姚明捷，戚峰，严婷婷

（1.南通中远川崎船舶工程有限公司技术本部，江苏南通 226005；2.江苏科技大学电子信息学院，江苏镇江 212003；3.江苏镇安电力设备有限公司设计部，江苏镇江 212000）

船舶信息管理系统的设计

姚明捷1，戚峰2，严婷婷3

（1.南通中远川崎船舶工程有限公司技术本部，江苏南通 226005；2.江苏科技大学电子信息学院，江苏镇江 212003；3.江苏镇安电力设备有限公司设计部，江苏镇江 212000）

文章针对目前国内船舶的各类业务应用普遍处于分离状态，船岸沟通不便导致信息的脱节的问题，设计了一种船舶信息管理系统，并详细说明了系统的硬件、软件及系统数据库及E-R图，具有一定的实际工程化应用意义。

信息管理；网络结构；逻辑模块；数据库

0 引言

船舶的信息化和自动化管理是船舶未来设计的重要发展趋势之一，随着信息技术的迅速发展，传统的船舶自动化系统正在向船舶信息集成化方向发展。其核心是利用计算机、网络通讯、自动控制等技术，将通信设备、导航设备、机舱监控、船务管理、视频监视系统等相对独立的分系统纳入到统一的船舶网络系统中，实现信息集成。

我国的造船技术处于世界领先水平，在各类船舶上均有成熟的轮机监控、综合导航、报警系统、视频监视等系统。随着嵌入式技术和网络技术的发展，船舶的集成化水平将越来越高。因此，建立船舶信息管理系统已越来越受到各方面的重视，各种类型综合平台信息系统开始在船舶上逐步实施。[1]本文设计一种船舶信息管理系统，构建了系统的总体网络结构和硬件框架，在软件开发中采用模块化程序设计思想，划分了各业务逻辑模块，并详细设计了数据库中的主要数据表。

1 系统通信网络设计

因为存在物理环境恶劣，震动大、温度高、湿度高等因素，为实现船舶信息管理系统的功能需求和性能需求，保证网络的可靠性，船上采用有线网络连接方式组成一个局域网，组网方式为以太网方式。

系统网络拓扑结构采用星形结构，星型拓扑结构所需的通讯电缆少，可靠性高。采用星形拓扑，网络故障还便于诊断，又能提供方便的接入服务，在星形拓扑中，单个连接的故障只影响单个设备而不会影响到整个网络。[2，3]岸端用户通过卫星通讯可以简便、实时地对船舶状态和现场设备参数进行监控，为船舶提供及时准确的技术指导，进而提升船舶航行的安全性，系统总体网络结构如图1所示。

图1 系统总体网络结构图

2 系统硬件设计

鉴于船舶恶劣的工作环境，以及电磁干扰等不利因素，同时船舶在航行中还有严重颠簸、摇摆和振动，对硬件的可靠性要求很高。因此，系统在设计时特别选用高性能、高稳定性的硬件设备，兼顾快速、精确的要求。硬件系统设备主要包括网络服务器、网络交换机、不间断电源（Uninterruptible Power Systerm,UPS）、打印机、磁盘阵列、磁带库等，这里仅对部分设备的选型及要求作出分析。

（1）网络服务器。系统采用两台互为备份的服务器，主干网服务器主要用于数据的存储、信息收发等，每台服务器要求有两个10M/100M/1 000M自适应以太网接口。另外，服务器还要符合船用特殊条件，包括震动、温度、湿度及电磁兼容性等。因此，选用HP E5620型号的网络服务器，采用Windows Server2008作为网络中心的操作系统，并配合SQL SERVER 2005软件，为系统提供高可靠的支撑环境。

（2）UPS。主干网供电系统采用在线式APC Smart-UPS，为交换机、服务器等设备提供独立电源，当发生事故停电时，UPS立即将机内电池的电能，通过逆变转换的方法向负载继续供应220V交流电，使负载维持正常工作并保护负载软、硬件不受损伤，UPS设备通常对电压过大和电压过低都提供保护。

（3）网络机柜。考虑到机舱工作环境具有震动大、温度高、电磁干扰强的特点，此处定制防护等级IP23（符合船用标准）的屏蔽网络机柜，机柜底部、侧面进行了加固以防止船舶的颠簸。

此外，船上湿度大、温度差异大，网络插座采用了密封性好、可靠性高的航空插座，网络中心需要利用空调进行24小时的调温、抽湿来满足系统设备工作环境的温湿度要求。

3 系统软件设计

3.1 业务处理模块设计

本系统软件设计采用模块化程序设计思想，通过划分功能模块，设计各个模块之间的数据流向，以保持良好的可读性、可移植性和可扩充性，其总体框图如图2所示。

图2 系统功能分析图

3.2 动态数据采集功能模块

数据采集模块采集各导航设备（包括罗经、测深仪、GPS等）信息和机舱集控台的设备数据，数据经解析、处理后存入实时数据库，作为后台数据调用显示和数据分析处理的基础，数据采集示意图如图3所示。

图3 动态数据采集示意图

（1）导航信息。导航设备发出的数据量较大，数据的用途很多，实船所需的仅是其中部分数据，从中挑选需要的数据，如：时间、经度、维度、速度、航向等信息，导航数据信息如表1所示。

表1 导航数据信息表

数据格式为美国国家海洋电子协会（National Marine Electronics Association）为统一海洋导航规范而制定的标准格式NMEA-0183，NMEA-0183标准定义了电子信号所需要的传输协议、传输数据时间，并且指明了信息格式需要一个4 800bps的串行数据接口，信息的一般格式为：$aaaaa,df1,df2,…[CR][LF]，所有的信息由$（24）开始，以换行“CR(0D)LF(0A)”结束，紧跟着$后的五个字符表示信息的基本类型。[4]

（2）机舱数据。机舱集控台采集各种机舱设备参数，系统与集控台进行通讯，只需要向集控台发送指令，就能获取需要的机舱数据。与集控台的通讯协议为Modbus协议，RTU传输模式，RTU模式与ASCII模式相比，表达相同的信息需要较少的位数。

Modbus协议是一种工业通信和分布式控制系统协议，在此协议上，控制其相互之间可以经过网络和其他设备通信。本文中Modbus协议应用于主/从式点对点通信，主站要数间隔为1s，物理层采用RS485串行通信标准来实现，能够很好地满足实时性要求。[5]

在Modbus RTU中，主站设备发送一个信息，相应的从站设备返回一个响应，当通讯命令由主机发送至从站时，符合相应地址码的从站接收通讯命令，并根据功能码及相关要求读取信息。如果CRC校验无误，则执行相应的任务，然后把执行结果发送给主站，Modbus RTU的查询响应示意图如图4所示。

图4 Modbus RTU的查询响应示意图

本系统数据帧结构定义如下：①主站向从站设备发送要数命令格式，从站地址（02）+功能码（03）+寄存器地址高字节+寄存器地址低字节+数据个数（高字节）+数据个数（低字节）+CRC（低字节）+CRC（高字节）；②从站向主站设备发送回数命令格式，从站地址（02）+功能码（03）+返回的数据字节数（1个字节）+数据1（2个字节）+数据2（2个字节）+……+数据n+CRC（低字节）+CRC（高字节）。

4 数据库设计

本系统的所有操作都是以数据库为基础而展开，如数据查询、信息修改、数据分析等，因此数据库在本系统中占据着重要地位。根据船舶的业务需求和安全操作的实际应用特点，建立了数据库文件shipping. mdb，部分数据表信息如表2所示。

由于篇幅有限，本文只将系统部分功能模块数据库表的设计内容作简单阐述：

（1）Jicang_real。该表用来存储机舱最新实时数据，包括时间（time）、监测点1编号（0512）、监测点2编号（0808）、监测点3编号（0820）等参数，其中时间设置为主键。由于监测点众多且参数点数庞大，如果长时间运行并记录保存所有的数据，则会导致数据总量急速增长，因此该数据库会对过期的数据进行删减，保留最新的60条记录，机舱实时数据表设计的详细结构信息如图5所示。

表2 数据表信息

（2）Alarm_info。该表用来存储机舱各设备参数的报警阀值信息，包括监测点编号（code）、监测点名称（paraname）、报警类型（type）、报警上限参考值（limitup）、报警下限参考值（limitdown）、修改时间（modifydate）、修改人姓名（modifer），其中监测点编号设置为主键，机舱参数阀值信息表设计的详细结构信息如图6所示。

图5 机舱实时数据表

图6 机舱参数阀值信息表

对上述各表作了详细结构设计后，画出数据库中各表之间的关系E-R图，如图7所示。

图7 数据库E-R图

5 结束语

本文根据船舶实际工程化应用的需要，阐述了船舶信息管理系统总体设计的原则，并从系统可靠性角度考虑，构建了整个系统的硬件框架和网络结构。在软件开发过程中，遵循模块化程序设计思想，划分了动态数据采集、数据处理、实时监测、船员管理等业务逻辑模块，并详细设计了各模块功能实现的相关数据库。最后对主要数据库的数据表进行了详细设计，并给出了各数据表之间的关系E-R图。本系统设计从提高船舶航行安全性和营运经济性的角度出发，可为船舶信息管理系统设计提供参考。

[1]李晶.船舶综合平台信息系统研究与实现[D].武汉：华中科技大学,2006.

[2]Becker E.Condition-oriented maintenance of vertical roller mills through autonomous telediagnostic systems with e-mail signalling [J].ZKG INTERNATIONAL,2000,53(5):262-268.

[3]张言.基于B/S的起重船舶远程监控系统的研究[D].上海:上海海事大学,2007.

[4]黄文灿.IBS综合船舶信息显示系统的设计与实现[D].大连:大连海事大学,2012.

[5]黄育和,程韬波.基于Modbus RTU协议的数字智能模块的设计[J].机电工程技术,2007(5):38-40.

Study on the Design of Ship’s Information Management System

YAO Ming-jie1,QI Feng2,YAN Ting-ting3
（1.Nantong COSCO KHI Ship Engineering Co.,Ltd,Nantong 226005,China; 2.School of Electronics and Information,Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang 212003,China; 3.Dept.of Designing,Zhen'an Electric Power Equipment Co.,Ltd.,Zhenjiang 212000,China）

In view of such problems as the state of separation confronting all types of ship business in China as well as the information gap resulting from the inconvenience in ship-to-shore communication,this article attempts to design a kind of ship's information management system.In addition,it elaborates on the hardware,software,database as well as E-R diagram of this system.

Information management;Network structure;Logic module;Database

U692.3

A

1671-9891（2014）03-0042-05

10.3969/j.issn.1671—9891.2014.03.012

2014-06-09

姚明捷（1977—），男，江苏南通人，南通中远川崎船舶工程有限公司技术本部工程师，硕士。