船舶智能空间技术研究
2023-09-21
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第30卷第5期 江苏科技大学学报(自然科学版) Vo1.30 N。.5 2016年10月 Journal of Jiangsu University of Science and Technol。gy(Natural Science Edition) Oct.2016 doi:10.3969/j.issn.1673—4807.2016.05.010 船舶智能空间技术研究 陈 龙,蒋丁宇,曹 辉 ,郑恒持 (大连海事大学轮机工程学院,大连116026) 摘要:以普适计算中智能空间技术应用为背景,分析了智能空间的特征和发展概况,结合船舶物理空间特性提出了船舶 智能空间的概念,给出了船舶智能空间的网络架构并对其进行了分析.对船舶智能空间关键技术进行了研究,提出运用 LADP方式设置用户访问权限,通过加密和Hash算法建立远程通信安全机制,设置了虚拟场景解读船舶智能空间服务,提 出将设备功能抽象为Web服务完成异构网络整合.从大数据时代背景下对智能船舶的定义看,船舶智能空间概念的提出具 有前瞻性和合理性,对预测船舶未来发展有一定的参考价值和借鉴意义. 关键词:普适计算;船舶智能空间;网络模型 中图分类号:TN915.5 文献标志码:A 文章编号:1673—4807(2016)05—0462—04 Research on technologies of ship smart space CHEN Long,JIANG Dingyu,CAO Hui ,ZHENG Hengchi (College of Marine Engineering,Dalian Maritime University,Dalian 116026,China) Abstract:Based on the background of smart space technology applications in pervasive computing,the paper an- alyses the general characteristics and development situation of smart space,puts forward the concept of ship smart space,discusses key technologies of ship smart space,sets up user S access rights using LADP method.The se- curity mechanism of remote communication is established by encryption and Hash algorithm,the virtual scene is set to explain the nature of the service discovery in intelligent space,and the function of equipment for web serv— ices is abstracted to complete the integration of heterogeneous networks.From the definitions of the intelligent ship under the background of the age of big data,the ship smart space built in the paper has forward—looking and rationality,and it has certain reference value and signiicance ffor predicting the future development of ships. Key words:pervasive computing,ship smart space,network model 当今船舶的自动化网络一般采用现场总线与以 太网(Ethernet)相结合的有线网络形式.随着物联网 技术和智能传感设备、移动设备的发展,船舶自动化 文中将普适网络中智能空间技术应用到船舶 物理空问,搭建具有较高监视特征和环境控制特征 的智能模型——船舶智能空间,实现船舶物理空间 和信息空问的融合,并对船舶智能空间的关键技术 进行了研究. 技术向无线网络发展,这种趋势必然带来船岸一体 化、数据共享、远程监控和维修的智能船舶新局面,船 舶管理将逐渐由“船基”向“岸基”转移.船舶信息网络 发展的最终目标,是以自主可控的智能船舶信息体系 为纽带,形成整个船舶产业的智能信息联盟 1智能空间概念 智能空间(smart space)是指嵌入了计算、信息 收稿日期:2015—11—27 基金项目:国家自然科学基金资助项目(5149017);中央高校基本科研业务青年骨干教师基金项目(3132015023) 作者简介:陈龙(1991一),男,硕士研究生. 通信作者:曹辉(1979一),副教授,研究方向为机舱管网建模、轮机自动控制.E—mail:lustersolfDMU@126.aOlTl 引文格式:陈龙,蒋丁宁,曹辉,等.船舶智能空间技术研究[J].江苏科技大学学报(自然科学版),2016,30(5):462—465.doi:10.3969/j issn.】673—4807.2016.05.010. 第5期 陈龙,等:船舶智能空间技术研究463 设备和多fj!念传感装嚣的1 作 州,它使用户能方 便地 nIJ 1:空问中的信息,捩得汁钟:服务,从而 能 『【Ij(open smml sI 下文感知 一, pace),主 研究感备 传设 w 控箭 深 监设 测 (( 1lexl—awal-e)和游牧服务(cybe ̄’f-【,raging);第二阶 ; 岛效地进 独立工作或 同I 作.爷V能 问中,计 算没箭小fl『址被动地 式操作, 址迎过自发的人 饥交『『 他』tJ』、1获得现场、透叫的汁算和信息服 务 .智能一 1]具备的特征包插: (1)rt ii盱I未务: I’;IJ干¨感 1 J1 J J、 的动作币n几 的,川 f1I颅洲任务过 I{】j1 , ; 段是钳能社 (smart(tOllll'ImnilY),这 阶段着重研究 跨智能审 的交 ,资源共享和 F文的 享.目前, 埘f第・阶段的发展已有很深入的研究,研究重点在 第二阶段【 , 第三阶段足末来研究的趋势,也是实 现人规模环境普适计算的必经之路 . (2)●:f小交互:¨‘算设备和多摸忿{=;!块的嵌入 2船舶智能空间 随荇信息化技术在海事业界的运川,船舶物理 空间正朝希高度集成、网络共事、智能监测的方向 发展,船舶的管理 在rf1船基向岸基转移.通过上 使智能 mJ拥有立体、连续的交 , 通道; (3)游牧接入:终端没胬提供 谢的信息显示 并能允分利J}J周围的设备信息,终端卜I,I,j运行模块 能够与j 他卡Il块进行协同J 作,提供增燃Hf乏务; (4) 推演:提供对发生 错能 问中经历 的i 求,川‘以愉索回放. 文关于智能 问的描述可知,在船舶物理空间中, 若将大量多模态传感器、嵌入式汁算没备和信息设 备 联起来,并将智能计算嵌入、分布到船舶内部 环境中.实脱船舶物理空间和信息空间的融合,即 可搭建基于船舶物理空间的智能模型——“船舶 智能夺问”.图1给出了船舶智能空问的网络架 构. 清华人学 适计算研究小组将智 lib“.,5、:’问发展分 为3个阶段:第一阶段是单智能空间(individual smart space),主要研究空间内模块通讯与协渊,自然人机交 互和系统的 问断 币II不 见性;第二阶段是开放智 圈_ Ii u 服务器 、、终端、 \、 9 // 藩国一’ L 尊 异构嘲 络黧整合 譬墨 、 C】l 霉~一 图1船舶智能空间网络架构 Fig.1 Ship smart space network architecture I l, 船舶智能空问中,传感网络、定位网 络((; 等)f1I控制网络等通过网络整合后将各种 送到岸 卞H父部门,实现远程监测和管理. 按照层次结构由低到商iti<,j Ji ̄l序,将船舶智能空 问分为“感知层、网络层、认知层、应用层”.其中, 感知层包括大量传感设备、RFID标 、定位设备 等,主要负责状态信息采集;网络层则通过异构网 络的整合实现数据的感知处理;认知层主要进行信 息推理和数据挖掘;应用层则提供智能服务和人机 交fJ:接 . 状态信息送 工作站和服务器,服务器通过对信息 的智慧推 、决策,[J动控制船舶设备运行工况;同 时,状态信息 I『以在各种终端设备 实叫‘显示和查 询,管 通过终端设备町以对船舶 备进行全 和 联网传 面、有效地交,f操作;船舶智纰I ̄, I Ll1{1『人】部所有信息 在保证隐私 的前提下,可以通过 江苏科技大学学报(自然科学版) 可以看到,船舶智能空间能够完成船舶内部的 合,将导致船舶物理空间的设备和用户信息将面 信息共享和融合,实现“船基一岸基”的信息联盟 临与信息空间同等级别的安全威胁,因此如何保 和远程支持,这将带来船舶的航行自动化、机舱自 证系统的安全和隐私是船舶智能空间中的一个 动化、装载自动化、远程管理自动化等.然而,船舶 重要课题. 内部设备繁多,运行环境复杂,维护管理困难,这使 船舶不同人员按照设备有明确严格的职能分 得船舶智能空间与“智能家庭(smart home)”等这 配,在船舶智能空间中,可根据职能属性将船员划 些相对成熟的智能空间模型相比,有其特异性. 分为不同属性特征的组织单元(organizational n. 3船舶智能空间关键技术 nit).基于船员属性特征,可实现船舶智能空间内 船员与信息相互关联的有效解耦,以保证空间 目前开式智能空间的研究现在仍不成熟,船舶 Web服务中任务部署、应急保障等内容的安全性 智能空间也无法避免地面临一些关键难题,集中表 和有效性.按照LDAP(轻量目录访问协议)的方 现在船舶智能空间的隐私性、服务发现时效性、异 式,对船员属性进行配置和管理,并设置相应的布 构网络整合. 尔逻辑运算规则,实现不同权属等级下的访问控制 3.1隐私性 权限,表1是船舶机舱人员不同角色权属等级的访 船舶智能空间是船舶物理和信息空间的融 问权限列表. 表1机舱角色权属等级对应访问权限列表 Tablel List of access rights of engine room roles 远程通信隐私性主要涉及船基和岸基之间的 在复杂网络环境中,能自动发现和使用网络中的服 通信安全,首先船舶远程传送的信息(船位、备件、 务越来越重要.船舶智能空间中设备繁多,信息动 设备状态、故障状态等)均属敏感信息;其次岸基 态性很强,这些信息如果过时了,价值会大打折扣. 船舶公司对船舶进行远程操控(远程操纵指令信 所以在保证智能空间中服务发现的时效性非常必 息等)也必须保证是安全有效的. 要.服务的本质就是人机交互的过程,其时效性体 在船基与岸基远程通信会话发起和建立时,可 现在:无需预先理解并提供准确的服务,并应具有 先通过非对称加密、Hash算法和数字签名等手段 良好的游牧性,即服务能够平滑地迁移而不引起用 实现身份验证和密钥分发;通信建立后,船舶远程 户注意.请看以下场景: 传送的敏感信息和指令内容仍存在被截取、篡改的 Cosglad号油轮航行于大西洋海域,机舱空压 风险,船基发送方可采用Hash算法将通讯内容转 机运行噪声增大,排温升高,充气速率降低.传感设 换为数据散列,并用服务器私钥生成数字签名,岸 备将故障信息传送至二管轮A的手持iPad和监控 基管理人员依据约定的Hash算法将通讯内容摘要 服务器上,服务器智能决策,自动加大滑油量.A此 和时间戳转换为数据散列并对数字签名进行解密, 时正在卧室的Pc机上阅读发电机吊缸操作说明 若时间戳信息与时间滑动窗口范围吻合,则信息可 书,收到报警信息确认后iPad上已经给出了去辅 靠 .同时,可采用SSL/TSL建立传输层以上的安 机舱的最佳优化路径,A进入辅机舱时,辅机舱的 全通道,保证远程通信的信息安全机制. 液晶屏自动切换到空压机的监控界面,A通过iPad 3.2服务发现的时效性 访问专家知识库,智能故障推理引擎给出故障原因 服务发现,即自主地注册和发现服务.现有的 为活塞环断裂.此时备件管理系统自动查询,并将 各种Web服务大多考虑准确性而忽略实时性_6 J, 活塞环备件的位置和数量推送到A的手持iPad 第5期 陈龙,等:船舶智能空间技术研究465 卜,A及时 换活塞环后, 压机恢复 常.完成仟 务后A来到集控窒的备川PC机_J ,身份验 登陆 后Pc机自动弹出之 卧 未渎完的操作说明 5, A继续问渎.‘ 此同时,『JK务器将整个维修保养过 程生成文档,通过远程通信推送到岸琏饥务管理系 统. 以船冉n衍能空间的定位网络 合 例,綦于化 置的服务 【1前的智能 问中广泛采jtJ,原因在j: “位置” 料能卒间中贯穿始终,是服务的参照点. 船舶智能 I1J1的位置服务功能主要址扶取船位 息和船员、 备位置信息.当船_『jI,I 』一域海况航行 时,可川GI s进行定位;埘丁船舶物 问『人】的人 以L场 扣,故障信息提前推送、路径预先规 划、监控界 I,t动切换、义档自动远程传送都属_j: 员和没备,采用RFlD标掺和wIFJ融合定他的方 式,其rfI I{1.、ID标 关联卉位置信息 I拓扑信息, 实时的服务发现,而A 集控室能够阅渎先前末 完成的说lJJ 则属于服务的平滑辽移.『}{此可以 看出,保 了服务的时效性,就能存没箭敝障初期 进行有效预防和维护,许能任不分散管胖营注意力 的前提F完成智慧交 . 3.3异构网络的整合 船舶锗能空问网络肜式多样, 传感网络、 PI C控制网络、定化网络等.这些网络的 议和接 旧存在异构 (异构网络),使得不同网络之『日J的 联和信息共享成为难题. 面向服务的架构及Web服务技术 r放悱、 松耦合和跨、F台的特性,能够有效保证肄构和动态 环境下的软什巨操作性, 在众多领域具有广泛 的应用,特别往业务集成领域 。.若把服务}十算技术 应用在船舶钳能空间,通过一定的适 方式,把i殳箭 的功能扪象为Web服务,就lI丁以利斤J Web服务祭合 船舶内部的 构网络,实现船舶『大】部的资源共享币ll 互操作模 ,耍¨图2.首先需要给异构 络提供相应 的网络代瑚,将网络内的没备抽象为埘外提供标准 Web服务的虚拟没备,I_『普遍试用j 舟仆l¨1内部现场 网络异构性强的环境;然后通过船舶智能空间巾的 中间件(middleware)接收 垌代理提交的服务搜索 清求,完成任务匹配,』}执行服务调川,从而骼合异 构网络,实脱网络互连、信息匾通. / ,, 、/ 下日、 ” 『11Ic1删 一 i 一 , 船舶服务嘲关(船舶内部) 、 、 恻络代胛 颡 -毒 ・_¨_一… ◇… Zigbee传感网络PI( 氏迷嘲络 , 船舶智能空间异构网络整合图 Ship smart space heterogeneous network integration diagram WIFI无线 络可 洲 问RFI1)愉索通道的进 程 .对j 小同的定位力 ,需要构建州庇的适 器,实现定化信息的推/托(PUSH/PU1 1 )功能,从 而实观定化Hf芝务接口的统一. 3为定化 络祭合 的框架. 船舶统一定位服务接n 适 器 … -1…J)I S l l lPLj I I P I【JS l l1)iI I I …… 妄0 (jPS定位 图3定位网络整合框架 Fig.3 Positioning network integration 通过 J、 的适 ,/f 同的定 息能够使』}J 统一的定佗玎f芷务接口,f 应用兀需孑虑定f、=,=机制 的差异,通过服务接n他l~ lJ得到船舶的十H关位置信 息,实现定f 网络的 ¨ 融合. 4 结论 从智能一 问技术的J,;ZlfJ成 米7子,船舶智能 问概念是可行且顺应信息化时代背景,也是实现 “智能、安令、高效、环保”航运管 fI! 的必经之 路.DNV—GI 存2014 《未来航运、I 》的报告r 对“智能船舶”定义为:实时数据传输I,19 ̄F-集、大汁 算容 、数 7:建模能,J、远程挎制、传感器及小 化 等,这与文『『l提出的船矗n 。 彦空n1j慨念完全吻介, 未来的船舟n物理 问尤疑足信息高度融合的智能 问.在多源数据条件F的船舶智能 问能够实现 多维信息融合共享和服务协同优化,并仃 形成 有高附JJJ1俺的船舶制造、使用、管硼、物流等而内个 寿命周期的船舶 r 业新, 产、I 链. 第5期 孙晓东,等:内置式无轴承永磁同步电机悬浮力建模 483 (上接第465页) 大数据时代背景下,船舶智能化已成航运领域 未来发展的必然趋势.然而,目前智能硬件设备、信 息处理技术在船舶领域应用尚不成熟,为加快船舶 智能化进程,院校、船企应以“工业4.0”为契机,联 手研发,实现真正意义上的“船舶智能空间”,把船 舶工业带向更大的市场. 62.(in Chinese) 郝兴,孟小峰.基于位置服务中的连续查询隐 l 5 J 潘晓,私保护研究[J].计算机研究与发展,2010,47(1): 121—129. 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