0 引　言

船舶工业作为现代综合性产业，对海洋资源的开发、水上交通和国防建设有重要影响，是进行现代化工业转型升级以及实施海洋强国战略的关键对象。为此，《中国制造2025》把高新技术船舶作为重点对象加快推进，并提出我国需要重点发展和掌握船舶配套系统相关数据通信、数据分析、故障诊断、健康评估和远程控制等智能化核心技术。船舶智能化已成为我国建设海洋强国和工业转型升级的必经之路^{[1 − 2]}。

目前，多数智能机舱相关的系统也越来越倾向于在机舱内通过在主机、辅机、轴系等设备上布置测点，利用各类传感器进行数据采集、处理，再基于热力参数分析法、故障信号特征提取等方法进行设备的故障诊断与健康评估^{[3 − 4]}。但如果仅将数据的处理和分析放在机舱内进行，将面临2个问题。一是机舱内动力系统结构复杂，设备众多，所产生的数据量过大，造成数据传输链路带宽不足，通信过程中数据传输的实时性及可靠性也难以得到保证。二是仅在机舱内进行动力设备的状态监测和故障诊断，难以充分挖掘数据的价值，无法同时对多个机舱进行基于数据挖掘、大数据分析等技术的远程智能化管理^{[5 − 6]}。

本文在传统的机舱故障诊断与健康评估系统上融入物联网边缘计算技术理念，提出一种基于物联网边缘计算系统框架的智能机舱边缘计算系统方案，利用边缘设备完成对主机、轴系等动力设备进行数据采集、振动信号特征提取及原始数据转换等预处理，在机务管理层进行设备的故障诊断和健康状态评估的数据应用，最后将特征提取的数据以及机舱日常重要的数据上报至云平台。云端通过集成机器学习、统计学习等算法进行评估模型的迭代训练，从而完成对多条船舶大数据分析、远程智能管理等方向的研究。

1 智能机舱边缘计算系统总体方案 1.1 边缘计算系统总体架构

物联网边缘计算系统的一般框架是基于云边协同工作的理念，边缘端进行边缘计算完成数据处理和分析，多个边缘端将计算结果上报到云端进行大数据分析，两者各司其职充分发挥各自的优势。基于这种框架将系统分为两端4层，如图1所示，两端指边缘端和云端，一个船舶机舱可看作一个边缘端，云端与边缘端是一对多的关系。

云端包含物联网平台层和云应用层2层，在该平台统一管理边缘端，将数据传输至云应用层可做进一步的应用，如大数据分析、机器学习、数据挖掘等方面的研究。边缘端即代表某船舶机舱，包含机务管理层和边缘设备层，要将数据在边缘设备层、机务管理层及云端之间稳定可靠地流传。

1.2 边缘计算设备双向通信技术目标

1）在船舶机舱中部署的边缘设备，如用于主机、轴系状态检测的边缘设备，其通过各类传感器获取主机、轴系的振动信号、压力信号、位移信号、转速信号进行预处理，同时还可以通过机旁监控系统获取对应的热力参数等。该通信技术需准确的将预处理后的数据传输至机务管理层。

2）机务管理层包括4G/5G CPE设备、边缘服务器和运行在边缘服务器上面的机务管理系统。机务管理系统作为TCP服务端，需与多个边缘设备模块实现数据交互；机务管理端能基于该通信技术获取各类监控数据，并且可正确调用数据接口，对各类数据进行数据分析，实现机舱状态监测报警，实现故障诊断和健康状态评估等功能；机务管理系统可对接收到的数据进行基于数据库的管理，同时通过4G/5G CPE设备或船联网技术支持下可将必要数据上传到云端。

3）云端需远程监测、统筹管理多个船舶机舱的边缘设备，接收机舱内机务管理层上报的数据，进行远程监测、在线升级边缘设备的固件版本。并能基于接收的数据进行数据挖掘、大数据分析的研究和故障模型的建立。

2 双向数据通信软件的设计

将双向数据通信软件功能分为2个部分即上行通信部分与下行通信部分，该软件作为智能机舱边缘计算系统通讯体系的核心起到了上行与下行的纽带作用。双向数据通信软件功能设计框图如图2所示。

2.1 下行通信模块设计

下行通信功能部分需包含获取或修改边缘设备模块参数的功能接口、公开的功能类（基于面向对象编程语言的类封装技术）。机务管理系统调用下行通信功能后，将自身转换为TCP服务器端，与多个边缘设备模块（TCP客户端）建立TCP连接，然后机务管理系统可调用下行通信功能接口获取或修改边缘设备模块的各种参数、下发控制指令。由于机务管理系统应用下行通信功能时，会使用到相应的自定义功能类来接收数据，所以下行通信部分包含了公开的功能类。边缘设备模块与机务管理系统之间需实现的交互功能包括以下几部分：

1）获取与显示边缘设备模块身份信息。包括设备ID号、设备IP地址、软件版本号、硬件版本号、MAC地址等。因为要求这些信息可被配置，所以下行通信功能还需设计包含向边缘设备模块下发数据的接口。

2）获取与显示振动信号的特征值。边缘设备模块接收到主机、齿轮箱等振动信号后，经过调理、转换、按照特征提取算法提取特征值，主要包括峰值因子、波形因子、脉冲因子、裕度因子、峭度因子、偏度因子、重心频率、频率偏差、均方频率等。

3）获取与显示故障类数据。实现显示各类传感器的状态信息，包括是否断线、数据异常提示等功能。

4） 下发配置参数。下行模块需对边缘端设备的采集与处理实现配置参数的下发，以主机边缘设备为例，发送的参数有发动机缸数及发火顺序、IVO正时角度、定时发送时长、滤波使能、诊断周期、上止点偏移角度、喷油提前角、传感器灵敏度等。

5）实时数据与原始数据的获取与显示。通信模块需获取边缘端设备上发的实时数据曲线，包括瞬时转速、气缸压力、轴心轨迹等。对于缸盖振动信号，下行通信功能除了实时显示边缘端计算的特征值外，还需包含“原始数据模式”功能，即对于振动信号的原始数据，需对数据进行逐一校验后转换为二进制文件存储在指定的路径下便于后期读取。

2.2 上行通信模块设计

上行通信功能部分利用CPE或船联网，将边缘服务器连接至云服务器，与云服务器的通信使用MQTT协议。机务管理系统作为 MQTT客户端后连接到阿里云物联网平台，客户端与阿里云物联网平台的交互信息和实现功能有：

1）机务管理系统需向云平台发布的消息主要是从边缘设备模块接收到的振动信号的特征值、机舱内日常数据（如机舱温度、船舶位置等）发布到云平台后保存在服务器中，可运用阿里云物联网平台的服务功能进行数据分析、显示。

2）在物联网云平台启动OTA升级功能时，机务管理系统需从云平台获取云平台下发的OTA升级相关的消息，如固件最新版本号、固件下载地址。

3 边缘系统双向数据通信软件功能测试与验证 3.1 测试平台的搭建

结合边缘设备模块及其他设备按照图3的设备连接方式搭建智能机舱边缘计算系统测试平台，以此对本次设计的双向数据通信软件的稳定性、数据传输的准确性等方面进行功能测试。

虚拟发动机信号输出模块先连接接线箱，再使用排线连接到船用主机信息采集与处理模块。轴系试验台同样先连接接线箱，再使用排线连接到旋转机械振动分析模块，然后2个边缘设备再通过网线连接交换机，最后交换机通过网线连接到边缘服务器，边缘服务器通过CPE接入互联网^[9]。

3.2 功能测试

搭建好测试平台后启动边缘设备、信号输出模块以及轴系试验台等，运行机务管理层调试软件，对各类数据显示功能进行验证，包括多设备连接、握手信息显示、特征值计算结果显示、参数配置验证。

对于需要进行实时图表可视化的参数，如瞬时转速、气缸压力、轴心轨迹等，系统将调用DevExpress绘图控件进行实时图标绘制或相原始数据文件内容中的数据显示，如图4和图5所示。

对于云端平台，智能机舱边缘计算系统要求机务管理系统能将机舱内产生的必要数据上报云平台。如振动信号的特征值和机舱其他日常数据等，实验证明云端服务器可准确接收本地通信软件上发的各类数据，并在云服务平台内正确显示，如图6所示。

4 结　语

本文在分析智能机舱边缘计算系统对于数据通信需求的基础上，研究边缘计算系统的数据通信技术并开发了双向数据通信软件以及机务管理层调试软件。结合阿里云物联网平台开发了Web应用，对开发的双向数据通信软件进行了功能测试。本文主要成果如下：

1）基于智能机舱建设的一般要求、物联网边缘计算系统框架和技术理念，提出一种智能机舱边缘计算系统方案，并对智能机舱边缘计算系统总体架构进行了介绍与分析。

2）对双向数据通信软件进行了总体功能分析，从系统上行、下行通信2个纬度进行程序开发，并编写了前端页面以便功能验证和加入后续功能，如状态检测和故障诊断模块等。

3）搭建了智能机舱边缘计算系统测试平台，划分了需测试的功能模块，并开展了实验。对测试结果进行了分析，验证了双向数据通信软件的性能以及边缘系统方案的可行性。