一种船舶智能化管理系统平台

技术领域

本发明涉及一种系统平台，特别是一种船舶智能化管理系统平台，属于船舶设计领域。

背景技术

船舶能效数据涉及到船舶航速、实际营运功率、油耗等参数，是船舶设计单位和船东关注的重要指标。近年来，随着燃油成本的增加以及政策法规对温室气体排放物要求的日趋严格，船舶运营公司对其船队的实际能效监测的诉求也越来越高。目前，船舶营运数据大多是通过人工每天定时发送午报的方式进行采集，自动化能力弱，并且采用一段时间内的平均数据作为分析船舶能效的源数据，并不能很准确地反映船舶实际的航行性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种船舶智能化管理系统平台，保证了数据的可靠性同时提高了能效分析结果的精度。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种船舶智能化管理系统平台，其特征在于：包含船端系统和岸端系统，船端系统和岸端系统之间通过卫星通信连接，船端系统包含数据采集模块、能效数据监测模块和船端服务器，数据采集模块实时采集船舶航行参数，能效数据监测模块与数据采集模块连接用于实时显示采集到的数据并判断采集到的数据是否超出设定范围，船端服务器与数据采集模块连接用于存储采集的所有数据，岸端系统包含大数据处理模块、数据分析模块和岸端服务器，岸端服务器接收船端系统数据并存储，大数据处理模块与岸端服务器连接用于数据进行处理形成可供能效分析的有效数据，数据分析模块与大数据处理模块连接用于对有效数据进行分析得到船舶能效数据的变化情况。

进一步地，所述数据采集模块包含通信导航设备、甲板设备和机舱设备，通信导航设备用于采集船舶速度、船舶位置、航行时间、航行距离、艏向角、风速、风向、水深和舵角，甲板设备用于采集装载信息，机舱设备用于采集主机功率、主机转速、主机油耗信息。

进一步地，所述通信导航设备、甲板设备和机舱设备通过接口转化模块与船端服务器连接，接口转化模块采用一个或几个串口服务器，串口服务器接收不同设备输出的信号并将其转化为统一的接口，接入到数据采集网络中并将数据存入到船端服务器中。

进一步地，所述能效数据监测模块设置在客户端内，采集到的数据实时显示在客户端中，并设定每个参数的合理范围，若当前显示的参数超出范围，则发出警告，提醒船员注意检查相关的设备，实现能效数据的实时监测。

进一步地，所述船端服务器通过防火墙与外界隔离，系统将船端服务器中采集的数据进行压缩加密，通过卫星通讯设备定时传输到岸端系统。

进一步地，所述岸端服务器自动收集船端系统发送的数据，并对数据进行解压和解密。

进一步地，所述大数据处理模块利用大数据技术对接收到的能效数据进行处理，形成可用于船舶能效分析的数据，数据处理的过程为：

(a)首先将原始数据中某一时刻数据缺失值和明显超出数据范围的值进行剔除；

(b)对剔除后的原始数据，按照数据采集的日期进行升序排列，从初始时刻开始，连续选择每N个数据点作为一个数据子集，计算每个数据子集中所有参数的平均值和标准差；

(c)子集内每个数据点采用公知的概率统计的方法计算偏离均值的概率，并设定最小值，如果概率小于该最小值，则该数据点被视为不稳定数据，将其剔除；

(d)在步骤(c)的基础上，将船舶的舵角限制在-5°～5°，风级限制在4级及4级以下。

经过步骤(a),(b),(c),(d)处理后，形成可用于船舶能效分析的数据，存入岸端服务器中，并建立相应的数据库。

进一步地，所述岸端服务器自动下载公开的气象信息数据，并解析气象信息数据存入到数据库中，通过船舶的航行时间和船舶位置信息快速查询当前船舶所处位置的气象信息数据。

进一步地，所述数据分析模块结合处理后的航行数据与气象信息数据，对船舶能效进行分析，同时将实际海况中的船舶受环境影响的航行性能修正到无风、无浪、无流的静止海平面下的航行性能，修正的方法采用航速修正方法ISO15016或ITTC航速修正方法，系统根据能效分析的结果，提出决策方案以降低船舶的营运成本。

进一步地，所述船端服务器包含数据采集程序、数据发送程序、数据库系统、智能应用、界面展示以及系统日志模块；数据采集程序将根据通信协议对不同协议的数据进行解析处理，存入数据库中；各智能应用采用模块化设计，通过配置表与数据库进行关联读取所需数据，并将计算分析结果存入数据库中指定表中，界面展示模块通过读取对应的计算结果表，显示智能应用分析结果；数据发送程序定期将数据库中增加的数据打包压缩放置于指定文件夹内，发送程序访问该文件夹将数据包发送出去，并对发送出去的包进行删除，如果遇到网络不畅，则对数据包进行累积，并不断尝试网络连接，网络连接成功后将累计数据包逐个进行发送出去；系统日志模块主要对系统运行状态进行记录，考虑到系统在船上运行，维护不方便，通过记录系统运行状态以便后期维护。

进一步地，所述岸端服务器包含数据接收程序、性能分析、可视化智能应用程序、船舶设备运行分析程序；岸端系统通过https通信协议接收船端发送的数据包，并将数据包解压存入数据库中；各智能应用采用模块化设计，通过配置表与数据库进行关联读取所需数据，并将计算分析结果存入数据库中指定表中，界面展示模块通过读取对应的计算结果表，显示智能应用分析结果。

进一步地，所述船端服务器采集船舶主辅机流量计信息实现对船舶各设备油耗的监测分析，在主辅机共用燃油系统中燃油总管上配置第一流量计，在发电机燃油进口配置第二流量计，在发电机燃油出口配置第三流量计，第一流量计、第二流量计、第三流量计的流量分别为F1、F2、F3，则t1至t2时间段内，发电机的油耗为：

m

主机的油耗为：

m

进一步地，根据船舶设计系统图，汇总岸端船舶系统显示界面，并根据接收到数据在界面上显示船舶最新运行数据，同时可以搜索指定时间段内设备运行趋势线。

进一步地，根据接收到的船舶设备运行数据，根据以下规则进行船舶模式识别：

主机转速大于50，压载泵不运行，为正常航行模式；

主机转速位于10～50之间或者小于-10，压载泵不运行，为靠离港模式；

主机转速位于-10～10之间，压载泵运行，为装卸货模式；

主机转速位于-10～10之间，压载泵不运行，为停泊模式；

通过以上规则，对不同航行模式下的发电机运行台数及发电机负荷率进行统计分析，对比船舶设计电力消耗计算书，根据实际运行反馈优化改善船舶发电机容量设计。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：本发明通过自动采集及整合船舶能效数据，采用大数据技术对收集到的能效数据进行合理的处理，形成可供于船舶能效分析的有效数据，并应用到船舶能效分析中，实现了船舶能效数据的采集、监测、船-岸通讯、处理、分析及决策的自动化，提高船舶能效分析的效率，保持船舶航行的经济性。

附图说明

图1是本发明的一种船舶智能化管理系统平台的示意图。

图2是本发明的一种船舶智能化管理系统平台的模块连接图。

图3是本发明的大数据处理模块的数据处理流程。

具体实施方式

为了详细阐述本发明为达到预定技术目的而所采取的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清晰、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例，而不是全部的实施例，并且，在不付出创造性劳动的前提下，本发明的实施例中的技术手段或技术特征可以替换，下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1和图2所示，本发明的一种船舶智能化管理系统平台，包含船端系统和岸端系统，船端系统和岸端系统之间通过卫星通信连接，船端系统包含数据采集模块、能效数据监测模块和船端服务器，数据采集模块实时采集船舶航行参数，能效数据监测模块与数据采集模块连接用于实时显示采集到的数据并判断采集到的数据是否超出设定范围，船端服务器与数据采集模块连接用于存储采集的所有数据，岸端系统包含大数据处理模块、数据分析模块和岸端服务器，岸端服务器接收船端系统数据并存储，大数据处理模块与岸端服务器连接用于数据进行处理形成可供能效分析的有效数据，数据分析模块与大数据处理模块连接用于对有效数据进行分析得到船舶能效数据的变化情况。

数据采集模块包含通信导航设备、甲板设备和机舱设备，通信导航设备用于采集船舶速度、船舶位置、航行时间、航行距离、艏向角、风速、风向、水深和舵角，甲板设备用于采集装载信息，机舱设备用于采集主机功率、主机转速、主机油耗信息。

通信导航设备、甲板设备和机舱设备通过接口转化模块与船端服务器连接，不同设备所采用的数据传输接口不尽相同，需要将各个设备的通信接口转换为统一接口，接口转化模块采用一个或几个串口服务器，串口服务器接收不同设备输出的信号并将其转化为统一的接口，接入到数据采集网络中并将数据存入到船端服务器中。

串口服务器的处理方式具体为：

首先确定所需要采集信号的设备信息，包括接口形式、通信协议以及数量。

对于串行接口，船舶设备遵循NMEA 0183通信协议，通过串口服务器将串口转化为以太网网口，接入上层管理网络。接入上层以太网后，串口数据可以通过TCP协议与数据采集程序通信，也可映射为虚拟串口的形式与数据采集程序通信。NMEA 0183对于特定导航信号通常由固定语句格式，如船舶经纬度信息：

通信信息：

格式：

其中GLL代表该条语句发送的为经纬度信息，1部分为纬度数值，2部分为N或S，代表南纬或北纬，3部分为经度数值，4部分为E或W，代表东经或西经，5部分为UTC时间，6部分为数据有效性，7部分为指示模式。

对于ECDIS航线信息，一般通过以太网接口，采用UDP或者FTP协议将航线信息以文件的形式进行传输，以UDP协议为例，是按照IEC 61162-450规范进行数据传输的。船端服务器与ECDIS分别设定好组播地址和端口号后，当ECDIS中规划好的航线设定为当前监控航线时，航线信息将会XML格式发送至船端服务器。航线文件中主要包含航行名称、转向点等信息。

UDP组播地址及端口：

对于配载仪，主要通过FTP协议将船舶配载如船体弯矩、剪力、重心等信息以文件形式进行传输。配载仪做好配载以后，将要发送的信息打包成文件放置在指定文件夹内，数据采集系统定期访问该文件夹并见最新文件通过FTP协议下载到船端数据中心。

根据以上格式，对不同信号进行解析后存入数据库中。

为了提高系统响应速度及保证数据精度，对船端数据库做了如下优化：

1.为保证数据存储的精确性，每15s采集一次数据并存入原始表中；

2.为了提升数据查询速度，对数值信息进行每10分钟进行一次平均计算，存入10分钟表中，对10分钟表每小时进行一次平均计算存入小时表中，对小时表24小时进行一次平均计算存入天表中；当进行大量数据查询时(长时间跨度)根据时间跨度长短，自动匹配到相应的表中进行查询；对于需要实时显示的数据，建立临时表，只存最近3天的数据量。

能效数据监测模块设置在客户端内，采集到的数据实时显示在客户端中，并设定每个参数的合理范围，若当前显示的参数超出范围，则发出警告，提醒船员注意检查相关的设备，实现能效数据的实时监测。

船端服务器通过防火墙与外界隔离，系统将船端服务器中采集的数据进行压缩加密，通过卫星通讯设备定时传输到岸端系统。

岸端服务器自动收集船端系统发送的数据，并对数据进行解压和解密。

鉴于所采集到的数据信号种类繁多，采集周期短，采集时间长等特点，造成数据量相当庞大。此外在数据采集的过程中，由于设备、外界干扰以及人为操作等因素，实际数据往往会出现丢失、错误以及异常等情况，因此有必要对采集的数据进行处理。如图3所示，大数据处理模块利用大数据技术对接收到的能效数据进行处理，形成可用于船舶能效分析的数据，数据处理的过程为：

(a)首先将原始数据中某一时刻数据缺失值和明显超出数据范围的值进行剔除；

(b)对剔除后的原始数据，按照数据采集的日期进行升序排列，从初始时刻开始，连续选择每N个数据点作为一个数据子集，计算每个数据子集中所有参数的平均值和标准差；

(c)子集内每个数据点采用公知的概率统计的方法计算偏离均值的概率，并设定最小值，如果概率小于该最小值，则该数据点被视为不稳定数据，将其剔除；

(d)在步骤(c)的基础上，将船舶的舵角限制在-5°～5°，风级限制在4级及4级以下。

经过步骤(a),(b),(c),(d)处理后，形成可用于船舶能效分析的数据，存入岸端服务器中，并建立相应的数据库。

岸端服务器自动下载公开的气象信息数据，并解析气象信息数据存入到数据库中，通过船舶的航行时间和船舶位置信息快速查询当前船舶所处位置的气象信息数据。

船端服务器包含数据采集程序、数据发送程序、数据库系统、智能应用、界面展示以及系统日志模块；数据采集程序将根据通信协议对不同协议的数据进行解析处理，存入数据库中；各智能应用采用模块化设计，通过配置表与数据库进行关联读取所需数据，并将计算分析结果存入数据库中指定表中，界面展示模块通过读取对应的计算结果表，显示智能应用分析结果；数据发送程序定期将数据库中增加的数据打包压缩放置于指定文件夹内，发送程序访问该文件夹将数据包发送出去，并对发送出去的包进行删除，如果遇到网络不畅，则对数据包进行累积，并不断尝试网络连接，网络连接成功后将累计数据包逐个进行发送出去；系统日志模块主要对系统运行状态进行记录，考虑到系统在船上运行，维护不方便，通过记录系统运行状态以便后期维护。

岸端服务器包含数据接收程序、性能分析、可视化智能应用程序、船舶设备运行分析程序；岸端系统通过https通信协议接收船端发送的数据包，并将数据包解压存入数据库中；各智能应用采用模块化设计，通过配置表与数据库进行关联读取所需数据，并将计算分析结果存入数据库中指定表中，界面展示模块通过读取对应的计算结果表，显示智能应用分析结果。

船端服务器采集船舶主辅机流量计信息实现对船舶各设备油耗的监测分析，在主辅机共用燃油系统中燃油总管上配置第一流量计，在发电机燃油进口配置第二流量计，在发电机燃油出口配置第三流量计，第一流量计、第二流量计、第三流量计的流量分别为F1、F2、F3，则t1至t2时间段内，发电机的油耗为：

m

主机的油耗为：

m

根据船舶设计系统图，汇总岸端船舶系统显示界面，并根据接收到数据在界面上显示船舶最新运行数据，同时可以搜索指定时间段内设备运行趋势线。

根据接收到的船舶设备运行数据，根据以下规则进行船舶模式识别：

主机转速大于50，压载泵不运行，为正常航行模式；

主机转速位于10～50之间或者小于-10，压载泵不运行，为靠离港模式；

主机转速位于-10～10之间，压载泵运行，为装卸货模式；

主机转速位于-10～10之间，压载泵不运行，为停泊模式；

通过以上规则，对不同航行模式下的发电机运行台数及发电机负荷率进行统计分析，对比船舶设计电力消耗计算书，根据实际运行反馈优化改善船舶发电机容量设计。

数据分析模块结合处理后的航行数据与气象信息数据，对船舶能效进行分析，同时将实际海况中的船舶受环境影响的航行性能修正到无风、无浪、无流的静止海平面下的航行性能，修正的方法采用航速修正方法ISO15016或ITTC航速修正方法，系统根据能效分析的结果，提出决策方案以降低船舶的营运成本。船舶能效自动分析是给出船舶在指定时间段内的速度与功率的关系、速度与油耗的关系、主机参数以及航行参数在不同环境下的变化关系等，用户还可以输入不同时间段内的船舶能效，了解船舶能效的变化。能效数据可以修正到静止海平面中，系统会根据设计阶段的能效数据和修正后的能效数据，对船舶当前状态下的营运性能进行诊断，并根据分析结果给出合理的建议。比如，修正后的实际能效数据与设计阶段下的理论数据相差某一范围时，会建议船舶进坞坞修，以此提高船舶的运营性能。

本发明的用于船舶能效分析的智能系统，船端自动采集船舶航行数据，并存入船端服务器中；船端配备客户端，实时显示能效数据的变化情况；船端服务器中的数据通过卫星通讯设备，定时传输到岸端服务器中；岸端服务器自动接收岸端传输的能效数据，利用大数据的技术对数据进行处理，筛选得到稳定的船舶能效数据；岸端服务器自动下载气象信息，并对气象数据进行解析，形成可供分析的数据；结合航行数据和气象数据，对船舶能效进行分析，获得船舶在一段时间内的能效变化，并根据船舶当前的能效分析结果，给出合理的决策方案。

本发明通过自动采集及整合船舶能效数据，采用大数据技术对收集到的能效数据进行合理的处理，形成可供于船舶能效分析的有效数据，并应用到船舶能效分析中，实现了船舶能效数据的采集、监测、船-岸通讯、处理、分析及决策的自动化，提高船舶能效分析的效率，保持船舶航行的经济性。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。