舰船科学技术  2022, Vol. 44 Issue (21): 164-167    DOI: 10.3404/j.issn.1672-7649.2022.21.034   PDF    
基于大数据技术的船舶智能终端数据管理系统
王英     
天津海运职业学院,天津 300350
摘要: 为提升船舶数据一体化管理水平,设计基于大数据技术的船舶智能终端数据管理系统。利用设备层内的船舶GPS、ARPA、温度仪、罗经等智能终端获取船舶航行数据,并使用数据采集模块采集船舶智能终端数据后,利用通信层内的4G/5G网络、蓝牙、Wifi无线网络,将船舶智能终端数据传输到服务层。服务层通过TongWeb服务器连接访问组件后,将船舶智能终端数据传输到大数据加密模块、大数据解析、大数据离线存储控制等模块内,利用大数据技术对智能终端数据进行加密、解析、离线存储等处理后,将数据传输到交互层。交互层为用户提供数据采集驱动、页面显示和数据管理和查询功能,用户通过交互层实现船舶智能终端数据管理的交互。实验结果表明,该系统具备较好的可移植性,可实现更加安全的船舶智能终端数据管理。
关键词: 大数据技术     船舶智能终端     数据管理系统     大数据去隐私     大数据加密    
Ship intelligent terminal data management system based on big data technology
WANG Ying     
Tianjin Maritime College, Tianjin 300350, China
Abstract: In order to improve the integrated management level of ship data, the ship intelligent terminal data management system based on big data technology is designed. Intelligent terminals such as ship GPS, ARPA, temperature meter and compass in the equipment layer are used to obtain the navigation data of the ship, and the data acquisition module is used to collect the intelligent terminal data of the ship, and the 4G/5G network, bluetooth and WiFi wireless network in the communication layer are used to transmit the intelligent terminal data of the ship to the service layer. After the service layer connects to the access component through the TongWeb server, the ship intelligent terminal data is transferred to the big data encryption module, big data analysis, big data offline storage control module and other modules. After the encryption, analysis, offline storage and other processing of the intelligent terminal data by big data technology, the data is transferred to the interaction layer. The interactive layer provides users with the functions of data collection drive, page display, data management and query. Through the interactive layer, users can realize the interaction of data management of the ship intelligent terminal. The experimental results show that the system has better portability and can realize more secure ship intelligent terminal data management.
Key words: big data technology     ship intelligent terminal     data management system     the privacy of big data     big data encryption    
0 引 言

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。

图 1 船舶智能终端数据管理系统总体结构 Fig. 1 General structure of ship intelligent terminal data management system
1.2 船舶智能终端数据采集硬件设计

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。

图 2 船舶智能终端数据采集硬件结构示意图 Fig. 2 Schematic diagram of data acquisition hardware of ship intelligent terminal
1.3 数据存储控制器设计

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。

图 3 数据存储控制器结构示意图 Fig. 3 Structure diagram of data storage controller
1.4 基于大数据技术的船舶终端数据加密方法

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, $ P $ 为提取到初始船舶智能终端数据; $ S $ $ T $ 分别为受学习分析数据、数据内部状况函数; $ N $ $ W $ $ A $ 为船舶智能终端数据因素、矛盾数据和数据总数。

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, $ Q $ 为船舶智能终端数据加密模型; $ \alpha $ 为一致空间内船舶智能终端数据; $ \mu $ 为数据安全性指数; $ \lambda $ $ n $ 为加密数据量和数据反射程度参数; $ U $ 为深度学习空间比例函数。

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。

图 4 可移植性测试结果 Fig. 4 Portability test results

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。

表 1 自动舵数据(°) Tab.1 Ship autopilot data (°)

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。

图 5 系统管理数据安全性测试结果 Fig. 5 System management data security test results

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。

图 6 智能终端的航速数据管理页面 Fig. 6 Speed data management page of ship intelligent terminal
3 结 语

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。

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