摘要：为实现中国内河新能源船舶统一监管、远程运维，文中分析了现有船舶、车辆远程监管平台关键技术和内河新能源船舶监管要素及管理需求后，提出并搭建了内河船舶新能源系统监管平台。该平台采用自定义通信协议满足监管对象、数据项扩展需求;采用船载端与岸端信息数据加密方法保障信息安全;采用多种数据存储单元结合的混合分布式存储架构满足船舶新能源系统数据存储需求;提出布谷鸟搜索-概率神经网络算法，为开展新能源系统故障诊断研究提供技术支持。平台能够实时监管并记录船舶新能源系统运行状态，实现长江水域新能源船舶信息化管理，开创内河新能源船舶信息服务新模式，推进绿色长江建设。
关键词：交通信息工程及控制;船舶新能源系统;远程监管平台;数据采集;信息安全;数据存储;数据挖掘
0引言
随着大数据技术和无线通信技术的日益成熟，信息化管理成为船舶管理追求的目标，以信息化推动船舶管理的现代化，能有效提高船舶管理效率，降低船舶事故风险[1]。目前，国内外已展开船舶信息化管理研究，Tang等[2]利用计算机技术、信息通信技术，以13500TEU集装箱船为研究对象，设计了船舶监管系统，构建全船资源信息管理平台，实现信息资源综合展示和性能监控。熊威等[3]利用Flume，Hbase等大数据工具，构建船舶柴油机大数据处理平台，为船舶柴油机大数据的存储、计算、分析和挖掘提供平台支撑。贾秉峰[4]构建基于互联网的船舶远程监管系统架构，利用嵌入式数据采集系统采集实时数据，利用局域Wi-Fi与4G通信进行数据传输，实现多船远程监管功能。王士国等[5]将智能信息网络和模块化设计应用于船舶柴油机管理系统中，实现柴油机的实时监测、远程求助、应急处理等业务。Deng等[6]结合更新的自动识别系统(AIS)设备、部分传感器和软件监测平台，开发了一套LNG燃料船舶在线导航安全监测系统。通过报警，加强风险控制能力，使管理部门在紧急情况下进行有效的监督。目前的船舶监管系统监管对象单一，主要为船舶柴油机系统，数据采集项固定、数量有限，且未考虑数据项扩展引起的数据接入、存储、分析等技术匹配问题，较少考虑非法访问、报文篡改等数据安全问题，平台架构较为简单，不具备多类型、多量级船舶数据兼容能力。
船舶绿色化和智能化是水路运输的发展趋势[7-8]，新能源船舶的快速发展对船用新能源系统的安全监管、环境保护等方面提出了新的要求，亟需对船舶新能源系统开展在线监测和远程指导运维平台建设来保障新能源设备安全运行;通过运行数据分析，定量评估船舶新能源系统的节能减排效益，为提高系统效能提供数据支撑。本文结合新能源船舶动力系统原理及特征，在参考各交通运输系统远程监管平台系统框架设计[9-11]、分析各类数据存储平台[12-14]特点的基础上，建立了船舶新能源系统监管平台，研究系统数据传输、存储、加密，以及分析等技术，解决船舶新能源系统数据种类多、增速快、保密性高、融合难度大等问题。
1船舶新能源系统监管平台架构
船舶新能源系统监管平台是一个面向政府、企业、科研机构等3类群体的服务平台，旨在为新能源船舶安全运营提供远程监测、安全监管、数据分析等技术支持。目前新能源船舶发展还处于初期，缺乏新能源系统数据采集、传输等相关标准，船舶新能源系统采集数据项规范不统一;监管平台除需采集船舶设备状态信息外，还需采集岸端设施(如充电站、加注站等)信息，加大了数据采集、管理的复杂度;采集数据通过4G/5G公网传输，通信链路存在信息安全隐患;船舶新能源系统数据项存在未知性、时序性、传输频率跨度大、增长率快、体量大的特点，对数据存储平台适应性要求高，且传输数据存在高并发情况，直接接入数据存储平台存在宕机风险;平台需要为如故障诊断、能效控制等上层应用提供数据支撑，因此数据存储平台应具备数据高效读写能力。本文针对上述船舶新能源系统信息管理特殊性对监管平台开展了相关的平台架构设计研究，并构建了船舶新能源系统监管平台，见图1。
根据数据所处的不同阶段，将平台架构划分为4个层次：数据采集终端层、通信层、数据处理层，以及数据分析层，见图1。采集终端对船载端或岸端传感器采集的数据进行汇总、通过通信层(4G/GPRS/Wi-Fi)将数据传递到数据处理层;为提高数据接收的可靠性，本文采用RabbitMQ分布式消息队列中间件接收前端采集的数据，利用其路由、数据持久化，以及负载均衡功能，实现高可靠的数据接入处理。数据处理层从消息中间件中拉取数据，利用自定义可扩展报文协议匹配不同类型新能源系统进行报文解析，并将解析后的数据存入对应的数据存储平台之中;数据存储平台设计关系型数据库与时序数据库结合的混合分布式架构，满足数据存储、挖掘需求，运用大数据分析工具对船舶海量数据进行统计分析，在线监管系统通过数据可视化技术呈现分析结果，实现对船舶新能源设备、岸端设施的状态实时监测和分析。
船舶新能源系统安全监管平台的主要功能包括接收船舶新能源系统及岸端基础设施传送的实时数据;根据需要，对运行设备进行远程监测;提供故障分析、能耗分析、设备优化分析等服务接口，本平台的关键技术涉及数据采集技术、高兼容性通信协议、信息安全技术、数据存储技术等。
2数据采集与通信协议
新能源船舶船载设备种类多、复杂程度高，不同船型、不同动力类型所采集的数据项存在差异。如，柴电混合动力船舶采集的数据主要为燃油消耗量、电能消耗量、电池组总电压、二氧化碳排放量等[15];光伏发电船舶采集的数据主要为电气间环境温度、蓄电池间环境温度、逆变器电压、电流、输出功率等[16];LNG船舶采集的数据主要为甲烷浓度、储罐压力、甲烷消耗量等[17];纯动力电池船舶采集的数据主要为单体电池电压、单体电池温度、充电状态(stateofcharge，SOC)、电池组容量、电网电压等[18]。面向多类型新能源系统的数据采集需求，本平台通讯协议需具备兼容性以实现采集数据的接入。
相关期刊推荐：《交通信息与安全》(双月刊)创刊于1983年，由武汉理工大学、交通计算机应用信息网主办。杂志紧密结合交通行业实际，刊载了交通行业在交通信息化建设、管理信息系统(MIS)、地理信息系统(GIS)、全球定位系统(GPS)、智能运输系统(ITS)、计算机辅助设计(CAD)、电子数据交换(EDI)、企业网(Intranet)等领域计算机应用的学术论文、研究成果、经验总结、专题讲座等方面的大量文章，介绍了国内外计算机硬件、软件技术的新成果、新产品、应用动态和发展趋势。为指导、促进交通行业计算机应用的普及与提高作出了显著成绩。
近年来，我国新能源汽车技术和产业已取得标志性进展，正逐步形成新能源汽车大数据创新发展与应用体系，已具备数据监管项、报警项等标准[19]，对船用新能源系统信息化发展具有一定借鉴意义。船舶新能源系统监管平台可借鉴新能源汽车“车联网”平台的发展模式，但新能源船舶与新能源车辆在数据量级、采集项、传输频率等方面均存在较大差异，因此，新能源船舶不能直接复制新能源汽车通信协议的标准，接入监管平台。本文在充分研究新能源船舶监管要素后，设计了一套可面向多类型监控对象的应用层通讯机制。
通信协议主要包含协议版本号、船舶识别号、时间、位置、数据项等信息。通信协议数据包结构和定义见表1，用于说明数据包中数据项所遵循的数据定义格式。通信协议定义格式文本在服务端和船载端均存有副本，终端根据采集数据的不同，生成相应代码并固化到终端固件中。终端使用MQTT(messagequeuingtelemetrytransport)协议与监管平台进行数据传输，监管平台读取固定报文头，获得协议版本号后调取对应的定义文本进行报文解析。船用新能源技术正不断发展，监管对象及数据项存在未知性，因此本协议在数据单元中预留可扩展长度，以满足数据项扩充需求，提高协议可扩展性。
以趸船光伏发电系统为例，终端使用MQTT协议与监管平台进行数据传输，监管平台读取协议版本号后，按照已定义的数据项解析规则，对报文解密后按照通信协议定义文本进行解析。以下是趸船光伏发电系统的部分XML格式通信协议文本。
考虑到船舶运行的特点，存在通讯链路不稳定的情况，船载终端应具备数据缓存、续传功能。当终端数据传输单元与服务端通信链路出现中断时，终端将已采集的数据缓存于单片机Flash芯片中;当通信联系恢复时，优先传输实时数据，在传输空余时间发送历史数据，终端数据传输路线见图2。
3信息安全技术
信息技术的发展为船舶监管提供便利的同时，也存在着信息安全风险。由于船舶运营时大范围移动的特点，难以实现专用网络通信，本研究数据利用公用网络传输，存在信息泄露、篡改、丢失等可能[20]。因此，构建船舶新能源系统信息安全管理机制来保障船载端与服务端的信息安全十分必要。
3.1船载端信息安全技术
为提升船载终端数据加密解密处理能力，本研究采用内置加密芯片保障数据的安全可靠传输，防止报文在公网传输过程中遭到篡改。采集终端中内置可提供国密算法的加密芯片，将数据采集单元传输的报文通过国密SM4算法进行加密，以加密报文的形式传输至监管平台。为了进一步加强系统的安全性，本研究采取密钥定期更新策略，以防止固定密钥被破解，密钥更新流程见图3。通过定时器触发密钥更新事件，随机生成128比特SM4算法的密钥Key，极端情况可以考虑每次传输的Key都不一样，通过SM4加密手段进行密钥传输。此方法在满足新能源船舶数据保密性的同时，不影响数据处理速度，符合时效性要求。
为防止终端固件升级过程中程序被远程篡改、影响终端固件正常升级，终端的远程升级采用强化网络传输协议、加密传输数据包的形式保障远程升级的安全性。终端升级程序传输线路见图4，在发送升级程序代码前，服务器会将代码拆分成固定长度的多个数据单元，以每个数据单元为核心组成数据包(数据包内容包含数据包头标志、命令头、包序列、数据单元、CRC(cyclicredundancycheck)校验码、数据包尾标志，以及总包数等)，服务端通过加密芯片对数据包进行加密处理。嵌入式系统每接收到一个数据包，都将进行数据包解密，返回确认信息，若数据包校验无误，则在规定的Flash存储区域进行程序覆盖，达到远程终端嵌入式系统软件在线升级目的。
3.2岸端信息安全技术
船载单元的数据通过公网传送到数据平台，为避免非法访问船舶新能源系统监管平台的情况发生，采用身份认证机制对平台进行访问控制。船载设备连接MQTT服务器时采用了RabbitMQServer内置的身份认证机制，通过设置强密码及不定时变更密码的策略，提高船载设备连接的安全性。
采用基于角色层次的访问控制系统，建立监管平台Web端的身份认证机制。通过身份验证与权限分配，进行多用户访问权限的管理。定义访问控制策略，根据角色与权限的映射关系进行多用户的身份管理。平台身份认证机制的建立能有效防止非法获取、篡改新能源船舶相关信息，保障平台信息安全。
4数据存储技术研究
本平台监管数据类型多样，主要包括：船舶新能源系统数据、通航环境数据、船舶基本信息、岸端设施数据等。此外还存在数据采样频率跨度大、数据接收高并发等特点，传输频率涉及几赫兹到千赫兹不等，存在多船并发访问数据平台的情况，每天可累计百万条运行数据，给数据存储单元设计带来挑战。
为满足船舶新能源系统运行数据处理时效性、扩展性要求，使用SteamSets开源可视化的大数据实时处理工具和ETL(extract-transform-load)工具，对运行态的数据进行实时解析处理。SteamSets采用集群模式，通过运算节点横向扩展的方式，提高数据处理效率，可实现多通讯协议并行处理，符合监管平台的数据扩展需求。笔者设计了多种数据存储单元相结合的混合分布式存储架构，采用MySQL存储新能源船舶静态数据;采用Redis存储限定时间范围内的实时数据、监测船舶新能源系统当前状态;采用MongoDB存储图片、音频、视频。在对比了关系型数据库MySQL与时序数据库RiakTS的性能差别后[21-22]，对比见表2，发现RiakTS在相同数据结构、数据量级大的情况下存储性能更优、读写速度更快，且性能稳定，不受数据量增大的影响。综合以上分析，采用开源RiakTS时序数据库存储船载终端传输频率为1~1000Hz的船舶新能源系统动态数据。数据存储平台提供分布式横向扩展，可满足百亿级的数据扩容。——论文作者：徐逸1，2严新平1，2，3高嵩2，3▲
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