基于物联网技术的绿色航运监测系统的设计与实现

冯 宁, 吴晓锋, 林悦忱, 华 金, 李水生

(1．上海船舶运输科学研究所有限公司,上海 200135; 2．中远海运科技(北京)有限公司,北京 100010; 3．中国联合网络通信有限公司 上海市分公司,上海 200082)

0 引 言

近年来,随着国家“双碳”战略的发布和《绿色交通“十四五”发展规划》的制订实施,国内港口配套设施的建设步伐逐渐加快,国家对船舶排放控制区的要求日益严格。中国远洋海运集团有限公司(以下简称“中远海运”)积极响应国家号召,为正在运营的船舶加装了船舶岸电系统和脱硫塔等减污降碳设备。随着船舶环保设备的批量应用,信息孤岛等问题逐渐凸显,比如面对政府有关部门对航运企业岸电使用情况的数据统计需求,各航运公司大多以人工抄表和人工填报的方式应对。为更高效、客观、真实地对船舶环保设备的使用情况进行自动搜集、远程监测和统计分析,提升各航运公司的船舶智能管理和远程管理水平,中远海运于2022年初组织相关单位开展了绿色航运监测系统研发和应用推广工作。

中远海运聚焦《绿色交通“十四五”发展规划》提出的岸电、排污和排放等船舶靠港作业期间应重点关注的内容,采用物联网技术构建基于特定应用场景的绿色航运监测系统。在中远海运的船舶上部署船岸通信网关,接入船舶岸电系统,试点接入燃油流量计,初步形成覆盖集装箱船、散货船和客船等主营船型的边缘感知、加密远传和实时监测网络(见图1),为中远海运各职能部门和下属航运公司提供定制化的数据查询、业务分析、自动报表和风险预警等服务。

图1 绿色航运监测系统架构图

1 系统框架

绿色航运监测系统采用云、边、端协同数据框架的顶层设计理念设计,其架构见图1。从云、边和端等3个层面构建一种集船端数据汇聚、网络安全传输、岸端信息集成、数据多维展示和后台运营分析等功能于一体的绿色航运监测系统。

在该绿色航运监测系统中,船岸数据通信链路是连接船端与岸端的桥梁,必须选择一种场景适用、资费合理、传输可靠的船岸通信路径。早期的蜂窝电话技术和基站建设尚不能满足近海和内河航运的船岸通信需求;20世纪80—90年代的船岸数据通信多采用甚高频(Very High Frequency,VHF)频段数字调制解调技术[1]实现;随着卫星通信技术的发展,21世纪初船岸数据通信开始采用INMARSAT[2]和VSAT(Very Small Aperture Terminal)[3]海事卫星提供的全程E-mail服务实现。最近几年,国家加大了对沿海数字信息基础设施的建设,基于4G/5G蜂窝网络的物联网网络技术已能很好地与绿色航运监测系统的船岸数据通信契合。

绿色航运监测系统在船端部署一体化的船岸通信网关,采用现场总线连接船舶岸电系统、燃油流量计及其他船舶环保设备,采集相关数据,并通过4G/5G物联网网络将其传输给岸端代理服务器。中远海运数据中心服务器的代理服务器程序通过证书验证船岸通信网关的身份,与其建立可靠的长连接,接收并解析船端网关发送的数据。依托中远海运的行业级数据中台提供的数据抽取、数据存储和数据挖掘等功能,客户端服务程序基于Angular框架,针对业务处理进行封装优化,提供高效、简洁的开发模式,保证前端系统数据的安全性,支持用户以浏览器的方式访问该系统。

2 边缘感知

在边缘感知层方面,新研制的船岸通信网关的机械结构沿用上海船舶运输科学研究所有限公司的SRI-VC2100系列产品的结构(见图2)。该系列产品采用工业设计理念设计,具有结构坚固、安装方便和抗电磁干扰能力强等优点,拥有中国船级社型式认可证书。

图2 船岸通信网关实物图

硬件结构采用层叠式堆栈结构,上层为中央处理器(Central Processing Unit,CPU)核心模组,下层为蜂窝网络通信模组,2层模组均配置独立的电源模块供电,数字信号全部进行光电隔离。硬件架构采用双核心处理器架构, CPU核心模组选用NXP公司适于工业控制领域应用的具有丰富外设通信接口的ARM(Advanced RISC Machine)处理器,对外提供多路开关量I/O(Input/Output)接口、RS232/485/422串行通信接口、工业级以太网接口和CAN(Controller Area Network)现场总线接口,支持全球定位系统(Global Positioning System,GPS)和北斗的全星座定位导航模块。蜂窝网络通信模组选用RENESAS公司支持TrustZone技术增强型安全加密引擎的ARM处理器,建立起一道数据安全防火墙,外扩4G/5G通信模块实现物联网船岸通信。此外,充分考虑船舶甲板的环境温度情况,选用中国联合网络通信有限公司提供的工业级宽温度范围(-40～105 ℃)物联网SIM(Subscriber Identification Module)卡。

在软件设计方面,CPU核心模组支持NMEA0183报文解析,提供船舶靠港定位数据,定位精度能达到2.5 m;支持MODBUD RS485和MODBUS TCP通信协议栈组件,以及厂商自定义通信协议的二次开发,从而实现对各种船用自动化设备异构数据的汇聚;同时,根据应用场景需求开发相关的边缘计算算法,例如自动判别船舶岸电系统是左舷AMP(Alternative Marine Powered)正在接驳受电还是右舷AMP正在接驳受电的算法,以减少无效数据的网络传输。蜂窝网络通信模组软件能实现MQTT(Message Queuing Telemetry Transport)+TLS(Transport Layer Security)传输协议的客户端功能[4],客户端和代理服务器必须采用CA(Certificate Authority)证书颁发机构颁发的数字证书互相识别和验证对方的身份,并建立一个安全通道,支持长度为1024/2048/4096密钥的加密算法,从而保证传输的数据不会被第三方恶意窃听或篡改。

船岸通信网关在接入船舶岸电系统数据过程中,根据船舶岸电系统电压等级的不同有2种应用场景:

1) 中压岸电系统,配有继电保护装置,船岸通信网关通过RS485接口与继电保护装置连接(见图3a),实现数据采集功能;

图3 船舶岸电系统接入船岸通信网关示意图

2) 低压岸电系统,采用三相电流表改装智能电表的方案,船岸通信网关通过RS485接口与智能电表连接(见图3b),进行数据采集。

上述2种应用场景均采集船舶岸电系统的三相电压、三相电流、有功功率、无功功率、功率因数、正向有功电能、反向有功电能、正向无功电能和反向无功电能。

燃油流量计接入某型集装箱船的船岸通信网关示意图见图4,该船在建造阶段已安装基于科式力效应原理的燃油质量流量计和质量流量变送器等设备,燃油质量流量信号通过RS485现场总线传输给监测报警系统。为保证原有设备正常运行,同时兼顾4G/5G网关模块的数据通信需求,将船岸通信网关的RS485接口搭接在质量流量变送器与监测报警系统的通信线缆上,通过开发Modbus RTU监听程序,采用只听模式监听监测报警系统与变送器之间的Modbus主从通信报文,截获质量流量率、温度、密度和质量总计等数据,并通过物联网将其发送给岸端。

此外,依托船岸通信网关软硬件支持的多种类型的现场总线通信接口,该系统还能接入油污水排放系统、脱硫塔设备及其他具有数字化接口的船舶环保设备。

3 数据中台

中远海运行业级数据中台的云原生数据底座是以Hadoop3.2技术体系为基础优化的,能实现对结构化、半结构化和非结构化数据的统一存储计算。数据中台采用湖仓一体化设计,支持对PB(PetaByte)级数据的计算、存储、查询和分析;通过采集能力的可视化配置机制,支持多数据源的灵活连接适配,降低数据入湖复杂度,实现数据的快速采集接入;为全局采集共享的各类离线和实时接口提供注册、校验、监控和目录化管理机制,实现入湖数据与源数据的强一致性;提供数据开发、治理一体化DataOps能力,支持对数据的全流程在线化管理(包括数据设计、开发、共享、应用、质量管控和安全管理等),具备对数据和代码的质量及安全进行策略化配置的能力,提供数据能力敏捷化构建的规范框架和制作工具。图5为中远海运行业级数据中台架构图。

图5 中远海运行业级数据中台架构图

4 云接口和云服务

在云接口方面,采用开源软件Mosquitto作为消息代理(服务器)软件,支持MQTT V3.1协议,支持可发布/可订阅的消息推送模式。自主开发MQTT消息处理软件:一方面,通过安全证书与MQTT服务器连接,作为消费者接收设备端的消息;另一方面,对设备消息进行解密,按与船岸通信网关约定的格式解析消息内容,将其缓存到数据中台物联网信息平台中,同时作为生产者为数据中台的抽取程序服务。

数据中台抽取物联网信息平台船岸通信网关回传的数据,通过业务分析建立数据模型,搭建岸电接驳状态和燃油加注状态感知模型,融合云原生数据底座中其他系统的相关数据(如船舶信息数据、船舶自动识别系统、地理信息系统数据和班轮船期表等),将其推送给前端应用界面,用户可通过浏览器或在手机端登录监测系统。监测系统支持多种维度的数据图形化展示,为公司的职能部门提供一个实时、全面、直观的管理工具;能根据航运公司的营运需求量身定制各种自动报表(见图6),满足数据统计分析的需要。

图6 绿色航运监测系统客户端界面

5 应用案例

绿色航运监测系统自2022年10月在中远海运客运有限公司“龙兴岛”号客滚船上安装使用以来,已完成20余艘船舶(包括客滚船10艘、集装箱船9艘和散货船9)的船岸通信网关部署。

绿色航运监测系统云端服务程序以实时数据为基础,通过对数据进行抽取、加工、汇总和整理,构建绿色航运指标体系,根据实际业务和决策导向生成一系列直观、可挖掘的绿色航运数据分析产品。以岸电设备使用情况统计为例,此前采用人工收集数据、人工填写报表的方式,至少需要2 d时间才能完成1次统计,采用绿色航运监测系统之后,公司管理部门可随时登录系统查看多维度的自动报表,为节能降碳效用统计提供数据支撑。

此外,中远海运的绿色航运监测系统产品支持SaaS服务模式,目前正在积极拓展其应用范围,与港航管理部门和多家航运企业接洽,分享数智化的绿色航运管理理念,降低经营风险,提升企业的经济效益。

6 结 语

以往的船岸远程监测系统主要采集船舶机舱主辅机工况数据、导航及船桥系统的应用数据[5],并将其打包暂存于船载数据库中,定期发送给岸端数据库。中远海运根据绿色航运管理的实际需求,采用物联网技术研制了专注于船舶环保设备的实时监测管理系统。

利用船岸通信网关丰富的现场总线接口资源,围绕绿色航运监测设计初衷,目前正在研究将油污水排放系统、脱硫塔设备和碳捕捉系统接入该绿色航运监测系统中,全方位监测船舶绿色航运关键数据,助力航运管理的数字化转型。