VSAT+AUTONET船舶大数据平台的船岸一体技术

作者:江苏省舰船与海洋自动化工程研究中心首席专家船舶设计大师徐绍衡

本文介绍VSAT+AUTONET(简称VANT)船舶大数据平台的船岸一体技术,说明了大数据平台的功能及需求,阐述了VANT的核心技术,以此船岸一体技术构成的船舶动态大数据平台的结构与性能,介绍了云现场总线芯片和构成船岸一体平台的PCC200全功能PLC控制器,以及形成船舶动态大数据平台的工程要求。VANT能够把每条船舶与海洋设备上的2000-5000个数据实时双向连接岸上大数据中心,同时把每条船舶与海洋设备上几十个摄像头音视发往岸上大数据中心,其每条船每日卫星费不足100元人民币,是新建的马士基18000箱集装箱智能化船万分之一,具有极大的成本优势,使海洋船、内河船、大小型船均有能力使用,真正能够实现航运大数据池,实现智能船舶远程指挥、管理、安全、维护及无人驾驶的要求,使“黑匣子”变为“白匣子”,是一项重大的创新发明,从现在起,智能化船舶及现代化大数据可以启动推广了,有划时代的意义。

关键词:VSAT+AUTONET、VANT、云现场总线、AUTONET芯片、船岸一体、大数据、分布数据库同步、白匣子、PCC具有云平台的全功能可编程控制器。

VSAT+AUTONET shipping big data platform's boat bank one bodytechnology

Jiangsu ship with ocean automatize engineeringresearch center chief expertShipping designsmaster

Xu Shaoheng

Summary

Textintroduces VSAT+ AUTONET ( For short VANT) Shipping big data platform's boatbank one body technology, Illustrate big data platform's function andrequirement, Expound VANT 's core technology, A boat bank one body technologycompose 's shipping dynamic state big data platform 's structure withperformance, IntroduceCloudscene headline andcompose boat bank one body platform 's PCC200 all function PLCmanipulator, And forms shipping dynamic state big data platform's engineeringrequest. VANT is able to a each shipping with ocean equipment on 's 2000-5000data real time both-way connect onshore big data center, Meanwhile a eachshipping with ocean equipment on several dozens pc camera tone considerationsend for onshore big data center, It each boat daily satellite fee lack 100yuan Renminbis, Is new-created horse scholar base 18000 containersintelligentize boat complete one of the, Possesses tremendous cost advantage,Makes ocean boat, Freshwater boat, Size type boat average has ability usage,Really is able to accomplish shipping big data pool, Accomplishes intelligenceshipping long-range commander, Administration, Safety, Maintain and nobodydrive 's request, Envoy" Flight recorder " Change into " Whitebox " , Is a significant innovation invention, From now rise,Intelligentizes shipping and modernize big data can start up popularize, Thereis epochal significance.

Keyword:VSAT+AUTONET, VANT, cloud scene headline, AUTONET chip, Boat bank one body, Bigdata, Distributes data base synchronously, White box, PCC possesses cloudplatform's all function programmable manipulator.

前 言

由于世界技术的进步,国家发展计划提出了(中国制造2015)计划,10个大项之一就是“智能化船舶”“船岸一体大数据平台”,因此发展“船岸一体技术”已经成为工作日程了。

卫星通讯从90年开始就有了,船岸一体技术最关键的:如果按船岸一体的要求实时发送全部数据和摄像头音视数据,卫星通讯流量费将是天文数字无法接受,因此只能发少量重要数据及不用音视数据,这达不到智能船舶及大数据要求。

近期开发成功的VSAT+AUTONET船舶大数据平台的船岸一体技术,把船岸一体大数据卫星流量压缩万倍,使智能船舶大数据平台可以低成本运行,使现有的卫星资源可以实现全世界船舶、飞机、物联网的推广应用,有划时代的意义

一.大数据平台用途

采用很低运行成本的易俐特VSAT+AUTONET(以下简称VANT)船舶服务平台,把船舶上全部实时数据及音视信号通过卫星网送到船岸一体大数据服务平台,平台也可以实时对船舶发布指令,使用大数据平台可以完成如下船舶现代化的任务:

1.实现全球船舶运行动态指挥中心。

2.实现全球船舶货物装卸指挥监控中心。

3.全球船舶安全预警监控中心。

4.每条船舶的黑匣子数据实时全部存入动态大数据池,有事故时不必打捞黑匣子,快速从平台读取黑匣子数据进行处理。

5.船舶运行各种环保大数据通过平台读出,进行环保监控。

6.可以从平台调看船舶上的实时和历史摄像头信号,监视船舶状态。

7.实现港口指挥、安全平台。

9.通过服务平台,船东可以实现船舶远程维护。

9.通过服务平台,可以实现船舶无人驾驶。

10.利用服务平台,可以开发各种各样的船舶智能化软件,形成真正的“智能化船舶”。

二. 智能化船舶对船岸一体的要求

智能化船舶船岸一体技术必需达到如下要求:

1.为了实现全面智能化的要求,必需把船上的全部设备、航行、装卸等全部数据及海洋数据实时发到岸上大数据中心,一条船约2千到5千个实时数据,实现船舶远程指挥、管理、安全、维护及无人驾驶的要求,而目前只发少量重要数据的试验方案是达不到智能船舶要求。

2.船舶与海洋的全部数据必需以一秒以下响应的实时速度与大数据中心连接,大数据中心向船上发布指令必需实时响应,目前采用长间隔时间收发数据的方案达不到智能船舶的要求。

3.船舶上的几十个摄像头的音视信号要传到岸上大数据中心,实现大数据中心的“数据+音视”的全面监控。目前无摄像头的试验方案达不到智能船舶的要求。

4.完成上述三项智能船舶船岸一体的要求,采用卫星网络的卫星流量费用最好在每日卫星费100元人民币以下,具有极大的成本优势,这样使海洋船舶、内河长江船舶、各种大小船舶均有能力使用,能够推广到全球船舶使用,实现真正的大数据。新建的马士基18000箱集装箱智能化船舶每月单数据109G卫星费为25万美金,加上摄像头,每月卫星费应该压缩几万分之一,才能实现大数据。

要100%实现上述要求,目前采用“通讯模式”的试验均达不到要求,市场上能够达到要求的只有采用“分布数据库同步”的VSAT+AUTONET技术可以完美实现上述四项要求,同时VANT方案在旧船改造工程与新船建造上均易于实现,是最佳方案。

三.VANT船岸一体平台特色

1.船岸一体大数据服务平台把船舶上全部实时数据及音视信号通过卫星网送到船岸一体大数据服务平台,平台也可以实时对船舶发布指令,双向工作,数据实时响应是毫秒级,可以完成船舶航行和货物装卸指挥调度、船舶安全预警、船舶环保监视、摄像监视船舶、船舶远程维护、船舶无人驾驶等等全部(智能船舶)功能,智能船舶必选。

2.服务平台采用很低运行成本的VSAT+AUTONET方案,一条船实时数据小于5000点及几十个高清摄像头,功能全面,其卫星运行费每日不足100元人民币,具有极大的成本优势,大小船、海洋内河船均用得起,是同等实时速度的全部数据及摄像头的卫星通信传送费用的几万分之一。

3.船岸一体改造工程,新旧船均简便,易于实现。

4.采用船队与服务器二级数据存储与查询,大数据可靠,不会丢失数据。

5.大数据平台采用SQL或Oracle国际通用接口与用户交互数据,用户使用方便。

6.大数据平台包括了每条船舶的黑匣子全部数据,变为“白匣子”,船舶事故不必打捞黑匣子,新科技改变了世界。

四. 核心技术

(一)“分布数据库同步”核心技术

本平台采用“分布数据库同步”世界创新技术,淘汰了速度慢、网络不安全、协议繁琐工程大、网络流量太大费用高的“通信模式”,该技术系统图简述如下:

图中广域网平台分布在世界的每个节点与网络连接处均串入专用芯片,节点设备通过芯片上网,芯片内包括分布数据库及同步软件包,所有芯片与网络构成分布数据库同步系统,平台在毫秒级时间内实现所有的节点分布数据库同步一致相等,每个分布数据库就是平台总数据库,节点设备与本节点分布数据库交换数据就是与平台交换数据,工作时平台流量为零,平台上完成同步的网络流量是通讯模式的数万分之一,同步完成通讯任务的工作速度比通讯模式快数千倍(计算从略),采用数据库工作方式全自动免编程,网络具全面的自检安全信号,因此,分布数据库同步模式其性能比CAN及MODBUS等通讯模式大大提高。

“分布数据库同步”与“通信模式”比较:“通信模式”是依次轮流循环发全部数据报文,点对点协议通信,“同步模式”是数据库变化需同步才发报文,同步报文是一个数据非全部数据,同步是极短报文广播发送。因此同步模式通信速度快千倍、平台流量压缩万倍、平台容量50万个超大容量,工作全自动。

(二)“低流量音视摄像头”核心技术

本平台采用可变帧可变分辨率“低流量音视摄像头”创新技术,高清图像、高音质声音、网络低流量淘汰了高流量普通摄像头,该技术简述如下:

在普通高清网络摄像头的基础上进行改造,据图像情况自动变帧变分辨率,并进行清晰度特殊处理,改造后的具体指标是:声音16Kbps高音质,图像是1280X768高清图像,连续播放,码率32Kbps,网络工作带宽48Kbps。船上摄像头可以有几十台,岸上能手动快速切换,同时播放及记录一路。

上节介绍5000个实时数据的带宽是32Kbps,因此一条船的卫星总带宽是80Kbps,VSAT卫星运行费价格1M带宽年费是28万人民币,可以计算得:每船卫星运行费每日不足100元,具有极大的成本优势。丹麦马士基18000箱集装箱智能化船月109G数据月费25万美金的,马士基还没有摄像头,加上摄像头,卫星费用VAUT是马士基号的数万分之一,效益显著。

五.船岸一体大数据服务平台结构

每条船上的自动化系统的局域网需要是AUTONET的规格,新船由于自动化系统采用AUTONET芯片,信号通过网关直接上卫星,旧船要通过路由器转换信号成AUTONET规格,再通过网关直接上卫星。VSAT卫星是模拟以太网交换机,把船上岸上的以太网连成一个大网络。大数据池如下图:

一个用船单位最多50万实时数据,岸中心站设32台船队电脑,每台电脑有16000实时点(约8条船),与船上毫秒级实时相通,船队电脑具有储存25年数据的能力,与服务器构成二级储存,保证大数据不会丢,船队电脑又是服务器SQL或Oracle关系数据库的工作站,32台电脑把50万个实时数据全部嵌入服务器,构成大数据池。

大数据池服务器与用户连接,50万大数据为用户服务。大数据池包括了黑匣子的全部数据,因此世界上不再打捞黑匣子。

全球N个用船单位,大数据池是N x 50万。

摄像头系统是独立的,全局1024台摄像头录像记录系统,可以分为32个独立的船队录像机组成,各船队独立,便于船队操作监控,录像数据与设备数据可混合显示。

六.AUTONET芯片应用

大数据池的关键技术是每个节点内放AUTONET芯片,应用 AUTONET芯片的方法有四种:应用具有AUTONET芯片的通用PLC控制器PCC200、自行设计应用单片机连接、其他旧系统现场总线与AUTONET格式转换路由器、电脑直接应用,如图

AUTONET设计了udboard常驻软件,与通用网卡结合,全功能仿真AUTONET,电脑连接不需要加硬件,使用方便。

七.工业控制云现场总线中国标准AutoNet

AUTONET芯片实际上是云现场总线芯片,类似于欧洲的CAN及美国的MODBUS,中国标准现场总线已由造船学会在制订,其性能比CAN及MODBUS等提高千万倍,其应用程式与CAN及MODBUS相同,在工业控制领域完全能够淘汰CAN及RS485,意义重大,实现科技进步,主要特点:一是AutoNet分布数据库同步模式的通讯速度比CAN、MODBUS等提高千倍;二是平台上数据流量带宽AutoNet比CAN等压缩数万倍,低成本实现了实时云平台;三是采用数据库方式数据整合全自动免编程免联调,大大提高工程效率;四是AutoNet应用结构与CAN及RS485等相似,五是网络有全面自检安全信号,能够完美取代,见图:

八.具有AutoNet的PCC200全功能可编程控制器

具有平台的PCC200全功能可编程控制器是已有的成熟技术,是大数据池的应用技术和基础产品,这里简要列出其特点,系统图及样机见图。

(1)万能采集控制器:模拟量、开关量、脉冲量及串口等均能采集控制,每个输入端可编程放大器可以接任何品种的传感器,输出口300V\150M大容量驱动,系统容量64000点,性能优越,全功能满足工业控制要求。

(2)全功能PLC控制器:可以取代西门子及ABB等任何进口PLC,功能比进口品齐全,模拟量PLC、开关量PLC、控制模型PLC等等,主动力、电站、辅助设备全能用;其编程语言为电脑设置式“控制模型+数据库”编程,比“梯形图”“指令”编程大大简化,功能全面。

(3)构成船岸一体DCS系统:系统采用分布数据库以太网平台,不用通讯免编程;平台64000点大容量及1毫秒以下高速,网络流量很小,船岸一体VAUT卫星平台;平台能抵御黑客的网络攻击。

(4)已批量应用:从黑龙江到曾母暗沙,2000年以后中国建造的大中型军舰上均使用AutoNet及PCC技术;在某超大型舰中央控制室五大系统中三大系统采用AutoNet与PCC200平台稳定可靠;在某大型登陆舰是综合平台,控制、指挥、安全、管理一体化;应用AutoNet及PCC200的设备在100多艘船舶与海洋设备上应用,安全航行于世界;PCC200模块已技术成熟,产品长期稳定可靠。

九.实现大数据池的工程方法

1.新船的自动化设备必需选用AUTONET云现场总线芯片,船上增加网关及卫星终端,就能实现大数据池。

2.旧船信息化改造:每个设备增加AUTN路由器,将黑匣子数据及每个设备数据用路由器全部双向传送上岸,可以增加新的PCC200采集辅助设备、装卸、集装箱等必要的数据,船上增加网关及卫星终端,就能实现大数据池。

3.增加低流量摄像头系统。

4.增加VSAT卫星站。

5.建立VSAT卫星岸站服务器中心。

十. 结束语

过去采用“通信模式”的船岸一体化实验系统只是一种试验,真正要推广到全世界的船舶与海洋设备应用是不可能的,因为没有音视信号、数据传送速度非实时、卫星流量费大几万倍是天文数字,无法推广实现。VSAT+AUTONET成熟创新技术的出现,彻底改变了现状,能够把每条船舶与海洋设备上的2000-5000个数据实时双向连接岸上大数据中心,同时把每条船舶与海洋设备上几十个摄像头音视发往岸上大数据中心,其每条船卫星费每日不足100元,是新建的马士基18000箱集装箱智能化船万分之一,具有极大的成本优势,使海洋船、内河船、大小型船均有能力使用,真正能够实现航运大数据池,实现智能船舶远程指挥、管理、安全、维护及无人驾驶的要求,使“黑匣子”变为“白匣子”,是一项重大的创新发明,从现在起,智能化船舶及现代化大数据可以启动推广了,有划时代的意义。

世界第二大航运公司MSC已开始应用VANT启动大数据应用了,中远海运散货船也开始应用了,中国海军也考虑应用。

中国刚发了个宽带卫星,宽带20G带宽,无法满足全世界船舶大数据应用,如果加上飞机,物联网等,发100颗卫星也不一定够用。因此发展宽带带宽卫星与压缩设备带宽,科技必须二条腿走路,才能实现全世界信息化,哪一条单腿均达不到!VSAT+AUTONET能压缩带宽万倍,再加上新型宽带卫星的发射,全世界船舶、飞机、物联网全部信息化就能实现。

AUTONET正成为中国的标准。

参考文献

[1] 站在风口上的“智能船舶”—上海船舶科技界积极探索勇于创新 MarintecChina2017-05-03江南

[2] Sealine-60海用宽带VSAT卫星通信系统 丝路卫星通信有限公司 2016-07-01

[3] 徐绍衡《21世纪船舶自动化技术的最新发展》 江苏科技大学学报自然科学版2014年6期

[4] 徐绍衡《具有全功能PLC的单层网络信息安全监控指挥管理平台》 第十六届中国科协年会论文集 2014年05月

[5] 徐绍衡《物联网推广急需的云现场总线AutoNet及全功能PLC控制器》 第十九届中国科协年会论文集 2017年06月

[6] 徐绍衡《AUTONET工业控制及信息技术的云现场总线》 第十九届中国科协年会论文集 2017年06月

[7] 发明专利:ZL201610836018.4分布数据库同步分布式实时信息云平台系统 中国专利局2016年11月

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