0 引　言

舰船的自动化发展水平提升速度极快，信息化技术、自动化技术等众多技术已广泛应用于舰船集中监控系统中^[1-3]，体现了舰船领域极高的科技水平。目前针对船舶机舱环境与状态监测的研究较多。王瑞涵等^[4]将机器学习方法应用于机舱设备状态监测中；何琪等^[5]将Z-Stack协议栈应用于机舱环境监测中。以上2种方法分别实现了机舱设备状态以及机舱环境的监测，但是并未考虑系统的方位控制能力，导致船舶机舱状态监测的安全性较差。设计舰船机舱状态数据采集与访问系统，利用传感器采集舰船机舱状态数据，利用所采集的舰船机舱状态数据展示舰船机舱内的设备以及环境状态，通过访问控制方法实现授权用户对舰船机舱状态的实时访问。所设计舰船机舱状态数据采集与访问系统具有异常报警等功能，保障舰船机舱维持正常的运行状态，保持舰船机舱内动力设备的安全性与可靠性，提升舰船的监测水平与管理水平。避免由于舰船机舱状态异常，导致出现严重的海上事故。通过舰船机舱数据采集与访问系统降低舰船的营运成本，提升舰船运行安全性。

1 机舱状态数据采集与访问系统 1.1 系统总体设计

舰船机舱状态数据采集与访问系统总体结构图如图1所示。利用传感器节点采集舰船机舱状态的相关数据，传感器节点采集的数据主要包括空气流速、环境温湿度、机舱设备模拟量等。传感器节点采集的舰船机舱状态数据，选取路由节点作为系统通信网络的枢纽^[6]，传递船舶机舱状态的众多数据。路由节点搜寻舰船机舱内的全部传感器终端节点以及协调器节点信号，将全部通信节点加入通信网络中。利用汇聚单元的协调器节点建立系统的通信网络，启用系统通信单元的无线通信网络。利用协调器节点接收与发送数据，将节点信息存储至协调器节点中。利用访问控制单元将用户划分为授权用户以及非授权用户，授权用户通过用户单元的显示界面显示船舶机舱状态数据^[7]，用户单元具有传感器节点采集以及无线通信网络组网配置等众多设置功能。

1.2 系统硬件设计 1.2.1 机舱状态采集的现场数据采集单元

系统通过现场数据采集单元采集舰船机舱状态信息，现场数据采集单元结合外围电路和微处理器^[8]，具有满足不同类型传感器的接口条件、配置灵活的特点。现场数据采集单元考虑不同类型的传感器特性，搜寻可以满足不同传感器接口的匹配方式。现场数据采集单元的结构图如图2所示。通过高适用性的传感器接口电路，满足采集舰船机舱状态的不同类型传感器的量值读取，与采集舰船机舱状态的不同类型传感器高效匹配。现场数据采集单元采集不同类型传感器数据时，将传感器采集的微弱信号放大^[9]，令放大后的信号满足标准数字信号处理要求，便于计算机高效处理传感器采集的信号展示至授权用户。利用传感器采集舰船机舱状态数据时，需要依据固定比例放大传感器的弱信号，传感器信号放大过程中，需要满足信号不存在畸变的需求。传感器设置了零点基准设计，通过零点基准衡量放大器的放大性能。采集舰船机舱状态数据的传感器量程设计时，需要具有较高的灵活性，保证传感器满足不同量程配置需求。传感器零点值稳定时，传感器的舰船机舱数据采集精度较高。

1.2.2 舰船机舱状态数据采集卡

现场数据采集单元选取模拟量采集卡，该数据采集卡具有全双工通信功能，采用CAN现场总线技术。舰船机舱状态数据采集卡结构图如图3所示。现场数据采集单元选取的数据采集卡包含16路数字量输入以及16路数字量输出。采集卡主要包括ATmega32主控制芯片，RS-485通信芯片、直流电源模块、地址选择模块、工作模式选择模块等。ATmega32主控制芯片作为数据采集卡的数据采集任务调度核心，数据采集卡与系统其他模块的通信由RS-485通信模块负责，利用通信模块将传感器采集的舰船机舱状态数据传送至舰船机舱状态监测服务器中。

1.3 基于属性基加密的系统访问控制方法

基于属性基加密的访问控制方法包括以下部分：

1）初始化

利用通信网络的授权机构执行访问控制方法的初始化过程。用 $ {1^\lambda } $ 作为系统访问控制的安全参数，生成系统访问控制的主密钥msk与公共参数pk。 $ S $ 表示系统用户的属性集合，依据用户属性集合生成与系统全部用户属性集合匹配的秘钥sk。

2）舰船机舱状态数据发布

舰船机舱状态数据发布包括数据拥有者执行数据与加密，数据代理方实施密文转换，以及服务器执行二次数据加密。用n与 $ m $ 分别表示访问控制策略以及传感器采集的舰船机舱状态数据明文，选取KEM机制构造舰船机舱状态传输的中间密文，构造的中间密文包括采用对称加密算法获取的密文以及加密过程中形成的中间信息。通信代理方依据公共参数以及传感器提交的舰船机舱状态中间密文，生成满足解密规范的密文数据，将密文数据传送至系统服务器，系统服务选取对称秘钥对传感器采集的机舱状态数据实施二重加密。

3）数据访问控制

系统用户执行数据访问操作时，将舰船机舱状态数据密文和用户秘钥分片输入数据访问范围，用户满足由舰船机舱状态采集数据生成的密文中嵌入的访问结构时，可以正确执行解密操作，获取2层对称密钥 $ \left( {{k_{{\rm{in}}}},{k_{{\rm{out}}}}} \right) $ ，利用对称密钥执行对称解密，获取舰船机舱状态数据明文。用户通过通信网络访问舰船机舱状态数据，通过数据访问控制方法，令满足访问要求的用户成功提取舰船机舱状态的明文数据。用户从系统服务器中访问舰船机舱状态的密文数据 $ CT $ 与访问控制结构 ${n} = \left( {M,\rho } \right)$ ，判断申请访问的用户属性集是否满足舰船机舱状态数据访问控制要求的过程如下：

依据用户属性集合 $ S $ 中的元素，生成行号集合用 $ I = \left\{ {i\left| {i \in \left[ l \right] \wedge \rho \left( i \right) \in S} \right.} \right\} $ 表示。从 $ M $ 内提取与行号集合对应的行，建立子矩阵用M_s表示。判断M_s的行空间中是否包含子矩阵内的单位向量，当单位向量存在于M_s的行空间中时，表示该用户属于授权属性基，可以访问舰船机舱状态数据；否则表示 $ S \notin n $ ，用户为非授权属性基，无法访问舰船机舱状态数据。用户为授权属性基时，通过求解线性方程组，获取用户相应的系数集合 $ {\left\{ {{\mu _i}} \right\}_{i \in I}} $ ，令下式成立：

$ \sum\limits_{i \in I} {{\mu _i}\overrightarrow {{M_i}} } = \left( {0,1,0, \cdots ,0} \right) 。$

(1)

式中： $ \left( {0,1,0, \cdots ,0} \right) $ 表示子矩阵M_s内的单位向量， $ \overrightarrow {{M_i}} $ 表示矩阵 $ M $ 内的行向量 $ i $ 。求解以上公式，可得密文 $ z $ 的求解公式如下：

$ z = \sum\limits_{i \in I} {\left( {{\mu _i}\left( {{\lambda _i} + {\rho _i}} \right)} \right)} 。$

(2)

系统用户可以依据自身的秘钥分片，获取计算对称秘钥 $ {k_{{\rm{in}}}} $ 与 $ {k_{{\rm{out}}}} $ 的公式如下：

$ {k_{{\rm{in}}}} = H\left( {e{{\left( {g,g} \right)}^{\alpha zG}}} \right) \in \varPhi ，$

(3)

$ {k_{{\rm{out}}}} = H\left( {e{{\left( {g,g} \right)}^{\alpha z{G_T}}}} \right) \in \varPhi 。$

(4)

式中： $ e $ 与 $\varPhi$ 分别表示双线性映射以及对称加密算法的秘钥空间； $ \alpha $ 表示系统访问设置的主秘钥； $ g $ 表示秘钥中的随机元素； $ G $ 与G_T均表示 $ p $ 阶乘法循环群； $ H $ 表示散列函数。

利用以上公式，系统的授权用户可以通过执行二次解密，获取舰船机舱状态数据明文，完成舰船机舱状态数据采集与访问系统的访问过程。

2 系统性能测试

为了验证所设计舰船机舱状态数据采集与访问系统对于舰船机舱状态数据采集有效性以及用户访问系统有效性，选取Matlab/Simulink环境模拟某舰船实际航行环境。该舰船采用7K98MC型号的船用二冲程柴油机作为主要设备，柴油机技术指标如表1所示。

采用本文系统采集舰船机舱的主辅机参数，可以有效采集舰船机舱中的主机与辅机等众多设备的实时参数，验证采用本文系统采集舰船机舱状态数据有效性。本文系统可以有效采集舰船机舱状态数据，舰船轮机员与管理人员可以依据舰船机舱状态数据，明确舰船机舱状态，提升舰船航行的安全性。系统通过友好的人机界面，便于舰船轮机员的操作与分析。

采用本文系统采集舰船机舱内柴油机状态数据，柴油机状态数据采集结果如表2所示。可以看出，采用本文系统可以实时采集舰船的柴油机状态数据。柴油机状态对舰船运行的可靠性影响极大。本文系统可以通过实时采集舰船机舱柴油机状态数据，明确舰船机舱内的设备状态，为舰船航行安全性提供数据基础。

本文系统采用安全访问控制方法，提升系统访问安全性。可以利用访问控制方法，有效划分授权用户以及非授权用户。对于非授权用户，系统有效限制了用户访问，非授权用户无法访问系统采集的舰船机舱状态数据。本文系统具有较高的访问控制性能，提升舰船机舱状态数据传输安全性，保障舰船安全可靠航行。分析可知，所设计系统具有舰船机舱状态实时显示功能，同时具有历史数据以及历史记录查询功能。

3 结　语

舰船机舱状态对舰船航行的可靠性影响极大，为了提升舰船航行的安全性，设计舰船机舱状态数据采集与访问系统。利用传感器采集不同类型的舰船机舱状态数据，通过数据访问控制方法改善舰船机舱状态数据访问安全性过低的问题。通过实验验证所设计系统可以有效采集不同类型的舰船机舱状态数据，所采集的舰船机舱状态数据具有较高的访问安全性，可以保障舰船机舱状态数据的访问安全，提升舰船航行过程中的信息安全性。