1. 引言

近年来随着5G、北斗、云计算、传感器和工业技术等迅速发展，尤其我国5G+北斗的通信技术融合发展，高精度高可信的定位服务能力，北斗护航5G网络高效安全，5G增强北斗导航服务能力，保障在复杂环境下提供高精度，安全稳定的连续时空服务，为船舶信息化正在向高智能、高可靠、高安全方向发展保驾护航。

基于5G+北斗数据采集工作站的云船智能监测系统的设计，基于船联网技术，探索5G+北斗在云端远程数据监测的领域应用，以智能化的船舶管理方式监控船舶航行任务的运行情况，增强了对船舶航行健康状态的监控，对突发事件的及时响应，达到安全航行、规范管理、应急响应等目标要求。

2. 系统架构

该系统架构由船舶感知设备层、数据采集工作站层、网络层、船端监测层、云端监测层组成。

船舶感知设备层包括液位传感器、电力传感器、多普勒计程仪、风速风向仪等设备传感器和设备系统、以及各个设备的通信模块，提供船舶各个维度采集的原始数据；

数据采集工作站层由数据采集模块、数据计算模块、数据通信模块、数据存储模块、上传网络模块组成，为船舶监测的准确性、实时性等提供了保障；

网络层分为上传网络和下层网络，上传网络采用5G+北斗通讯方式，主要与云端智能监测平台进行通信，并采用SSL管道加密，当船舶行驶在海上时，没有5G信号后，自动切换北斗卫星通讯，保障船舶航行全程的信息通信不间断，下层网络采用有线+无线的通信方式，接入传感器以及设备系统，与船端智能监测系统进行通信，并实现船端和云端的信息交互；

船端监测层主要提供船端态势感知、船舶驾驶舱、实时采集监测、智能计算、航次智能监控等功能；

云端监测层包括云端驾驶舱、云端港口监测、船舶航程监测、船舶实时监测、云端智能计算等功能。

3. 系统功能设计

3.1. 基于5G+北斗的数据采集工作站设计

船舶内的采集数据主要分为参数数据、监测数据两大类。测深仪传感器、吃水测量传感器、液位传感器、电力传感器、多普勒计程仪、风速风向仪、电量变送器等传感器及其他设备提供参数数据，信号有数字信号、电流信号、模拟信号、电压信号等多种信号格式，通信接口有CAN、RS232、RS422、RS485、Modbus、0183等多样接口方式。设备系统数据由多种船舶设备系统以及监测系统提供，例如机舱监测报警系统、船载自动识别系统、双转子流量计系统、电力推进系统等提供监测数据，每个系统的通信要求也不统一。

数据采集工作站的数据采集模块以linux为核心，启用通用总线，通过下层网络统一接入不同类型的传感器以及设备系统等，并通过不同通信接口，按照对应的通信协议进行解析、分类、清洗、处理和汇总，生成标准的数据，实时分发推送至数据存储模块进行船端采集数据持久化处理，支撑采集数据的读取，统计、查询等。

数据计算模块采用机器学习和深度学习等技术，接收推送标准化后的数据进行分析和预测，对感知数据阈值报警、能耗分析、航程分析等进行融合计算，提供更准确的报警和监测，并将计算结果发至数据通信模块。

数据通信模块通过5G+北斗卫星的联合通讯和定位，将实时采集数据，融合计算信息推送至船端智能监测系统、云端智能监测平台。上传网络模块通过5G+北斗通讯方式，保证了网络的最大有效相通，并与船端和云端进行交互，并针对主机转速、舵浆转速、舱室油量等关键数据点提供断点续传处理功能，实现了船舶的精准定位和实时信息的传输，提高了船舶监测能力的可靠性和实时性。

图1：基于5G+北斗的数据采集工作站

3.2. 船端智能监测系统设计

   船端智能监测系统采用B/S+C/S混合架构，与数据采集工作站通过下层网络进行数据通信，针对专项主题进行计算并预警提醒，全面掌握船舶健康运行态势。其主要功能分为以下几块：

(1) 船端态势感知

基于WebGL、GIS等技术，建立船舶的仿真三维模型，构建数字船舶基础数据，以各个传感器以及设备系统为支撑的三维监测生态，通过吃水测量装置、发电机组、船舶航行状态、推进系统等接口数据状态，实时直观展示在船舶三维模型，并对报警数据进行图示语音报警，实现了船舶仿真智能监测和报警，为船舶正常安全运行提供了直观监测手段。

(2) 船舶驾驶舱：

以地图航程展示为基础，直观展示船舶航行状态、能耗分布、发电机组以及锅炉设备燃油监测等关键实时数据，实时监测数据的变化曲线、航程趋势图、燃料消耗率以及监测报警等，管理航次航段信息、航期安排、航行能见度、船舶横倾/纵倾等数据。

(3) 实时采集监测：

主要提供针对风速风向仪、吃水传感器、测深仪、GPS、计程仪、发电机组监测系、推进系统、日常用电设备、燃油舱监测等。通过数据采集工作站，可对采集推送的风速、风向、经度值、维度值、对地航速、航向、纵向对速度、纵向对地速度、本次航程、里程、水深、对地航向、对地航速、船艏向、艏吃水等实时数据、报警数据、历史数据等进行查看、查询、趋势分析等。

(4) 船端实时计算监测

主要提供船端数据采集工作站实时数据计算模块根据采集到的传感器设备数据以及监测设备系统数据，以阈值报警、能耗分析、航程预警、排放量分析、能耗计算等不同专项主题进行实时计算结果的输出展示。

(5) 航次智能监控管理

主要提供本船舶航行的航次航段计划管理维护、航次航段到港管理、历史航行查询统计等功能。

(6) 船舶信息管理

主要提供船舶基础信息的维护、三维模型及监测点位管理、船舶数字化的配置管理等功能。

(7) 数据采集工作站管理

主要提供对数据采集工作站的传感器及其他设备的采集配置管理、数据实时计算的配置管理维护、报警参数维护管理、通信链路配置管理，为船端数据上下通信提供便捷维护。

3.3. 云端智能船舶监测平台设计

云端智能船舶监测平台采用B/S架构，接口统一采用RESTfulAPI标准，与船端数据采集工作站通过基于5G+北斗的上传网络进行通信，使用MQTT和KafKa设计实现。为了数据传输的安全性，SSL客户端和服务端在初始握手阶段，建立对称秘钥，信息用该秘钥加密，保证了上下通信连接的机密性。

该平台可查看管辖范围内的船舶位置、航行动态信息、航程进度、实时监测设备状态，对潜在故障进行监测和报警、应急处置等。

(1) 云端驾驶舱监测

云端驾驶舱监测主要提供管辖范围内各个船舶数字信息的统一集中监测，通过本地各个船舶数字基础模型的建立，以及对各个船舶航行状态、装载状态、传感器及其他设备、监测系统的自动采集，仿真各个船舶的真实运行情况，实现云端实时监控、智能评估、辅助应急决策，提供云端船舶监管水平。

(2) 云端港口监测

通过云端管辖范围内的港口信息，展示各个港口的船舶停靠数据，监测港口的运行状态，统计展示各个港口的统计数据。

提供以单个港口为监测范围，查看该港口的船舶停靠动态信息。

(3) 船舶航程监测

通过各个船舶航程航段计划的上报，不断更新航程航段信息，以及到港信息，可以通过地图航程展示实时查看船舶的出发港、目的港、出发时间、航行里程、已航行距离、剩余航程、预报到港时间等航程航次数据，可根据航速、燃料消耗量等参数、预计到港所需燃料量，综合分析航程运行曲线，评估各个船舶航程运行态势。

(4) 船舶实时监测

云端船舶实时监测分为两种，一种通过各个船舶的数据采集工作站推送的传感器、其他设备以及监测系统的采集数据，例如船舶主要耗能设备、计量设备、航行设备等。另一种是推送的船端计算结果数据，可直接查看船端计算的阈值报警、能耗分析、航程分析等数据。

(5) 云端智能计算

   通过接收到的数据采集工作站的上报数据，启用轨迹检测计算、能耗效能计算等，通过融合计算后，将计算结果进行图例化展示，超过阈值的进行报警。

(6) 船舶管理

   主要提供管辖范围内船舶基础信息的维护、以及对应数据采集工作站的配置信息、船舶数字化的配置管理，以及三维模型管理等功能。

(7) 港口管理

   主要提供管理港口基础信息管理，动态配置港口的监测配置项，维护港口的监测信息配置，港口动态计算配置等功能。

4. 结论

该系统的设计有效解决了云端远程监控、港口信息监测、船端实时监控、云船双向通信、智能深度计算分析等问题。船端可以实时调取传感器信息以及设备系统信息、健康运行状态、安全行驶状况、能源实效分析等数据，保障了船舶行驶的安全性。云端对多船端数据和港口信息实时监测、报警监控、预警分析、辅助决策支持等，实现了船舶航运精细化管理、提升了智能航运信息实时服务能力。

参考文献：

[1] 5G移动通信系统及关键技术[J].北京：电子工业出版社，2018.11.

[2] 北斗产业的融合与创新[J]. 何绡.产城,2021(09)

[3] 智能船舶发展战略规划研究. 封波.船舶工程,2020

[4]  船联网：智慧航运底层逻辑. 王思佳.中国船检,2021