、调度和安全管理提供依据。考虑到船在内河航行，而且因为船舶需求，对数据有一定的实时性需求，并且船岸需要进行实时交互，其主要通讯方式采用了3G/4G通讯,所以我们考虑在船岸直接采用VPN组网的解决方案，利用共享的Internet网建立VPN连接，可以使企业减少对昂贵租用线路和复杂远程访问方案的依赖性, 也可以满足其使用的需要。同时在岸端加注站周边和重要水域可利用已布置的公共wifi配合3G/4G网络进行数据的传输，来保证数据的安全、有效和完整性。具体实现如下,在岸端建立一个具有VPN功能(根据需要选择固定公网IP地址的宽带接入服务器)，船端采用VPN连接入服务器，提供数据服务(在设计也需考虑船舶航行时3G/4G信号不稳定的情况下，数据的本地化存储以及通讯重新建立时，历史数据的上传和合并)。

4.2 岸端数据中心应用

远程监控系统在岸端数据中心主要包括初始数据的的接收处理，船舶数据预处理分析，形成案例回放以及储存归档，最后通过数据回传进行远程性的数据传输和实时性的监督控制，为此从这几个方向考虑岸端数据中心的实效性应用。①初始数据。同步初始报告，由船上产生，发送回岸上,主要是船舶端的各类基础数据。②船舶数据回放。岸端数据中心接收船舶发回的数据，可用列表和模拟图方式显示船上数据。通过历史数据库，可查询过去一段时间内的报警、消警、报警抑制、传感器故障记录。③岸端数据回传。实现数据交互，将岸端分析后数据传输到船端，远程指导船舶工作。

4.2.1 信息管理

1)船舶航行管理。船舶实施定位、船舶轨迹查询、区域警告、到港预报、分区监控、重点船舶监控，将整理好的航行数据反馈船舶备份记录，形成相应的航行报告，实现对船舶的统一调度、加注导航、过闸、进出港等管理。

2)船舶能耗管理。燃料管理：实时监测储罐运行数据，包括压力数据、温度数据、液位数据等，对运行参数预警、报警等。根据目标船位置，设定最优航线，对加注船进行导航，减少船舶燃料消耗。

3)船舶机务管理。包括人员管理、备件管理、设备管理、证书管理等功能。

4)航运信息管理。天气预报、货源信息、市场技术信息、通航信息、船员招聘信息、新闻娱乐信息、港口信息。

5)事故应急救援管理。船舶在正常航行时，出现气源不足、机器故障、机器异常工作、火灾、爆炸、触礁、搁浅、碰撞、溢油以及漏气等一系列故障，在事件可能要发生之前，根据实时性的信息、图像进行分析，对船舶值班人员及船东发出预警，提出改进方案，避免不正当的航行方式，造成资金浪费、海上污染及人员伤亡等事故的发生。

6)系统管理。用户访问权限管理、数据库维护、安全策略管理。

7)门户平台管理。行业政策信息、市场技术信息、招聘信息、投融资信息、船货信息、航线查询、在线交易信息。

4.2.2 移动APP

通过数据中心，用户通过智能终端，浏览船端图像、查询船舶设备或货物信息，查询船舶位置等。还可实现加注导航，根据目标船位置，设定计划航线，当船到达航点的报警圈时，系统提示到达航点，并自动转入计划航线上的下一个航点开始导航。在计划航线旁设置偏航范围，当船位离开此范围时，系统提示船已偏离引导航线。

5 结束语

船舶远传监控系统(RMCSS系统)，能有效监控船舶在近海或远洋中航行，为船舶的安全经济航行提供更好的航行方案，并且通过大数据管理平台能够实时有效的达到船舶高效管理的目标，文章从系统的结构功能及其运行模式做了详细的介绍，通过描述，该系统能够满足几乎所有类型的船舶安全管理需求，对于LNG船舶更是添加了独特的监控模式，能够使船东在岸上随时性的了解到其船舶的运行信息，并且掌握其实时性的需求，如燃料不足需加注等一系列问题，本文所描述的系统相较于现有成熟的系统船舶自动识别系统有其更加独特且全面的功能，最大限度的满足船员及船东的双向性需求，大大规避了船舶潜在的安全问题。提高船舶运输安全管理能力、推进智能船舶的研究步伐。根据远传监控系统的功能，系统能有效降低航运企业船舶管理和营运成本、加强船舶运输信息服务品质及船舶运输所耗燃料和排放缺失监管，使船舶与岸上娱乐设施同步化；同时能管理船舶行业的大数据平台，避免现有监控产品功能单一、信息交换量小、避免封闭且标准单一的现象，解决异地管理、指挥、调度的实际需求。

船舶远传监控系统在现有的监控技术上提出了一套新的监控模式和系统，除了现有提出的功能外，还有待继续研究，主要包括填写并发送过闸申请报告；当船舶在到达区域时，允许手动发送到锚确认消息；自动接收并即时显示管理部门下发闸室排挡图、过闸调度计划报警信息、各种指令、消息等。在岸端数据中心，可经岸端数据中心预留的海事、港行管理接口查询进出港签证信息，船舶娱乐功能，也可供参考，即在免费wifi公共服务区，允许船员通过船端3G/4G路由器接入互联网等等。

[1] 冯思春.船舶远程监控及数据交换系统的研究与应用[D].大连：大连理工大学,2007.

[2]朱博麟.基于B/S结构的船舶远程监控系统设计与实现[D].大连：大连海事大学,2008.

[3]吕伟德.基于物联网技术的水培花卉智能生产关键技术的研究与应用[D].杭州：浙江大学,2014.

[4]柳晨光.船舶油水分离器运行状态远程监控系统的设计与实现[D].武汉：武汉理工大学,2014.

[5]许艳梅.基于3G技术的船舶远程监控系统的研究与设计[D].大连：大连海事大学,2013.

[6]曾明亮.船舶机舱监控报警系统的设计与实现[D].南京：南京理工大学,2013.

Taking some existing marine monitoring system as the research object,advantages and disadvantages of the existing monitoring system are analyzed briefly and a remote monitoring system which can be applied for both ocean and coastal ship navigation has been put forward,the functions of which can be added or deleted to adapt to almost all types of ships,especially LNG carriers in rapid development.In this paper,analysis and introduction are given in detail from structural design,functions and working principle,A conclusion and future prospect are drawn finally.

ship;remote monitoring;application research

贺银根(1993-)，男，江西萍乡人，大学本科，主要从事船舶动力研究工作。

U664.21

10.13352/j.issn.1001-8328.2016.01.007

2015-09-06