北斗系統(tǒng)在航運(yùn)安全管理中的應(yīng)用研究

邢天任 朱偉

摘 要：在航運(yùn)安全管理中，需要綜合考慮氣象、水文、船舶、航標(biāo)等復(fù)雜因素對航運(yùn)安全的影響，而要掌握這些信息的最佳方案就是采用航運(yùn)安全管理系統(tǒng)?？紤]到傳統(tǒng)航運(yùn)監(jiān)控系統(tǒng)誤差大、有盲區(qū)等缺點(diǎn)。本文將我國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)應(yīng)用到航運(yùn)安全管理工作中，設(shè)計了一套基于北斗系統(tǒng)的航運(yùn)安全管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對航道海域的高精度、全天候、自動化監(jiān)測和安全分析。希望本文的研究能為我國航運(yùn)信息化管理模式的構(gòu)建提供有益的借鑒。

關(guān)鍵詞：北斗系統(tǒng) 航運(yùn) 安全管理

1.前言

目前國際上各大港口一般都配備了較先進(jìn)的GPS航運(yùn)安全管理系統(tǒng)，但由于我國不具有GPS的知識產(chǎn)權(quán)，這對我國航運(yùn)事業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展是十分不利的。因此，通過本國自主研發(fā)的衛(wèi)星定位系統(tǒng)來設(shè)計一套適合國情的航運(yùn)安全管理系統(tǒng)，成為許多發(fā)展中國家亟待解決的問題。我國擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為我國航運(yùn)安全管理提供了新的思路。

2.航運(yùn)安全管理現(xiàn)狀分析

航標(biāo)的狀態(tài)、航道的水文和氣象條件、船舶的通行流量等因素是航運(yùn)安全管理和決策的重要依據(jù)，但這些參數(shù)往往是動態(tài)的，傳統(tǒng)的依靠人工測量的管理模式已無法滿足當(dāng)前的航運(yùn)管理需求，這給航運(yùn)安全埋下了重大隱患。當(dāng)前我國的航標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)正處于初期應(yīng)用階段，航運(yùn)安全管理系統(tǒng)尚未成熟，尚存在許多技術(shù)瓶頸。雖然采用美國的GPS系統(tǒng)可以在一定程度上緩解我國的需求，但從國家安全考慮也非長久之計。隨著我國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)逐步成型，基于北斗系統(tǒng)的航運(yùn)安全管理系統(tǒng)開始受到人們的廣泛關(guān)注。

3.基于北斗系統(tǒng)的航運(yùn)安全管理系統(tǒng)

3.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)與功能

本文設(shè)計的航運(yùn)安全管理系統(tǒng)以北斗系統(tǒng)為技術(shù)核心，可以實(shí)現(xiàn)對航標(biāo)、航道、船舶、環(huán)境等各方面的綜合管理，通過該系統(tǒng)，航運(yùn)管理部門可以隨時進(jìn)行信息查詢、狀態(tài)監(jiān)控、航標(biāo)遙控、航線跟蹤等功能。系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理與存儲、無線通訊、用戶終端等模塊組成，是一個融合了多種技術(shù)的航運(yùn)安全綜合性管理平臺。

（1）數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集由采集客戶端完成，可以采集與航道安全相關(guān)的所有重要參數(shù)，包括溫濕度、能見度、風(fēng)速風(fēng)向等氣象參數(shù)，流速、流向、水質(zhì)等水文水質(zhì)參數(shù)，船舶流量、航標(biāo)位置等交通參數(shù)。這些參數(shù)將統(tǒng)一發(fā)送至數(shù)據(jù)服務(wù)器進(jìn)行處理與存儲。

（2）數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)的處理與存儲由數(shù)據(jù)中心統(tǒng)一完成，由于匯集了所有關(guān)鍵參數(shù)，能否有效利用這些數(shù)據(jù)來為航道管理服務(wù)就成為了整套系統(tǒng)的關(guān)鍵，因此數(shù)據(jù)處理中心是航道安全管理系統(tǒng)的核心組成部分。數(shù)據(jù)處理中心首先可以完成數(shù)據(jù)的解析和存儲，其次可以通過存儲的大數(shù)據(jù)建立航道安全預(yù)測模型，再次可以將實(shí)時數(shù)據(jù)和安全分析結(jié)果實(shí)時推送給管理部門，最后還能通過接收值班人員的控制指令實(shí)現(xiàn)對航道現(xiàn)場設(shè)備的實(shí)時控制。

（3）無線通訊

無線通訊功能由北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)共同完成，負(fù)責(zé)現(xiàn)場傳感器與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心之間的數(shù)據(jù)傳輸，是整套系統(tǒng)的核心功能。由于海域的特殊性，現(xiàn)場不可能采用傳統(tǒng)的有線通信模式，因此采用無線通訊模式?；诒倍废到y(tǒng)的無線通訊方案，避免了傳統(tǒng)GSM通信對基站的苛刻要求，簡單高效。

（4）人機(jī)交互

用戶終端主要負(fù)責(zé)完成用戶與管理系統(tǒng)之間的人機(jī)交互，一方面將實(shí)時數(shù)據(jù)和分析結(jié)果回傳給用戶，另一方面將用戶的控制指令發(fā)送至現(xiàn)場傳感器實(shí)現(xiàn)設(shè)備控制。

3.2系統(tǒng)硬件設(shè)計

（1）氣象與海況數(shù)據(jù)采集模塊

該模塊主要由大量的傳感器和模擬采集設(shè)備組成，不同的數(shù)據(jù)采用不同的傳感器，氣象數(shù)據(jù)采集選用溫濕度計、風(fēng)速風(fēng)向儀、能見度儀等設(shè)備，海域參數(shù)采用水位計、流速計、位移計等設(shè)備，航標(biāo)狀態(tài)參數(shù)則由GPS終端來采集。以上采集參數(shù)均為模塊信號，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后成為數(shù)字信號，并作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)發(fā)送到北斗通訊模塊中。

（2）北斗通訊定位模塊

北斗通訊定位模塊是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的關(guān)鍵模塊，集成了包括RDSS芯片、復(fù)位電路、GNSS芯片、時鐘電路以及存儲器等一系列電路單元。為了實(shí)現(xiàn)雙向通信，模塊采用了GNSS定位芯片與RDSS通信芯片相結(jié)合的設(shè)計?？紤]到現(xiàn)場設(shè)備眾多，模塊的處理器核心選用了STC12C5A60S2單片機(jī)，不但可以滿足數(shù)據(jù)的快速處理要求，同時還具有多功能、低功耗、抗干擾等優(yōu)點(diǎn)。北斗RDSS采用了GYM2003B芯片，以滿足基帶與射頻的設(shè)計。GNSS定位芯片則采用了我國自主研發(fā)的UM220芯片，該芯片同時支持雙定位和差分定位功能，滿足本系統(tǒng)的設(shè)計要求。

（3）電源模塊

用于數(shù)據(jù)采集設(shè)備輸出數(shù)據(jù)的RS485串口模塊，用于串行數(shù)據(jù)入網(wǎng)的串口服務(wù)器模塊，主控單元STC12C5A60S2單片機(jī)以及北斗定位通訊模塊都需要相應(yīng)電壓的電源供電，考慮到航標(biāo)等設(shè)備長期漂浮于海上，采用了太陽能供電系統(tǒng)作為總電源，經(jīng)過分壓后為各模塊供電。

3.3系統(tǒng)軟件設(shè)計

（1）通訊報文設(shè)計

為了使現(xiàn)場設(shè)備與數(shù)據(jù)中心高效地進(jìn)行通信，需要設(shè)計一套合理的通訊報文格式，所有數(shù)據(jù)將統(tǒng)一按該報文格式進(jìn)行打包，然后由北斗通訊模塊發(fā)送出去。本系統(tǒng)的報文格式設(shè)計如圖1所示。

①數(shù)據(jù)包頭為“$$”，標(biāo)志著一條完整報文的開始，通信軟件檢測到該字符組合時開始讀取報文信息。

②“報文長度”是一條完整報文所占用的字節(jié)總數(shù)，當(dāng)通信程序檢測到數(shù)據(jù)包頭后，往后讀取該長度的報文信息。

③“消息類型”表征了該報文所攜帶的數(shù)據(jù)來源于哪種傳感器，本文共規(guī)定了5類基本消息類型，即水文數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、定位數(shù)據(jù)、航標(biāo)數(shù)據(jù)和報警數(shù)據(jù)，其中報警數(shù)據(jù)的優(yōu)先級最高，其余數(shù)據(jù)類型具有同等優(yōu)先級。

④“消息內(nèi)容”是消息的數(shù)據(jù)主體，代表相應(yīng)類型的參數(shù)，通信程序按照消息類型來對消息內(nèi)容進(jìn)行解析，得到不同類型的物理量。

⑤“校驗(yàn)和”用于對數(shù)據(jù)包的正確性進(jìn)行驗(yàn)證，接收端接收到數(shù)據(jù)后首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，正確了才進(jìn)入下一步的處理，否則說明數(shù)據(jù)在傳輸過程中出現(xiàn)錯誤，數(shù)據(jù)應(yīng)作丟棄處理。

（2）北斗通信單元設(shè)計

北斗通信單元在整套系統(tǒng)軟件中是以一個獨(dú)立的應(yīng)用功能模塊進(jìn)行開發(fā)的，采用了軟件開發(fā)中最常用的面向?qū)ο蟮木幊趟枷?，通過java語言編程實(shí)現(xiàn)。程序中主要包括心跳保持、數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)接收和報文解析等功能模塊，解析后的數(shù)據(jù)將傳輸?shù)蕉嘣慈诤蠑?shù)據(jù)倉庫作進(jìn)一步分析。如圖2所示。在程序中，每個任務(wù)都是一個獨(dú)立的線程，保證了數(shù)據(jù)處理和事件響應(yīng)的及時性，同時提高程序執(zhí)行效率。

（3）數(shù)據(jù)采集與發(fā)送子程序

北斗通信單元的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收是由數(shù)據(jù)采集與發(fā)送子程序來控制的，程序總體架構(gòu)為前后臺程序結(jié)構(gòu)，也就是說，通過外部定時器中斷的方式來采集水文、氣象和航標(biāo)信息，然后由主程序?qū)?shù)據(jù)按規(guī)定的報文格式進(jìn)行組裝和發(fā)送。在接收數(shù)據(jù)中心發(fā)來的航標(biāo)配置指令時，也要先按約定格式對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，再傳入航標(biāo)控制單元中執(zhí)行。數(shù)據(jù)接收與解析流程與上述邏輯相反，此處不再贅述。

4.總結(jié)與展望

航運(yùn)安全管理是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，它涉及了氣象、水文、航標(biāo)、船舶等多種動態(tài)因素，因此要保障航運(yùn)安全并非易事。航運(yùn)安全管理系統(tǒng)的應(yīng)用使航運(yùn)安全管理工作的效率大大提高，而我國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)在航運(yùn)安全管理系統(tǒng)的成功應(yīng)用，更是使我國航運(yùn)安全管理水平有了顯著的提升，是我國航運(yùn)管理信息化的重要里程碑。本文設(shè)計了一套基于北斗系統(tǒng)的航運(yùn)安全管理系統(tǒng)，闡明了國產(chǎn)北斗系統(tǒng)在我國航運(yùn)安全管理中的應(yīng)用方案，達(dá)到了航運(yùn)安全管理網(wǎng)絡(luò)化、自動化、數(shù)字化的要求。北斗系統(tǒng)作為剛投運(yùn)不久的新研發(fā)系統(tǒng)，與美國GPS等先進(jìn)系統(tǒng)還有較大的差距，因此基于北斗系統(tǒng)的航運(yùn)安全管理系統(tǒng)也有著廣闊的發(fā)展空間。

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