長江航道物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建方案初步研究

林海

摘 要：為提升“數(shù)字航道”通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，提出長江航道物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建初步方案。分析了當(dāng)前存在的問題，以航標(biāo)、水位站為載體，安裝無線接入點(diǎn)和無線客戶端設(shè)備，形成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，組建航道物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層。對長江下游航道航標(biāo)間距和離岸距離進(jìn)行了統(tǒng)計分析，滿足無線傳輸?shù)木嚯x要求。最后，給出了航道物聯(lián)網(wǎng)的邏輯結(jié)構(gòu)圖，以保障“數(shù)字航道”通信鏈路的暢通和穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：數(shù)字航道 物聯(lián)網(wǎng) 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

現(xiàn)狀分析

“十二五”期間，我國將繼續(xù)充分發(fā)揮長江三角洲內(nèi)河航運(yùn)優(yōu)勢，以高等級航道網(wǎng)和主要內(nèi)河港口為基礎(chǔ)，連接沿海主要港口和貨源地，建設(shè)現(xiàn)代化的水運(yùn)交通管理和服務(wù)體系。為保障船舶及貨物的安全、可靠、高效運(yùn)輸，就必須建立全方位覆蓋、全天候運(yùn)行、具備快速反應(yīng)能力的航道保障體系，在航標(biāo)、橋梁等航道要素識別和管理中引入遙測遙控終端以及各種傳感器，為構(gòu)建航道物聯(lián)網(wǎng)的感知層奠定基礎(chǔ)。

近期，交通運(yùn)輸部、長江航務(wù)、長江航道等管理部門明確提出要加快科技進(jìn)步，努力實(shí)現(xiàn)我國內(nèi)河航運(yùn)事業(yè)的新跨越，提高航道建設(shè)的現(xiàn)代化、信息化水平，保障長江航運(yùn)暢通、高效、平安。在內(nèi)河航道管理和服務(wù)模式上必須堅持科技創(chuàng)新，使長江航道標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化，才能促進(jìn)內(nèi)河航運(yùn)業(yè)的改革和發(fā)展。

內(nèi)河航道物聯(lián)網(wǎng)的概念

國際電信聯(lián)盟（ITU）發(fā)布的ITU互聯(lián)網(wǎng)報告，對物聯(lián)網(wǎng)做了如下定義：通過二維碼識讀設(shè)備、射頻識別（RFID）裝置、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)和激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。

物聯(lián)網(wǎng)通過智能感知、識別技術(shù)與普適計算、泛在網(wǎng)絡(luò)的融合應(yīng)用，被稱為繼計算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第三次浪潮。物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)可分為三層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。

航道感知層由各種傳感器構(gòu)成。在航道維護(hù)和管理中除了使用航標(biāo)RTU、水位RTU、視頻傳感器外，還可應(yīng)用流速、流量傳感器結(jié)合水深信息進(jìn)行水情變化分析，準(zhǔn)確掌握汛期和枯水期的航道信息，為船舶航行安全提供支持；對橋梁和橋墩采用光纖應(yīng)力傳感器來感受橋梁結(jié)構(gòu)的變化、橋墩被沖刷和侵蝕程度等；對航道霧情和氣象信息的采集使用霧情傳感器、氣象傳感器來測量風(fēng)速、風(fēng)向、液態(tài)降水、氣壓、溫度、以及相對濕度等信息；航道的船舶流量、載重信息也可通過架設(shè)在河岸或埋設(shè)在航道的傳感器進(jìn)行采集；還有一種傳感器（通過探地雷達(dá)迅速測量水深和淤積層厚度）能探測河道淤積情況，一旦超標(biāo)，就會發(fā)出警報，通知航道部門及時清淤，并為河床演變分析提供數(shù)據(jù)。此外，采用一些海洋傳感器可以探測水質(zhì)污染和變化情況。

網(wǎng)絡(luò)層由各種網(wǎng)絡(luò)，包括互聯(lián)網(wǎng)、廣電網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)和云計算平臺等組成，是整個物聯(lián)網(wǎng)的中樞，負(fù)責(zé)傳遞和處理感知層獲取的信息。在“數(shù)字航道”的基礎(chǔ)上，針對內(nèi)河航道的特點(diǎn)，構(gòu)建航道物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層是本文的研究重點(diǎn)。

應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)和用戶的接口，它與航道維護(hù)、管理的實(shí)際需求相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)數(shù)字航道的智能應(yīng)用。

當(dāng)前“數(shù)字航道”網(wǎng)絡(luò)存在的主要問題

1、遙測遙控終端與中心的通訊問題

目前南京航道局的遙測遙控系統(tǒng)（處系統(tǒng)）與航標(biāo)RTU、水位RTU的通訊借助于移動通訊公網(wǎng)GPRS/SMS，如果數(shù)據(jù)和指令的傳輸在無信號或信號弱的河段中，就會出現(xiàn)了監(jiān)控“盲區(qū)”；此外，如果RTU的SIM卡欠費(fèi)，也會造成通訊中斷，所以RTU通訊的穩(wěn)定性和可靠性得不到保障。

2、船端系統(tǒng)訪問中心數(shù)據(jù)庫的問題

目前，南京航道局?jǐn)?shù)字航道工程建設(shè)的系統(tǒng)為三級管理運(yùn)行模式，分為局系統(tǒng)、處系統(tǒng)和船端系統(tǒng)。航標(biāo)工作船的船端“航標(biāo)遙測遙控系統(tǒng)”通過APV網(wǎng)絡(luò)訪問處航標(biāo)動態(tài)數(shù)據(jù)庫，獲取航標(biāo)RTU的動態(tài)信息。受GPRS帶寬限制和某些區(qū)域信號弱的影響，訪問速度非常緩慢。在整個三級管理模式中，船系統(tǒng)作為生產(chǎn)第一線的應(yīng)用受到了限制。

長江南京以下依托南瀏段數(shù)字航道工程共建設(shè)了19個水位遙測遙控站，每個水位站通過RTU每隔5分鐘向中心數(shù)據(jù)庫發(fā)送1次水位信息，工作船和測量船通過APN網(wǎng)絡(luò)從中心數(shù)據(jù)庫獲取水位信息，和獲取航標(biāo)動態(tài)一樣，因受網(wǎng)速和帶寬的限制，船端很難獲得及時水位信息，這對航道測量和維護(hù)造成了不便。

為解決上述問題，在長江航道建立不依賴任何通信公網(wǎng)，沒有地域限制、沒有通訊費(fèi)的穩(wěn)定無線傳輸網(wǎng)絡(luò)是非常必要而且具有實(shí)際意義的。

解決方案

與通常的網(wǎng)絡(luò)線纜（銅纜和光纖）相比，無線傳輸技術(shù)使用的是無線電波。一般情況下，根據(jù)應(yīng)用的不同，按照傳輸距離的大小通常采用的無線網(wǎng)絡(luò)有藍(lán)牙、WIFI、GSM和GPRS/3G等。但這些網(wǎng)絡(luò)都不適合內(nèi)河航道嚴(yán)酷的自然環(huán)境和安裝條件。針對航道環(huán)境條件以及安裝條件的特殊性，采用工業(yè)移動通訊技術(shù)來組建內(nèi)河航道物聯(lián)網(wǎng)。

工業(yè)移動通訊技術(shù)在航道中應(yīng)用的重要原因是符合工業(yè)領(lǐng)域用戶的要求，尤其是對確定性響應(yīng)有較高要求的用戶。目前工業(yè)無線移動通訊產(chǎn)品的主要優(yōu)點(diǎn)在于其無線通道的可靠性、防水設(shè)計（IP65）和機(jī)械耐用性；其次是這種無線解決方案以無線客戶端和無線接入點(diǎn)設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，可以靈活方便地利用節(jié)點(diǎn)進(jìn)行跳傳，極大地提高了網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍和傳輸距離。

1、節(jié)點(diǎn)模塊

1.1無線客戶端（Client）

利用航道里分布有航標(biāo)和水位站的天然條件，是用來安裝在航標(biāo)RTU、水位RTU及其他航道傳感器上的網(wǎng)絡(luò)控制器，通過它將RTU等設(shè)備接入到無線接入點(diǎn)覆蓋的無線網(wǎng)絡(luò)中，達(dá)到移動設(shè)備通訊聯(lián)網(wǎng)的目的。

1.2無線接入點(diǎn)（AP-Access Point）

無線接入點(diǎn)設(shè)備用來輻射一個無線信號區(qū)域，其功能就象一個無線的基站一樣，用于無線客戶端的接入。目前適合航道應(yīng)用的無線接入點(diǎn)設(shè)備可采用基于國際標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.11，運(yùn)行頻率為2.4GHz和5GHz，其數(shù)據(jù)傳輸速率最高達(dá)54Mbit/s（可穩(wěn)定傳輸視頻信號）。在物理連接上它像紅外線一樣是無線連接的，但要比紅外射線在作數(shù)據(jù)傳輸上有更好的表現(xiàn)，它對有些障礙物具有一定的穿透性，在一個規(guī)則的物理空間內(nèi)具有很好的反射效果，這樣可以實(shí)現(xiàn)非直視數(shù)據(jù)傳輸，可靠性可以在一定程度上得以提高。

目前的AP無線信號的覆蓋范圍最大為3～4公里，AP與AP之間采用跳傳技術(shù)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，這樣就增大了網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍和傳輸距離。

2、航標(biāo)間距的統(tǒng)計分析

對南京航道局的上海、揚(yáng)中、鎮(zhèn)江和南京四個航道處的航標(biāo)進(jìn)行勘察，測量相鄰航標(biāo)間距和航標(biāo)最遠(yuǎn)離岸距離進(jìn)行統(tǒng)計分析，隨機(jī)抽樣26組航標(biāo)數(shù)據(jù)如下表1、表2、表3、表4：

表1

表2

表3

表4

對上述抽樣數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，得到南瀏段航標(biāo)間距和離岸距離的平均值如下表5所示：

表5

上述測量數(shù)據(jù)顯示，相鄰航標(biāo)距離中有一組數(shù)據(jù)鎮(zhèn)江處口岸直水道#81黑浮至#82黑浮距離達(dá)到3.06公里米，但其它所有數(shù)據(jù)值都在2公里左右；上海處#24黑浮離岸距離為2.8公里是所測數(shù)據(jù)中航標(biāo)最遠(yuǎn)離岸距離的最大值，其他航標(biāo)最遠(yuǎn)離岸距離在1公里之內(nèi)。

AP無線信號的覆蓋范圍最大為3～4公里，從上述航標(biāo)間距和離岸距離的統(tǒng)計分析可以看出，以航標(biāo)（包括水位站和岸邊建筑物作為輔助）作為載體，安裝AP和Client設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是可行的。

3、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

目前南京航道局上海、揚(yáng)中、鎮(zhèn)江和南京四個航道處共分布約900多個航標(biāo)RTU和19個水位RTU。根據(jù)航道的具體地理環(huán)境以及航標(biāo)（浮標(biāo)和陸標(biāo)）、水位站和岸上建筑物的分布情況，在這些航道信息采集節(jié)點(diǎn)上安裝無線網(wǎng)絡(luò)客戶端Client和無線網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)AP組成無線通訊網(wǎng)絡(luò)（如下圖1）。中間節(jié)點(diǎn)安裝網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)AP，完成網(wǎng)絡(luò)的跳傳和中繼功能。航道中的網(wǎng)絡(luò)鏈路由接入點(diǎn)AP匯聚到躉船或航道站的交換機(jī)上，最終接入長江數(shù)傳專網(wǎng)。

圖1 航道物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

結(jié)束語

在數(shù)字航道工程的基本網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上，提出了一種全新的通訊模式和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，希望從根本上解決數(shù)字航道通訊穩(wěn)定性和可靠性問題。通過建立這種不依賴移動通訊公網(wǎng)、自主、獨(dú)立的通信網(wǎng)絡(luò)，確保航標(biāo)RTU、水位RTU以及“船端系統(tǒng)”到數(shù)據(jù)中心的通訊鏈路的暢通，保障數(shù)字航道系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。航道物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建將為數(shù)字航道開辟一種新的網(wǎng)絡(luò)模式，如果未來能將長江數(shù)傳專網(wǎng)、AIS基站鏈和航道物聯(lián)網(wǎng)三網(wǎng)融合，將會開創(chuàng)數(shù)字航道全新的通訊模式。

（作者單位：長江南京航道局）