远距离通信技术的出现,可将船舶航行过程中,船舶智能终端记录的航行数据传输到岸上,便于岸上管理部门掌握船舶航行动向。船舶智能终端较多,如采集地理位置的GPS、获得船舶经纬度的罗经,记录航行历程的记程仪等[1]。不同类型的船舶智能终端采集船舶航行数据时的数据格式、数据属性存在差异性,且船舶智能终端接口较多,为船舶终端数据管理带来不小的难度[2]。因此,设计有效的船舶终端数据智能管理系统,具有重要的应用价值。
目前有学者设计船舶终端数据管理系统。如周毅等[3]设计的船岸一体化终端数据管理系统,该系统以卫星通信技术为基础,将采集的船舶智能终端数据传回到岸上后,再对数据进行存储后,用户可在数据库内调取所需数据,实现船舶智能终端数据管理。该系统在应用时,并未对船舶智能终端数据进行加密处理,会出现数据丢失现象。张玉涛等[4]设计的船载终端系统以.NET作为开发平台,利用传感器采集船舶航行信息后,使用嵌套的数据运算技术实现船舶终端数据管理。但该系统在运行过程中兼容性较差。
大数据技术是指大数据应用技术,包括数据采集、数据存储、数据加密、解析等技术,其是大数据处理的总称[5-6]。因此,本文以大数据技术作为基础,设计基于大数据技术的船舶智能终端数据管理系统,实现船舶智能终端数据一体化管理。
1 船舶智能终端数据管理系统 1.1 系统总体结构以B/S架构为基础,设计船舶智能终端数据管理系统,系统总体结构如图1所示。船舶智能终端数据管理系统由设备层、通信层、服务层和交互层构成。设备层由船舶的GPS、ARPA、温度仪、罗经等智能终端组成,该智能终端负责获取船舶在航行过程中的区域位置、温度、经纬度以及风速风向、航程等数据。然后利用通信层内的4G/5G网络、蓝牙或Wifi无线网络将船舶智能终端内的数据传输到服务层内。服务层以TongWeb服务器作为大数据处理框架,其与访问组件相连接后,负责配置船舶智能终端大数据调取时的线程,然后利用大数据加密技术、解析技术、大数据实时/离线存储技术对船舶智能终端数据进行处理后,将其传输到交互层内。系统利用交互层内的数据采集驱动控制设备层采集船舶终端数据,利用页面显示当前船舶智能终端数据的解析、加密等结果,并使用数据管理与查询管理船舶终端数据。
船舶智能终端处于时刻运行状态,其不断采集船舶航行时的相关数据[7],为此设计船舶智能终端循环采集的硬件结构如图2所示。将GPS、ARPA、温度仪等船舶智能终端划分为3个智能终端组,每个智能终端组内的智能终端均通过DI,DO,AI,AO接口与船舶上的PLC控制柜相连,通过PLC控制柜连接采集控制器,该控制器分别连接网口与转换器,利用网口连接Profibus-DP总线,通过Profibus-DP总线连接交换机和路由发送器,负责将船舶智能终端数据发送到通信层内。在智能终端组内控制器连接转换器,使用该转换器将船舶智能终端数据转换成信号,通过Anbus网关与其他智能终端组内的智能终端数据形成闭环,该闭环为船舶智能终端数据的备份。
数据存储控制器是服务层访问组件的核心硬件,其负责存储和调用船舶智能终端数据,并防止船舶智能终端数据被攻击和篡改[8],实现数据的实时/离线存储控制。将MSA2050型数据存储器作为本文系统的数据存储控制器,该型号数据存储器在运行过程中功耗较大,且调取数据速度较快。MSA2050型数据存储器结构如图3所示。MSA2050型数据存储器由FLASH存储器、访问控制模块、地址加扰模块构成。其中,流控模块接收TongWeb服务总线信号后,通过访问控制模块识别该信号访问权限后,利用地址加扰模块打乱FLAHS存储器内船舶智能终端数据位置,再使用访问控制模块访问FLAHS存储器,依据TongWeb服务总线信号权限调取其权限允许的船舶智能终端数据,实现船舶智能终端数据的访问、离线存储或调用。
船舶智能终端数据的安全性是管理该数据的基础。系统使用大数据技术对船舶终端数据进行加密处理,提升船舶智能终端数据的安全性。其详细过程如下:
从系统服务层内访问组件内提取船舶智能终端数据后,大数据加密模块利用深度学习分析方法分析船舶智能终端数据,得到初始的船舶智能终端数据表达式如下:
$ P = \frac{{S - TN + TW}}{A}。$ | (1) |
式中,
以式(1)结果为基础,通过深度学习算法将初始船舶智能终端数据集合到一致空间内,依据船舶智能终端数据聚类中心分布情况,构建船舶智能终端数据加密模型,其表达式如下:
$ Q = P \cdot \alpha \cdot \frac{\mu }{U}\sum {n + \lambda }。$ | (2) |
式中,
利用式(2)即可实现船舶智能终端数据的加密处理,保障船舶智能终端数据的安全性。
2 实验分析以某船舶为实验对象,该船全长91.05 m,船体宽度为15.8 m,静水航速为32 km/h,配备一流的GPS、探测仪、雷达等。使用本文系统管理该船的智能终端数据,分析本文系统应用效果。
系统的可移植性是指系统在变更运行环境时的难易程度,系统的可移植性是衡量系统生命力的重要指标。当系统变更运行环境时,系统软件会自动更新程序补丁,其更新的补丁数量越少,则说明该系统的可移植性越好。测试本文系统在linux和Mac OS两种运行环境下更新程序补丁数量,并设置更新程序补丁数量阈值为40个。测试结果如图4所示。分析图4可知,本文系统在更换运行环境情况下,其更新补丁数量曲线随着其运行时间的增加呈现先上升后下降趋势。其中本文系统在Mac OS运行环境和linux运行环境下更新的补丁数量相差不大,且均在系统运行时间为80s时,更新补丁数量变为0,。此时说明本文系统在不同运行环境下,其补丁更新完成,更新补丁消耗时间略短,且本文系统在不同运行环境下更新的补丁数量均低于所设置的阈值。上述结果表明,本文系统在不同运行环境下均具备良好的可移植性。
以该船自动舵数据作为实验对象,使用本文系统采集该船自动舵数据,分析本文系统采集的自动舵数据值与其实际值之间的偏差绝对值,并设置该偏差不得高于0.1。采集结果如表1所示。分析表1可知,本文系统采集自动舵数据时,在不同时刻的采集数值与其实际数值之间偏差绝对值最小为0°,最大也仅为0.03°。本文系统采集的自动舵数据与其实际值之间的偏差均低于0.1,表明本文系统采集船舶智能终端数据精度较高,也从侧面说明本文系统管理船舶智能终端数据能力较好。
以系统管理船舶智能终端数据的安全性作为衡量指标,测试本文系统对船舶智能终端数据加密管理能力,测试结果如图5所示。
分析图5可知,本文系统对船舶智能终端数据进行加密处理时,加密数据的安全性呈现轻微幅度降低趋势,其中在船舶智能终端数据量为1400个之前时,本文系统对船舶智能终端数据加密后的安全性数值均接近1.0。随着船舶智能终端数据不断增加,本文系统加密后数据的安全性数值略微降低,但降低幅度极小。在船舶智能终端数据为2 000个时,本文系统加密船舶智能终端数据的安全性依然可达到0.99左右。上述结果说明:本文系统具备极强的船舶智能终端数据加密能力,也从侧面说明本文系统管理船舶智能终端数据能力较好。
使用本文系统管理该船船舶智能终端的航速数据,管理结果如图6所示。分析图6可知,本文系统对智能终端航速数据管理时,可为用户呈现当前在航行不同时长时的航速,且在该页面可为用户展示该船的航次号,当前天气状况以及发动机转数,气缸油消耗量等数据。综上本文系统在管理船舶智能终端信息较为全面,可将不同终端上的信息综合呈现给用户,具备较好的应用性。
本文设计基于大数据技术的船舶智能终端数据管理系统,在该系统中应用船舶智能终端分组解释以及大数据加密技术,通过对船舶智能终端数据分组采集以及加密处理,提升了船舶智能终端数据采集效率以及安全性。经过实验验证,本文系统受运行环境影响较小,具备较好的兼容性,同时可将不同船舶智能终端数据综合呈现给用户,应用效果较为显著。
[1] |
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[2] |
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[3] |
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[4] |
张玉涛, 李国栋, 汤涛林, 等. 基于渔业船联网的船载终端系统设计与实现[J]. 渔业现代化, 2022, 49(4): 80-87. |
[5] |
张成吉, 景为平. 基于ISO15693协议的RFID智能货架管理系统设计[J]. 仪表技术与传感器, 2019(1): 50-54. |
[6] |
张凡, 李良才, 汤涛, 等. 基于大数据的船舶动力装置全寿期综合保障系统设计[J]. 中国舰船研究, 2020, 15(1): 92-97. |
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陈中元. 基于大数据的IT运维数据管理系统设计[J]. 集成电路应用, 2022, 39(1): 290-291. |