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船舶信息管理系統(tǒng)的設計

2014-04-13 07:11姚明捷戚峰嚴婷婷
關鍵詞:數據表機艙監(jiān)測點

姚明捷,戚峰,嚴婷婷

(1.南通中遠川崎船舶工程有限公司技術本部,江蘇南通 226005;2.江蘇科技大學電子信息學院,江蘇鎮(zhèn)江 212003;3.江蘇鎮(zhèn)安電力設備有限公司設計部,江蘇鎮(zhèn)江 212000)

船舶信息管理系統(tǒng)的設計

姚明捷1,戚峰2,嚴婷婷3

(1.南通中遠川崎船舶工程有限公司技術本部,江蘇南通 226005;2.江蘇科技大學電子信息學院,江蘇鎮(zhèn)江 212003;3.江蘇鎮(zhèn)安電力設備有限公司設計部,江蘇鎮(zhèn)江 212000)

文章針對目前國內船舶的各類業(yè)務應用普遍處于分離狀態(tài),船岸溝通不便導致信息的脫節(jié)的問題,設計了一種船舶信息管理系統(tǒng),并詳細說明了系統(tǒng)的硬件、軟件及系統(tǒng)數據庫及E-R圖,具有一定的實際工程化應用意義。

信息管理;網絡結構;邏輯模塊;數據庫

0 引言

船舶的信息化和自動化管理是船舶未來設計的重要發(fā)展趨勢之一,隨著信息技術的迅速發(fā)展,傳統(tǒng)的船舶自動化系統(tǒng)正在向船舶信息集成化方向發(fā)展。其核心是利用計算機、網絡通訊、自動控制等技術,將通信設備、導航設備、機艙監(jiān)控、船務管理、視頻監(jiān)視系統(tǒng)等相對獨立的分系統(tǒng)納入到統(tǒng)一的船舶網絡系統(tǒng)中,實現信息集成。

我國的造船技術處于世界領先水平,在各類船舶上均有成熟的輪機監(jiān)控、綜合導航、報警系統(tǒng)、視頻監(jiān)視等系統(tǒng)。隨著嵌入式技術和網絡技術的發(fā)展,船舶的集成化水平將越來越高。因此,建立船舶信息管理系統(tǒng)已越來越受到各方面的重視,各種類型綜合平臺信息系統(tǒng)開始在船舶上逐步實施。[1]本文設計一種船舶信息管理系統(tǒng),構建了系統(tǒng)的總體網絡結構和硬件框架,在軟件開發(fā)中采用模塊化程序設計思想,劃分了各業(yè)務邏輯模塊,并詳細設計了數據庫中的主要數據表。

1 系統(tǒng)通信網絡設計

因為存在物理環(huán)境惡劣,震動大、溫度高、濕度高等因素,為實現船舶信息管理系統(tǒng)的功能需求和性能需求,保證網絡的可靠性,船上采用有線網絡連接方式組成一個局域網,組網方式為以太網方式。

系統(tǒng)網絡拓撲結構采用星形結構,星型拓撲結構所需的通訊電纜少,可靠性高。采用星形拓撲,網絡故障還便于診斷,又能提供方便的接入服務,在星形拓撲中,單個連接的故障只影響單個設備而不會影響到整個網絡。[2,3]岸端用戶通過衛(wèi)星通訊可以簡便、實時地對船舶狀態(tài)和現場設備參數進行監(jiān)控,為船舶提供及時準確的技術指導,進而提升船舶航行的安全性,系統(tǒng)總體網絡結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體網絡結構圖

2 系統(tǒng)硬件設計

鑒于船舶惡劣的工作環(huán)境,以及電磁干擾等不利因素,同時船舶在航行中還有嚴重顛簸、搖擺和振動,對硬件的可靠性要求很高。因此,系統(tǒng)在設計時特別選用高性能、高穩(wěn)定性的硬件設備,兼顧快速、精確的要求。硬件系統(tǒng)設備主要包括網絡服務器、網絡交換機、不間斷電源(Uninterruptible Power Systerm,UPS)、打印機、磁盤陣列、磁帶庫等,這里僅對部分設備的選型及要求作出分析。

(1)網絡服務器。系統(tǒng)采用兩臺互為備份的服務器,主干網服務器主要用于數據的存儲、信息收發(fā)等,每臺服務器要求有兩個10M/100M/1 000M自適應以太網接口。另外,服務器還要符合船用特殊條件,包括震動、溫度、濕度及電磁兼容性等。因此,選用HP E5620型號的網絡服務器,采用Windows Server2008作為網絡中心的操作系統(tǒng),并配合SQL SERVER 2005軟件,為系統(tǒng)提供高可靠的支撐環(huán)境。

(2)UPS。主干網供電系統(tǒng)采用在線式APC Smart-UPS,為交換機、服務器等設備提供獨立電源,當發(fā)生事故停電時,UPS立即將機內電池的電能,通過逆變轉換的方法向負載繼續(xù)供應220V交流電,使負載維持正常工作并保護負載軟、硬件不受損傷,UPS設備通常對電壓過大和電壓過低都提供保護。

(3)網絡機柜??紤]到機艙工作環(huán)境具有震動大、溫度高、電磁干擾強的特點,此處定制防護等級IP23(符合船用標準)的屏蔽網絡機柜,機柜底部、側面進行了加固以防止船舶的顛簸。

此外,船上濕度大、溫度差異大,網絡插座采用了密封性好、可靠性高的航空插座,網絡中心需要利用空調進行24小時的調溫、抽濕來滿足系統(tǒng)設備工作環(huán)境的溫濕度要求。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 業(yè)務處理模塊設計

本系統(tǒng)軟件設計采用模塊化程序設計思想,通過劃分功能模塊,設計各個模塊之間的數據流向,以保持良好的可讀性、可移植性和可擴充性,其總體框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能分析圖

3.2 動態(tài)數據采集功能模塊

數據采集模塊采集各導航設備(包括羅經、測深儀、GPS等)信息和機艙集控臺的設備數據,數據經解析、處理后存入實時數據庫,作為后臺數據調用顯示和數據分析處理的基礎,數據采集示意圖如圖3所示。

圖3 動態(tài)數據采集示意圖

(1)導航信息。導航設備發(fā)出的數據量較大,數據的用途很多,實船所需的僅是其中部分數據,從中挑選需要的數據,如:時間、經度、維度、速度、航向等信息,導航數據信息如表1所示。

表1 導航數據信息表

數據格式為美國國家海洋電子協(xié)會(National Marine Electronics Association)為統(tǒng)一海洋導航規(guī)范而制定的標準格式NMEA-0183,NMEA-0183標準定義了電子信號所需要的傳輸協(xié)議、傳輸數據時間,并且指明了信息格式需要一個4 800bps的串行數據接口,信息的一般格式為:$aaaaa,df1,df2,…[CR][LF],所有的信息由$(24)開始,以換行“CR(0D)LF(0A)”結束,緊跟著$后的五個字符表示信息的基本類型。[4]

(2)機艙數據。機艙集控臺采集各種機艙設備參數,系統(tǒng)與集控臺進行通訊,只需要向集控臺發(fā)送指令,就能獲取需要的機艙數據。與集控臺的通訊協(xié)議為Modbus協(xié)議,RTU傳輸模式,RTU模式與ASCII模式相比,表達相同的信息需要較少的位數。

Modbus協(xié)議是一種工業(yè)通信和分布式控制系統(tǒng)協(xié)議,在此協(xié)議上,控制其相互之間可以經過網絡和其他設備通信。本文中Modbus協(xié)議應用于主/從式點對點通信,主站要數間隔為1s,物理層采用RS485串行通信標準來實現,能夠很好地滿足實時性要求。[5]

在Modbus RTU中,主站設備發(fā)送一個信息,相應的從站設備返回一個響應,當通訊命令由主機發(fā)送至從站時,符合相應地址碼的從站接收通訊命令,并根據功能碼及相關要求讀取信息。如果CRC校驗無誤,則執(zhí)行相應的任務,然后把執(zhí)行結果發(fā)送給主站,Modbus RTU的查詢響應示意圖如圖4所示。

圖4 Modbus RTU的查詢響應示意圖

本系統(tǒng)數據幀結構定義如下:①主站向從站設備發(fā)送要數命令格式,從站地址(02)+功能碼(03)+寄存器地址高字節(jié)+寄存器地址低字節(jié)+數據個數(高字節(jié))+數據個數(低字節(jié))+CRC(低字節(jié))+CRC(高字節(jié));②從站向主站設備發(fā)送回數命令格式,從站地址(02)+功能碼(03)+返回的數據字節(jié)數(1個字節(jié))+數據1(2個字節(jié))+數據2(2個字節(jié))+……+數據n+CRC(低字節(jié))+CRC(高字節(jié))。

4 數據庫設計

本系統(tǒng)的所有操作都是以數據庫為基礎而展開,如數據查詢、信息修改、數據分析等,因此數據庫在本系統(tǒng)中占據著重要地位。根據船舶的業(yè)務需求和安全操作的實際應用特點,建立了數據庫文件shipping. mdb,部分數據表信息如表2所示。

由于篇幅有限,本文只將系統(tǒng)部分功能模塊數據庫表的設計內容作簡單闡述:

(1)Jicang_real。該表用來存儲機艙最新實時數據,包括時間(time)、監(jiān)測點1編號(0512)、監(jiān)測點2編號(0808)、監(jiān)測點3編號(0820)等參數,其中時間設置為主鍵。由于監(jiān)測點眾多且參數點數龐大,如果長時間運行并記錄保存所有的數據,則會導致數據總量急速增長,因此該數據庫會對過期的數據進行刪減,保留最新的60條記錄,機艙實時數據表設計的詳細結構信息如圖5所示。

表2 數據表信息

(2)Alarm_info。該表用來存儲機艙各設備參數的報警閥值信息,包括監(jiān)測點編號(code)、監(jiān)測點名稱(paraname)、報警類型(type)、報警上限參考值(limitup)、報警下限參考值(limitdown)、修改時間(modifydate)、修改人姓名(modifer),其中監(jiān)測點編號設置為主鍵,機艙參數閥值信息表設計的詳細結構信息如圖6所示。

圖5 機艙實時數據表

圖6 機艙參數閥值信息表

對上述各表作了詳細結構設計后,畫出數據庫中各表之間的關系E-R圖,如圖7所示。

圖7 數據庫E-R圖

5 結束語

本文根據船舶實際工程化應用的需要,闡述了船舶信息管理系統(tǒng)總體設計的原則,并從系統(tǒng)可靠性角度考慮,構建了整個系統(tǒng)的硬件框架和網絡結構。在軟件開發(fā)過程中,遵循模塊化程序設計思想,劃分了動態(tài)數據采集、數據處理、實時監(jiān)測、船員管理等業(yè)務邏輯模塊,并詳細設計了各模塊功能實現的相關數據庫。最后對主要數據庫的數據表進行了詳細設計,并給出了各數據表之間的關系E-R圖。本系統(tǒng)設計從提高船舶航行安全性和營運經濟性的角度出發(fā),可為船舶信息管理系統(tǒng)設計提供參考。

[1]李晶.船舶綜合平臺信息系統(tǒng)研究與實現[D].武漢:華中科技大學,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]張言.基于B/S的起重船舶遠程監(jiān)控系統(tǒng)的研究[D].上海:上海海事大學,2007.

[4]黃文燦.IBS綜合船舶信息顯示系統(tǒng)的設計與實現[D].大連:大連海事大學,2012.

[5]黃育和,程韜波.基于Modbus RTU協(xié)議的數字智能模塊的設計[J].機電工程技術,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,江蘇南通人,南通中遠川崎船舶工程有限公司技術本部工程師,碩士。

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