大數(shù)據(jù)背景下航道交通流量采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

朱志超

南京中設(shè)航空科技發(fā)展有限公司，江蘇 南京 210000

1 大數(shù)據(jù)背景下航道交通流量采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)的分析

1.1 大數(shù)據(jù)背景下航道交通流量采集系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)分析

在對(duì)航道交通流量采集軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)以四通道環(huán)形地感線圈為主要的設(shè)計(jì)方案，fi（t），i = 1，2，3，4 是采樣系統(tǒng)震蕩頻率的表達(dá)方式。在系統(tǒng)震蕩頻率的基礎(chǔ)上，通過事先設(shè)計(jì)好的環(huán)形地感線圈，對(duì)航道交通流量采集的數(shù)據(jù)和信息以及采樣頻率進(jìn)行計(jì)算，并且還要儲(chǔ)存每個(gè)環(huán)形地感線圈的檢測(cè)的頻率。假如當(dāng)前時(shí)刻為t，那么fi（t）， fi（t-1），…， fi（t-15）就是船舶緩沖區(qū)域內(nèi)的頻率表示，則16就是航道交通流量數(shù)據(jù)處理的時(shí)間長(zhǎng)度。這樣就可以將其視為一組流量數(shù)據(jù)或是信息，然后再采取相應(yīng)的方式對(duì)其進(jìn)行處理。

f i（t）=middle（fi（t-2），fi（t），fi（t1），fi（t+2））是航道交通流量采樣頻率的值濾波表達(dá)的方式，fi（t） = （fi（t）?fi（t-15））則是系統(tǒng)震蕩頻率的計(jì)算方式，而fi（t）-fi（0）>則是震蕩頻率的時(shí)間計(jì)算方式。在對(duì)其進(jìn)行計(jì)算時(shí)，如果出現(xiàn)超過 10次并連續(xù)出現(xiàn)fi（t）-fi（t-15）<﹣60的表達(dá)方式，則就表示頻率出現(xiàn)下降沿。當(dāng)出現(xiàn)下降沿后，如果|fi（t）-fi（t-15）|< 10的表達(dá)方式累計(jì)出現(xiàn)375次，則就可以準(zhǔn)確判斷出頻率值，并以fi（0）來進(jìn)行表示。如果結(jié)果出現(xiàn)3～4次，那么Ti（1）就是此時(shí)此刻的記錄；如果結(jié)果能夠滿足基礎(chǔ)要求和條件，并且連續(xù)出現(xiàn)3次，那么就可以記錄為Ti（2）。

1.2 大數(shù)據(jù)背景下航道交通流量采集系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)分析

對(duì)于海上船舶來說，其具有航道情況復(fù)雜、種類頗多等相關(guān)問題，所以，相關(guān)人員必須建立一個(gè)有效、完善、比較實(shí)用的航道交通流量采集系統(tǒng)。例如，可以選用TLC5510高速AD和TI轉(zhuǎn)換芯片來進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，并同時(shí)采用半閃速的結(jié)構(gòu)。當(dāng)5 V系統(tǒng)電路在進(jìn)行正常運(yùn)作時(shí)，該芯片的功能耗只有100 MW，保持電路和流量信號(hào)采樣是該芯片內(nèi)部所包含的主要內(nèi)容，不僅具有內(nèi)部的基礎(chǔ)電阻，而且還有高阻抗方式同時(shí)接口的功能。航道交通流量信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換只要順利完成兩個(gè)步驟就可以得以實(shí)現(xiàn)，同時(shí)還能減少比較器的數(shù)量。2.5個(gè)時(shí)鐘周期是航道交通流量轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)基礎(chǔ)時(shí)間[1]。圖1為FPGA接口電路與流量TLC5510信號(hào)的設(shè)計(jì)圖。

圖1 FPGA接口電路的設(shè)計(jì)圖

對(duì)于大數(shù)據(jù)背景下航道交通流量數(shù)據(jù)、信息的采集來說，需要有很多個(gè)子系統(tǒng)的配合才能有效、順利地完成流量信息采集的工作。流量信息記錄子系統(tǒng)、環(huán)境子系統(tǒng)以及自動(dòng)識(shí)別子系統(tǒng)等都屬于流量采集系統(tǒng)中的子系統(tǒng)[2]。同時(shí)，流量采集的中心系統(tǒng)VTS還需要與流量采集系統(tǒng)中其他相鄰的中心系統(tǒng)進(jìn)行信息共享，這樣才能確保航道交通流量采集的效率和質(zhì)量。

1.3 大數(shù)據(jù)背景下航道交通流量采集系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)

1.3.1 采集系統(tǒng)的AIS發(fā)射功能智能化

從圖1的設(shè)計(jì)圖中可以看出，AIS系統(tǒng)主要是工作于87B，而88B階段的海上交通VHF要高于通信系統(tǒng)。1.5 W和2 W是最基礎(chǔ)的發(fā)射功率。在AIS的系統(tǒng)中，必須要設(shè)立岸基裝置和船臺(tái)裝置，這樣才能實(shí)現(xiàn)比較穩(wěn)定的通信，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)岸基與船舶在開闊水面 35 nmile[3]。筆者認(rèn)為AIS系統(tǒng)還具有以下兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：第一，該系統(tǒng)具有功率自動(dòng)調(diào)控的功能，如果航道的船舶密度比較復(fù)雜、比較大，那么該系統(tǒng)據(jù)就可以根據(jù)實(shí)際情況自動(dòng)對(duì)功率進(jìn)行調(diào)整，直到調(diào)整到合適的功率為止[4]；第二，功率上升時(shí)間和接收的速度也能得到提升，在整個(gè)過程中，將功率的上升時(shí)間和接收速度進(jìn)行調(diào)整，能夠促進(jìn)采集系統(tǒng)載波偵聽發(fā)射流程順利的進(jìn)行[5]。

1.3.2 流量采集系統(tǒng)中的RFID子系統(tǒng)

RFID子系統(tǒng)也是比較常用的信息獲取技術(shù)，能夠識(shí)別航道交通流量。該系統(tǒng)也具有非常多的優(yōu)點(diǎn)，主要包括經(jīng)濟(jì)成本低、無需射頻供電、射頻功率高、識(shí)別距離遠(yuǎn)等[6]，各個(gè)方面都比較符合采集系統(tǒng)的基礎(chǔ)要求。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

不同采集系統(tǒng)的信息傳輸對(duì)于相同長(zhǎng)度的航道交通流量信息傳輸?shù)拈_銷總量來說也是不相同的[7]。如圖2所示。假設(shè)120B是每個(gè)交通流量信息包的基礎(chǔ)長(zhǎng)度，那么其最大的傳輸信息包就為60個(gè)。如果信息包的數(shù)量不斷增加，那么傳輸?shù)拈_銷總量也會(huì)一同增長(zhǎng)，進(jìn)而圖像呈現(xiàn)上走趨勢(shì)。由此可見，本文提供的對(duì)大數(shù)據(jù)背景下航道交通流量采集設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比較和分析的方法具備更多的優(yōu)勢(shì)[8]。

衡量流量采集系統(tǒng)性能一項(xiàng)最關(guān)鍵的標(biāo)準(zhǔn)就是凈吞吐量性能，所以，為了證明本文所提供的方法具有實(shí)用性和有效性，分別對(duì)這些方法進(jìn)行了比較，比較的結(jié)果可以從圖3中看出。

圖2 不同采集系統(tǒng)，相同長(zhǎng)度航道的傳輸開銷總量的對(duì)比結(jié)果

圖3 不同條件下凈吞吐量的對(duì)比結(jié)果

3 結(jié)束語

綜上所述，對(duì)大數(shù)據(jù)背景下航道交通流量采集設(shè)計(jì)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比較和分析，可以看出，相關(guān)人員提出的方法能夠完成航道交通流量相同數(shù)據(jù)的處理，并且還能進(jìn)行高效的傳輸。同時(shí)，還能在不同信噪比條件下進(jìn)行系統(tǒng)凈吞吐量的分析，效率非常高，使采集到的交通流量符合使用的要求和條件。

[1] 劉歡，朱建鴻.基于FPGA的多功能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2016，24（13）：167-171.

[2]嚴(yán)新平，馬楓，初秀民，等.長(zhǎng)江船舶交通流實(shí)時(shí)采集關(guān)鍵技術(shù)研究[J].中國(guó)航海，2010，33（22）：1140-1145.

[3]周劍敏.基于 AIS的航道船舶流量智能采集系統(tǒng)開發(fā)[J].計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化，2011，22（11）：195-198.

[4]申慧超，胡勤友，楊春.基于 AIS數(shù)據(jù)的預(yù)抵船舶聯(lián)系信息查詢系統(tǒng)[J].上海海事大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，31（4）：13-16.

[5]黃建設(shè). 基于AIS信息融合的船載航行數(shù)據(jù)記錄再現(xiàn)[J].集美大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010（2）：10-12.

[6]賈丹楓.地面計(jì)量數(shù)據(jù)智能采集系統(tǒng)的研制與應(yīng)用[J].油氣井測(cè)試，2010，19（2）：73-74.

[7]許貞平.海洋運(yùn)輸船舶軌跡分析研究[J].中國(guó)水運(yùn)（下半月），2017，17（2）：16-17.

[8]曹樹青，舒曉明，梁向棋，張寶瑞.智能航道中“大數(shù)據(jù)”研究[J].中國(guó)水運(yùn)，2014（10）：54-55.