（轮机工程专业论文）基于bs的船舶远程监控系统的设计与实现.pdf

中文摘要 摘要 自动化控制技术，计算机技术，通讯技术的飞速发展，对船舶的监控和管理 也提出了全新的要求。船岸数据同步，远程监控，在线监控就是在这种条件下应 运而生的。这些技术不仅从理念上更新了现代船舶管理人员的头脑和视野，也为 现代轮机管理提供了可靠有力的技术支持。现代监控技术的采用，对于保持船舶 动力装置的可靠性和完成预定的营运功能起到至关重要的作用，必将为解决船岸 孤岛瓶颈迈出崭新一步。 本文重点是对b s 模式下的“育鲲”轮远程监控系统的实现。 首先，文章对以往的在线监控系统的现状进行分析。针对先前采用c s 方式 实现的三峡库区运输船舶节能实用技术研究，远洋船舶及货物运输在线监控 系统两个项目，分析比较了c s 与b s 的优缺点，提出了使用b s 模式实现“育 鲲 轮远程监控的方法。 其次，本文的三、四、五章是全文的核心部分。在遵循b s 架构基本原则的 条件下，本文第三章对b s 模式下实现“育鲲”轮远程监控进行详尽的整体架构， 并详细介绍了各功能模块的实现过程，提出了相应的优化方案。第四章介绍了对 机舱数据进行分析处理的相关方法，通过对时间序列中的小波分析、m a n n k e n d a l l 等方法的研究，最终选取m a n n k e n d a l l 方法对机舱数据进行突变点的检测，并实 现了多级预警功能。第五章是对b s 模式下“育鲲”轮船舶远程监控系统的软件 实现，以网页的形式将设备参数的动态曲线，历史数据，报警信息和预警功能等 形象的给予展示。 最后，结合自己在项目中所作的工作和在本文实现过程中所存在的困难，对 论文进行了总结并对船舶远程监控的发展予以展望。 关键词：b $ ；船舶远程监控系统；预警；异变；时间序列 a b sir a c t w i t h r a p i dd e v e l o p m e n to fa u t o m a t i o n c o n t r o l t e c h n o j o g y c o m p u t e r t e c h n o l o g ya n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , m o d e ms h i p p i n go 虢r sn e wd e m a n d s t 0 t h em 伽t o t i n ga n d m a n a g e m e n to ft h es h i p s h i p - s h o r ed a t as y n c h r o i l i z a t i o i l r e m o t e m o n i t o r i n ga n do n l i n em o n i t o r i n gc o m ei n t ob e i n gi nt h i sc o n d i t i o n 妣h 1 1 0 1 0 9 y n o t0 1 1 l ye n r i c h e st h em i n da n dv i s i o nf o rm o d e m s h i pm a l l a g e m e n t 谢t hr e s p e c tt 0 t h et t l e o r y ,b u ta l s o p r o v i d e sar e l i a b l e t e c h n o l o g ys u p p o nf o rm o d e mm 撕n e e n 毋n e e n n gm 锄a g e m e n t m o d e m m o n i t o r i n gt e c h n o l o g yp l a y sa ni m p o r t 觚tr o l ei i l m a i n t a i n i n gt h er e l i a b i l i t yo f s h i pp o w e rp l a n ta n dc o m p l e t i n gt h es c h e d u l e do p e r a t i n g i u n c t l o n ，a n dw i l lo v e r c o m et h eb o t t l e n e c ko f s h i p s h o r ec o m m u l l i c a t i o n ih ek e yp o i n to ft h i s p a p e ri si m p l e m e n t i n gr e m o t em o n i t o t i n g s y s t e mo f y u k u nb a s e do nb s t1 r s t j y ，t h ep r e s e n ts t a t u so ft h e s h i p - o n l i n em o n i t o r i n gs y s t e mi sa n 甜v z e d c o m b l m n gw i t ht w op r o j e c t s “t h ea p p l i e de n e r g ys a v i n gt e c h n o l o g yo ns h i pi n t h r e eg o r g e sr e s e r v o i ra r e a a n d “s h i p c a r g oo n l i n em o n i t o r i n gs y s t e m ”，t h e a d v 姐t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fa p p l y i n gc sm o d ea n db sm o d ea r e 猢1 y z e da n d c o m p a r e d ，a n dt h em e t h o do fb sm o d e s y s t e mf o ry u k u n i sp r o p o s e dt oa c h i e v er e m o t em o n i t o r i n g s o n d l y , c h a p t e rt h r e e ，f o u ra n df i v ea let h ec o r eo f t h i sp a p e r i nc h 印t e r t h r e e ， h o wt oa c l l i e t h er e m o t em o n i t o r i n go ny u k u n w i t ht h ep r i n c i p l eo fb ss t r u c 嘶 1 sd i s c u s s e dm d e t a i la sw e l la st h ep r o c e s st oc a l t yo u t t h e nt h ea c c o r d i n g o p t i m i z e d p l a n1 sg i y e n i nc h a p t e rf o u r , t h em e t h o d st od e a lw i t ht h ed a t af r o me n g i n er o o m i s i n t r o d u c e d t h em a n l l - k e n d a l lm e t h o di sc h o s e nt ot e s tt h es u d d e n t h a n g ep o i n ti nm e d 蛾a rt h ec o m p a r i s o n sa m o n gw a v e l e tt h e o r y , m a n n - k e n d a l lm e t h o d ，锄ds o o n i h em e t h o dc a na l s oe f f e c tm u l t i p l e - l e v e l a l e r tf u n c t i o n i nc h a p t e rf i v e ，h o wt o d e s l g nt h es o f t w a r ef o rt h em o n i t o r i n gs y s t e mi sf i g u r e do u t t h es o 舢es h o w s v 1 d l yt h em o v i n gc u r v e s ，h i s t o r i c a ld a t a , a l a r mi n f o r m a t i o na n d 甜e r tn m c t i o nb v u s i n gt h ew e b p a g e a tl a l s t ，t 1 1 ec o n c l u s i o ni s f i g u r e do u ta n dt h ed e v e l o p m e n to ft h em o n i t o r i n g s y s t 锄1 8p r e d i c t e dw i t hr e v i e w i n gt h ew o r kf o rt h i sp a p e ra n d t h ed i f f i c u l t i e si nt h e 英文摘要 k e yw o r d s ：b s ：r e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mo fs h i p ；e a r l yw a r n i n g ；p h a s i c c h a n g i n g ：t i m es e r i e s ： 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博士硕士学位论文 竺基王垦么s 的魈舶适程堕控丕统数遮盐皇塞现：。 除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体 已经公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：薹叛蒙州9 年多月y 钼 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密闽名青在以上方框内打“ ) 论文作者签名巍k 翩签名：芸毫矗( 代夕 同期：) 刃口年莎月工目 基tb s 的船舶远程监控系统的设计与实现 第1 章绪论 1 1 课题背景 海上运输在全球性国际贸易中占有极其重要的地位，我国出口货物中近九成 的货物是通过海上运输完成的。近几年来，随着我国经济快速稳步的发展，国内 对铁矿石、粮食、煤炭、石油等初级产品的需求量日渐增长，但相应的货物运输 能力却无法满足市场的需求，使得海上运输瓶颈现象凸现n3 。 通过海上投入大量运力，能够快速解决运需瓶颈，但由于造船能力的限制， 短期内又难以实现。况且大量运力进入市场，又会造成运力过剩的问题，这种方 法并不是解决运需瓶颈的良策。所以在现有运力基础上提升运输效率，不仅是市 场良性发展的需要，也是解决运需瓶颈的有效途径。 船舶运输周期、安全、压港等是制约海上运输效率的主要因素。传统的船舶 管理方式存在着船岸脱节现象。信息滞后、监控乏力、反应迟缓等是存在的主要 弊端。船舶远程监控管理系统的出现，在一定程度上克服了传统船舶管理方式的 不足，实现了对船舶信息动态、及时、全面的管理。 三峡库区运输船舶节能实用技术研究项目以三峡库区营运船舶为研究对 象，系统地对三峡库区营运船舶的航行状况及航道特点进行了研究。在此基础上， 开发出了三峡库区船舶优化操纵软件，通过船用柴油机油耗监测仪的研制，结合 燃油流量计，实现了对船舶燃油消耗的精细定量控制，对主机油耗进行动态显示， 引导船员采用合理的方式驾驶船舶，达到了营运船舶节能的目的。此项目实现了 船端c s 模式的油耗实时显示，实时数据船岸同步，岸端同样以c s 模式对船舶 进行实时监控。远洋船舶及货物运输在线监控系统是大连海事大学与中远集 团合作的项目，也是通过c s 模式实现对远洋船舶机舱及货物数据的岸端在线监 控。该远程监控系统覆盖了中远旗下的3 0 多条远洋运输船舶，在国内远洋船舶 远程监控领域处于领先地位1 2 。 结合以上两个项目所实现的船舶远程监控系统，针对c s 模式下的远程监控 系统在客户端布置上存在局限性，本文提出了采用b s 模式实现“育鲲”轮的远 程监控。 第l 章绪论 1 2 船舶远程监控现状分析 船舶监控是针对船舶设备的运行参数监测而言的。船舶监控主要分为船端的 本地监控和陆岸端的船舶远程监控。 船舶本地监控就是以前船舶普遍采用的监控方式，主要是就集中式结构、分 布式结构、现场总线控制系统( f c s ) 和全船网络型而言的，这种监控由于受到 通讯技术的制约，只能在船端实现对设备运行参数的监控。比较有代表性的监测 系统包括：分布式机舱数据监测系统，典型产品有德国s i m e n s 公司的s i m a 3 2 c 系统和挪威n o r c o n t r o l 公司的d a t ac h i e f l 0 0 0 系统。2 0 世纪九十年代后， 船舶机舱设备的监测逐渐转向分布式计算机监测。此类系统的代表性产品是西门 子的m a c 一3 3 监控管理系统f 3 1 4 1 。 船舶远程监控技术是近年来伴随着通讯技术的飞速发展，衍生出的一种远程 监控方式。船舶远程监控根据监控要求的不同可划分为两种主要类型，一种是船 端不实施监控，即数据在船端不做分析及显示，而是将船端数据采集后直接通过 通讯端传输到岸端服务器进行处理，这种远程监控与船端的直接监控没有多大的 区别，只是数据传输在空间和距离上比现场监控系统要远，船端的通讯设施主要 包括船站通讯、海事卫星等，由于这些通讯设施在数掘传输方面或多或少都存在 着延时，因此数据的显示也就相应的存在着时间上的滞后。其它部分则和船端监 控系统相同；另一种是船端监控与岸端监控并存。船端普遍采用的是现场总线技 术把分布于各个设备的传感器、监控设备等连接起来，也就是说总线相当于起到 了汇流的作用，新型组网技术可能会结合局域网技术，将船端各个监控点用局域 网连接起来，这样在船端就形成了内网。由于局域网可以使用共享资源，这种方 法可以更好的结合目前日益增加的监控点的要求，方便监控的布i 置【5 1 6 1 。 目前船舶远程监控所应用的技术主要包括，现场数据采集技术、远程通讯技 术( 远洋的船站通讯，近海的海事宽带，加上随之发展起来的3 g 无线网络) 、 i n t e r n e t 技术和局域网技术结合计算机编程技术等。 1 3 课题的提出及研究的意义 1 3 1 课题的提出 大连海事大学教学实习船“育鲲 轮，是专门为航海类专业学生认识实习和 2 基于b s 的船舶远程监控系统的设计与实现 毕业实习所建造的教学实习船。船上配备了最为先进的主机遥控系统，调距桨， 减摇鳍等设备，可以使学生更为直观的对现代船舶动力装雹进行认识和了解。船 舶机舱设备的远程监控是现代轮机管理发展的要求，对于新一代的船舶管理人 员，了解并掌握船舶机舱设备的远程监控显得格外的重要。 本文结合作者曾经参与过的两个船舶远程监控项目，通过对目前国内外船舶 远程监控系统的研究了解到；船舶运输公司的管理层对船舶远程监控的要求已经 从界面的个性化向监控的广泛性，智能性，灵活性方向转移。而基于b s 模式下 的船舶远程监控技术的出现和发展可以很好的解决这一点，因此本文提出了针对 “育鲲 轮基于b s 的船舶远程监控。 1 3 2 本课题的研究意义 基于b s 模式的船舶远程监控系统的实现，可以使船舶远程监控不受地理及 计算机配置等限制，可以实现随时随地的监控，即打开网页输入网址即可以对船 舶动态进行了解，并对机舱设备运行参数进行监控。通过权限的限制，管理层可 以通过任何能够访问i n t e r n e t 的设备，可以是电脑，也可以是手机，方便的了 解船上的信息，这一技术增加了监控的覆盖面，也提高了监控的灵活性【7 1 1 引。 数据传输技术的快速发展，包括现在普遍采用的f 站通讯，小流量数据可以 采用按流量收费的传输标准，大流量可以采用按时间收费标准的方式进行传输。 海事宽带和3 g 网络支持大流量的数据传输，为视频监控提供了可能性。有了先 进的通讯技术的支持，对于船舶故障的早预警，早发现，早解决提供了有力保证。 1 4 本课题主要研究内容 本文以三峡库区运输船舶节能实用技术研究和远洋船舶及货物运输在 线监控系统两项目为研究背景，提出了采用b s 方式实现船舶远程监控系统的 方法。 首先，结合船舶远程监控系统的发展现状，对现有的c s 技术和b s 技术进 行了介绍，通过对比提出了采用b s 模式的优势。 其次，结合“育鲲 轮现状，包括船上现有的软硬件基础，对基于b s 的船 舶远程监控系统进行了整体架构。 再次，对从“育鲲”轮上采集来的数据进行了数据分析，建立了数学模型。 第1 章绪论 提出了数据分析处理的解决方法。 最后，结合w e b 网页开发相关技术，实现了船舶远程监控岸端展示系统的界 面功能。 1 5 论文结构 第l 章结合船舶远程监控系统的发展现状，提出采用b s 方式实现船舶远 程监控的方法。 第2 章通过c s ，b s 优缺点进行对比，突出b s 的灵活性。 第3 章对整个远程监控系统框架进行构建，详细介绍各功能模块的实现。 第4 章建立机舱数据预警分析模型。 第5 章通过b s 界面，展示系统功能。 第6 章对全文进行总结，提出不足及展望。 4 基于b s 的船舶远程监控系统的设计与实现 第2 章b s 远程监控技术体系结构及相关技术 2 1 远程监控技术介绍 远程监控技术是集现代通信技术、计算机技术、故障诊断技术为一体的一门 新的交叉技术。所谓远程监控，就是借助远程网络对系统进行故障监控诊断的技 术，将提供故障监控诊断服务的远程客户端和服务器端通过计算机通信网络连接 起来。当现场设备出现故障时，系统可以通过计算机通信网络将现场设备状态信 息实时传输到远程监控诊断专家中心，由专家对设备故障进行诊断。在远程监控 中，本地计算机借助通讯网络，由现场节点将选定观测的数据传输至主控中心： 主控中心通过分析和处理这些数据和历史数据，可推测出工作现场的状态，并根 据具体情况进行相应处理，从而实现对工作现场环境的监视与控制【9 - 1 1 】。 远程监控的实现是通过本地局域网络，i n t r a n e t 企业内网，i n t e r n e t 互联 网等多种通讯介质，对远端进行监视和控制，通过数据传输介质，可以实现对分 散控制网络的状态监控，通过在监控端设置分析处理程序，可以实现设备的远程 诊断维护等功能。远程监控系统通常情况下由通信媒体( 数据传输方式不同而不 同) 、计算机软件( 编程实现设备之间的连接，数据的显示) 、硬件系统( 底层监 控设备) 组成。在工业生产中，往往存在现场设备分布广泛或数据不易通过人为 方式采集的场合，但是，还需要能够及时地监视设备的运行状态并采取有效措施 进行远程控制，这就需要采用远程监控技术1 1 2 - 1 5 】。 远程监控可以将企业内部的信息网( i n t r a n e t ) 与本地设备所处的控制网( 现 场网络，局域网或总线结构) 有效地连接起来。决策者或者管理人员通过内部网 络可以实现对生产、运营情况的随时掌握。这样可以实现不再单单只依靠现场的 人员对设备故障的判断，而是实现多人共同分析，最终形成思路汇总，形成统一 可行的方案。这种监控方案对于实现机器的自动化管理至关重要。随着故障诊断 系统的发展，通过远程监控可以实现将现场运行设备参数，主要是实时采集数据， 快速准确的传输到监控端，通过对现场获得的监控数据进行故障分析，这是远程 故障诊断技术的基础f 1 纠8 】； 2 2 远程监控系统主要模式 远程监控系统主要采用3 种模式来实现，即面向c o r b a 技术、客户机服务 5 第2 章b s 远程监控技术体系结构及相关技术 器( c l i e n t s e r v e r ，c s ) 模式、浏览器服务器( b r o w s e r s e r v e r ，b s ) 模式。 面向a g e n t 的c o r b a 技术是一种新型的跨平台接口和模型，具有较高的独立 性，与编程语言、计算机软硬件平台和网络协议无关。这种技术还不成熟，还处 于研究和发展之中。下文主要对c s 体系结构及b s 体系结构展开介绍。 2 2 1 传统的c s 体系结构 c s ( c l i e n t s e r v e r ) 结构，即客户端和服务器结构。c s 结构的应用能够 很好的利用客户端和服务器在硬件方面的优势，将任务合理分配到客户端和服务 器端来实现，有效降低了在通讯方面的投入，在大多数的应用软件系统中得到了 广泛的应用。但c s 结构采用的是两层结构，即结合了用户界面与业务逻辑的客 户机系统和通过网络应用所结合的数据库服务器。这样的结构需要一定的软件支 持，还要针对各种不同的操作系统来开发各自所需要的软件，并且由于计算机技 术的高速发展，对软件的升级换代方面也变的越来越快。已经难以适应广域网和 局域网上的多用户同时使用。由于c s 结构的客户端同时承担着表现层和业务逻 辑层两个功能，导致在客户端需要安装大量的软件，并且对机器的配置要求较高， 维护和升级频繁，在界面操作上要求对用户进行系统的培训，使得运行上的成本 逐渐增加，一定程度上限制了网络的应用范围，随着计算机网络技术和通信技术 的高速发展，c s 结构已经显示出了一定的局限性。具体表现如下： 1 客户端程序部署困难。采用c s 模式开发的软件系统，除了要在服务器端 安装软件外，还要对每台客户端电脑安装客户软件。并且针对软件中较为复杂的 功能，要对用户进行相应的培训，才能确保用户能够正确使用； 2 跨平台使用时受限。平台主要是指操作系统，客户端根据客户的需求不同， 可能采用不同的操作系统，如w i n d o w s 家族、u n i x 、l i n u x ，操作系统对程序语 言的移植性有要求。为不同的操作系统编写不同的客户端程序，是不现实的。然 而，为了迎合客户端程序，而对操作系统进行修改，当系统用户较多时，需要耗 费大量的资金。 3 客户端软件的升级维护成本高。c s 模式客户端服务器都需要维护，由于 受到地域限制，客户端可能多地分布，在客观上对维护人员的要求较高，不仅增 加了程序维护的工作量，而且增加了维护成本。 6 基丁b i s 的船舶远程监控系统的设计与实现 222b $ 体系结构 浏览器服务器结构，即现在较为流行的b s 结构。它是随着i n t e r n e t 技术 的快速发展，在传统的c s 结构的基础上发展出来的。b s 结构将c s 结构的客 户端负责的业务逻辑层单独划分出来，独立形成中间层即w e b 服务器层。使b s 结构形成了w e b 浏览器胛e b 服务器数据库服务器的三层结构。从而减轻了客户 端电脑的负荷，并为后续的系统升级和维护提供有力的条件。 在b s 体系结构中，所划分的三层具体体现为表现层，业务逻辑层和数据层， 他们分别由w e b 浏览器、w e b 服务器和数据库服务器来实现具体实现过程如图 2 l 所示： 圈 w e b 浏览器 ( 表现层) w e b 服务器 ( 业务逻辑层) 数据库服务器 ( 数据层) 图21b s 三层应用结构 f 培2 1 1 6 口a p p l i c a t i o n m h i t e c t u m 1 ) 表现层的任务是通过w e b 浏览器将用户的数据请求发送到w e b 服务器， 并把从w e b 服务器返回的结果展示给用户。 2 ) 业务逻辑层是由w e b 服务器实现，它的主要任务是接收用户的请求后， 执行相应的应用程序来访问数据库，并接收由数据库服务器返回的查询结果，并 将结果通过通用的格式( 如h t f l ，j s p 等) 返回给w e b 浏览器。 3 ) 数据层是由数据库服务器实现，其主要的任务是完成w e b 服务器发送的 对数据库进行查询、更新、删除等操作的请求并把执行的结果返回到w e b 服务 器。 ， 第2 章b s 远程监控技术体系结构及相关技术 这样的三层结构，使得各自的分工更加的明确，客户端不再需要处理相对繁 琐的计算和访问数据库的任务，只需要完成显示功能，大大减轻了客户端的任务。 并且程序维护人员也不再需要奔波于各个客户端，只要将精力放到w e b 服务器实 现业务逻辑的程序更新升级方面。特别是在面向对象的跨平台编程语言出现( 如 j a v a 语言) 之后，更是体现出了b s 结构体系的优势 1 9 - 2 2 1 。 2 3s s 结构功能实现的主要特点 相对c s 结构而言，采用b s 结构实现远程实时监控是次深刻的变革，它 具有如下突出优点： 1 ) 客户端是网页页面，只进行功能显示，：数据的存取和数据分析处理放在 后台运行，主要是指服务器。由于数据采用集中处理，一定程度上降低了对客户 端的要求，进而降低了丌发和使用成本。 2 ) 维护设计简便。b s 结构只有服务器端的数据在动态改变，可以把系统 的维护保养主要精力放在服务器功能维护上。升级工作也只需要在服务器端进 行，不需要对所有客户端进行更新，大大降低了工作量，降低了程序维护升级的 后续成本。 3 ) 便捷的用户操作。浏览器具有广大用户非常熟悉的界面，只需要打开网 页，通过鼠标操作，页面刷新就可以实现远程实时监控。几乎所有的用户都用过 浏览器，所以，无需培训，用户可直接使用，利于程序的推广。 4 ) 现存的操作系统基本上都有浏览器，在软件布置上无需考虑兼容性问题。 通过以上分析可以得出：b s 体系结构是一种基于i n t e r n e t 的w e b 技术， 结合传统控制原理，在一定程度上扩大了监控应用的范围，拓展了监控功能，增 加了监控的灵活性。这种便捷，灵活，友好的监控方式具有极强的生命力。 2 4 基于b s 结构的船舶远程监控 船舶远程监控旨在解决船岸信息闭塞问题，通过方便快捷的方法实现船岸数 据的沟通，对船舶整体状态的监控显得格外重要。 b s 方式构建船舶远程监控系统对于实现船舶的监控具有诸多优点。无论从 软件的开发，系统的构建，到日后的升级维护，归结到成本问题及灵活性，b s 架构都能很好胜任。所以在解决“育鲲”轮的远程监控问题上，本文采用b s 8 基于b s 的船舶远程监控系统的设计与实现 的方式来实现 2 3 - 2 5 】。 2 5 实现b s 船舶远程监控系统的核心技术 基于b s 船舶远程监控系统的软件设计，是以j a v a 语言作为底层的编程语 言，以e c l i p s e 的m y e c l i p s e 企业级工作平台( m y e c l i p s ee n t e r p r i s ew o r k b e n c h 简称m y e c l i p s e ) 软件做为系统开发平台，选用s q ls e r v e r2 0 0 0 作为岸端数据 库。并在系统的设计中使用了j s p 动态网页技术，j d b c 数据库访问技术，基于 b i v c 的s t r u t s 框架，j a v a s c r i p t 网页特效技术和f u s i o n c h a r t s 图形生成技术等。 下面对实现b s 船舶远程监控系统的主要核心技术进行简要的介绍。 2 5 1 面向对象的j a v a 技术 j a v a 是s u n 公司推出的一种完全面向对象的编程语言【2 6 1 。使用j a v a 语言能 够实现跨越多平台开发可移植性最高的w e b 应用程序。j a v a 语言开发的应用程 序可以运行在多种w e b 服务器中，能够连接各种小型、中型和大型数据库进行企 业级项目开发。j a v a 语言给w e b 的交互性带来了革命性的转变，j a v a 的一个显 著优点是运行时环境提供了平台独立性：你可以在w i n d o w s 、l i n u x 或其他操作 系统上使用完全一样的代码。这点对于在各种不同平台上运行从因特网上下载的 程序来说是非常有必型2 7 11 2 8 。j a v a 技术的优点如下： ( 1 ) 语法结构简单 j a v a 语言在语法方面同c ，c + + 相比较，一个重要改进是不再使用指针算法， 操作符重载等，这些对于系统编程来说是相当大的困扰。 ( 2 ) 体系健壮 编程体系完善，它采取多种机制来完成错误的检查，尤其是早期错误检查， 编程后期可实现动态检查，有力的防止很多可能产生的错误。j a v a 采用的指针 模型较为简单实用，能减小内存重写和溢出，数据崩溃的可能性也大大降低。 ( 3 ) 分布式 j a v a 同网络通讯协议t c p i p 协议族( 如h t t p ) 有很强的融合性，程序能够 通过u r l 来穿过网络进而访问远程对象，由于j a v a 很好的跟网络相结合，使其 对远程数据的访问同本地调用一样，简便灵活。j a v a 的网络处理能力相当丰富， 而同其它编程语言相比较，又更容易上手，这就是我们所说的入门容易。 9 第2 章b s 远程监控技术体系结构及相关技术 ( 4 ) 程序可实现多线程 程序利用多线程可以更好的实现多任务并行执行，实现多点监控，同步完成。 现代计算机普遍采用的是多处理器( 双核或者更多) ，如果程序采用多线程可以 更好的利用c p u 。j a v a 程序对线程的调用不随计算机的改变而改变，多线程的实 现主要通过接口技术，通过接口调用操作系统或线程库。 2 5 2 动态网页j s p 技术 j s p ( j a v as e r v e rp a g e s ) 技术1 2 9 1 ，是面向动态网页设计的技术，能很好的 结合多线程，由于其在网络编程上功能强大，目前普遍应用于跨平台的w e b 服务 器脚本开发。基于b s 模式的船舶远程监控系统要把所要监控的设备实时运行情 况，设备历史数据等发布的内容以网页方式显示给用户，要求反映给用户的实时 数据和监控对象本身的状态保持一致，即w e b 页面的信息需要随用户请求的不同 而发生改变，这种改变就是刷新，实时数据的频繁改变需要动态刷新 3 1 - 3 4 1 。静态 页面的功能受限，不能满足实时动态刷新的要求。j s p 技术是能够将静态h t m l 和动态h t m l 结合起来的动态网页技术，它具有实时动态页面的功能，支持页面 动态刷新 3 5 - 3 7 l 。 2 5 3j d b c 数据库访问技术 在j a v a 应用程序中对数据库的访问可以通过j d b c ( j a v ad a t a b a s e c o n n e c t i v i t y ) 技术来实现【3 0 1 。j d b c 由用j a v a 语言编写的类和接口组成。通过 使用j d b c 技术，程序开发人员可以很容易地向几乎任何数据库传送s q l 语句。 而且，开发人员用j a v a 语言编写的数据库应用程序可以在任何支持j a v a 的平台 上运行，不必为不同平台编写不同的应用程序。j d b c 技术具有易于掌握、使用 简单、可移植性强、良好的可复用性、适用范围广等优点。所以j d b c 是实现j a v a 应用程序同各种各样数据库连接较为先进的技术h 1 。 使用j d b c 连接数据库的主要步骤如下阳3 ： 1 ) 定义数据库连接字符串； 2 ) 加载数据库驱动； 在j a v a 中使用c l a s s f o r n a m e 来加载数据库驱动。通过c l a s s f o r n a m e ( ) 方法注册s q ls e r v e r 数据库驱动类的关键代码如下： c l a s s f o r n a m e ( “c o m m i c r o s o f t j d b c s q l s e r v e r s q l s e r v e r d r i v e r ”) ： 1 0 基于b s 的船舶远程监控系统的设计与实现 3 ) 创建数据库连接 在j a v a 中使用位于j a v a s q l 包中的d r i v e r m a n a g e r 类管理j d b c 驱动程序 的基本服务；通过j a v a s q l 包中的c o n n e c t i o n 接口与特定的数据库进行连接。 其关键代码如下： c o n n e c t i o nc o n = d r i v e r m a n a g e r g e t c o n n e c t i o n ( u r l ，n a m e ，p w d ) ： u r l 为所访问数据库的地址 n a m e 为访问数据库的用户名 p w d 为访问数据库的密码 第3 章“育鲲”轮b s 远程监控系统整体架构 第3 章“育鲲”轮b s 远程监控系统整体架构 本章参照b s 架构基本原则，结合“育鲲轮现状，完成了b s 远程监控系 统整体架构，包括设备的完善、底层结构的构建、功能模块划分，以及各个功能 模块的详细设计。 3 1b s 远程监控架构基本原则 实现b s 架构，应尽量遵循如下基本原则： 1 适应性与先进性协调的原则 在满足系统功能要求和具有充分可扩展性的f j 提下，尽量选择成熟的软硬件 产品，从而保证系统的可靠性、开发的成功性。 2 灵活性和可扩展性同步的原则 系统应具有较强的灵活性和可扩展性，以适应企业内外环境的变化，便于系 统升级与系统集成。 3 充分利用现有资源的原则 设计系统时，硬件上要发挥企业原有设备的作用，软件上可以利用企业现有 相关软件，新建系统为其提供适当的数据接口。 4 开放性和安全性并重的原则 系统可以与外部i n t e r n e t 相连，以便内外交流信息，但一定要采取适当的 保护措施，以防御外界干扰和破坏。 5 标准化与可管理性的原则 使用标准通信协议和网络设备：配置必要的管理平台，包括硬件和网络管理 软件。 6 实用性和经济性兼顾的原则 功能设计要实用、有效、针对性强，并尽量节约资金。 3 2 “育鲲轮现状 1 数据采集状态 “育鲲轮是大连海事大学新建造的教学实习船，为了满足广大师生实习、 教学和研究工作，船上配备的机器和设备与目前其他远洋运输船舶相比都是较为 1 2 基- f b s 的船舶远程监控系统的设计与实现 先进的。 “育鲲”轮为了方便对船舶机器设备性能的研究，对机器的运行状态进行监 控，其实际可监控的参数点达1 8 0 0 多个。通过各种传感器，测量设备，可以方 便的采集到设备的基本运行参数。我们在设计监控系统时，只需要考虑获取那些 有用的数据即可。 2 数据传输 “育鲲”轮采用现场总线与局域网相结合的方法实现对采集数据的传输工 作。监控点实测的数据汇集到总线再到局域网，然后再到网络中遍布的计算机处。 视频监控的数据基本上是只满足实时监控，数据不保存，在机舱设置监控摄像头， 视频数据直接传输到集控室的监视屏【3 引。 3 通讯状态 “育鲲”轮配备了现有的各种船站通讯，包括c 站和f 站。通过岸端呼叫， 船端呼叫等方式人工建立船岸通讯连接，跟其它远洋船舶一样，考虑到通讯时间、 通讯费用问题，这种通讯不可能实时处于在线状态。 3 3b s 远程监控整体结构 远程监控系统从功能模块角度来看，我们可以把其分为三个部分，即船端、 通讯端、岸端。整体流程如图3 1 所示： 数据采集一一 一 船端模块| 图3 1 船舶远程监控整体流程 f i g 3 1t h ew h o l ef l o wo f r e m o t em o n i t o r i n go f s h i p 第3 章“育鲲”轮b s 远程监控系统整体架构 331 船端结构 一、普通数据采集部分 终端设备( 底层设备) 包括，利用现有设备及结构，适当增加缺少的设备 l 、传感器” 涉及不同的设备参数测量，选用不同的传感器，常用的传感器包括如下几种 ( 1 ) 温度传感器；( 2 ) 压力传感器；( 3 ) 浓度传感器；( 4 ) 速度传感器 蚓32 传感器 f i g3 2s e f i s o r 2 、摄像头 在通讯条件允许的情况下，要对船舶部分区域实现视频监控，主要部件就是 船端视频监控设备。核心部件是船载摄像头。下图所示是云台控制型摄像头。 幽33 半球摄像机 f i g33 d o m e c 姗啪 羹一蕊一 基于b s 的船舶远程监控系统的设计与实现 3 、g p s 数据 采用船载终端如下图所示，在不干扰现有的导航系统功能的前提下新增一 个终端，获取g p s 数据，结合g p s 数据计算船速。 图34 船载g p s f i g34s h i p b o a r d g p s 4 、工控机 工控机能够适应工业现场恶劣环境，并且具有良好的稳定性，易维护。 工控机的特点： ( 1 ) 高强度钢，结构坚固，抗e m i ( e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ) i ( 2 ) 防尘设计，具有空气滤网机箱内微正压； ( 3 ) 稳定性高，维护方便，m t t r ( m e a nt i m et or e s t o r a t i o n ) 短：主板、电 源、磁盘驱动器、风扇维护方便：滤网，电源更换简便： ( 4 ) 易扩充性好； ( 5 ) 抗冲击，耐振动； ( 6 ) 宽温度湿度范围工作，散热能力强。 二、视频数据采集部分 摄像头采集到的数据通过视频采集卡或磁盘录像机保存到系统硬盘中，系统 中采用4 路视频采集卡。 第3 章“育鲲”轮b s 远程监控系统整体架构 图35 视频采集卡 f i g3 5 v i d e oc a p t u r ec a r d 视频监控系统基本结构如图3 6 所示 图36 视频监控系统图 基于b s 的船舶远程监控系统的设计与实现 1 、机舱视频部分 ( 1 ) 利用机舱现有的摄像头 ( 2 ) 视频分流( 视频分配器) 从现有的机舱摄像头获取信息，并行出另一路传输到岸上。结合“育鲲 现状，目前机舱部分已经装有监控摄像头，只需再配备视频分配器，将视 频数据再分离出来一路。具体数据可接入机舱数据局域网。 2 、驾驶台部分 ( 1 ) 双摄像头加串口 镜头l ：安装在船头左侧，能看到左侧船头 镜头2 ：安装在船头右侧，能看到右侧船头 ( 2 ) 带云台的摄像机( 可远程控制) 要求摄像机设备防暴、防水、防腐、带有红外功能。 能保证白天和晚上视频能看到甲板的实时情况。 保证本地录像清晰流畅，在有信号情况下远程查看图像清晰流畅。 可以将以前的船舶监控整合到同一个操作平台上。 船上的所有的视频能保存3 0 天。 3 3 2 通讯端结构 船岸通讯响应主要包括如下方式： 1 事件触发式 当船舶接收到岸端呼叫或岸端指令时，打开通讯端口，完成数据的接收 和发送。这种数据通讯响应方式的通讯端口处于常闭状态，只有接收到岸 端指令后，通讯端口才会开启。 2 数据循环发送 自定义数据的发送周期，当数据累积到一定数量后，程序自动打开通讯 端口并发送数据。 3 数据实时发送 程序自动判别数据的新鲜度，如检测到新数据，直接发送。这种通讯响 应方式要求通讯端口处于常开状态。 结合采用现有船站通讯方式，这种传输方式适合于船岸距离较远时，由于“育 1 7 第3 章“育鲲”轮b s 远程监控系统整体架构 鲲轮航线大多离陆地较近，需要新增3 g 无线上网，来适应大规模数据量的传 输要求。 一、数据量判断 实现远程监控，就要求船端数据传输到岸端，这就要做到船岸数据同步，数 据传输流程如图3 7 所示： 图3 7 数据传输流程 f i g 3 7d a t at r a n s m i s s i o np r o c e s s 数据量的判断是由下文的数据传输模块的程序来完成。 二、模式选择 l 、方式 ( 1 ) 现有的船站通讯： 无限航区船舶配备系统船站类型通常有c 站、f 站，这些船站通讯是基于 i n m a r s a t 的海事通讯，“育鲲 轮也同样使用以上两种主要通讯方式，结合不同 的船站通信，可以实现不同的信道选取。 表3 1 主要是采用不同的船站通讯时对应的收费标准。 1 8 基于b s 的船舶远程监控系统的设计与实现 表3 1 船站收费标准 t a b 3 1t h ec h a r g es t a n d a r do fs h i ps t a t i o n l n m 船站数据信道传输速率费率 l s d n 6 4 k b p s 6 5 u s m i n f 船站 m p d s 2 0 k b p s 3 8 u s mb i t 6 5 b 船站 h s d 6 4 k b p s s d r m i n m ，m i n im 2 3 船站 话音信道数据 2 4 k b p s u s m i n 0 1 7 c ，m i n i cc m a i l l 6 0 0 b p s s d r 2 5 6 b i t ( 2 ) 海事宽带 海事宽带是近年来发展起来的近海船岸通讯，这种通讯方式较好的结合了 3 g 技术，通常称其为海事卫星新干线( b g a n ) 。这种通讯方式具有费用低，通 讯质量好，服务功能好等多方面优点。 当需要大规模数据