基于北斗—物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遠(yuǎn)洋漁船補(bǔ)給信息管理系統(tǒng)應(yīng)用

王淑芳,虞麗娟,,陳成明,,曹守啟,夏俊

(1.上海海洋大學(xué)工程學(xué)院,上海 201306; 2.同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院,上海 200092)

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基于北斗—物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遠(yuǎn)洋漁船補(bǔ)給信息管理系統(tǒng)應(yīng)用

王淑芳1,虞麗娟1,2,陳成明1,2,曹守啟1,夏俊2

(1.上海海洋大學(xué)工程學(xué)院,上海 201306; 2.同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院,上海 200092)

新興的信息技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)為現(xiàn)代遠(yuǎn)洋漁業(yè)注入了新的生機(jī),提供了智能化的平臺(tái)。其中,“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為信息感知和信息傳輸?shù)氖侄?在物聯(lián)網(wǎng)的感知層和網(wǎng)絡(luò)層發(fā)揮著重要的作用。本文著眼物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和北斗系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的應(yīng)用,從而進(jìn)一步探討了北斗—物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在遠(yuǎn)洋漁船補(bǔ)給信息管理系統(tǒng)的應(yīng)用。最后提出了基于北斗—物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遠(yuǎn)洋漁船補(bǔ)給信息管理系統(tǒng)這一概念以及在該系統(tǒng)中補(bǔ)給的流程。

北斗系統(tǒng);物聯(lián)網(wǎng)技術(shù);遠(yuǎn)洋漁船

0 引 言

中國遠(yuǎn)洋漁業(yè)作為一種資源型戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)從1985年發(fā)展到現(xiàn)在,已經(jīng)在中國海洋經(jīng)濟(jì)中占有了十分重要的地位;遠(yuǎn)洋漁船在海上航行、作業(yè)時(shí),不斷消耗儲(chǔ)備的食品、燃油、冷凍液等生產(chǎn)、生活用備品備件。由于港口、航道、海況、海島等多方面因素,我國的漁船捕撈作業(yè)支持服務(wù)技術(shù)比較落后,漁業(yè)船舶很難及時(shí)得到應(yīng)有的補(bǔ)給。而漁業(yè)生產(chǎn)的效率、成本和能耗與遠(yuǎn)洋漁船信息有著直接的關(guān)系,因此,完備的船岸補(bǔ)給信息交流和管理系統(tǒng)就成了遠(yuǎn)洋漁船順利出海作業(yè)的重要保障。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是由我國獨(dú)立開發(fā)的,它具有精度高、成本低、全天時(shí)天候、短報(bào)文通信等優(yōu)勢(shì),在我國遠(yuǎn)洋漁業(yè)安全的監(jiān)控和管理中這些功能是必不可少的。在物聯(lián)網(wǎng)(Internet of things)技術(shù)的基礎(chǔ)上,利用北斗系統(tǒng)建立的漁船管理與指揮系統(tǒng)、規(guī)范漁船的補(bǔ)給,對(duì)促進(jìn)遠(yuǎn)洋漁業(yè)現(xiàn)代化管理和漁船的作業(yè)效率有著非常重大的意義。

1 物聯(lián)網(wǎng)及其體系結(jié)構(gòu)

1.1 物聯(lián)網(wǎng)簡述

物聯(lián)網(wǎng)是將傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)從人與人的聯(lián)系擴(kuò)展到物與物、物與人的聯(lián)系,但是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)仍然是其技術(shù)基礎(chǔ)和核心。早在1995年比爾·蓋茨提出了物聯(lián)網(wǎng)的概念,隨后在1998年和1999年這個(gè)概念也被美國麻省理工大學(xué)Auto-ID實(shí)驗(yàn)室相繼提出。2005年ITU提出物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將是信息產(chǎn)業(yè)的第三次革命性創(chuàng)新[1]。中國政府在2009年提出了“感知中國”的構(gòu)想,同時(shí)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)被列入國家七大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一[2]。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)分為三個(gè)層次,即用來接收數(shù)據(jù)的感知層、信息傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)層和面向用戶的應(yīng)用層[2]。圖1為物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)框圖。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)框圖

1.2.1 感知層結(jié)構(gòu)

感知層主要由傳感器和無線射頻識(shí)別(RFID)等組成。

傳感器是一種信號(hào)監(jiān)測(cè)裝置,它可以把檢測(cè)到的信號(hào)轉(zhuǎn)化成用戶需要的形式輸出。將大量的微型傳感器放在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中就形成的無線傳感網(wǎng)絡(luò),可以用來探測(cè)包括電磁、溫度、濕度、噪聲、光強(qiáng)度、壓力等信息,在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中有著不可或缺的作用。

RFID技術(shù)是一種不需要任何形式的物理接觸識(shí)別目標(biāo)相關(guān)信息的無線通信技術(shù)[3]。常見的RFID系統(tǒng)主要包括電子標(biāo)簽、讀寫器和信息處理系統(tǒng)組成。當(dāng)代有電子標(biāo)簽的物品經(jīng)過特定的讀寫器時(shí),讀寫器將標(biāo)簽中的信息激活并通過無線電波完成自動(dòng)采集。

1.2.2 網(wǎng)絡(luò)層結(jié)構(gòu)

只有隨時(shí)隨地將實(shí)物上電子介質(zhì)所產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)傳出去的技術(shù),才是真正意義上的物聯(lián)網(wǎng)。所以當(dāng)傳輸距離為10 m、100 m或者1 km的范圍時(shí),無線傳感網(wǎng)絡(luò)還是能很好地發(fā)揮作用的,但是若是要將數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)綌?shù)千公里之外,它的傳輸能力已經(jīng)顯然無法滿足需求了。因此,物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層就需要ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、北斗衛(wèi)星系統(tǒng)協(xié)同工作了。

1.2.3 應(yīng)用層結(jié)構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層主要是數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。物聯(lián)網(wǎng)把采集到的數(shù)據(jù)根據(jù)不同的需求和目的需要經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理分發(fā)道不同的信息門戶,供用戶使用。這一過程都是在應(yīng)用層來完成的,它用到的主要技術(shù)有信息處理、集成應(yīng)用、云計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)管理和web服務(wù)。

2 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)是我國自主研發(fā)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),成為在美國全球定位系統(tǒng)(GPS)、俄羅斯格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GLONASS)之后第三個(gè)成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

北斗系統(tǒng)與其他系統(tǒng)相比具有以下優(yōu)點(diǎn):1) 兼?zhèn)渫ㄓ嵑投ㄎ还δ?無需其他通訊設(shè)備支持[4];2) 覆蓋范圍廣,全天服務(wù);3) 用費(fèi)較低;4) 容量大,收集數(shù)據(jù)快;5) 我國自主研發(fā)的系統(tǒng),安全性能高、穩(wěn)定、可靠[5]。北斗定位系統(tǒng)可以在物聯(lián)網(wǎng)的感知層和網(wǎng)絡(luò)層中起到了不可或缺的作用,是實(shí)現(xiàn)跟蹤、定位、監(jiān)控和管理的技術(shù)支持。圖2,圖3分別示出了“開創(chuàng)號(hào)”遠(yuǎn)洋漁船上安裝的北斗控制面板和漁船北斗終端。

圖2 北斗控制面板連接

圖3 漁船北斗終端

北斗—物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運(yùn)用在遠(yuǎn)洋漁船補(bǔ)給中,實(shí)現(xiàn)船上作業(yè)實(shí)時(shí)監(jiān)控與管理、基地對(duì)漁船作業(yè)的按計(jì)劃調(diào)度和高效的漁業(yè)生產(chǎn),將很大程度上改善漁船的補(bǔ)給過程,提高遠(yuǎn)洋漁船出海作業(yè)的效率。

3 北斗—物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的研究

3.1 北斗—物聯(lián)網(wǎng)體系簡述

北斗—物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)主要以物聯(lián)網(wǎng)為基本構(gòu)架,以北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)為主要傳輸工具進(jìn)行運(yùn)作的。從物聯(lián)網(wǎng)的定義和構(gòu)架中可以看出,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的核心是通過通信和交流來進(jìn)行資源共享。不受天氣地域限制的衛(wèi)星導(dǎo)航定位是它非常重要的技術(shù)支撐,而北斗系統(tǒng)恰恰滿足了物聯(lián)網(wǎng)的這些需求,使北斗—物聯(lián)網(wǎng)體系的實(shí)現(xiàn)成為可能。

在北斗—物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中,RFID技術(shù)主要負(fù)責(zé)信息記錄和傳遞[6]的,而ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)與北斗的結(jié)合主要負(fù)責(zé)漁船進(jìn)行精準(zhǔn)定位[7]。

RFID技術(shù)特有的無精準(zhǔn)對(duì)位,大批量數(shù)據(jù)同時(shí)采集等特點(diǎn),使?jié)O船工作人員從大量重復(fù)作業(yè)中解脫出來。由于遠(yuǎn)洋漁船的工作特性,都會(huì)有大批量的數(shù)據(jù)通過系統(tǒng)通過采用RFID技術(shù)在物資入庫、出庫、存儲(chǔ)、盤點(diǎn)時(shí),不需要打開包裹,讀寫器自動(dòng)識(shí)別并將信息傳輸?shù)焦芾硐到y(tǒng)中,然后更新標(biāo)簽內(nèi)的狀態(tài)和信息。這項(xiàng)技術(shù)在漁船補(bǔ)給中的使用降低了工作人員的工作強(qiáng)度,方便了對(duì)物資的管理。

在由ZigBee技術(shù)和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)為核心搭建的傳感器網(wǎng)絡(luò)中,利用覆蓋船隊(duì)區(qū)域的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的參考節(jié)點(diǎn)來判斷漁船的相對(duì)位置,同時(shí)各參考節(jié)點(diǎn)之間保持無線聯(lián)通。定位過程就是傳感器所收集到的位置和環(huán)境信息從定位節(jié)點(diǎn)依次傳遞到參考節(jié)點(diǎn)、船載定位服務(wù)器、漁船北斗衛(wèi)星信號(hào)接收機(jī),從而獲得精準(zhǔn)、快速的定位。精準(zhǔn)的定位信息可以在補(bǔ)給船的路線的設(shè)計(jì)提供方便,同時(shí)也便于地面控制中心對(duì)補(bǔ)給船航行過程中的位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3.2 北斗—物聯(lián)網(wǎng)體系在船舶上的應(yīng)用

北斗—物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在船舶上的應(yīng)用,涉及到射頻識(shí)別技術(shù)、ZigBee無線組網(wǎng)技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、等智能物體技術(shù)。目前,在漁船監(jiān)控和信息服務(wù)方面,廣泛應(yīng)用的是由岸上設(shè)備和船載設(shè)備共同組成的船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)[8],配合北斗衛(wèi)星系統(tǒng)通過相應(yīng)頻道將船位、船速航向等船舶動(dòng)態(tài)和靜態(tài)信息傳遞給附近水域船舶和岸上控制中心,以便能快速準(zhǔn)確了解鄰近海面所有船舶信息。除船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng),我國新型遠(yuǎn)洋漁船還安裝了船舶遠(yuǎn)程監(jiān)控管理系統(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)洋船舶的航行、貨物、海況、視頻等信息的傳輸,完成船岸之間信息交互[9]。

上海開創(chuàng)遠(yuǎn)洋漁業(yè)有限公司與上海海洋大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)聯(lián)合開發(fā)的遠(yuǎn)洋漁船及作業(yè)物聯(lián)網(wǎng)智慧服務(wù)系統(tǒng)已經(jīng)在“開創(chuàng)”號(hào)漁船上安裝使用,該系統(tǒng)主要包括船舶重點(diǎn)設(shè)備感知子系統(tǒng)、漁獲倉儲(chǔ)與質(zhì)量安全溯源子系統(tǒng)、船舶作業(yè)管理子系統(tǒng)、船岸一體化子系統(tǒng)、遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控子系統(tǒng)、北斗星船舶定位子系統(tǒng)等八個(gè)子系統(tǒng)。北斗星船舶定位子系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)船舶實(shí)時(shí)定位和船舶歷史航行軌跡信息的查詢等功能。

如圖4為目前正在開發(fā)當(dāng)中的遠(yuǎn)洋漁船補(bǔ)給信息子系統(tǒng)船上物資管理界面,可根據(jù)物資種類、填寫日期和輸入關(guān)鍵字來搜索物資使用情況,也可以點(diǎn)擊導(dǎo)出物品信息清單按鈕導(dǎo)出Excel表格以方便對(duì)物資進(jìn)行查詢和管理,同時(shí)可對(duì)物資信息(“物品”、“類型”、“入庫出庫量”、“時(shí)間”、“備注”)進(jìn)行添加、修改和刪除。

圖4 船上物資管理

4 北斗—物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在遠(yuǎn)洋漁船補(bǔ)給中的設(shè)計(jì)

船舶作業(yè)物料、備品備件品種多、數(shù)量少、個(gè)性需求顯著,在物料補(bǔ)給過程中,燃油、冷凍液、漁需物資等補(bǔ)給的實(shí)時(shí)性要求高。目前我國的大部分漁業(yè)船舶幾乎都是回港進(jìn)行物資補(bǔ)給,在船舶進(jìn)港前岸上不能詳細(xì)知道需要補(bǔ)給物資的具體種類和數(shù)量[10]。針對(duì)這一現(xiàn)狀,利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)把漁船上的這些物資補(bǔ)給信息通過無線通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)傳給岸上控制中心,這樣企業(yè)就可以掌握主動(dòng),事先明確漁船上的物資消耗和需要補(bǔ)給的信息,從而對(duì)漁船進(jìn)行主動(dòng)補(bǔ)給。

4.1 遠(yuǎn)洋漁船補(bǔ)給信息管理系統(tǒng)

北斗—物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在遠(yuǎn)洋漁船補(bǔ)給中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在漁船信息的管理和船岸之間信息的傳遞上,因此建立一套專門用于的漁船補(bǔ)給信息管理的系統(tǒng)用來解決遠(yuǎn)洋漁船的補(bǔ)給問題。擬定建立的系統(tǒng)中的大致有:用戶登陸模塊、備品備件管理信息模塊、補(bǔ)給船調(diào)度模塊、漁獲物倉儲(chǔ)模塊4個(gè)功能模塊,如圖5所示。

圖5 遠(yuǎn)洋漁船補(bǔ)給信息管理系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

在備品備件信息模塊中,主要記錄的是出海作業(yè)漁船船上的備品備件的使用情況;補(bǔ)給船調(diào)度模塊主要是系統(tǒng)對(duì)物資、漁船、天氣等影響補(bǔ)給船出海的因素進(jìn)行分析之后,自動(dòng)給出補(bǔ)給船最優(yōu)的補(bǔ)給路線;漁獲物倉儲(chǔ)模塊是對(duì)漁船漁獲物進(jìn)行統(tǒng)計(jì),方便補(bǔ)給船在補(bǔ)給完成之后將部分漁獲物運(yùn)回岸上,減少漁船倉庫的負(fù)擔(dān)。

4.2 漁船智能化補(bǔ)給的流程

圖6 遠(yuǎn)洋漁船智能化補(bǔ)給流程圖

如圖6所示，遠(yuǎn)洋漁船補(bǔ)給的詳細(xì)流程如下:出海作業(yè)的漁船上的物資上都貼有內(nèi)附各自信息的RFID標(biāo)簽,通過手持式閱讀器和ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)將物資全部錄入系統(tǒng)之中,同時(shí)由北斗—物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)將這些信息同步到岸上的控制中心,由此岸上的工作人員便可實(shí)時(shí)地觀測(cè)到船上物資的消耗情況。當(dāng)船上的某種物資或者備品備件缺少時(shí),無需等待船上工作人員向岸上發(fā)出補(bǔ)給信號(hào),岸上的工作人員已經(jīng)提早了解需求并主動(dòng)制定出補(bǔ)給方案,使?jié)O船補(bǔ)給更加及時(shí),同時(shí)也減少了漁船的因故不能正常作業(yè)的概率。在補(bǔ)給船運(yùn)送物資的過程中,隨船配備的船載北斗導(dǎo)航終端,實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸過程的全程監(jiān)控,對(duì)每一件物資的狀態(tài)都能及時(shí)了解,可以減少物資的丟失現(xiàn)象。同時(shí),在補(bǔ)給船完成補(bǔ)給任務(wù)返航時(shí),可以將漁船上的漁獲物運(yùn)回中心。

北斗—物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將漁船、運(yùn)輸補(bǔ)給船和港口互聯(lián),實(shí)現(xiàn)漁船和港口信息的交互;結(jié)合物流配送和補(bǔ)給方法,更好地為漁船的生產(chǎn)、生活提供必要的燃油、潤滑油、冷凍液、食品、漁具等提供智慧服務(wù)。

5 結(jié)束語

遠(yuǎn)洋漁船的補(bǔ)給問題一直以來都被人們忽視,究其主要原因在于大多數(shù)漁船的信息化程度不夠,船員接受新技術(shù)較慢,沒能意識(shí)到原始的靠岸補(bǔ)給帶來的損失和信息化補(bǔ)給所帶來的經(jīng)濟(jì)效益。北斗—物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在漁船中的廣泛應(yīng)用為以后的智能信息化補(bǔ)給打下很好的基礎(chǔ)。本文首先對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的構(gòu)架進(jìn)行了簡單的闡述,分析了北斗定位導(dǎo)航系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)的感知層和網(wǎng)絡(luò)層中的作用,提出了北斗和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合在遠(yuǎn)洋漁船上的應(yīng)用,從而進(jìn)一步提出北斗—物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在漁船補(bǔ)給中的應(yīng)用。

通過本文的分析可以看出,北斗—物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將是我國遠(yuǎn)洋漁船發(fā)展不可或缺的組成部分,隨著系統(tǒng)在漁船中的不斷投入使用,將掀開我國遠(yuǎn)洋漁業(yè)新的篇章。

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Based Compass-information Management System Networking Technology Offshore Supply Boats

WANG Shufang1,YU Lijuan1,2,CHEN Chengming1,2,CAO Shouqi1,XIA Jun2

(1.CollegeofEngineering,ShanghaiOceanUniversity,Shanghai201306,China; 2.CollegeofMechanicalandEnergyEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

The emerging information technology networking for modern offshore fishing has injected new vitality, and provides an intelligent internet. Among them, as a means of information perception and information transfer, the "BDS" navigation satellite system plays an important role in the perception of things and network layers in the perception of things and network layers. This article mainly includes the key systems consisting of Things and BDS system configuration in the application of networking technology and further explores the applications of BDS-Things technology in offshore fishing vessels Information Management System. Finally, we present the concept of networking technology offshore fishing supply information management systems and the supplying process which based on BDS-Things technology.

BDS system; things of internet technology; ocean fishing supplying

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.02.021

2016-12-05

上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào):15DZ1202202); 國家遠(yuǎn)洋漁業(yè)工程技術(shù)研究中心開放基金項(xiàng)目(編號(hào):02091305051)

S977

A

1008-9268(2017)02-0093-05

王淑芳 (1993-),女,碩士生,主要研究方向?yàn)闄C(jī)械工程、物聯(lián)網(wǎng)工程。

虞麗娟 (1963-),女,教授,主要從事物聯(lián)網(wǎng)工程、海洋工程、體育工程、高等教育管理等方面研究。

陳成明 (1978-),男,博士、講師,主要從事人因工程、工效學(xué)、物聯(lián)網(wǎng)工程等方面的科研工作

曹守啟 (1973-),男,副教授,主要從事海洋工程裝備設(shè)計(jì)、物聯(lián)網(wǎng)工程等方面的研究工作

夏俊 (1985-),男,博士,主要從事物聯(lián)網(wǎng)工程,機(jī)械電子工程等方面的研究工作。

聯(lián)系人: 王淑芳E-mail:972946102@qq.com