基于物聯(lián)網(wǎng)的船舶監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

劉 麗，谷照燕

基于物聯(lián)網(wǎng)的船舶監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

劉 麗，谷照燕

摘 要：近幾年我國(guó)沿海海上船舶事故發(fā)生的頻率越來(lái)越高，而船舶監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)手段并沒有隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而快速發(fā)展，為了提高對(duì)海上運(yùn)行船舶的監(jiān)管能力，建立實(shí)時(shí)高效的管理系統(tǒng)，應(yīng)以物聯(lián)網(wǎng)和GPS技術(shù)的為基礎(chǔ)，探討新的船舶監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；船舶；監(jiān)控；GPS

劉麗/渤海船舶職業(yè)學(xué)院信息工程系講師，碩士（遼寧葫蘆島125000）。

近些年，由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)快速發(fā)展，我國(guó)水運(yùn)行業(yè)的需求也在不斷的加大，而對(duì)應(yīng)的航運(yùn)船舶數(shù)量也在隨之逐年的增加。水運(yùn)行業(yè)為地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展作出了巨大貢獻(xiàn)，然而由于水上交通基礎(chǔ)設(shè)施條件落后與水運(yùn)航道寬度有限等問(wèn)題的存在，這就造成船舶擁擠，船舶事故時(shí)常發(fā)生，船舶管理環(huán)節(jié)薄弱。為了國(guó)家與人民生命財(cái)產(chǎn)的安全，為了更好的對(duì)船舶進(jìn)行監(jiān)控與管理，將先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)與GPS技術(shù)運(yùn)用到船舶監(jiān)控系統(tǒng)中，具有極其重要的意義。

一、船聯(lián)網(wǎng)

船聯(lián)網(wǎng)是近年來(lái)繼物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)之后的又一個(gè)全新的應(yīng)用研究方向，具有一定的創(chuàng)造性和探索性。船聯(lián)網(wǎng)（Ship of Things）是指把各種感應(yīng)器嵌入安裝在船舶設(shè)備載體上，然后利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)和衛(wèi)星通信等技術(shù)手段而設(shè)計(jì)的能夠覆蓋我國(guó)沿海地區(qū)的海、天、地于一體的船舶物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。它是一套綜合處理各類船舶通信、避碰與落水報(bào)警、聯(lián)網(wǎng)管理與控制等功能的信息系統(tǒng)。在系統(tǒng)中運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)概念結(jié)合RFID電子標(biāo)簽與信息管理等，由系統(tǒng)工控機(jī)統(tǒng)一控制信息處理，配合通信收發(fā)天線，形成各船的通信終端，使水上航行的各類船舶互相聯(lián)絡(luò)及傳遞信號(hào)，與岸站相聯(lián)，形成具有統(tǒng)一多功能通信的船舶聯(lián)網(wǎng)[1]。

二、船舶監(jiān)控系統(tǒng)

（一）船舶監(jiān)控系統(tǒng)概述

船舶監(jiān)控系統(tǒng)是由電子海圖信息系統(tǒng)、船舶監(jiān)控系統(tǒng)與氣象信息系統(tǒng)等多個(gè)子系統(tǒng)組成的集信息顯示、監(jiān)控、管理集于一體的船舶綜合信息管理系統(tǒng)。此系統(tǒng)具有電子海圖與氣象信息重疊顯示、通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)手段實(shí)時(shí)監(jiān)控船舶的所在位置，并且對(duì)船舶所在的位置做跟蹤標(biāo)識(shí)與信息處理，這樣可以方便管理者對(duì)船舶的安全生產(chǎn)和船期執(zhí)行情況做到遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)跟蹤，遇到險(xiǎn)情及時(shí)報(bào)警，并能準(zhǔn)確的提供海灘救助信息及防臺(tái)避臺(tái)等多種功能[3]。

（二）船舶監(jiān)控方式

目前，從技術(shù)手段入手來(lái)看，船舶監(jiān)控系統(tǒng)主要有以下三種主流的監(jiān)控方式：

1.CDMA網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控方式。CDMA網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控主要是對(duì)沿海地區(qū)船舶利用中國(guó)電信的CDMA網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)手段來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)其動(dòng)態(tài)監(jiān)控與管理。這種監(jiān)控方式要求船只的基礎(chǔ)設(shè)施中要安裝發(fā)射裝置，港口口岸基礎(chǔ)設(shè)施中要安裝接收裝置，然后通過(guò)中國(guó)電信的CDMA網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)船舶動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)傳輸[2]。CDMA網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控方式的最大的缺點(diǎn)就是必須在沿海區(qū)域，而且還要有CDMA信號(hào)的地方使用，通常適用于在沿海地區(qū)運(yùn)輸?shù)倪^(guò)往船舶。

2.衛(wèi)星監(jiān)控方式。衛(wèi)星監(jiān)控主要是指通過(guò)船載終端的設(shè)備接收到衛(wèi)星信號(hào)的準(zhǔn)確位置，并獲取其對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)信息，并且將該位置的信息連同船只的信息通過(guò)無(wú)線通訊發(fā)送到船舶公司監(jiān)控指揮中心，經(jīng)過(guò)監(jiān)控指揮中心計(jì)算機(jī)的處理，可以通過(guò)船載終端，采用手動(dòng)或自動(dòng)的報(bào)警，這種方式最大的優(yōu)點(diǎn)就是可以不受船舶所在海區(qū)的限制，可以較好的實(shí)現(xiàn)全天候監(jiān)控與管理，但是也存在著最突出的缺點(diǎn)就是利用衛(wèi)星通訊的方式費(fèi)用昂貴，不適用于長(zhǎng)期持續(xù)的監(jiān)控[3]。

3.船舶AIS系統(tǒng)監(jiān)控方式。船舶AIS系統(tǒng)是指安裝在船載終端的AIS信號(hào)接收器利用AIS天線將船舶AIS信號(hào)全部接收，信號(hào)接收完畢以后由船舶AIS數(shù)據(jù)處理器將船舶經(jīng)緯度坐標(biāo)、航行方向與航行速度等各種動(dòng)態(tài)信息進(jìn)行提取，信息提取結(jié)束以后再把這些信息保存到船舶動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)中，方便實(shí)時(shí)掌握船舶的各種動(dòng)態(tài)信息。目前，根據(jù)SOLAS公約第5章“航行安全及其相關(guān)導(dǎo)則”中規(guī)定的要求，全球300總噸及以上的所有從事國(guó)際航行的船舶、不從事國(guó)際航行的500總噸及以上的貨船或者是客船都要強(qiáng)制安裝自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)AIS，由此可見AIS系統(tǒng)覆蓋的船舶范圍非常廣泛。但是由于AIS系統(tǒng)發(fā)射的信號(hào)只能覆蓋周圍30海里的距離，所以AIS系統(tǒng)比較適用于對(duì)港區(qū)內(nèi)的船舶進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控。

綜上所述，三種監(jiān)控方式都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用范圍，為了更好地對(duì)船舶進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與管理，我們必須要在船舶監(jiān)控系統(tǒng)中將先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引用進(jìn)來(lái)。

三、基于物聯(lián)網(wǎng)的船舶監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

（一）系統(tǒng)總體架構(gòu)

基于物聯(lián)網(wǎng)的船舶監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)遵循物聯(lián)網(wǎng)的體系特征即應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層和感知層3層如圖1所示的體系架構(gòu)，其中應(yīng)用層主要是船舶監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用平臺(tái)，它可以對(duì)過(guò)往運(yùn)行的船舶的進(jìn)行各種信息發(fā)布與科學(xué)管理；網(wǎng)絡(luò)層主要是通過(guò)北斗衛(wèi)星、移動(dòng)通信和互聯(lián)網(wǎng)等手段為用戶提供的各種服務(wù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)航運(yùn)信息的傳輸和交換；感知層主要實(shí)現(xiàn)船舶運(yùn)行過(guò)程中的職能感知，包括信息的采集、捕獲和識(shí)別等功能。

（二）感知層

感知識(shí)別是船聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)，而感知層的建設(shè)是船聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的根基。在感知層，船載終端裝備了的各種類型的傳感器或執(zhí)行器，通過(guò)傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和其他短距離組網(wǎng)設(shè)備，利用無(wú)線射頻RFID、多媒體信息采集、二維碼和GPS定位等技術(shù)將與船舶有關(guān)的定位數(shù)據(jù)、海上交通數(shù)據(jù)、突發(fā)事件的圖像和氣象數(shù)據(jù)等信息采集，為網(wǎng)絡(luò)層的應(yīng)用提供主要的信息來(lái)源[1]。

圖1 體系架構(gòu)

（三）網(wǎng)絡(luò)層

船舶監(jiān)控系統(tǒng)中的信息服務(wù)都是以網(wǎng)絡(luò)層為基礎(chǔ)的，直接通過(guò)現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)、衛(wèi)星通信網(wǎng)和無(wú)線短距離通信網(wǎng)等設(shè)施對(duì)來(lái)自感知層接收的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行傳輸與處理。

網(wǎng)絡(luò)層中的數(shù)據(jù)處理在船聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中發(fā)揮著記憶、分析的作用，數(shù)據(jù)庫(kù)的選擇尤為重要，在本系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫(kù)有基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)和專題數(shù)據(jù)庫(kù)，其中基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)選擇Microsoft Access，包括的數(shù)據(jù)表主要有船舶信息數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)以及管理數(shù)據(jù)等；專題數(shù)據(jù)庫(kù)選擇GIS軟件Arc/Info，數(shù)據(jù)表主要包括海量數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。

（四）應(yīng)用層

應(yīng)用層主要是根據(jù)用戶需求可以面向各類行業(yè)實(shí)際應(yīng)用的管理平臺(tái)與運(yùn)行平臺(tái)。在應(yīng)用層建立的基于物聯(lián)網(wǎng)的船舶監(jiān)控系統(tǒng)在功能上主要由電子海圖信息管理、船舶監(jiān)控信息管理、氣象信息管理和船舶作業(yè)信息管理等功能模塊組成，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)主要功能

1.電子海圖信息管理。電子海圖（Electronic chart）是在計(jì)算機(jī)顯示器上能夠?qū)?4小時(shí)內(nèi)連續(xù)的各種海圖信息和其它航海信息精確的顯示出來(lái)，操作員根據(jù)電子海圖顯示的實(shí)際情況可以對(duì)其進(jìn)行放大、縮小、漫游等功能的操作，當(dāng)用鼠標(biāo)點(diǎn)擊具體的某個(gè)船舶符號(hào)，便可以顯示這個(gè)被監(jiān)控船舶的位置信息，可通過(guò)對(duì)船舶點(diǎn)名查看、設(shè)置狀態(tài)、定時(shí)發(fā)送、報(bào)警發(fā)送等多種方式獲得靜態(tài)或動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)信息[4]。

2.船舶監(jiān)控信息管理。船舶監(jiān)控的工作原理主要是將GPS衛(wèi)星每秒鐘發(fā)射的數(shù)據(jù)信號(hào)，通過(guò)船載終端裝備的傳感器進(jìn)行接收，依據(jù)接收的數(shù)據(jù)按照差分定位算法計(jì)算出船載設(shè)備所在的位置坐標(biāo)，根據(jù)位置坐標(biāo)可以精確地得出船舶的所在具體位置、航運(yùn)狀態(tài)以及船內(nèi)各種設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，把這些數(shù)據(jù)信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控指揮中心的主機(jī)上，監(jiān)控指揮中心的計(jì)算機(jī)對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，然后再與電子海圖進(jìn)行比較，在電子海圖上就會(huì)將船舶的準(zhǔn)確位置顯示出來(lái)，方便管理者及時(shí)準(zhǔn)確的掌握船舶的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息如船舶的位置、行駛速度、遇到危險(xiǎn)及時(shí)報(bào)警等；監(jiān)控指揮中心也可以通過(guò)語(yǔ)音對(duì)話、視頻對(duì)話等方式對(duì)運(yùn)行的船舶發(fā)送交通調(diào)度、海上救援以及違章警告等重要信息[5]。假如船舶在海航行的時(shí)候遇到緊急或者是危險(xiǎn)的狀況，駕駛員可以采用手動(dòng)或自動(dòng)報(bào)警，指揮監(jiān)控中心接收到數(shù)據(jù)信息以后，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)的分析處理后除了要將船舶精確位置顯示在電子海圖上以外還要立即向海事、救助等機(jī)構(gòu)報(bào)告，以實(shí)施緊急救援措施。

3.氣象信息管理。氣象信息是船舶安全航行首要考慮的因素之一，氣象信息管理在功能上主要有氣象傳真圖、水文氣象數(shù)據(jù)預(yù)報(bào)和潮汐數(shù)值預(yù)報(bào)等。此系統(tǒng)能夠?qū)庀髠髡鎴D或其他的水文氣象數(shù)據(jù)預(yù)報(bào)信息在電子海圖上疊加顯示出來(lái)，這樣能有利于航海人員充分的了解航行區(qū)域的氣象信息；其中氣象傳真圖是氣象傳真機(jī)通過(guò)無(wú)線電傳輸?shù)姆绞浇邮仗鞖夂秃Ｑ髨D像信息，主機(jī)根據(jù)依據(jù)氣象傳真機(jī)的接收的信號(hào)解析成氣象傳真圖，由于它在操作上比較簡(jiǎn)單直觀，圖像覆蓋范圍比較廣、資料連續(xù)性強(qiáng)、便于綜合分析應(yīng)用和長(zhǎng)期保存等特點(diǎn)，優(yōu)于海上其他天氣信息而得到廣泛的應(yīng)用[4]。

4.船舶作業(yè)信息管理。船舶作業(yè)信息管理主要用于船舶資料以及船舶的航運(yùn)信息的管理。本部分主要包括基本信息設(shè)置、船舶信息設(shè)置、航次信息設(shè)置等功能，其中基本信息設(shè)置主要是針對(duì)船舶種類、船舶所需要的證書、航區(qū)、港口名稱、船員職務(wù)、船員等級(jí)證書以及船舶所載貨物分類等信息進(jìn)行設(shè)置與處理；船舶信息設(shè)置主要是對(duì)船舶描述、船舶證書、船舶的經(jīng)營(yíng)人及所有船員信息進(jìn)行設(shè)置與管理；航次信息設(shè)置是航運(yùn)的核心部分，它主要負(fù)責(zé)將船舶每次的航運(yùn)的基本信息、每次航運(yùn)的船員名單、每次航運(yùn)船員證書及相應(yīng)的安檢信息等全部記錄下來(lái)，同時(shí)還為員工提供查詢以及報(bào)表打印等多種服務(wù)性的功能。

四、結(jié)束語(yǔ)

船聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用研究的又一個(gè)新方向，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)所取得的科技成果，通過(guò)對(duì)船舶監(jiān)控方式的比較，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的船舶監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，在理論上基本實(shí)現(xiàn)船舶終端和監(jiān)控管理終端的互聯(lián)互通，為航運(yùn)與港口管理工作提高了科學(xué)高效的管理。

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[1]董耀華,孫偉,董麗華,張成雷．我國(guó)內(nèi)河“船聯(lián)網(wǎng)”建設(shè)研究[M]．水運(yùn)工程，2012,(8):145-149

[2]朱運(yùn)利,歷彥峰．船舶智能監(jiān)控系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[M]．計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2009,(5):893-896

[3]丁振國(guó).基于“北斗”的船舶實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng).航海技術(shù)[M]．2011,(4):41-43

[4]湯磊,楊春金.基于Mapinfo電子海圖和AIS的船舶導(dǎo)航系統(tǒng)的研究與研究[M]．通訊和計(jì)算機(jī)，2007,(4):72-74

[5]彭國(guó)均,虞金仁,黃金焰.中國(guó)海監(jiān)船舶導(dǎo)航與監(jiān)控系統(tǒng)的研究[M]．海洋開發(fā)與管理，2006,(4):64-69

遼寧省“十二五”教育規(guī)劃課題《高職物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方案與探討》課題的子課題“物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用”方向

中圖分類號(hào)：TP399

B

1671-6531（2013）02-0135-02

：郭一鶴