0 引言
信息化和智能化已经成为未来船舶设计最主要的发展趋势，船舶生产作业过程的智能化也已成为必然发展趋势[1,2]。传统的内河船舶虽在设备控制层搭建了基本的通信网络，部分实现了数字化和网络化，但由于设备所采用的标准各异，使得应用系统之间互不兼容，具有多源异构性，不能完全满足智能船舶发展的需求。因此，信息资源孤岛之间的互联互通仍然是目前亟待解决的问题。 长江航运企业信息化程度不高，普遍存在着船龄老化、船员信息化意识不强、管理技术手段低等问题，并且大多数仪器仪表为机械式，驱动信号为模拟信号，这都逐渐成为制约现有船舶行业发展的瓶颈。船舶的“信息孤岛”导致船东和相关监管部门无法实时掌握轮船的状态，当轮船上出现任何状况时，船东和监管部门无法监控和提供有效的指导和救援。目前，船舶广泛采用DCS （集散控制系统）和现场总线控制，如：文献[3]采用DSP(Digital Signal Processing)技术采集船舶相关信息，较好地解决当前船舶数据采集系统存在的采集数据精度低、数据传输速度慢等缺陷；文献[4]使用CAN 总线技术确保实时可靠的数据采集和监视。这2种方式虽然解决了船舶信息集成的部分问题，但没有解决数据多源异构的问题。 针对船舶信息集成多源异构的问题[5]，通过加装传感器获取船舶航行数据，采集船上控制器的信息，利用移动通信网络或北斗卫星上传到“长江智慧航运”云平台，建立完善的长江在航船舶数据管理库，实现船舶之间和船岸之间的信息共享。
郑朋飞，童 亮，陈雪梅
（重庆交通大学 航运与船舶工程学院，重庆 400074）
摘 要 ：针对内河量大面广的老旧船舶信息采集与数据管理系统仍不成熟的现象，
数码彩扩机为解决在航船舶各设备和系统之间数据采集效率低、实时性差、数据集成困难的问题，在分析船舶航行过程信息组织形式特点的基础上，提出一种在航船舶数据采集网关，以内河船舶航行过程中机舱运行设备数据为采集对象，并将该网关集成到长江智慧航运系统中，实现船端系统设备与云端应用之间的松耦合关系，提高了船舶数据采集的实时性，满足了应用端的柔性需求，运行效果良好。
关键词：多源异构；数据网关；航运系统
汇流板
中图分类号：U665.26 文献标识码：A DOI:10.19727/jki.cbwzysc.2021.01.003
［引用格式］郑朋飞，童亮，陈雪梅.在航船舶数据采集网关设计[J].船舶物资与市场,2021,(1):09-11.
收稿日期：2010-10-13
作者简介：郑朋飞（1993-），男，硕士，研究方向为船舶信息采集与集成、船舶能耗数据分析。
1 船舶数据网关结构
数据网关是船舶信息采集系统和上层应用服务通讯的桥梁，在船端负责数据转换和通信，本文针对船端数据的多源异构性和云端应用的个性化特性所带来的问题，提出一种在航船舶数据网关设计方法，其结构如图1所示，由数据源、互联层、数据网关转换层和应用层组成。
1）数据源：包含船舶各类设备的数据和各子系统的全部信息，主要以数据流（控制系统）和数据表（应用系统）等形式存在，为数据转换提供基础数据源。
图1 船联网数据网关结构
第29卷 第1期2021年1月V ol.29 No.1Jan.2021
船 舶 物 资 与 市 场
MARINE EQUIPMENT/MATERIALS & MARKETING
3.1 数据转换及数据预处理
异构设备与装置的协议数据解析与异构数据同构化，是船舶数据采集网关的最核心任务。本文设计一种可以扩展的协议库的方式来解决这一难题，首先针对现有船舶的各类系统和采集传感器的协议进行聚类分析，出数据协议之间的共性和差别；其次，根据不同设备的协议，编写一套对应的数据协议解析方法，并以动态库的形式存放在协议库中，通
2）互联层：包括各种现场通信网络（现场总线、RS232/RS422/RS485串行总线、Lora 无线通讯和TCP/IP 等网络），所有的通信节点通过通讯网络将底层的数据传输给数据采集网关。
3）数据转换层：多源异构的数据通过数据网关转换为统一的数据格式。在转换过程中，底层的数据源由数据网关上自由协议接口、标准协议接口和数据库接口传输给数据网关，网关根据数据的格式调用相对应的数据协议进行数据转换，最后将不同格式的数据映射为Json 数据格式。数据网关在交互方之间主要起到数据缓存、数据分析、数据协议转换和数据预处理等作用。解析后的数据面向云端的集成应用系统，采用适当的通讯方式传输给上层应用。
4）应用层：需要集成船舶信息的服务、应用、云端程序、应用接口等。
2 现场信息采集
2.1 数据采集卡设计
船舶机舱设备数据采集卡的稳定运行是整个数据网关数据采集的基础，其关系到船舶数据采集与监测系统的实时性、稳定性。根据实际应用情况，设计了8路的数字量输入和8路的数字量输出的数据采集卡，并有4组地址拨码开关，可以通过拨码开关自由转换数据采集的地址。数据采集卡主要包括以下模块：STM32单片机主控制芯片模块、数字量输入输出模块、工作模式和地址选择模块、5~12V 直流电源模块、PDS 模块。其结构如图2所示。
2.2 网关硬件设计
网关的硬件设计主要考虑船舶航行的特殊环境所带来的数据干扰和通信异常。为了确保网关的稳定运行，在硬件设备上搭建Broadcom 树莓派最小系统[6]，在此网关上运行嵌入式操作系统作为实现上层功能的基础，然后扩展出其他通信模块，实现网关与数据中心信息的交互，满足数据网关运行复杂的通讯协议和控制算法的要求，保证了异构设备或系统之间的信息传输工作高速有效的进行。网关硬件系统的结构框架如图3所示。其中电源模块主要由1个电源开关和2个电流稳定器构成，以确保网关电流的整体稳定。
图2 数据采集卡结构图
图4 数据采集关软件架构
图3 数据网关硬件系统结构图
控制器选择的是Raspberry Pi3 Model B+，其采用Linux 操作系统，是一款开源的简易型单板机。树莓派的CPU 采用ARM Cortex-A53的BCM2873，1GB 的内存，能够满足数据采集网关系统对CPU 和内存的需求，此外树莓派还可以扩展TF 卡存储器0。本设计中增加一个16 G 的TF 卡，能够满足系统的操作和本地数据的存储。
3 数据网关软件设计
数据网关在完成协调硬件实时数据的收发功能外，还要具备数据协议的动态调配、数据解析与处理和存储等功能。数据采集网关的软件程序运行在处理器的Linux 操作系统上，整体采用模块化的方法，去掉不必要的实用程序和其他系统服务，使程序结构更加精简。采用Python 语言进行软件程序的开发，可以忽略底层的硬件驱动程序，只加载需要的程序模块并利用提供的API 函数接口来调动底层设备的驱动程序，就可以实现需要的功能，最终实现数据协议的动态调配、数据解析与处理和存储等功能。
数据网关软件架构如图４所示。
船舶物资与市场第29卷 第1期
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图5
数据协议转换模块程序结构
即将采集的数据依照时间戳打包存储在TF 卡上，待到通信恢复之后，将本地存储的数据包上传到云端数据库，保证数据的完整性。采集的网关配备有16 G 的TF 卡，能储存15天的设备数据。
4 网关实现与应用
疏水二氧化硅不同类型的船舶和层次不齐的船用设备使内河船舶信息化和智能化改造变得困难，特别是量大面广的内河老旧船舶。在满足船舶信息系统实时性和应用服务个性化的基础上，根据现场情况，以最小的代价对船舶现有的设备和系统建立一套通用的信息集成系统具有现实意义。
本文在设计时充分考虑到老旧船舶特殊的工作环境，为了确保网关的稳定可靠运行，在硬件设计上采用树莓派来搭建最小系统，保证了异构设备或系统之间、船端和云平台之间数据可以高速有效的传输。软件设计方面支持断点续传功
能，能够保证网络不畅情况下数据的完整性。以某散货船为例，对本文提出的整个网关系统进行测试，通过ping 命令测试数据网关系统整体运行是否正常，包括数据网关硬件设备的运行情况、网关的数据转换和预处理以及客户端显示，结果表明网关的稳定性和实时性可以满足需求，运行效果良好。
5 结语
随着“互联网+”与传统船舶行业的不断融合，船舶的自动化和智能化程度越来越高，构造一个开放的、共享型的在航船舶信息管理系统已经成为一种必然的趋势。因此，根据船舶的实际需求，结合串行总线技术、信息集成技术、移动通信技术和互联网技术等，设计一种适合内河在航船舶数据采集网关，以数据转换引擎为核心，完成协议数据转换和数据预处理，实现了多源异构的船端数据与个性化的云端应用之间的动态交互。该网关系统已在长江航行的船舶中进行应用，数据采集和转发稳定，运行效果良好。
参考文献:
循环流化床锅炉技术[1]杨江文.基于物联网技术的船舶数据融合平台架构研究[J].舰船科学技术,2020,42(02):169-171.
热电偶校验装置[2]王琦，胡旭东.船舶智能制造中物联网技术的运用[J].船舶物资与市场,2020,(06):97-98.
[3]冉明华.基于DSP 技术的船舶信息采集系统[J].舰船科学技术,2019,41(04):151-153.
斗拱模型
[4]范振瑞.基于CAN 总线的船舶柴油机状态监测系统[J].舰船科学技术,2019,41(20):79-81.
[5]唐颐雄.基于多源异构传感器的航道物联网网关设计[D].西安：长安大学,2019.
[6]唐俊，蒋健，谢申喜.基于树莓派的能耗数据采集网关设计[J].测控技术,2017,36(03):98-100+106.
过对采集数据格式的分析，根据数据的格式自动调用对应设备的协议解析文件，进行数据的解析，可以很方便地进行设备的扩展和系统的维护。数据协议转换模块程序结构如图5所示。
经过协议解析后的数据仍具有多源异构的特征，甚至还包括异构数据，所以必须进行数据预处理，最后得到完备的格式化数据集合。本文数据的预处理主要包括数据的清洗和数据同构。数据清洗：针对异常数据，用均值插补和关联插补方法进行补齐，2种方式均可以保证数据集的完备性。数据同构：将清洗好的数据划分为单个数据帧，根据建立的元数据模型进行数据检验和对比，相同则数据合法，否则丢弃不合法数据帧。最后调用Json 解析和封装函数，将验证后的数据进行以Json 的形式重新打包，并添加时间戳。
3.2 远程管理
管理人员通过身份验证后，登录远程管理工具查看整个网关系统的工作情况，在本地就可以完成数据查询、代码修改、故障排查等操作，即使管理人员不上船也可以掌握船舶设备的运行状况和对系统进行维护和故障排查。此外，管理人员可以远程下载存储在船舶上的数据，方便研究人员分析船舶状态以及船舶在工作时燃料的消耗量，为降低船舶油耗和提高船舶经济性提供数据依据。
3.3 网关转发和断点续传
经过数据采集网关的转换和数据预处理后的船舶数据存储在网关本地的数据存储区，数据采集网关与云端的数据中心之间利用4G/5G 移动通信技术进行数据通信，数据采集网关向数据中心发起连接后保持常连接的状态，然后云服务数据中心对数据采集网关进行身份认证，认证通过以后数据采集网关上传加密的数据包0。此外网关上还配置了无线路由器，保证了全船的网络覆盖与数据通信。
上传过程中，若出现船舶航行到网络不佳区域或者由于设备断电等原因导致数据上传失败，则采用断点续传的方法
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