一種基于衛(wèi)星寬帶網(wǎng)絡的船舶疏浚數(shù)據(jù)遠程傳輸系統(tǒng)

于長亮，張啟亮，孫奉閣，馬大付，魏今朝，朱雪美

（1. 神華上航疏浚有限公司，河北滄州 061113；2. 中交疏浚技術裝備國家工程研究中心有限公司，上海 201208）

0 引言

隨著疏浚行業(yè)的不斷發(fā)展，目前疏浚船舶正朝著大型化、自動化和信息化的方向發(fā)展。施工船舶疏浚過程中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)有助于企業(yè)監(jiān)控船舶狀態(tài)、提高施工效率，但同時也造成了數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)處理方面的諸多困難。目前，海上船舶一般通過海事衛(wèi)星、C站來進行與岸基網(wǎng)絡設備的數(shù)據(jù)交換，海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)只可以提供低速率（4.8 k或3.1 kHz）語音和數(shù)據(jù)服務。

目前，已有許多學者和專家對船舶數(shù)據(jù)傳輸及相關系統(tǒng)展開了研究。吉誠[1]對衛(wèi)星寬帶在疏浚作業(yè)中的應用做了初步闡述，給出了海上寬帶系統(tǒng)使用的優(yōu)勢。孫富民[2]對船舶信息化技術在救助船舶中的應用進行了研究?；赑LC引入二次編程，徐紹衡[3]研發(fā)了一套監(jiān)控船舶整體數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。王宏智[4]采用兩層C/S軟件體系開發(fā)方法，提出了機艙控制信息化的方案。田兆波[5]開發(fā)了船舶機艙數(shù)據(jù)采集與顯示系統(tǒng)。

本系統(tǒng)充分利用衛(wèi)星寬帶系統(tǒng)帶寬較大的優(yōu)勢，同時盡可能壓低對帶寬的要求，實現(xiàn)了最低限度利用帶寬實時傳輸圖像和動畫數(shù)據(jù)，實時監(jiān)控船舶運行動態(tài)。

1 系統(tǒng)簡介

本船舶疏浚數(shù)據(jù)遠程傳輸系統(tǒng)由船端數(shù)據(jù)采集與發(fā)送軟件、船端網(wǎng)絡設備、岸端數(shù)據(jù)接收處理軟件和岸端網(wǎng)絡設備組成，軟件采用 C/S架構，船端軟件作為客戶端，岸端軟件作為服務端，通過TCP/IP協(xié)議進行數(shù)據(jù)遠程傳輸，其結構如圖1所示。

該系統(tǒng)搭建在公司“神華浚1”及“神華浚2”兩艘大型自航耙吸挖泥船上。搭建新系統(tǒng)的前提是：1）不改變現(xiàn)有船舶疏浚系統(tǒng)的結構；2）數(shù)據(jù)的采集過程不對原系統(tǒng)產(chǎn)生影響；3）部署或維護系統(tǒng)軟硬件時，不影響船舶的正常疏浚作業(yè)。因此，在搭建系統(tǒng)時主要考慮以下幾個原則。

1）先進性。為保證整個系統(tǒng)結構和技術的先進性，選擇了當前主流的數(shù)據(jù)傳輸技術，以達到高質(zhì)量的傳輸效果。系統(tǒng)的先進性體現(xiàn)在傳輸實時性、傳輸穩(wěn)定性、傳輸中斷自動重連接等多個方面，寬帶速率達到512 kbps以上時，應確保實現(xiàn)實時、穩(wěn)定的傳輸。

2）可靠性和穩(wěn)定性。在項目建設過程中，除考慮所選擇設備的性能指標外，還需確保軟件系統(tǒng)能夠滿足7×24小時連續(xù)不間斷工作的要求。

3）適應性。設備必須具備良好的網(wǎng)絡適應能力，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧鲿承院头€(wěn)定性。采用心跳監(jiān)測技術來監(jiān)測網(wǎng)絡的連續(xù)性，當監(jiān)測不到心跳信號時，船岸兩端進入不斷嘗試重新建立連接的過程，確保系統(tǒng)能夠在無人為干預的情況下連續(xù)工作。

4）可管理性。本項目必須考慮系統(tǒng)操控的靈活性和可管理性。在技術設計上要實現(xiàn)打開軟件即可正常運行，無需用戶進行復雜的軟硬件操作。

5）可擴展性?？紤]到本項目長遠發(fā)展的需要，系統(tǒng)應能夠進行平滑、無縫的升級，從而保障用戶的投資。

圖1 系統(tǒng)建設結構

2 實施方案

2.1 數(shù)據(jù)采集

2.1.1 “神華浚1”

“神華浚1”的SCADA疏浚系統(tǒng)采用Wincc組態(tài)軟件，配置了1臺服務器和2臺客戶端，2臺客戶端分別為DLM客戶端和STPM客戶端。利用Wincc組態(tài)自帶的DataMonitor組件，可將SCADA軟件中的畫面轉換成超文本標記語言（html）格式，并將其發(fā)布在網(wǎng)頁（web）上。將DataMonitor服務器安裝在原船DLM客戶端上，該客戶端配置兩張以太網(wǎng)網(wǎng)卡，一張網(wǎng)卡接入船舶SCADA系統(tǒng)，以客戶端的形式從服務器中采集數(shù)據(jù)，另一張網(wǎng)卡接入無線網(wǎng)絡路由器，如圖2所示。

2.1.2 “神華浚2”

“神華浚2”的疏浚系統(tǒng)是基于IFIX平臺的系統(tǒng)，船上配置了3臺服務器，1#服務器和2#服務器分別為主服務器和備用服務器，3#服務器用于數(shù)據(jù)記錄。

圖2 數(shù)據(jù)采集傳輸模式

船上系統(tǒng)的實時工況數(shù)據(jù)需要被傳輸?shù)桨抖?，使用戶可以通過瀏覽器監(jiān)視施工狀況。該系統(tǒng)需要滿足以下幾個條件：1）需要開發(fā)一個船端程序，用于采集IFIX 4.5平臺下的實時工況數(shù)據(jù)；2）船端需要具備上網(wǎng)條件；3）需要開發(fā)一個岸端程序，用于接收船端程序發(fā)送過來的數(shù)據(jù)；4）岸端需要配置與船上施工畫面一致的IFIX工程項目（岸端IFIX項目數(shù)據(jù)來源于岸端數(shù)據(jù)接收程序），并配置webspace組件，實現(xiàn)在瀏覽器上瀏覽畫面的功能。

經(jīng)過實地考查和試驗，發(fā)現(xiàn)目前船上主要使用衛(wèi)星寬帶上網(wǎng)，但衛(wèi)星寬帶的帶寬較?。ㄏ螺d速度約200 K/s），且時常有中斷的可能。因此，需要分別為船、岸兩端開發(fā)一個用于收發(fā)數(shù)據(jù)的程序，程序須具備自動重連功能，當網(wǎng)絡中斷并且恢復后，程序應能夠自動重新建立連接，并將數(shù)據(jù)續(xù)傳到岸端。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸

采集得到的數(shù)據(jù)由采集計算機上運行的程序通過網(wǎng)絡發(fā)送到岸上接收端。岸上接收程序需要固定的外網(wǎng)IP和端口，并開啟SOCKET監(jiān)聽。如岸上接收程序的IP地址是內(nèi)網(wǎng)IP，則需要做端口映射，令船上的發(fā)送程序與岸上的接收程序建立連接。

考慮到衛(wèi)星寬帶帶寬較小的問題，在數(shù)據(jù)傳輸前需要對數(shù)據(jù)進行壓縮。1000個模擬量經(jīng)壓縮后只需要占用2 K帶寬，而實際需要傳輸?shù)哪M量遠小于1000個，而且有許多模擬量是開關量（1個開關量僅占用1 bit）。因此，數(shù)據(jù)壓縮后，衛(wèi)星寬帶的帶寬完全能夠滿足傳輸要求。

2.3 岸端數(shù)據(jù)接收

岸端數(shù)據(jù)接收程序負責接收來自船端的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳遞給岸端項目。

3 結論

船舶疏浚數(shù)據(jù)遠程傳輸系統(tǒng)可以實時傳輸疏浚船舶挖泥動態(tài)、主機參數(shù)、進艙濃度及裝載質(zhì)量等圖形界面，工程及設備管理人員可以通過這些圖形界面實時監(jiān)測船舶的施工運行情況，并及時對船舶施工、設備運行做出指導反饋。在此系統(tǒng)的幫助下，疏浚工程師可以實時看到船舶施工的各項參數(shù)數(shù)據(jù)，使遠程指導達到與“在船指導”一致的效果，從而有效節(jié)省了時間和交通船費用，提升了管理水平。此系統(tǒng)對國內(nèi)疏浚業(yè)數(shù)據(jù)遠程傳輸系統(tǒng)的開發(fā)和運行具有一定的參考意義。

[1] 吉誠. 海上衛(wèi)星寬帶系統(tǒng)在疏浚作業(yè)中的應用[C]//旭日華夏（北京）國際科學技術研究院. 2016智能城市與信息化建設國際學術交流研討會.2017: 328-329.

[2] 孫富民, 蔣文輝. 救助船舶信息化管理系統(tǒng)的開發(fā)[J]. 中國航海, 2011, 34(2): 50-56.

[3] 徐紹衡. 具有全功能 PLC的單層網(wǎng)絡信息安全監(jiān)控指揮管理平臺[C]//中國科學技術協(xié)會學會學術部. 第十六屆中國科協(xié)年會——分 8綠色造船與安全航運論壇. 2014: 16-22.

[4] 王宏智, 張均東. 船舶機艙綜合監(jiān)控系統(tǒng)的設計研究[C]//中國航海學會. 中國航海學會 2006年度學術交流會優(yōu)秀論文集. 2007: 134-137.

[5] 田兆波. 輪機數(shù)據(jù)采集與顯示系統(tǒng)研究[D]. 遼寧大連: 大連海事大學, 2005.