CN112101589B - 一种基于云计算的船舶远程技术保障系统 - Google Patents

一种基于云计算的船舶远程技术保障系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于云计算的船舶远程技术保障系统，包括适配层、网关层、船舶本地云和远程保障云，适配层由多个支持即插即用的适配器组成，用于采集不同的设备传感器提供的采集信息，并把格式协议转换成IP数据包，传输至上位机管理；网关层由多个上位机组成，负责收集适配器发出的数据，并格式转换成统一格式的数据消息，转发至船舶本地云的数据记录节点；船舶本地云：通过预定义的调度算法收集信息，控制相应设备进行修复工作；或者发送帮助消息到监测台显示界面，指导船舶技术人员进行维修；如果船舶本地云无法处理，则通过远程无线通信连接远程保障云处理。本发明提供一种高吞吐率，低延迟和低开销的船舶数据监测分析和保障方案。

Description

一种基于云计算的船舶远程技术保障系统
技术领域
本发明属于船舶远程保障领域，涉及云计算技术，具体是一种基于云计算的船舶远程技术保障系统，用于船舶数据采集、存储、计算和分析的技术保障。
背景技术
在船舶设备监测领域，当前存在的一个主要问题是：(1)监测设备或传感器的兼容性问题，不同的生产厂家采用的接口协议也有很大不同，他们都有自己的交互机制，数据格式等等，尽管采用软件中间件作为适配器可以解决此类问题，但缺乏可扩展性，也没有解决大数据存储和计算问题；(2)船舶上设备众多，状态监测产生的数据量也非常巨大，缺少有效的办法存储和处理。
发明内容
本发明的目的是为了克服已有技术的缺陷，为了解决船舶监测数据的存储与计算问题，提出一种基于云计算的船舶远程技术保障系统。
为了解决上述技术问题，达到上述目的，本发明采用技术方案如下：
一种基于云计算的船舶远程技术保障系统，其特征在于，包括：
适配层：由多个支持即插即用的适配器组成，用于采集不同的设备传感器提供的采集信息，并把格式协议转换成IP数据包，传输至上位机管理；
网关层：由多个上位机组成，负责收集适配层中适配器发出的数据，并格式转换成统一格式的数据消息，通过船域网转发至船舶本地云的数据记录节点；
船舶本地云：通过预定义的调度算法收集信息，并转发至消息分析模块；消息分析模块再结合设备出厂数据文件生成当前船舶运行状态、诊断结果和工作指令，并根据诊断结果，回传控制指令至指定设备，控制相应设备进行修复工作；或者发送帮助消息到监测台显示界面，指导船舶技术人员进行维修；如果船舶本地云无法处理当前故障，则通过远程无线通信手段发送至远程保障云，由生产厂家、科研院所或修理部门联合诊断；
远程保障云：通过远程无线通信手段与船舶本地云相连，用于为船舶提供远程技术保障。
进一步地，所述适配器包括：
总线协议驱动模块，负责接收不同总线协议的数据包，或把上层传来的控制数据转成设备对应的总线格式并发送；
通信状态维护模块，为与上位机协同维护系统的拓扑结构，由其定义设备的连接、握手和传输状态，同时也负责数据传输过程中设备节点的加入，退出或出错命令的发送；
配置模块，负责设备与上位机之间配置信息和数据的交互，在连接状态时，配置模块发送配置信息至网关层的上位机，上位机根据该信息创建对应的设备信息访问对象；
领域信息访问模块，在系统中每一个设备将以一个或者多个对象的形式表示，每一个对象又包含一个或多个属性，属性表示设备的状态行为及工况；
网络协议模块，为船域网的协议驱动程序，负责与上位机交换消息。
进一步地，所述领域信息访问模块为抽象类，其包括：
监测设备类，表示某个特定的船舶设备；
监测指标类，为各种监测数据对象的基类；
数据单元类，包括一个或多个测量数据单元及对应的元数据；
数据集合类，由数据单元类组成；
数据测量类，监测数据封包成数据对象，通过配置模块发送至上位机。
进一步地，所述对象还包括读取/写入方法，上位机通过读取/写入方法访问设备信息。
进一步地，所述网关层的上位机包括：
消息转发模块，负责把适配器发来的消息，转发至船舶本地云的数据记录节点；
编码模块，包括标准的数据编码/解码函数库，负责对转发数据进行编码、解码或压缩，形成统一格式的消息；
逻辑处理模块，负责业务逻辑与中间件的解耦，对应不同的设备运行装载对应的数据访问模块；
管理端通信状态维护模块，与客户端通信状态维护模块协同工作，维护当前各监测设备的连接状态。
进一步地，所述船舶本地云包括：
分布式消息处理模块，管理消息发送者、消息代理或消息使用者之间的消息发送，并实现负载平衡；
实时云计算模块，需要以实时的方式处理每秒上百万的设备消息，从消息队列中接收设备监测数据，并与预先设置的正常参数阈值比对，实时监测船舶设备的工作状态，当某参数连续低于正常工况时发送警告消息至监控台，以便用户给出维修处理意见；
记录模块，负责把分布的数据收集节点发来的数据存储至数据中心；
数据中心，存储监测数据以便诊断分析。
进一步地，所述设备传感器提供的采集信息包括文字信息、声音信息、图像信息和视频信息。
进一步地，所述多个上位机安装到船舶的各个舱室。
进一步地，所述上位机收集适配层中适配器发出的数据消息内容包括设备编号、设备运行信息和IP地址。
有益效果：
本发明提供一种基于云计算的大数据存储与处理系统，通过适配层解决船舶设备监测的不兼容性问题；通过网关层和本地云层，利用分布式消息处理和云计算模块，提供一种高吞吐率，低延迟和低开销的船舶数据监测分析和保障方案。
附图说明
图1是本发明船舶远程技术保障系统结构层次图；
图2是适配器结构层次图；
图3是领域信息类图；
图4是网关层节点的JADE实施结构图；
图5本发明船舶远程技术保障系统的Kafka应用结构图；
图6本发明船舶远程技术保障系统FlumeNG应用结构图；
图7是船舶本地云的分布式数据计算结构图；
图8是船舶本地云Hadoop数据中心结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行举例说明。
船舶远程技术保障系统的层次结构如图1所示，适配层由多个支持即插即用的适配器组成，用于采集不同的设备传感器提供的文字信息、声音信息、图像信息或视频信息，并把格式协议转换成IP数据包，传输至上位管理机。网关层由多个上位机组成，可以安装到各个舱室，负责收集适配层中适配器发出的数据，并格式转换成统一格式的数据的消息，通过船域网转发至船舶本地云的数据记录节点，消息内容包括设备编号，设备运行信息，IP地址等。船舶本地云通过预定义的调度算法收集信息，并转发至消息分析模块，该模块再结合设备出厂数据文件，生成当前船舶运行状态，诊断结果工作指令等，根据诊断结果，回传控制指令至指定设备，控制相应设备进行修复工作。或者发送帮助消息到监测台显示界面，指导船舶技术人员进行维修。如果本地云无法处理当前故障，则通过远程无线通信手段发送至远程保障云(即岸基保障云)，由生产厂家，科研院所或修理部门联合诊断。其中本地云层和远程云层组成结构相同，区别只在于计算能力和存储能力不同。
如图2所示，所述适配器包括：
(1)总线协议驱动模块，负责接收不同总线协议的数据包，或把上层传来的控制数据转成设备对应的总线格式并发送。
(2)通信状态维护模块，与上位机协同维护系统的拓扑结构，由其定义设备的连接、握手和传输状态，同时也负责数据传输过程中设备节点的加入，退出或出错命令的发送。(3)配置模块。在连接状态时，配置模块发送配置信息至上位机，上位机根据该信息创建对应的设备信息访问对象。
(4)领域信息访问模块，在系统中每一个设备将以一个或多个对象的形式表示，每一个对象又包含一个或多个属性，属性表示设备的状态行为及工况等，除此以外，对象还包括诸如读取/写入等方法，上位机通过这些方法访问设备信息。
(5)网络协议模块，船域网的协议驱动程序，负责与上位机交换消息。
所述网关层上位机包括：
(1)消息转发模块，负责把适配器发来的消息，转发至船舶本地云的数据记录节点。
(2)编码模块，包括标准的数据编码/解码函数库，负责对转发数据进行编码、解码或压缩，形成统一格式的消息。
(3)逻辑处理模块，负责业务逻辑与中间件的解耦，对应不同的设备运行装载对应的数据访问模块。
(4)管理端通信状态维护模块，与客户端通信状态维护模块协同工作，维护当前各监测设备的连接状态。
适配器硬件可以采用专用芯片(ASIC)、单片机或小型工控机实现，其上运行的软件包括：总线协议驱动模块(网络协议和总线协议模块)、领域消息访问模块、配置模块和通信状态维护模块。所述网络协议和总线协议模块，由相应制造厂家提供，结构层次如图2所示。
所述领域消息访问模块为抽象类，如图3所示，它包括：
(1)监测设备类，表示某个特定的船舶设备，例如子类md-526代表柴油机振动噪声传感器，该类包括监测的指标。
(2)监测指标类，为各种监测数据对象的基类。
(3)数据单元类，包括一个或多个测量数据单元及对应的元数据(数据类型)。
(4)数据集合类，由数据单元类组成。
(5)数据测量类，监测数据封包成数据对象，通过配置模块发送至上位机。
所述配置模块负责设备与上位机之间配置信息和数据的交互，配置信息包括连接断开消息、设备行为消息、数据消息、事件等。
所述通信状态维护模块维护传感器与上位机之间的连接关系。内部主要以有限状态机形式表示传感设备和上位机之间的状态转换关系，状态类包括连接/断开两个子类。设备启动前连接子类处于断开状态，当初始化结束后，适配器向上位机发送连接提示消息，则进入连接状态。当设备要断开连接时，适配器发送“断开连接请求”消息至上位机，进入等待断开连接状态，并设置定时器。如果该时间段内没有接收到“同意断开连接”消息，则向上位机发送“中断连接请求”消息，进入断开连接状态。连接状态类也包括两个子类，工作状态和配置状态，如果上位机识别适配器发送的配置命令，发送“接收配置”消息至适配器，适配器进入正常工作状态，否则上位机回传“无法配置”消息，适配器进入配置状态。
所述上位机包括：
(1)消息转发模块，负责把适配器发来的消息，转发至船舶本地云的数据记录节点，消息转发模块，通过多智能体方式实现，多智能体后台运行在数据记录节点上，前端运行在上位机上，多智能体负责接收适配器发送的数据，其开发平台可采用Java智能体开发框架(JADE)，具体结构如图4所示。
(2)编码模块，包括标准的数据编码/解码函数库，负责对转发数据进行编码、解码或压缩，形成统一格式的消息。
(3)逻辑处理模块，负责业务逻辑与中间件的解耦，对应不同的设备运行装载对应的数据访问模块，可以通过规则引擎机制实现，保证整个系统的松耦合。
(4)管理端通信状态维护模块，与客户端通信状态维护模块协同工作，维护当前各监测设备的连接状态。
所述船舶本地云包括：
(1)分布式消息处理模块，管理消息发送者、消息代理或消息使用者之间的消息发送，并实现负载平衡。
(2)实时云计算模块，需要以实时的方式处理每秒上百万的设备消息，从消息队列中接收设备监测数据，并与预先设置的正常参数阈值比对，实时监测船舶设备的工作状态，当某参数连续低于正常工况时发送警告消息至监控台，以便用户给出维修处理意见。
(3)记录模块，为数据记录节点的软件功能模块，负责把分布的数据收集节点发来的数据存储至数据中心。
(4)数据中心，存储监测数据以便诊断分析。
船舶本地云在web服务器上通过分布式消息队列，把监测数据转发到数据分析子系统和存储子系统。它包括分布式消息队列(即分布式消息处理模块)、数据采集子系统(即记录模块)、云计算子系统(即实时云计算模块)和云存储中心(即数据中心)。
所述分布式消息队列采用kafka平台实现负责消息缓冲。它部署在web服务器的记录节点上，他以异步非堵塞方式处理数据，当从上位机接收到数据后首先在内存对其缓存。当触发时刻到达或消息数量达到预制入职后，以批处理方式发送所有缓冲数据，这种异步处理和批发送方式可以提高消息队列的吞吐率和网络利用率，见图5所示。
所述数据采集子系统，为了保证整个系统的可靠性与容错性，数据采集子系统采用FlumeNG作为应用架构，如图6所示，以“故障切换”架构形式实现每一个消息消费模块，都运行一个“主发送”进程，同时在另一台机器上运行一个“备份发送”进程，当主发送进程失效，消息缓存的数据自动转移备份发送进程发送，同样的，每一个组收集进程也对应一个备份采集进程，他也在备份机上运行，当主采集进程失效后，工作负载将自动转至备份采集进程，进程之间交互以文件通道形式实现，当进程工作异常时也能保证不丢失消息。
(3)云计算子系统，可采用storm集群实现，如图7所示。
(4)云存储中心，可采用hadoop实现，如图8所示。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于云计算的船舶远程技术保障系统，其特征在于，包括：
适配层：由多个支持即插即用的适配器组成，用于采集不同的设备传感器提供的采集信息，并把格式协议转换成IP数据包，传输至上位机管理；
网关层：由多个上位机组成，负责收集适配层中适配器发出的数据，并格式转换成统一格式的数据消息，通过船域网转发至船舶本地云的数据记录节点；
船舶本地云：通过预定义的调度算法收集信息，并转发至消息分析模块；消息分析模块再结合设备出厂数据文件生成当前船舶运行状态、诊断结果和工作指令，并根据诊断结果，回传控制指令至指定设备，控制相应设备进行修复工作；或者发送帮助消息到监测台显示界面，指导船舶技术人员进行维修；如果船舶本地云无法处理当前故障，则通过远程无线通信手段发送至远程保障云，由生产厂家、科研院所或修理部门联合诊断；
远程保障云：通过远程无线通信手段与船舶本地云相连，用于为船舶提供远程技术保障；
所述适配器包括：
总线协议驱动模块，负责接收不同总线协议的数据包，或把上层传来的控制数据转成设备对应的总线格式并发送；
通信状态维护模块，为与上位机协同维护系统的拓扑结构，由其定义设备的连接、握手和传输状态，同时也负责数据传输过程中设备节点的加入，退出或出错命令的发送；
配置模块，负责设备与上位机之间配置信息和数据的交互，在连接状态时，配置模块发送配置信息至网关层的上位机，上位机根据该配置信息创建对应的设备信息访问对象；
领域信息访问模块，在系统中每一个设备将以一个或者多个对象的形式表示，每一个对象又包含一个或多个属性，属性表示设备的状态行为及工况；
网络协议模块，为船域网的协议驱动程序，负责与上位机交换消息。
2.如权利要求1所述的船舶远程技术保障系统，其特征在于：所述领域信息访问模块为抽象类，其包括：
监测设备类，表示某个特定的船舶设备；
监测指标类，为各种监测数据对象的基类；
数据单元类，包括一个或多个测量数据单元及对应的元数据；
数据集合类，由数据单元类组成；
数据测量类，监测数据封包成数据对象，通过配置模块发送至上位机。
3.如权利要求1所述的船舶远程技术保障系统，其特征在于：所述对象还包括读取/写入方法，上位机通过读取/写入方法访问设备信息。
4.如权利要求1所述的船舶远程技术保障系统，其特征在于：所述网关层的上位机包括：
消息转发模块，负责把适配器发来的消息，转发至船舶本地云的数据记录节点；
编码模块，包括标准的数据编码/解码函数库，负责对转发数据进行编码、解码或压缩，形成统一格式的消息；
逻辑处理模块，负责业务逻辑与中间件的解耦，对应不同的设备运行装载对应的数据访问模块；
管理端通信状态维护模块，与客户端通信状态维护模块协同工作，维护当前各监测设备的连接状态。
5.如权利要求1所述的船舶远程技术保障系统，其特征在于：所述船舶本地云包括：
分布式消息处理模块，管理消息发送者、消息代理或消息使用者之间的消息发送，并实现负载平衡；
实时云计算模块，需要以实时的方式处理每秒上百万的设备消息，从消息队列中接收设备监测数据，并与预先设置的正常参数阈值比对，实时监测船舶设备的工作状态，当某参数连续低于正常工况时发送警告消息至监控台，以便用户给出维修处理意见；
记录模块，数据记录节点的软件功能模块，负责把分布的数据收集节点发来的数据存储至数据中心；
数据中心，存储监测数据以便诊断分析。
6.如权利要求1所述的船舶远程技术保障系统，其特征在于：所述设备传感器提供的采集信息包括文字信息、声音信息、图像信息和视频信息。
7.如权利要求1所述的船舶远程技术保障系统，其特征在于：所述多个上位机安装到船舶的各个舱室。
8.如权利要求1所述的船舶远程技术保障系统，其特征在于：所述上位机收集适配层中适配器发出的数据消息内容包括设备编号、设备运行信息和IP地址。
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