0 引　言

远程监控系统可以收集船舶的运行数据，分析并优化航线、速度等，提高燃油效率和降低运营成本。基于Web的远程监控系统可以随时随地访问船舶数据，提高了管理的灵活性和对突发事件的响应速度。船舶数据交换技术是实现船舶监控远程化和自动化的关键。基于Web的船舶数据交换技术是指利用Web服务和相关通信协议，实现船舶与岸基系统之间数据的实时收集、传输和交换的技术。这种技术是智能船舶系统的关键组成部分，随着智能化时代的到来，船舶工业和航运业越来越聚焦于智能船舶的发展，船舶远程数据交换技术成为研究热点^{[1 − 2]}。

随着数字技术在船舶行业的快速发展，船舶的智能化、数字化程度不断提高，船舶在营运过程中产生了大量的数据。为了促进船舶检验数据的标准化交换，中国船级社编制了《船舶数字化检验数据交换技术指南》，该指南提供了标准的数据交换规则，以应对行业面临的迫切需求。此外，国内有学者研究提出了基于Web服务器的数据交换方法，通过格式化的交换数据包及服务接口调用过程，实现了数据交换的规范化，提高了数据交换的安全性^[3]。这些基于Web数据交换技术的研究以及相关行业规则规范的提出都为未来相关技术的深入开展和应用奠定了良好的基础，本文在对数据交换技术进行充分研究的基础上，提出一种基于Web服务器的船舶远程系统数据交换方法，旨在提高船舶运营的效率和安全性，同时也支持船舶行业的数字化转型。

1 基于Web的数据交换技术 1.1 数据交换问题分析

船舶远程监控与管理系统（Maritime Remote Monitoring and Management System, MRMMS）的构建旨在实现对船舶全方位信息的远程实时监测与控制，为船员及岸上管理人员提供一个高效、便捷的交互平台。该系统深度融合了先进的软硬件技术，不仅极大地增强了船舶运营的安全性与效率，还促进了船舶维护的智能化与远程化进程^[4]。为了实现这一点，不仅需要在硬件层面进行详细设计，同时还需要在软件层面实现数据的实时交换。

在硬件层面，集成高精度AIS（船舶自动识别系统）、GPS（全球定位系统）接收器以及机舱传感器网络，实现对船舶位置、航向、速度、设备状态（如发动机运行参数、油位、水温等）的实时采集。同时配置高性能嵌入式处理器，负责数据的初步处理、压缩与加密，确保数据传输的安全性与效率。在获取这些数据后，采用卫星通信、4G/5G移动网络或VSAT（甚小口径终端站）等多种通信方式，确保船舶在全球任何海域都能与岸基监控中心保持稳定连接。

在软件层面，构建船舶信息管理系统，负责船舶数据的整合、存储与分析，支持自定义报警规则设置，及时发现并报告潜在问题。在云端或者船舶上部署Web服务器，提供基于Web的用户界面，允许船员及岸上管理人员通过标准浏览器访问船舶实时数据、历史记录及报表，进行远程设备监控、故障诊断与软件更新。采用SOAP、RESTful API等现代Web服务技术，实现船舶数据与岸基系统、第三方应用之间的无缝对接与数据共享，支持实时数据流与批量数据传输。

基于Web的数据交换技术是船舶远程监控系统的核心技术之一，船舶上的AIS、GPS、机舱信息等通过船舶局域网上传到Web，通过数据交换技术，岸基监控中心、船舶控制中心都可以通过Web服务器来访问这些数据，从而实现远程对船舶的监控和维护。目前基于Web的数据交换技术中仍然存在以下问题：

1）数据标准不统一。船舶行业在航行过程中产生大量数据，但目前缺乏统一的数据交换标准和结构规则，这导致了数据交换的复杂性。

2）数据共享机制不成熟。船舶行业数据共享机制尚未完全建立，数据共享开放是数据市场化的前提，但目前存在数据泄漏、数据所有权被盗用、数据被篡改等问题，需要通过技术手段如区块链来确保数据交换的安全性和权益保护。

3）数据交换安全性。在网络传输中，数据的安全性和身份验证是普遍存在的问题，需要通过XML数字签名和加密等技术手段来提高数据交换的安全性。

4）数据孤岛问题。由于信息系统的差异，各机构之间形成了数据孤岛，导致数据无法有效共享与联通，这限制了数据生产要素作用的发挥。

1.2 基于Web的数据交换结构设计

基于Web的船舶远程系统数据交换技术架构如图1所示，船舶远程数据交换的基本原理是利用Web技术实现数据的远程收集、存储、处理和分发。数据提供者通过API将数据上传到共享存储平台，数据经过数据加工和质量管理后，通过数据交换平台提供给数据使用者^[5]。数据使用者可以通过API或其他方式访问数据交换平台，获取所需的数据，并利用BI工具进行数据分析和决策支持。访问控制确保数据安全，只有授权用户才能访问特定的数据集。整个数据交换过程需要考虑数据的实时性、准确性和安全性，以满足船舶远程监控和管理的需求。

1）数据提供者。提供原始数据或处理后数据的一方，这些数据包括船舶的位置、状态、性能指标、船舶监控的实时数据等，其中船舶监控的实时数据是数据交换的重点内容，包括机舱监控数据、船舶主机工作数据、AIS数据等。

2）数据使用者。指需要使用这些数据的一方，包括船舶运营商、维护团队、监管机构等。

3）数据交换平台。作为数据提供者和数据使用者之间数据交换的中心枢纽，负责数据的接收、存储和分发。

4）共享存储平台。提供一个集中的存储解决方案，用于保存船舶数据，以便数据提供者上传和数据使用者下载。

5）API。应用程序编程接口（API）允许自动化系统与数据交换平台进行交互，实现数据的自动获取和更新。

6）协作空间。这是基于Web服务器的船舶远程系统数据交换技术的核心，它允许不同参与者（如船员、工程师、管理人员）协作和共享信息，从而保证所有拥有访问控制权限的人能够访问船舶的敏感数据，最大程度保证数据安全和隐私。

7）数据加工。对原始数据进行处理和转换，以满足数据使用者的需求，例如数据清洗、格式化、聚合等。数据加工也是数据交换的重要组成部分，由于很多交换获取的数据格式不同，且很多数据需要经过数据加工后才能被其他的API所应用，因而数据加工过程有效提高了数据的可用性，且加工后的数据更容易进行分析和挖掘，有助于发现数据中的模式、趋势和关联，为决策提供支持。

8）DQ（数据质量管理）。数据质量管理可以有效保证在船舶远程系统数据交换过程中数据的完整性和准确性，通过识别和纠正数据问题，减少因数据质量问题导致的船舶运营风险。

9）BI（数据分析及支持）。利用智能大数据分析工具对数据进行分析，为船舶运营提供决策支持，包括船舶维修计划、航线规划、人员管理等，例如通过对船舶主机的燃油消耗、航线等的数据分析实现对航线的优化设计，从而降低船舶营运成本。

2 船舶远程系统数据交换技术研究 2.1 数据交换技术研究

当前船舶远程系统数据交换过程中存在数据冗余、通信数据格式不统一等问题^[6]，因而本文对基于JSON和XML的数据交换技术进行研究。图2为基于JSON和XML的数据交换过程。当用户在浏览器中发起请求，这些请求可能来自于一个Web页面或API，Web服务器接收到浏览器的请求后，会根据请求的类型和URL调用相应的业务逻辑，服务器上的业务逻辑层会处理请求，业务逻辑会使用数据模型来组织和验证数据，确保数据的准确性和完整性。生成器是Web服务器上的一类组件，负责将数据模型转换成JSON或XML格式。选择哪种格式取决于客户端的需求或API的设计。解析器是客户端（浏览器）接收到JSON或XML数据文件后，使用解析器将数据解析成可操作的格式。在整个数据交换流程中，JSON和XML扮演着数据序列化和反序列化的角色。JSON因其简洁性通常用于Web API，而XML则用于需要复杂结构或命名空间支持的场景。服务器和客户端都可能包含生成器和解析器，分别用于创建和读取JSON或XML格式的数据。

2.2 数据交换技术测试对比

1）基于JSON的数据交换

JSON（JavaScript Object Notation）是一种轻量级的数据交换格式，易于阅读和编写，同时也易于机器解析和生成。JSON作为一种数据交换格式，因其简洁性和易于解析的特点，在Web API设计中非常流行，特别是在RESTful API中。

JSON是基于JavaScript程序语言的一个子集，但JSON是语言无关的，很多编程语言都支持JSON格式的数据交换。JSON数据由一系列键值对组成，其中键是字符串，值可以是字符串、数字、数组、布尔值、null或另一个JSON对象。在数据类型支持上，JSON支持数组类型，可以包含有序集合的数据。船舶远程系统中的数据包含多类数据，且这些数据格式均不相同，因而若采用JSON进行数据交换，则需要将数据进行封装，JSON支持将不同类型的数据封装成为一个复杂的数据结构，因而完全满足船舶远程系统的数据封装要求。在完成传输后，客户端和服务器端的应用程序可以将JSON字符串解析为内部数据结构，也可以将内部数据结构序列化为JSON字符串。

2）基于XML的数据交换

XML文档扮演着数据交换中的枢纽角色。作为一种可扩展的标记语言，XML由W3C组织制定，成为了互联网数据交换和信息表示的全球标准。它具备定义数据结构和对多样数据进行标记的能力，属于SGML（标准通用标记语言）的子集。XML以其跨平台兼容性、易于扩展的特性、强烈的语义表达能力以及出色的人机交互性，被广泛采纳于网络环境中异构数据源之间的数据传递。

对基于JSON和XML的数据交换进行测试并对比。测试方法为：模拟船舶远程系统的数据交换，事先编写程序生成随机数字和字符组成的测试文档，大小为200～2000 kb，并将这些测试文档转换为对应的JSON文档和XML文档，测试这些文档写入硬盘的时间，得到的结果如图3所示。可以发现，在同等数据量的情况下，基于XML的数据交换消耗的时间较少。

在数据存储大小上，使用JSON转换的数据占用空间较小，且为解决XML编程负担较重和扩展性限制的问题，采用JSON作为网络应用数据传输的格式，可以被客户端更直观地识别和呈现。JSON与JavaScript的内置对象结构高度契合，几乎不存在只能由XML解析而JSON无法处理的情况。与XML相比，JSON在与JavaScript的互操作性上表现得更为自然。从不同的数据库中提取的数据，一旦转换为JSON格式，仅需JavaScript的eval()函数简单处理，即可转化为可直接用于程序的JavaScript对象，这一转换过程由浏览器内置的JavaScript引擎自动完成，无需额外编写代码。

从综上可知，使用JSON搭建简易的数据交换系统时具有优势，且能够和大部分数据库实现兼容，因而具有良好的适应性，但是在数据传输时间上处于劣势，这一点需要对数据转换模块进行优化才能解决。

3 结　语

对船舶进行远程实时监控可以有效提升船舶运行的安全性，基于Web服务器的数据交换技术可以实现快速的数据交换，本文对数据交换技术进行研究，并提出了一种基于Web服务器的数据交换结构，得到的结论主要包括：

1）分析了船舶数据交换技术中存在的问题，并在此基础上对Web服务器的数据交换结构进行研究，分析了数据交换、数据加工、数据质量管理、数据分析与支持等功能的实现原理；

2）对基于Web服务器的JSON和XML数据交换技术进行了研究，并使用模拟数据对两种数据交换技术进行了测试，结果表明使用JSON搭建简易的数据交换系统时具有优势，且具有良好的适应性，但JSON在数据传输时间上处于劣势。