現(xiàn)代工程船舶施工信息無線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計,信息管理論文

現(xiàn)代工程船舶施工信息無線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計,信息管理論文中交上航局擁有百余艘各類工程船舶,華而不實大部分在中國境內(nèi)各沿海城市碼頭、航道、近海區(qū)域施工.這些船舶大多安裝了集成控制系統(tǒng),在本船可實現(xiàn)對船舶各類疏浚機具的集中控制[1].通過北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的短報文通信技術(shù)、移動通信網(wǎng)絡(luò)的國際互聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù),實現(xiàn)對各工程施工船舶實時或準(zhǔn)實時施工信息的采集,并將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)桨渡戏?wù)器,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲、分析、可視化再現(xiàn),是工程船舶生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)的設(shè)計目的.根據(jù)這個目的,將系統(tǒng)劃分為兩個大的分系統(tǒng),下設(shè)數(shù)個子系統(tǒng):1)通信系統(tǒng)包括移動通信網(wǎng)絡(luò)、北斗通信系統(tǒng)、負(fù)載平衡系統(tǒng)、傳輸控制軟件、壓縮傳輸軟件、控制系統(tǒng)接口軟件、文件系統(tǒng)接口軟件.2)生產(chǎn)信息管理應(yīng)用程序包括數(shù)據(jù)接入和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、應(yīng)用系統(tǒng)門戶網(wǎng)站、海況信息播報系統(tǒng)、潮位信息服務(wù)系統(tǒng)、施工船舶施工狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)視系統(tǒng)、船舶位置顯示系統(tǒng).根據(jù)水上工程施工項目管理的特點和船岸通信的特點,本系統(tǒng)在設(shè)計時需考慮下面制約條件:①結(jié)合移動通信網(wǎng)絡(luò)和北斗衛(wèi)星短報文通信兩種通信技術(shù),實現(xiàn)優(yōu)勢互補;②為適應(yīng)多種疏浚船舶控制系統(tǒng)和多種通信網(wǎng)絡(luò)的需要,船端數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸軟件各自獨立,通過標(biāo)準(zhǔn)接口交換數(shù)據(jù);③信息數(shù)據(jù)集中存放在岸上服務(wù)系統(tǒng),通過web服務(wù)的方式發(fā)布,用戶訪問數(shù)據(jù)和界面只需通過閱讀器登陸即可,無需安裝客戶端軟件;④不同的用戶設(shè)置不同的訪問權(quán)限,便于實現(xiàn)子公司或項目一級的信息管理.2系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計工程船舶信息管理系統(tǒng)由通信系統(tǒng)和應(yīng)用程序組成.基本通信系統(tǒng)完成通信任務(wù),包括傳輸控制、地址控制、壓縮解壓縮、分包與組裝、負(fù)載平衡等功能.應(yīng)用程序利用基礎(chǔ)通信的數(shù)據(jù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲、遠(yuǎn)程訪問、數(shù)據(jù)分析、可視化、功能界面等.2.1系統(tǒng)功能架構(gòu)圖系統(tǒng)功能架構(gòu)圖反映了系統(tǒng)的功能劃分和其層級關(guān)系,見圖1.2.2系統(tǒng)邏輯架構(gòu)系統(tǒng)邏輯架構(gòu)反映了系統(tǒng)內(nèi)部各分系統(tǒng)、子系統(tǒng)之間的層級關(guān)系、時序關(guān)系和依靠關(guān)系.1)控制系統(tǒng)接口和文件傳輸接口.分別接受控制系統(tǒng)計算和報表計算(自動或人工)的監(jiān)控信息數(shù)據(jù)和各類文件,并向上層傳輸,或反之;2)壓縮和解壓縮軟件.負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)壓縮解壓縮,以提高信道利用率;3)傳輸控制軟件.實現(xiàn)糾錯協(xié)議、拆包和組裝信息包;4)負(fù)載平衡軟件.收到信息包后,根據(jù)當(dāng)下網(wǎng)絡(luò)狀況選擇通過何種網(wǎng)絡(luò)傳輸信息包;5)信息傳輸鏈路.信息包經(jīng)過海事衛(wèi)星船舶地球站、移動終端或北斗船站通過無線信號傳輸?shù)街付ń邮斩?6)岸端拼裝.接收到信息包后經(jīng)相反的經(jīng)過獲取拼裝后的、完好的信息或文件;7)數(shù)據(jù)持久化.信息被轉(zhuǎn)發(fā)到標(biāo)準(zhǔn)OPC接口,并記錄到實時數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫;文件被記錄到歷史數(shù)據(jù)庫或文件系統(tǒng);8)WEB發(fā)布.在實時數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上,通過ASP.NET技術(shù)、IIS技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的Web發(fā)布和可視化.3通信系統(tǒng)3.1概要因移動通信網(wǎng)絡(luò)和海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)均基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò),且?guī)捿^寬,屬于正常通信范圍,無需多討論,下文主要闡述北斗通信系統(tǒng).傳統(tǒng)的移動網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)服務(wù),數(shù)據(jù)傳送速率高,但覆蓋范圍一般不超過沿海27nmile;北斗可覆蓋全國,但數(shù)據(jù)傳輸速率較低;基于海事衛(wèi)星地面站的網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍和速率都能知足要求,但通信費用高昂.本設(shè)計中包括通信傳輸控制和負(fù)載平衡軟件,在不同的通信要求下選用不同的通信系統(tǒng).3.2待傳輸信息的大小船位信息,經(jīng)度40bit,緯度40bit,艏向8bit,船速8bit,合約96bit;時間信息,48bit;絞吸單船數(shù)字量1300個,合約1300bit;絞吸單船模擬量650個,合約65012bit=7800bit;單點潮位數(shù)據(jù),模擬量一個,合約16bit.3.3北斗通信系統(tǒng)通信特點3.3.1北斗短報文覆蓋范圍東經(jīng)70-140,北緯5-55,基本覆蓋我們國家本土及外海全區(qū)域.3.3.2北斗短報文容量北斗短報文通信,每次服務(wù)能完成60個漢字長度的電文通信,本信息系統(tǒng)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)基本都超過60個漢字的長度,需要拆分成多個數(shù)據(jù)包發(fā)送.3.3.3北斗短報文傳輸質(zhì)量假設(shè)一條信息需要拆成5個包,以單包99%的成功率計算,信息的傳輸成功率是95.1%.單包99%的成功率是系統(tǒng)的固有性能,是無法突破的,需要在信息的重傳和糾錯上下功夫[2].3.4負(fù)載平衡3.4.1優(yōu)先級定義定義各類傳輸信號的優(yōu)先級.在帶寬受限的情況下,安全報警、緊急指令、關(guān)鍵機具狀態(tài)參數(shù)等高優(yōu)先級的信息將優(yōu)先傳輸.優(yōu)先級定義由優(yōu)先級定義配置工具和基于XML的優(yōu)先級定義文件組成,用戶能夠在獲得權(quán)限的情況下自行定義各信號的優(yōu)先級,具有通用靈敏的特點.3.4.2網(wǎng)絡(luò)調(diào)度和負(fù)載平衡系統(tǒng)檢測當(dāng)下網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)通信健康狀況,擇優(yōu)選擇通信網(wǎng)絡(luò).優(yōu)先使用移動網(wǎng)絡(luò),其次為北斗通信機,再次為船舶衛(wèi)星站.系統(tǒng)提供斷點續(xù)傳和緩存功能,由于帶寬等原因阻塞的信息將在網(wǎng)絡(luò)良好時通過特定的調(diào)度算法補發(fā)到岸上服務(wù)器.此時,實時信號具有較高優(yōu)先級.3.5傳輸控制傳輸控制軟件主要針對北斗短報文通信系統(tǒng),包括糾錯協(xié)議設(shè)計和拆包與組裝.移動通信網(wǎng)絡(luò)和海事衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)基于TCP/IP協(xié)議,是一種面向連接的,有糾錯的協(xié)議,本文不再討論.北斗衛(wèi)星系統(tǒng)通信鏈路層的傳輸控制由北斗通信機和衛(wèi)星協(xié)同完成,這里不再討論相關(guān)細(xì)節(jié).本節(jié)主要討論怎樣控制北斗通信機,實現(xiàn)短報文通信的糾錯和控制.3.5.1糾錯協(xié)議北斗通信遭到通信頻度的限制,采用請求重發(fā)的方式不能保證傳輸信號的實時性.本設(shè)計利用前向糾錯方式:在發(fā)送的信息中參加校驗碼,在接收端根據(jù)校驗碼對原始信息進行查錯和糾錯.糾錯編碼有很多種,詳細(xì)使用哪種需根據(jù)實測結(jié)果分析比擬后選擇.3.5.2拆包與組裝由于北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)的短報文通信有固定長度的限制(TCP/IP網(wǎng)絡(luò)也有報文長度的限制),所以有必要對較長的通信包進行拆分.拆分的原則是保持每個通信數(shù)據(jù)的獨立性,即單個通信元數(shù)據(jù)不會被拆分到多個通信包中,這樣有利于進行通信糾錯[3].拆包的方式有一個預(yù)先定義的偏移量表決定,這個偏移量表基于XML文件,系統(tǒng)提供適當(dāng)?shù)目梢暬ぞ呔庉嬈屏勘?通過這種方式,能夠大大降低系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸量:只需傳輸數(shù)據(jù)值而無需傳輸數(shù)據(jù)標(biāo)簽名.一般情況下,數(shù)據(jù)包能夠通過前向糾錯功能恢復(fù)原始數(shù)據(jù).假如發(fā)現(xiàn)錯誤且不能恢復(fù)則丟棄該數(shù)據(jù)包或請求重發(fā).由于采用了預(yù)先定義的偏移量表,丟失的報數(shù)據(jù)不影響其他報數(shù)據(jù)的正常接收和復(fù)原[4].3.6壓縮與解壓縮壓縮率取決于文件的特性和使用的壓縮算法.傳輸信息很短時,由于要添加相關(guān)的壓縮編碼字節(jié),壓縮效果為零,甚至要比原文件大;傳輸文件較大時,壓縮效果較好,但不能出現(xiàn)丟包,否則整個文件傳輸失敗.本系統(tǒng)傳輸?shù)奈募际瞧胀ǖ奈谋净蚨M制文件,壓縮率為85%左右.針對模擬量和數(shù)字量信號,采用改良的旋轉(zhuǎn)門壓縮算法,該算法運用了信號隨時間漸變的特性,壓縮率可達10%,同時能保證信號再現(xiàn)精度.但是,為了保證傳輸?shù)挠行нM行,必須再添加控制字、包編號、校驗碼等輔助字節(jié),估計24bit/包[5].3.7控制系統(tǒng)接口軟件控制系統(tǒng)是指船上已安裝的集成控制系統(tǒng).由于歷史、市場和技術(shù)的原因,中交上航局的疏浚船舶自動控制系統(tǒng)由多個供給商供給,這些系統(tǒng)沒有規(guī)范統(tǒng)一的接口.本項目設(shè)計了控制系統(tǒng)接口軟件,輸入根據(jù)每條船的詳細(xì)情況編寫數(shù)據(jù)采集接口,輸出采用統(tǒng)一規(guī)范的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)OPC接口,進而掃除接口障礙,真正做到數(shù)據(jù)互通互聯(lián).控制系統(tǒng)接口軟件具有下面功能:1)定義信號表(基于XML);2)定義接口方式(OPC);3)定義數(shù)據(jù)格式和精度.3.8文件系統(tǒng)接口軟件文件系統(tǒng)接口軟件的功能有:1)提供文件傳輸界面;2)定義文件傳輸接口;3)定義潮位數(shù)據(jù)等大文件數(shù)據(jù)分時、分割傳輸,遠(yuǎn)程查詢傳輸?shù)姆绞椒椒?4)支持?jǐn)帱c續(xù)傳.4生產(chǎn)信息管理應(yīng)用程序4.1數(shù)據(jù)接入包括負(fù)載平衡軟件、傳輸控制軟件、壓縮解壓縮軟件,基本功能和前節(jié)一樣.4.2數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫包括歷史數(shù)據(jù)庫和實時數(shù)據(jù)庫.實時數(shù)據(jù)庫在內(nèi)存中建立,具有更新快、查詢效率高的特點,用于支持當(dāng)下畫面數(shù)據(jù)的更新.歷史數(shù)據(jù)庫在硬盤上建立,生產(chǎn)信息監(jiān)控系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)庫與傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)有很大不同,具有并發(fā)數(shù)高,數(shù)據(jù)量大的特點.除了支持普通關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的關(guān)系表功能外,還支持增量存儲、數(shù)據(jù)壓縮、高速隨機訪問、高并發(fā)數(shù)讀寫.數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的功能有:定義數(shù)據(jù)庫、表;提供數(shù)據(jù)庫訪問接口;提供查詢、排序、計算等數(shù)據(jù)訪問服務(wù).4.3應(yīng)用系統(tǒng)門戶網(wǎng)站.應(yīng)用系統(tǒng)門戶網(wǎng)站是所有子系統(tǒng)的入口,基于IIS、技術(shù),其功能定義為:提供各系統(tǒng)的統(tǒng)一入口頁面;鏈接到各web應(yīng)用軟件;提供各用戶單位登陸入口、權(quán)限管理、系統(tǒng)管理界面.4.4船位信息服務(wù)基于GIS技術(shù);顯示船位、航向、艏向、航跡線;提供良好的交互界面.4.5船舶施工狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)視服務(wù)4.5.1耙吸挖泥船發(fā)布內(nèi)容1)推進系統(tǒng)的主要相關(guān)數(shù)據(jù),包括主機、泥泵和高壓沖水泵等;2)疏浚系統(tǒng)的主要相關(guān)數(shù)據(jù),包括耙臂、產(chǎn)量、裝艙和吃水裝載等;3)主要的施工界面,包括裝艙曲線、耙臂姿態(tài)顯示、文本顯示等[6].4.5.2絞吸挖泥船發(fā)布內(nèi)容1)推進系統(tǒng)的主要相關(guān)數(shù)據(jù),包括主機、泥泵等;2)疏浚系統(tǒng)的主要相關(guān)數(shù)據(jù),包括泵機狀態(tài),轉(zhuǎn)速負(fù)荷等、疏浚閘閥狀態(tài)、絞刀狀態(tài)、濃度流速信息等;3)主要的施工界面,包括鋼樁臺車、液壓系統(tǒng)、柴油機、封水系統(tǒng)等;4)查看濃度流速等產(chǎn)量相關(guān)信息及拋錨桿、真空釋放閥狀態(tài)等.4.5.3抓斗船發(fā)布內(nèi)容船位;主要施工畫面和信息,吊機傾角、回轉(zhuǎn)角度、方向、斗位、開口度;主要產(chǎn)量數(shù)據(jù),單位時間內(nèi)挖掘次數(shù)等.4.5.4鋪排船發(fā)布內(nèi)容船位、艏向;鋪排施工畫面,排位、出排速度等.5結(jié)束語當(dāng)代工程船舶大多裝有完備的施工監(jiān)控系統(tǒng),但這些監(jiān)控系統(tǒng)互相獨立、接口封閉,只能通過U盤拷貝等傳統(tǒng)手段進行數(shù)據(jù)交換,開發(fā)數(shù)據(jù)接口軟件,運用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的OPC接口能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的在線實時交換,同時便于對系統(tǒng)進行二次開發(fā).由于船舶一般處于近海施工,通信不便,構(gòu)成了典型的信息孤島,充分利用現(xiàn)有的移動通信、海事衛(wèi)星通信和北斗短報文通信系統(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)勢互補,打造質(zhì)優(yōu)價廉的多網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng),將各工程船舶的數(shù)據(jù)集中傳輸?shù)桨渡闲畔⒐芾碇行?信息管理中心的各應(yīng)用程序運用WEBSERVICE技術(shù),用戶能夠使用閱讀器直接訪問,無需安裝各種應(yīng)用程序客戶端即可實現(xiàn)各種豐富的功能,既方便了用戶的使用,也有利于開發(fā)和部署應(yīng)用程序.該系統(tǒng)的部分功能已經(jīng)開發(fā)完成并投入使用,測試運行良好.以下為參考文獻:[1]戴文伯.絞吸挖泥船自動控制系統(tǒng)實現(xiàn)[C]//第十九屆世界疏浚大會論文集.北京:2018.DAIWen-bo.Automaticcontrolsystemimplementationofcuttersuctiondredger[C]//Proceedingsofthe19thinternationaldredgingconference.Beijing:2018.[2]賈勝輝.北斗衛(wèi)星在氣象數(shù)據(jù)傳輸方面的應(yīng)用:經(jīng)濟發(fā)展方式轉(zhuǎn)變與自主創(chuàng)新[C]//第十二屆中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會年會論文集.福州:2018.JIASheng-hui.ApplicationofBeidouSatelliteNavigationSysteminmeteorologicaldatatransmission:thetransformationofeconomicdevelopmentmodeandindependentinnovation[C]//Proceedingsofthe12thChinaAssociationforScienceandTechnologyconference.Fuzhou:2018.[3]成方林,張翼飛,劉佳佳.基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的長報文通信協(xié)議[J].海洋技術(shù),2008(1):26-28.CHENGFang-lin,ZHANGYi-fei,LIUJia-jia.LongmessagecommunicationprotocalbasedontheBeidouSatelliteNavigationSystem[J].OceanTechnology,2008(1):26-28.[4]鄧玉芬,張博,沈明,等.基于北斗衛(wèi)星的海洋測量數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)[J].海洋測繪,2018(4):67-69.DENGYu-fen,ZHANGBo,SHENMing,etal.TransfersystemofthesurveydatabasedontheBeidouSatelliteNavigationSystem[J].HydrographicSurveyingandCharting,2018(4):67-69.[5]胡光明,馬民,蘇冉冉,等.RDSS短報文通信編碼壓縮技術(shù)研究[C]//第二屆中國衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)術(shù)年會論文集.上海:2018.HUGuang-ming,MAMin,SURan-ran,etal.Codingandcom-pressi