王之民

摘要：  针对岸端管理人员无法及时了解船舶动态及船舶数据问题，提出结合船端综合网络平台和岸端综合网络平台构成的组态监控系统方案，通过MODBUS TCP传输方式实现船岸一体化船舶监测平台。由船端综合网络平台负责采集数据与监测船舶中设备运行状态，通过LIBMODBUS通讯软件将实时数据传输至网关中，再通过传输协议将数据传输至岸端综合网络平台中实现船岸一体化监测的方案。岸端LIBMODBUS通讯软件能提供计算机仿真配合外接模拟器进行训练，使船员可以提升自我专业能力，从而达到提高管理效率、降低管理和运营成本的目的。

关键词：  船舶、船岸一体化、综合监管;

中图分类号：U662.9                文献标识码：A

Abstract： In order to solve the problem that the managers at the shore end cannot timely understand the ship dynamics and ship data， a configuration monitoring system scheme combining the integrated network platform at the ship end and the integrated network platform at the shore end was proposed. The method through the MODBUS TCP transport way integrates the ship shore Marine monitoring platform， first by the vessel end of network platform is responsible for collecting data and monitoring of ship equipment running status， then through LIBMODBUS communication software to transmit real-time data to the gateway， through transport protocol to transmit data to the shore end comprehensive network platform integrates ship-to-shore monitoring scheme， shore side LIBMODBUS communication software can provide the computer simulation with external training simulator， the crew can improve self professional skills. The purpose of improving management efficiency and reducing management and operation costs.

Key words： Ship; Ship and shore integration; Comprehensive supervision;

1. 引言

随着计算机技术、工业过程控制与通信技术的迅速发展，船舶正在向高自动化和智能化方向发展， 以节能、环保、安全等为管理目标，主要体现在船岸一体化监测平台的设计上。

船岸一体化船舶监测平台，就是利用高速发展的网络、卫星通讯技术及现代化管理信息技术，方便对船舶进行一体化管理，实现了船岸数据信息一体化[1]，以智能化的船舶管理时刻地观察船舶运行情况，增强了对船舶的监控，对突发事件也能做出及时的处理。建立船岸一体化船舶监测平台，是船舶管理现代化体现的必经之路，也对船舶业的发展起到重要作用。

2.系統架构

为实现船岸一体化船舶监测平台中船岸信息一体化和船员仿真培训功能，船岸一体化船舶监测平台架构主要由船端综合网络平台、岸端综合网络平台两部分组成，见图1。岸端网络平台提供远程访问技术，方便设备供应商对设备进行实时监控和维护功能，同时，还提供外部接口方便模拟器接入，配合计算机仿真，供船员进行模拟训练。

3.系统功能

3.1同步监测

船舶停靠在码头时，船舶状态运行信息实时传输至岸端综合网络平台;[2]船舶离开码头后，4G信号消失，船舶通过北斗系统和卫星通讯系统在集成后识别信号强弱实现自动切换或者手动强制切换，将conning界面中主机的转速、功率、扭矩、油耗，舵桨的舵角和螺距，发电机三项功率和油耗，GPS等重要参数实时传输至岸端，岸端管理人员可通过PC网页和手机APP软件实时监测。

3.2远程访问

设备供应商无需到现场，便可通过VPN技术进入岸端综合网络平台，根据设备报警情况对船端设备进行指导维修。同时，还能实时监测设备状态，对潜在故障进行清除。

3.2船员培训平台

岸端综合平台将报警数据存储至数据库中，LIBMODBUS通讯软件读取并将数据传输至培训平台中，配合外接模拟器让船员模拟在真实船舶中并进行修改。同时，还能模拟真实的考试环境，让船员更好地掌握理论知识。

4.船端综合网络平台设计

船端综合网络平台主要有两层网络结构，上层采用以太网方式通讯，下层采集主要通过现场总线的通讯方式。[3]

现场总线具有实时性强、传输距离较远、抗电磁干扰能力强、成本低等优点。主要用于获取全船各舱环境温度、房间温度、设备传感器温度、舱室液位高度、设备压力等。现场总线将传感器信号中数据接收，数据处理器监听现场总线上传输电平，并将总线上数据读至模块中。

同时，现场总线还能获取转速系统、燃油系统、滑油系统、涡轮增压系统、冷却系统和排气系统等系统中的设备数据，使用RS485接口将数据发送到通讯模块中，并通过现场总线将数据传输至数据处理器中。

两层网络之间的通讯主要通过数据处理器实现，数据处理器是将下层网络采集的数据进行分析、处理和汇总，并通过MODBUS TCP通讯协议和船端综合网络平台相连接，船端综合网络平台将数据处理器中数据读取过来。船端综合网络平台是可以将数据实时传输至驾驶室、轮机长和值班员的网络客户端中，便于船员在机舱以外的地方实现实时监测。

4.1LIBMODBUS通讯软件

LIBMODBUS是一个根据MODBUS协议发送/接收数据的免费软件库。是一个快速且可移植的MODBUS第三方库。

基于VC++开发的LIBMODBUS通讯软件具有连接综合网络平台和网关的通讯方式，图2中接收数据按钮是通过OPC通讯协议用来接收综合网络平台传输的数据，并将读取到的数据保存至寄存器中;发送数据按钮是读取寄存器中数据并根据MODBUS TCP通讯协议将寄存器中的数据传输至网关中;船员培训按钮是获取岸端综合网络平台提供的外部接口接上模拟器产生的模拟数据，并在船员培训平台大屏幕上显示出来。船端LIBMODBUS通讯软件只有接收数据和发送数据功能。

4.2通讯设备

船岸之间数据共享和交互是实现船岸一体化的技术难题，早期人们通过邮寄磁盘的方式传递相关数据信息，没有任何时效性。随着现有信息网络和通讯资源技术的发展，人们也不断寻求可靠船岸通讯技术，用于实现信息传递的快捷、安全、可靠和准确性。[4]本文采用的是网关传输的方式来实现船岸一体化通讯，是一款支持多协议转换的工业网关设备。

船端网关中有三种通讯协议可与岸端实现一体化数据监测，其中卫星通讯方式需要在甲板上安裝天线，配合海事卫星通讯系统和北斗卫星通讯系统。[5]当船舶行驶在海上时，没有4G信号后，两种卫星通讯手段在集成后识别信号强弱实现自动切换或者手动强制切换，保证船舶航行全程的信息通信不间断。

目前，船端采用4G作为船岸通讯其中一种方式。随着通讯资费下降以及3G/4G无线模块成本下降，4G作为通讯方式具体数据传输量大、传输稳定、成本低、易于维护的特点。同时，还具有断点续传功能，此功能的实现需在网关中插入一张64G内存的SD卡，在网关配套软件中增加需进行断点续传的点，如：主机转速、功率、扭矩，发电机瞬时油耗、累计油耗，舵桨的转速、舵角，舱室油量，船舶通导点，这些岸端管理人员在意的参数;当船舶停靠码头，网关会自动切换4G进行通讯，同时，会将存储在SD卡中的数据导入至岸端综合网络平台中，供岸端查看并分析数据。

北斗系统是以电子海图为依托，接收北斗船舶位置信息，[6]船端可以通过发送船位，船舶主机、发电机、舵桨上的重要参数和报警等信息，与岸端综合网络平台进行消息的交互。北斗作为通讯方式传输时，传输量小、流量计费、费用高的特点，同时，还具有电子海图和遇险报警功能。

海事卫星通讯由空间部分、地面部分、用户终端三部分组成，地面部分是通过网关发送和接收海事卫星信号，用户终端是使用岸端综合网络平台接收卫星发送的信号。[7]海事卫星通讯系统和北斗系统一样，能将船舶中重要的参数数据接近实时传输回岸端，具有高效的传输频率、全球覆盖且不受天气影响、卫星追踪定位和费用高的特点。

5.岸端综合网络平台设计

船舶停靠码头时，船舶数据通过4G信号传输至岸端综合网络平台，岸端能实时同步船端数据、趋势、报警和报告信息，能将行驶中停止更新的数据重新上传至平台中，船端管理人员能通过查看历史数据，对船舶运行情况进行分析统计、运行效率比较，故障与报警信息分析等。[8]行驶中的船舶只能将主机、发电机、舵桨、通道程序中重要参数数据传输至岸端综合网络平台conning界面进行同步刷新，但其它界面参数数据不会进行改变。同时，会将数据保存至岸端数据库，等待进一步的分析和处理。

设备供应商也可通过VPN授权对岸端综合网络平台进行访问，查看船端设备使用和运行情况，并进行远程监控和维护。

6.船岸一体化监测

船舶实时数据通过网关传输至岸端综合网络平台中，平台会将对应船舶的配置工程进行打包发送至云平台中数据处理系统，通过Internet以TCP/IP协议与岸端综合网络平台相连接。岸端操作人员可以建立各种监控的图形、趋势、报警、脚本等。

岸端管理人员可通过浏览器查看船舶的位置和船舶航行的动态信息。随着手机的智能化越来越高，岸端管理人员可以随时随地通过智能手机中云平台APP软件能监测船舶数据信息和报警情况。

6.船员培训平台

传统的船员培训主要分为实船培训、模拟器仿真培训和仿真船员培训三部分，其中实船培训是最佳方法，但安全风险大、成本高、效率低、排放污染不符合节能减排要求，仿真培训对于切实提高船员理论水平与实践技能要求存在较大的差距。

单一的模拟器仿真培训只能通过购买大量的硬件设备和软件，才能保证训练质量。但是，仍不能使船员有身临其境的感官感受，还具有资金投入大、船员培训效果一般等缺点。

本文介绍的计算机仿真培训结合模拟器的新方法，岸端综合网络平台外部接口可以接轮机模拟器、船舶操纵模拟器和其他航海模拟器。培训平台采用VR虚拟现实技术开发不同类型的航海场景，船员可在培训平台中通过键盘和鼠标操作获得海上实践的真实操作环境，使船员获得身临其境的感官感受，能让船员处于实际工作环境相似的环境之下，操作外接模拟器;并可以设置类似实际工作可能碰到的问题进行训练;从而能提升船员自身的专业能力，训练效果会十分有效。结束后，船员训练的结果数据能醒目地展示在大屏幕上。计算机仿真培训结合模拟器的新方法具有针对性强、成本低、维护方便、真实性强等特点。

船员培训平台不仅能提升船员的实际操作能力，而且还能模拟真实考试环境，能让船员熟悉和了解现行考试系统，帮助船员更好地掌握理论知识。培训平台拥有大量的海船船员考试真题和模拟题，且练习结束后，附有解析帮助，能够提升理论知识。LIBMODBUS通讯软件放到岸端综合网络平台中，点击船员培训按钮，船员根据自身的专业知识选择需要接入岸端综合网络平台的外接模拟器进行仿真培训。船员操作模拟器会产生电流值，调零模块会把模拟器中电阻量转换成4-20mA电流量，通过RS485现场总线将数据传输至通讯模块中，LIBMODBUS通讯软件通过MODBUS TCP通讯协议将数据读取至寄存器中，等待船员培训平台获取寄存器中的数据，并在大屏幕中显示出来。具体流程见图7。

7.结论

船岸一体化船舶监测平台技术的应用解决了船端和岸端信息传输不及时的问题，岸端可以随时随地掌握船舶设备信息和船舶行驶状况，设备供应商也能最快速地为船舶设备提供维护，行驶中船舶能通过平台得到岸端的服务和保障支持，提高船舶运行的安全性。

船岸一体化船舶监测平台的应用不仅对船端和岸端信息交互有了显著提升，同时，岸端还能将数据进行存储，分析并提供辅助决策等功能。建立船员培训平台可以让船员在计算机仿真和模拟器配合中训练提升自我的专业能力。

随着计算机技术，工业过程控制与通信技术的高速发展，船岸一体化船舶监测平台的信息交互能力的提升和其它智能应用的开发，能使船舶安全、环保、高效的发展。

参考文献

[1]方超. 基于北斗的无人船艇的数据传输系统研究[D].集美大学，2017.

[2]陈珑. 基于云平台的船舶机舱监测报警管理系统[D].东南大学，2018..

[3]陈超，郑元璋.基于B/S结构的船岸一体化管理信息系统[J].中国航海， 2013，36（04）：56-58.

[4]谢祎. 基于Android APP的船废监测平台的研究与设计[D].東华大学，2017.

[5]王鹏. 船舶智能监测与预警平台关键技术研究及其实现[D].兰州大学，2020.

[6]席小洋，陈新恩，李聚保.基于北斗的船用数字化设备监测系统[J].科技与创新，2019，（21）：6-7.

[7]张永传. 基于大数据平台的船舶AIS设备智能监测技术研究[D].大连海事大学，2020.

[8]曹亮，房鑫炎，罗文斌.船岸一体化系统中岸电无缝接入与功率优化方法[J].电力自动化设备， 2019，39（06）：185-191.