工程船舶生產(chǎn)管理信息無線傳輸系統(tǒng)設(shè)計

朱榮，侯曉明，戴文伯

（中交上海航道局有限公司，上海 200000）

1 設(shè)計目標(biāo)

中交上航局擁有百余艘各類工程船舶，其中大部分在中國境內(nèi)各沿海城市碼頭、航道、近海區(qū)域施工。這些船舶大多安裝了集成控制系統(tǒng)，在本船可實現(xiàn)對船舶各類疏浚機(jī)具的集中控制[1]。通過北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的短報文通信技術(shù)、移動通信網(wǎng)絡(luò)的國際互聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)，實現(xiàn)對各工程施工船舶實時或準(zhǔn)實時施工信息的采集，并將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)桨渡戏?wù)器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲、分析、可視化再現(xiàn)，是工程船舶生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)。

根據(jù)這個目標(biāo)，將系統(tǒng)劃分為兩個大的分系統(tǒng)，下設(shè)數(shù)個子系統(tǒng)：

1） 通信系統(tǒng)

包括移動通信網(wǎng)絡(luò)、北斗通信系統(tǒng)、負(fù)載平衡系統(tǒng)、傳輸控制軟件、壓縮傳輸軟件、控制系統(tǒng)接口軟件、文件系統(tǒng)接口軟件。

2）生產(chǎn)信息管理應(yīng)用程序

包括數(shù)據(jù)接入和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、應(yīng)用系統(tǒng)門戶網(wǎng)站、海況信息播報系統(tǒng)、潮位信息服務(wù)系統(tǒng)、施工船舶施工狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)視系統(tǒng)、船舶位置顯示系統(tǒng)。

根據(jù)水上工程施工項目管理的特點和船岸通信的特點，本系統(tǒng)在設(shè)計時需考慮以下制約條件：

①結(jié)合移動通信網(wǎng)絡(luò)和北斗衛(wèi)星短報文通信兩種通信技術(shù)，實現(xiàn)優(yōu)勢互補；

②為適應(yīng)多種疏浚船舶控制系統(tǒng)和多種通信網(wǎng)絡(luò)的需要，船端數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸軟件各自獨立，通過標(biāo)準(zhǔn)接口交換數(shù)據(jù)；

③信息數(shù)據(jù)集中存放在岸上服務(wù)系統(tǒng)，通過web服務(wù)的方式發(fā)布，用戶訪問數(shù)據(jù)和界面只需通過瀏覽器登陸即可，無需安裝客戶端軟件；

④不同的用戶設(shè)置不同的訪問權(quán)限，便于實現(xiàn)子公司或項目一級的信息管理。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

工程船舶信息管理系統(tǒng)由通信系統(tǒng)和應(yīng)用程序組成?；就ㄐ畔到y(tǒng)完成通信任務(wù)，包括傳輸控制、地址控制、壓縮解壓縮、分包與組裝、負(fù)載平衡等功能。應(yīng)用程序利用基礎(chǔ)通信的數(shù)據(jù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲、遠(yuǎn)程訪問、數(shù)據(jù)分析、可視化、功能界面等。

2.1 系統(tǒng)功能架構(gòu)圖

系統(tǒng)功能架構(gòu)圖反映了系統(tǒng)的功能劃分和其層級關(guān)系，見圖1。

圖1 系統(tǒng)功能架構(gòu)圖Fig.1 The system functional framework

2.2 系統(tǒng)邏輯架構(gòu)

系統(tǒng)邏輯架構(gòu)反映了系統(tǒng)內(nèi)部各分系統(tǒng)、子系統(tǒng)之間的層級關(guān)系、時序關(guān)系和依賴關(guān)系。

1）控制系統(tǒng)接口和文件傳輸接口。分別接受控制系統(tǒng)計算和報表計算（自動或人工）的監(jiān)控信息數(shù)據(jù)和各類文件，并向上層傳輸，或反之；

2） 壓縮和解壓縮軟件。負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)壓縮解壓縮，以提高信道利用率；

3）傳輸控制軟件。實現(xiàn)糾錯協(xié)議、拆包和組裝信息包；

4）負(fù)載平衡軟件。收到信息包后，根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀況選擇通過何種網(wǎng)絡(luò)傳輸信息包；

5）信息傳輸鏈路。信息包經(jīng)由海事衛(wèi)星船舶地球站、移動終端或北斗船站通過無線信號傳輸?shù)街付ń邮斩耍?/p>

6）岸端拼裝。接收到信息包后經(jīng)相反的過程獲取拼裝后的、完整的信息或文件；

7）數(shù)據(jù)持久化。信息被轉(zhuǎn)發(fā)到標(biāo)準(zhǔn)OPC接口，并記錄到實時數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫；文件被記錄到歷史數(shù)據(jù)庫或文件系統(tǒng)；

8）WEB發(fā)布。在實時數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，通過ASP.NET技術(shù)、IIS技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的Web發(fā)布和可視化。

3 通信系統(tǒng)

3.1 概要

因移動通信網(wǎng)絡(luò)和海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)均基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)，且?guī)捿^寬，屬于正常通信范圍，無需多討論，下文主要論述北斗通信系統(tǒng)。

傳統(tǒng)的移動網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，數(shù)據(jù)傳送速率高，但覆蓋范圍一般不超過沿海27 n mile；北斗可覆蓋全國，但數(shù)據(jù)傳輸速率較低；基于海事衛(wèi)星地面站的網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍和速率都能滿足要求，但通信費用高昂。

本設(shè)計中包括通信傳輸控制和負(fù)載平衡軟件，在不同的通信要求下選用不同的通信系統(tǒng)。

3.2 待傳輸信息的大小

船位信息，經(jīng)度40 bit，緯度40 bit，艏向8 bit，船速8 bit，合約96 bit；時間信息，48 bit；絞吸單船數(shù)字量1 300個，合約1 300 bit；絞吸單船模擬量650個，合約650×12 bit=7 800 bit；單點潮位數(shù)據(jù)，模擬量一個，合約16 bit。

3.3 北斗通信系統(tǒng)通信特點

3.3.1 北斗短報文覆蓋范圍

東經(jīng) 70°—140°，北緯 5°—55°，基本覆蓋我國本土及外海全區(qū)域。

3.3.2 北斗短報文容量

北斗短報文通信，每次服務(wù)能完成60個漢字長度的電文通信，本信息系統(tǒng)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)基本都超過60個漢字的長度，需要拆分成多個數(shù)據(jù)包發(fā)送。

3.3.3 北斗短報文傳輸質(zhì)量

假設(shè)一條信息需要拆成5個包，以單包99%的成功率計算，信息的傳輸成功率是95.1%。單包99%的成功率是系統(tǒng)的固有性能，是無法突破的，需要在信息的重傳和糾錯上下功夫[2]。

3.4 負(fù)載平衡

3.4.1 優(yōu)先級定義

定義各類傳輸信號的優(yōu)先級。在帶寬受限的情況下，安全報警、緊急指令、關(guān)鍵機(jī)具狀態(tài)參數(shù)等高優(yōu)先級的信息將優(yōu)先傳輸。

優(yōu)先級定義由優(yōu)先級定義配置工具和基于XML的優(yōu)先級定義文件組成，用戶可以在獲得權(quán)限的情況下自行定義各信號的優(yōu)先級，具有通用靈活的特點。

3.4.2 網(wǎng)絡(luò)調(diào)度和負(fù)載平衡

系統(tǒng)檢測當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)通信健康狀況，擇優(yōu)選擇通信網(wǎng)絡(luò)。優(yōu)先使用移動網(wǎng)絡(luò)，其次為北斗通信機(jī)，再次為船舶衛(wèi)星站。

系統(tǒng)提供斷點續(xù)傳和緩存功能，由于帶寬等原因阻塞的信息將在網(wǎng)絡(luò)良好時通過特定的調(diào)度算法補發(fā)到岸上服務(wù)器。此時，實時信號具有較高優(yōu)先級。

3.5 傳輸控制

傳輸控制軟件主要針對北斗短報文通信系統(tǒng)，包括糾錯協(xié)議設(shè)計和拆包與組裝。

移動通信網(wǎng)絡(luò)和海事衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)基于TCP/IP協(xié)議，是一種面向連接的，有糾錯的協(xié)議，本文不再討論。

北斗衛(wèi)星系統(tǒng)通信鏈路層的傳輸控制由北斗通信機(jī)和衛(wèi)星協(xié)同完成，這里不再討論相關(guān)細(xì)節(jié)。本節(jié)主要討論如何控制北斗通信機(jī)，實現(xiàn)短報文通信的糾錯和控制。

3.5.1 糾錯協(xié)議

北斗通信受到通信頻度的限制，采用請求重發(fā)的方式不能保證傳輸信號的實時性。本設(shè)計利用前向糾錯方式：在發(fā)送的信息中加入校驗碼，在接收端根據(jù)校驗碼對原始信息進(jìn)行查錯和糾錯。糾錯編碼有許多種，具體使用哪種需根據(jù)實測結(jié)果分析比較后選擇。

3.5.2 拆包與組裝

由于北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)的短報文通信有固定長度的限制（TCP/IP網(wǎng)絡(luò)也有報文長度的限制），所以有必要對較長的通信包進(jìn)行拆分。拆分的原則是保持每個通信數(shù)據(jù)的獨立性，即單個通信元數(shù)據(jù)不會被拆分到多個通信包中，這樣有利于進(jìn)行通信糾錯[3]。

拆包的方式有一個預(yù)先定義的偏移量表決定，這個偏移量表基于XML文件，系統(tǒng)提供適當(dāng)?shù)目梢暬ぞ呔庉嬈屏勘怼Ｍㄟ^這種方式，可以大大降低系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸量：只需傳輸數(shù)據(jù)值而無需傳輸數(shù)據(jù)標(biāo)簽名。

一般情況下，數(shù)據(jù)包可以通過前向糾錯功能恢復(fù)原始數(shù)據(jù)。如果發(fā)現(xiàn)錯誤且不能恢復(fù)則丟棄該數(shù)據(jù)包或請求重發(fā)。由于采用了預(yù)先定義的偏移量表，丟失的報數(shù)據(jù)不影響其他報數(shù)據(jù)的正常接收和復(fù)原[4]。

3.6 壓縮與解壓縮

壓縮率取決于文件的特性和使用的壓縮算法。傳輸信息很短時，由于要添加相關(guān)的壓縮編碼字節(jié)，壓縮效果為零，甚至要比原文件大；傳輸文件較大時，壓縮效果較好，但不能出現(xiàn)丟包，否則整個文件傳輸失敗。

本系統(tǒng)傳輸?shù)奈募际瞧胀ǖ奈谋净蚨M(jìn)制文件，壓縮率為85%左右。針對模擬量和數(shù)字量信號，采用改進(jìn)的旋轉(zhuǎn)門壓縮算法，該算法運用了信號隨時間漸變的特性，壓縮率可達(dá)10%，同時能保證信號再現(xiàn)精度。

但是，為了保證傳輸?shù)挠行нM(jìn)行，必須再添加控制字、包編號、校驗碼等輔助字節(jié)，預(yù)計24 bit/包[5]。

3.7 控制系統(tǒng)接口軟件

控制系統(tǒng)是指船上已安裝的集成控制系統(tǒng)。由于歷史、市場和技術(shù)的原因，中交上航局的疏浚船舶自動控制系統(tǒng)由多個供應(yīng)商供應(yīng)，這些系統(tǒng)沒有規(guī)范統(tǒng)一的接口。本項目設(shè)計了控制系統(tǒng)接口軟件，輸入根據(jù)每條船的具體情況編寫數(shù)據(jù)采集接口，輸出采用統(tǒng)一規(guī)范的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)OPC接口，從而掃除接口障礙，真正做到數(shù)據(jù)互通互聯(lián)?？刂葡到y(tǒng)接口軟件具有以下功能：1）定義信號表（基于XML）；2） 定義接口方式（OPC）；3） 定義數(shù)據(jù)格式和精度。

3.8 文件系統(tǒng)接口軟件

文件系統(tǒng)接口軟件的功能有：1）提供文件傳輸界面；2）定義文件傳輸接口；3） 定義潮位數(shù)據(jù)等大文件數(shù)據(jù)分時、分割傳輸，遠(yuǎn)程查詢傳輸?shù)姆椒ǎ?）支持?jǐn)帱c續(xù)傳。

4 生產(chǎn)信息管理應(yīng)用程序

4.1 數(shù)據(jù)接入

包括負(fù)載平衡軟件、傳輸控制軟件、壓縮解壓縮軟件，基本功能和前節(jié)相同。

4.2 數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)庫包括歷史數(shù)據(jù)庫和實時數(shù)據(jù)庫。實時數(shù)據(jù)庫在內(nèi)存中建立，具有更新快、查詢效率高的特點，用于支持當(dāng)前畫面數(shù)據(jù)的更新。歷史數(shù)據(jù)庫在硬盤上建立，生產(chǎn)信息監(jiān)控系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)庫與傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)有很大不同，具有并發(fā)數(shù)高，數(shù)據(jù)量大的特點。除了支持普通關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的關(guān)系表功能外，還支持增量存儲、數(shù)據(jù)壓縮、高速隨機(jī)訪問、高并發(fā)數(shù)讀寫。

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的功能有：定義數(shù)據(jù)庫、表；提供數(shù)據(jù)庫訪問接口；提供查詢、排序、計算等數(shù)據(jù)訪問服務(wù)。

4.3 應(yīng)用系統(tǒng)門戶網(wǎng)站

應(yīng)用系統(tǒng)門戶網(wǎng)站是所有子系統(tǒng)的入口，基于IIS、asp.net技術(shù)，其功能定義為：提供各系統(tǒng)的統(tǒng)一入口頁面；鏈接到各web應(yīng)用軟件；提供各用戶單位登陸入口、權(quán)限管理、系統(tǒng)管理界面。

4.4 船位信息服務(wù)

基于GIS技術(shù)；顯示船位、航向、艏向、航跡線；提供良好的交互界面。

4.5 船舶施工狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)視服務(wù)

4.5.1 耙吸挖泥船發(fā)布內(nèi)容

1）推進(jìn)系統(tǒng)的主要相關(guān)數(shù)據(jù)，包括主機(jī)、泥泵和高壓沖水泵等；

2）疏浚系統(tǒng)的主要相關(guān)數(shù)據(jù)，包括耙臂、產(chǎn)量、裝艙和吃水裝載等；

3）主要的施工界面，包括裝艙曲線、耙臂姿態(tài)顯示、文本顯示等[6]。

4.5.2 絞吸挖泥船發(fā)布內(nèi)容

1）推進(jìn)系統(tǒng)的主要相關(guān)數(shù)據(jù)，包括主機(jī)、泥泵等；

2） 疏浚系統(tǒng)的主要相關(guān)數(shù)據(jù)，包括泵機(jī)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速負(fù)荷等、疏浚閘閥狀態(tài)、絞刀狀態(tài)、濃度流速信息等；

3）主要的施工界面，包括鋼樁臺車、液壓系統(tǒng)、柴油機(jī)、封水系統(tǒng)等；

4）查看濃度流速等產(chǎn)量相關(guān)信息及拋錨桿、真空釋放閥狀態(tài)等。

4.5.3 抓斗船發(fā)布內(nèi)容

船位；主要施工畫面和信息，吊機(jī)傾角、回轉(zhuǎn)角度、方向、斗位、開口度；主要產(chǎn)量數(shù)據(jù)，單位時間內(nèi)挖掘次數(shù)等。

4.5.4 鋪排船發(fā)布內(nèi)容

船位、艏向；鋪排施工畫面，排位、出排速度等。

5 結(jié)語

現(xiàn)代工程船舶大多裝有完備的施工監(jiān)控系統(tǒng)，但這些監(jiān)控系統(tǒng)相互獨立、接口封閉，只能通過U盤拷貝等傳統(tǒng)手段進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，開發(fā)數(shù)據(jù)接口軟件，運用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的OPC接口可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的在線實時交換，同時便于對系統(tǒng)進(jìn)行二次開發(fā)。由于船舶一般處于近海施工，通信不便，形成了典型的信息孤島，充分利用現(xiàn)有的移動通信、海事衛(wèi)星通信和北斗短報文通信系統(tǒng)，可以實現(xiàn)優(yōu)勢互補，打造質(zhì)優(yōu)價廉的多網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，將各工程船舶的數(shù)據(jù)集中傳輸?shù)桨渡闲畔⒐芾碇行?。信息管理中心的各?yīng)用程序運用WEB SERVICE技術(shù)，用戶可以使用瀏覽器直接訪問，無需安裝各種應(yīng)用程序客戶端即可實現(xiàn)各種豐富的功能，既方便了用戶的使用，也有利于開發(fā)和部署應(yīng)用程序。該系統(tǒng)的部分功能已經(jīng)開發(fā)完成并投入使用，測試運行良好。

[1] 戴文伯.絞吸挖泥船自動控制系統(tǒng)實現(xiàn)[C]//第十九屆世界疏浚大會論文集.北京：2010.DAIWen-bo.Automatic control system implementation of cutter suction dredger[C]//Proceedingsof the 19th international dredging conference.Beijing:2010.

[2]賈勝輝.北斗衛(wèi)星在氣象數(shù)據(jù)傳輸方面的應(yīng)用：經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式轉(zhuǎn)變與自主創(chuàng)新[C]//第十二屆中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會年會論文集.福州：2010.JIA Sheng-hui.Application of Beidou Satellite Navigation System inmeteorologicaldata transmission:the transformation ofeconomic developmentmode and independent innovation[C]//Proceedingsof the12th China Association for Science and Technology conference.Fuzhou:2010.

[3] 成方林，張翼飛，劉佳佳.基于“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的長報文通信協(xié)議[J].海洋技術(shù)，2008（1）：26-28.CHENG Fang-lin,ZHANG Yi-fei,LIU Jia-jia.Long message communication protocal based on the Beidou Satellite Navigation System[J].Ocean Technology,2008(1):26-28.

[4] 鄧玉芬，張博，沈明，等.基于北斗衛(wèi)星的海洋測量數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)[J].海洋測繪，2009（4）：67-69.DENGYu-fen,ZHANG Bo,SHENMing,et al.Transfer system of the survey databased on the Beidou Satellite Navigation System[J].Hydrographic Surveyingand Charting,2009(4):67-69.

[5] 胡光明，馬民，蘇冉冉，等.RDSS短報文通信編碼壓縮技術(shù)研究[C]//第二屆中國衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)術(shù)年會論文集.上海：2011.HU Guang-ming,MA Min,SU Ran-ran,et al.Coding and compressing techniques of RDSS short-message communication[C]//Proceedings of the 2nd China satellite navigation conference.Shanghai:2011.

[6]Q/ZJGFSJ001—2009，耙吸挖泥船疏浚監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[S].Q/ZJGFSJ001—2009,Technical standard for dredging supervisoryand controlsystem of trailingsuction hopperdredger[S].