一種船舶信息管理系統(tǒng)的設(shè)計

一種船舶信息管理系統(tǒng)的設(shè)計

0船舶管理信息系統(tǒng)的集成船舶的計算機科學和自動化管理是未來船舶設(shè)計的重要發(fā)展趨勢之一。隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的船電動系統(tǒng)正朝著造船信息的標準化發(fā)展。其核心是利用計算機、網(wǎng)絡(luò)通訊、自動控制等技術(shù),將通信設(shè)備、導航設(shè)備、機艙監(jiān)控、船務(wù)管理、視頻監(jiān)視系統(tǒng)等相對獨立的分系統(tǒng)納入到統(tǒng)一的船舶網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中,實現(xiàn)信息集成。我國的造船技術(shù)處于世界領(lǐng)先水平,在各類船舶上均有成熟的輪機監(jiān)控、綜合導航、報警系統(tǒng)、視頻監(jiān)視等系統(tǒng)。隨著嵌入式技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,船舶的集成化水平將越來越高。因此,建立船舶信息管理系統(tǒng)已越來越受到各方面的重視,各種類型綜合平臺信息系統(tǒng)開始在船舶上逐步實施。本文設(shè)計一種船舶信息管理系統(tǒng),構(gòu)建了系統(tǒng)的總體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和硬件框架,在軟件開發(fā)中采用模塊化程序設(shè)計思想,劃分了各業(yè)務(wù)邏輯模塊,并詳細設(shè)計了數(shù)據(jù)庫中的主要數(shù)據(jù)表。1星形拓撲的網(wǎng)絡(luò)故障因為存在物理環(huán)境惡劣,震動大、溫度高、濕度高等因素,為實現(xiàn)船舶信息管理系統(tǒng)的功能需求和性能需求,保證網(wǎng)絡(luò)的可靠性,船上采用有線網(wǎng)絡(luò)連接方式組成一個局域網(wǎng),組網(wǎng)方式為以太網(wǎng)方式。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)采用星形結(jié)構(gòu),星型拓撲結(jié)構(gòu)所需的通訊電纜少,可靠性高。采用星形拓撲,網(wǎng)絡(luò)故障還便于診斷,又能提供方便的接入服務(wù),在星形拓撲中,單個連接的故障只影響單個設(shè)備而不會影響到整個網(wǎng)絡(luò)。岸端用戶通過衛(wèi)星通訊可以簡便、實時地對船舶狀態(tài)和現(xiàn)場設(shè)備參數(shù)進行監(jiān)控,為船舶提供及時準確的技術(shù)指導,進而提升船舶航行的安全性,系統(tǒng)總體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。2主干網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及設(shè)備選型鑒于船舶惡劣的工作環(huán)境,以及電磁干擾等不利因素,同時船舶在航行中還有嚴重顛簸、搖擺和振動,對硬件的可靠性要求很高。因此,系統(tǒng)在設(shè)計時特別選用高性能、高穩(wěn)定性的硬件設(shè)備,兼顧快速、精確的要求。硬件系統(tǒng)設(shè)備主要包括網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換機、不間斷電源(UninterruptiblePowerSysterm,UPS)、打印機、磁盤陣列、磁帶庫等,這里僅對部分設(shè)備的選型及要求作出分析。(1)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。系統(tǒng)采用兩臺互為備份的服務(wù)器,主干網(wǎng)服務(wù)器主要用于數(shù)據(jù)的存儲、信息收發(fā)等,每臺服務(wù)器要求有兩個10M/100M/1000M自適應以太網(wǎng)接口。另外,服務(wù)器還要符合船用特殊條件,包括震動、溫度、濕度及電磁兼容性等。因此,選用HPE5620型號的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器,采用WindowsServer2008作為網(wǎng)絡(luò)中心的操作系統(tǒng),并配合SQLSERVER2005軟件,為系統(tǒng)提供高可靠的支撐環(huán)境。(2)UPS。主干網(wǎng)供電系統(tǒng)采用在線式APCSmart-UPS,為交換機、服務(wù)器等設(shè)備提供獨立電源,當發(fā)生事故停電時,UPS立即將機內(nèi)電池的電能,通過逆變轉(zhuǎn)換的方法向負載繼續(xù)供應220V交流電,使負載維持正常工作并保護負載軟、硬件不受損傷,UPS設(shè)備通常對電壓過大和電壓過低都提供保護。(3)網(wǎng)絡(luò)機柜?？紤]到機艙工作環(huán)境具有震動大、溫度高、電磁干擾強的特點,此處定制防護等級IP23(符合船用標準)的屏蔽網(wǎng)絡(luò)機柜,機柜底部、側(cè)面進行了加固以防止船舶的顛簸。此外,船上濕度大、溫度差異大,網(wǎng)絡(luò)插座采用了密封性好、可靠性高的航空插座,網(wǎng)絡(luò)中心需要利用空調(diào)進行24小時的調(diào)溫、抽濕來滿足系統(tǒng)設(shè)備工作環(huán)境的溫濕度要求。3軟件設(shè)計3.1功能模塊總體框圖設(shè)計本系統(tǒng)軟件設(shè)計采用模塊化程序設(shè)計思想,通過劃分功能模塊,設(shè)計各個模塊之間的數(shù)據(jù)流向,以保持良好的可讀性、可移植性和可擴充性,其總體框圖如圖2所示。3.2nmea-333標準信息傳輸協(xié)議數(shù)據(jù)采集模塊采集各導航設(shè)備(包括羅經(jīng)、測深儀、GPS等)信息和機艙集控臺的設(shè)備數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)經(jīng)解析、處理后存入實時數(shù)據(jù)庫,作為后臺數(shù)據(jù)調(diào)用顯示和數(shù)據(jù)分析處理的基礎(chǔ),數(shù)據(jù)采集示意圖如圖3所示。(1)導航信息。導航設(shè)備發(fā)出的數(shù)據(jù)量較大,數(shù)據(jù)的用途很多,實船所需的僅是其中部分數(shù)據(jù),從中挑選需要的數(shù)據(jù),如:時間、經(jīng)度、維度、速度、航向等信息,導航數(shù)據(jù)信息如表1所示。數(shù)據(jù)格式為美國國家海洋電子協(xié)會(NationalMarineElectronicsAssociation)為統(tǒng)一海洋導航規(guī)范而制定的標準格式NMEA-0183,NMEA-0183標準定義了電子信號所需要的傳輸協(xié)議、傳輸數(shù)據(jù)時間,并且指明了信息格式需要一個4800bps的串行數(shù)據(jù)接口,信息的一般格式為:$aaaaa,df1,df2,…[CR][LF],所有的信息由$(24)開始,以換行“CR(0D)LF(0A)”結(jié)束,緊跟著$后的五個字符表示信息的基本類型。(2)機艙數(shù)據(jù)。機艙集控臺采集各種機艙設(shè)備參數(shù),系統(tǒng)與集控臺進行通訊,只需要向集控臺發(fā)送指令,就能獲取需要的機艙數(shù)據(jù)。與集控臺的通訊協(xié)議為Modbus協(xié)議,RTU傳輸模式,RTU模式與ASCII模式相比,表達相同的信息需要較少的位數(shù)。Modbus協(xié)議是一種工業(yè)通信和分布式控制系統(tǒng)協(xié)議,在此協(xié)議上,控制其相互之間可以經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)和其他設(shè)備通信。本文中Modbus協(xié)議應用于主/從式點對點通信,主站要數(shù)間隔為1s,物理層采用RS485串行通信標準來實現(xiàn),能夠很好地滿足實時性要求。在ModbusRTU中,主站設(shè)備發(fā)送一個信息,相應的從站設(shè)備返回一個響應,當通訊命令由主機發(fā)送至從站時,符合相應地址碼的從站接收通訊命令,并根據(jù)功能碼及相關(guān)要求讀取信息。如果CRC校驗無誤,則執(zhí)行相應的任務(wù),然后把執(zhí)行結(jié)果發(fā)送給主站,ModbusRTU的查詢響應示意圖如圖4所示。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)定義如下:(1)主站向從站設(shè)備發(fā)送要數(shù)命令格式,從站地址(02)+功能碼(03)+寄存器地址高字節(jié)+寄存器地址低字節(jié)+數(shù)據(jù)個數(shù)(高字節(jié))+數(shù)據(jù)個數(shù)(低字節(jié))+CRC(低字節(jié))+CRC(高字節(jié));(2)從站向主站設(shè)備發(fā)送回數(shù)命令格式,從站地址(02)+功能碼(03)+返回的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)(1個字節(jié))+數(shù)據(jù)1(2個字節(jié))+數(shù)據(jù)2(2個字節(jié))+……+數(shù)據(jù)n+CRC(低字節(jié))+CRC(高字節(jié))。4氣調(diào)與報警閥值的存儲本系統(tǒng)的所有操作都是以數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)而展開,如數(shù)據(jù)查詢、信息修改、數(shù)據(jù)分析等,因此數(shù)據(jù)庫在本系統(tǒng)中占據(jù)著重要地位。根據(jù)船舶的業(yè)務(wù)需求和安全操作的實際應用特點,建立了數(shù)據(jù)庫文件shipping.mdb,部分數(shù)據(jù)表信息如表2所示。由于篇幅有限,本文只將系統(tǒng)部分功能模塊數(shù)據(jù)庫表的設(shè)計內(nèi)容作簡單闡述:(1)Jicang_real。該表用來存儲機艙最新實時數(shù)據(jù),包括時間(time)、監(jiān)測點1編號(0512)、監(jiān)測點2編號(0808)、監(jiān)測點3編號(0820)等參數(shù),其中時間設(shè)置為主鍵。由于監(jiān)測點眾多且參數(shù)點數(shù)龐大,如果長時間運行并記錄保存所有的數(shù)據(jù),則會導致數(shù)據(jù)總量急速增長,因此該數(shù)據(jù)庫會對過期的數(shù)據(jù)進行刪減,保留最新的60條記錄,機艙實時數(shù)據(jù)表設(shè)計的詳細結(jié)構(gòu)信息如圖5所示。(2)Alarm_info。該表用來存儲機艙各設(shè)備參數(shù)的報警閥值信息,包括監(jiān)測點編號(code)、監(jiān)測點名稱(paraname)、報警類型(type)、報警上限參考值(limitup)、報警下限參考值(limitdown)、修改時間(modifydate)、修改人姓名(modifer),其中監(jiān)測點編號設(shè)置為主鍵,機艙參數(shù)閥值信息表設(shè)計的詳細結(jié)構(gòu)信息如圖6所示。對上述各表作了詳細結(jié)構(gòu)設(shè)計后,畫出數(shù)據(jù)庫中各表之間的關(guān)系E-R圖,如圖7所示。5軟件開發(fā)過程設(shè)計本文根據(jù)船舶實際工程化應用的需要,闡述了船舶信息管理系統(tǒng)總體設(shè)計的原則,并從系統(tǒng)可靠性角度考慮,構(gòu)建了整個