漁業(yè)船聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢研究

李國棟， 陳 軍， 湯濤林， 諶志新， 許明昌， 吳陳波

(中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，農(nóng)業(yè)部漁業(yè)裝備與工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092)

隨著信息技術(shù)的發(fā)展和移動終端的普及，現(xiàn)代社會正在逐步進(jìn)入“物聯(lián)網(wǎng)時代”。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)成為推動現(xiàn)代社會發(fā)展的重要工具，滲入到各行各業(yè)，帶來產(chǎn)業(yè)技術(shù)革命與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級，并將創(chuàng)造更多的社會價(jià)值[1-2]。漁業(yè)船聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在海洋漁業(yè)中的拓展應(yīng)用，即以海洋漁業(yè)船舶為網(wǎng)絡(luò)基本節(jié)點(diǎn)，以船舶、船載儀器和設(shè)備、航道、陸岸設(shè)施、浮標(biāo)、潛標(biāo)、海洋生物等為信息源，通過船載數(shù)據(jù)處理和交換設(shè)備進(jìn)行信息處理、預(yù)處理、應(yīng)用和交換，綜合利用海上無線通信、衛(wèi)星通信、近海無線寬帶通信和船舶自組網(wǎng)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)船—岸、船—船、船—儀信息的傳輸，在岸基數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)各類動、靜態(tài)信息的匯聚、提取、監(jiān)管與應(yīng)用，使其具有導(dǎo)航、通信、助漁、漁政管理和信息服務(wù)等功能的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[3]。漁業(yè)船聯(lián)網(wǎng)采用信息化和智能化技術(shù)，促進(jìn)海洋漁業(yè)整體技術(shù)升級，逐步實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)與智慧管理；并可以通過廣泛分布的漁船兼顧開展海洋科學(xué)觀測活動，必將成為服務(wù)于國家海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略的有力抓手。

漁業(yè)船聯(lián)網(wǎng)(FIoV)是作為一個具有一定探索性的新興概念，建設(shè)過程是一個龐大的系統(tǒng)性工程。漁業(yè)船聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景呈現(xiàn)多樣化[3]。這些多樣化的應(yīng)用場景對整個系統(tǒng)信息采集和處理、通信、數(shù)據(jù)存儲和處理、信息安全等提出了不同的需求，涉及多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。在網(wǎng)絡(luò)基本節(jié)點(diǎn)端，涉及多源異構(gòu)漁業(yè)信息采集及智能化漁船構(gòu)建技術(shù)，來實(shí)現(xiàn)對漁業(yè)船舶的全方位感知和智能化控制；在信息傳輸方面涉及海上無線通信、海洋衛(wèi)星通信、近海寬帶無線和基于無線網(wǎng)格(MESH)的寬帶自組網(wǎng)等海洋漁業(yè)相關(guān)的通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)集成式船聯(lián)網(wǎng)通信方案，以滿足系統(tǒng)不同應(yīng)用對通信性能的需要；在岸基數(shù)據(jù)中心側(cè)涉及大數(shù)據(jù)處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對規(guī)模龐大、異構(gòu)化數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、加工、管理、挖掘、分析等操作；對于整個網(wǎng)絡(luò)還涉及信息安全技術(shù)，來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)平穩(wěn)、安全的運(yùn)行。本文對各關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢進(jìn)行分析研究，為漁業(yè)船聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。

1 多源異構(gòu)漁業(yè)信息采集及智能化漁船構(gòu)建技術(shù)

信息感知及采集是實(shí)現(xiàn)“物物相聯(lián)，人物互動”的基礎(chǔ)?；跐O船的信息感知和采集系統(tǒng)已經(jīng)成為漁業(yè)船舶發(fā)展的一個重要方向[4-6]，針對某一類信息的感知、采集、處理和應(yīng)用系統(tǒng)也經(jīng)常有所報(bào)道[7-9]。根據(jù)漁業(yè)船聯(lián)網(wǎng)的需求[3]，漁業(yè)船聯(lián)網(wǎng)對信息的感知和采集不是單一類型的，需要通過不同傳感器實(shí)現(xiàn)對多源漁業(yè)相關(guān)信息全面、實(shí)時的采集。數(shù)據(jù)類型異構(gòu)化包括數(shù)字、文字、圖像、音頻和視頻等大量結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。如圖1所示，多源異構(gòu)漁業(yè)信息采集技術(shù)能夠通過多種方式實(shí)時獲取各種航運(yùn)信息，也能動態(tài)采集水質(zhì)、水文、氣象、生物[10-12]及漁船生產(chǎn)信息(包括船位、氣象、漁具、漁獲物、物資、人員以及重要設(shè)備運(yùn)行參數(shù)等)、漁船進(jìn)出港動態(tài)信息、漁業(yè)漁政管理信息等[13-15]。多源異構(gòu)漁業(yè)信息的實(shí)時、精準(zhǔn)采集，可以全面了解漁船運(yùn)行設(shè)備、生產(chǎn)裝備和助漁儀器等的工作狀態(tài)信息和數(shù)據(jù)。船載數(shù)據(jù)中心和陸基大數(shù)據(jù)中心獲取漁船各種設(shè)備和儀器狀態(tài)信息和數(shù)據(jù)，可以為漁業(yè)船舶的應(yīng)急救災(zāi)、遠(yuǎn)程故障檢測、自動化捕撈和無人駕駛等應(yīng)用提供數(shù)據(jù)源，通過基于精準(zhǔn)數(shù)據(jù)的決策，產(chǎn)生各種針對場景的自動控制流程，逐步提升海洋漁業(yè)船舶的信息化、智能化水平。

漁業(yè)船舶信息采集種類多樣，對應(yīng)的采集數(shù)據(jù)內(nèi)容和類型也存在較大差異。表1給出漁業(yè)船舶信息采集系統(tǒng)涉及的項(xiàng)目。

圖1 多源異構(gòu)漁業(yè)船舶信息采集系統(tǒng)示意圖

分類數(shù)據(jù)內(nèi)容數(shù)據(jù)類型海洋氣象風(fēng)向、風(fēng)速、氣壓、空氣溫度、相對濕度、海面有效能見度、降水量、霧數(shù)字水文數(shù)據(jù)潮汐、海浪、表層海水溫度、表層海水鹽度、海發(fā)光、海冰數(shù)字、圖像機(jī)艙監(jiān)測燃油、滑油、蒸汽、壓縮空氣、冷卻水等項(xiàng)目的壓力和溫度、主機(jī)轉(zhuǎn)速、電站及用電設(shè)備的電壓和功率數(shù)字主動力監(jiān)測冷卻水進(jìn)水溫度、冷卻水出水溫度、潤滑油溫度、進(jìn)排氣溫度、增壓壓力、氣缸壓力、燃油壓力、主機(jī)轉(zhuǎn)速、迸氣空氣流量、冷卻水消耗量、燃油消耗量數(shù)字甲板機(jī)械監(jiān)測液壓設(shè)備壓力和轉(zhuǎn)速、放釣數(shù)量監(jiān)測、舵機(jī)壓力、低液位報(bào)警數(shù)字助漁設(shè)備漁探儀數(shù)據(jù)、測深儀數(shù)據(jù)、潮流信息、羅經(jīng)數(shù)據(jù)圖像、數(shù)字漁政管理信息船位、漁具漁法、漁獲物、進(jìn)出港信息文字、數(shù)字、圖像視頻監(jiān)控機(jī)艙視頻監(jiān)控、駕駛室頻監(jiān)控、甲板作業(yè)區(qū)域視頻監(jiān)控視頻通導(dǎo)設(shè)備各種通信數(shù)據(jù)、GPS數(shù)據(jù)、北斗數(shù)據(jù)文字、語音、數(shù)字

信息化和智能化是現(xiàn)代海洋漁業(yè)發(fā)展的重要方向，智能漁船構(gòu)建技術(shù)是信息化、智能化在現(xiàn)代漁業(yè)中實(shí)施的主要手段，目前船舶行業(yè)已陸續(xù)提出和出臺“智能船舶”、“智能機(jī)艙”等概念和相關(guān)法規(guī)。漁業(yè)船聯(lián)網(wǎng)存在大量異構(gòu)化傳感器、通信設(shè)備、導(dǎo)航設(shè)備及視頻監(jiān)控等儀器和設(shè)備，相關(guān)儀器和設(shè)備產(chǎn)生大量結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，僅對單艘船來說，船載數(shù)據(jù)處理和交換中心獲取的數(shù)據(jù)量已經(jīng)很龐大且內(nèi)容多樣化。如對于一個船隊(duì)或整個船聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，實(shí)時獲取的數(shù)據(jù)量將是數(shù)十、上百Gbps，就目前海上通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀來說，其通信帶寬尤其是遠(yuǎn)海通信需要依靠衛(wèi)星中繼，還是滿足不了船載設(shè)備采集的全部數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸需要。由于對應(yīng)數(shù)據(jù)類型和應(yīng)用需求的不同，系統(tǒng)對數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時性、可靠性和保密性等要求也存在較大的差異。因此，必須構(gòu)建智能化漁船，使其配備較大存儲和處理能力的船載智能化處理中心，能根據(jù)數(shù)據(jù)應(yīng)用場景的需求并結(jié)合岸—船通信環(huán)境情況選擇無線移動、衛(wèi)星或有線方式，具有針對不同通信方式下進(jìn)行數(shù)據(jù)提煉、清洗、分類、緩存等處理能力。智能化漁船也應(yīng)具備對部分?jǐn)?shù)據(jù)通過船載智能化處理完成本船或船隊(duì)級應(yīng)用，以及非結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)先結(jié)構(gòu)再回傳的操作，來降低船岸通信的壓力。

2 漁業(yè)船舶海上無線通信技術(shù)

由于海上無線通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的復(fù)雜性，近幾十年來，海上通信技術(shù)的發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)延遲于陸上通信技術(shù)的發(fā)展。在中國，海洋漁船的無線通信主要依靠海岸中頻/高頻和甚高頻無線網(wǎng)絡(luò)以及傳統(tǒng)的海洋衛(wèi)星通信，在近岸場景，岸基無線通信也發(fā)揮著極大的作用(表2)。20世紀(jì)90年代初，為滿足“全球海上遇險(xiǎn)與安全系統(tǒng)(GMDSS)”對通信業(yè)務(wù)的需要，中國建設(shè)了奈伏泰斯系統(tǒng)(NAVTEX)、中頻/高頻系統(tǒng)(MF/HF)等海岸電臺系統(tǒng)[16-17]，這些電臺系統(tǒng)雖然可以覆蓋較遠(yuǎn)的海域，但僅能提供很窄的通信帶寬，以滿足海上船舶安全信息發(fā)布和遇險(xiǎn)救助的基本需要。如：NAVTEX系統(tǒng)工作頻率在518 kHz，傳輸距離250～400 n mile，速率50 bps[18]；PACTOR高頻電臺系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)覆蓋范圍4 000～40 000 km，傳輸速率9.6 kbps和14.4 kbps[16]，由于主要利用電離層進(jìn)行無線傳輸，難以滿足實(shí)時語音通信的需求。在中國海洋漁業(yè)領(lǐng)域，遠(yuǎn)洋漁業(yè)船舶通常配有NAVTEX終端，用于接收氣象預(yù)報(bào)信息、緊急海試通知和導(dǎo)航數(shù)據(jù)等。為了提高海洋漁業(yè)生產(chǎn)安全保障能力，2005年農(nóng)業(yè)部開展建設(shè)基于中頻/高頻系統(tǒng)的全國海洋漁業(yè)短波安全通信網(wǎng)，目前，全國已建立了14座漁業(yè)短波岸臺，有6萬多艘海洋漁船配備了短波電臺[16,20]，岸臺都實(shí)行24 h不間斷守聽值班，提供漁業(yè)生產(chǎn)氣象信息發(fā)布、安全救助、漁政執(zhí)法調(diào)度、漁民日常通信等服務(wù)。

為了確保海上航行安全，查找海難事故原因，國際海事組織(IMO)決定增補(bǔ)配置通用船載自動識別系統(tǒng)AIS[16]。AIS是工作在甚高頻(VHF)(156.0～174.0 MHz，其中AIS工作在156.025～162.025 MHz)海上頻段的船舶和岸基廣播系統(tǒng)，是集現(xiàn)代通信、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息技術(shù)于一體的助航、海上安全系統(tǒng)，最大傳輸距離可達(dá)30 n mile，傳輸速率9.6 kbps，增強(qiáng)了船舶航行安全，提高了船舶交通管理效率，得到了大范圍的應(yīng)用[16,18]。中國目前已有30座漁業(yè)AIS基站，近6萬艘漁船配備AIS船載終端設(shè)備[22]。隨著對AIS系統(tǒng)在海洋船舶中的大量使用，VHF頻段通信需求的增加，在AIS系統(tǒng)可使用頻段內(nèi)已經(jīng)非常擁擠，在許多繁忙港口已經(jīng)達(dá)到對頻段50%以上的占用率，導(dǎo)致信息阻塞等嚴(yán)重問題的發(fā)生，影響航行安全。針對上述問題，2013年由國際航標(biāo)協(xié)會(IALA)首次提出了AIS的升級版—VDES系統(tǒng)的構(gòu)想，相比于AIS系統(tǒng)，VDES系統(tǒng)的通信鏈路更加豐富，且在原來廣播信道基礎(chǔ)上增加了VDE的通信信道[21,23-24]。不僅如此，VDES系統(tǒng)還在設(shè)計(jì)之初就考慮了地面與衛(wèi)星兩大系統(tǒng)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和兼容性分析等多個角度做了大量技術(shù)研究工作。

針對中國近海漁業(yè)通信的需要，漁業(yè)船用調(diào)頻無線電話機(jī)系統(tǒng)在沿海也有一定規(guī)模的建設(shè)和應(yīng)用[25-26]，其工作頻段為27.5～39.5 MHz，通話帶寬25 kHz，最大作用距離可達(dá)50～100 n mile[27]，提供自動遇險(xiǎn)報(bào)警、氣象、海況、漁業(yè)信息預(yù)報(bào)、話音通信、船位監(jiān)測等服務(wù)，但由于沒有建立相應(yīng)的漁業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)管理規(guī)定，網(wǎng)內(nèi)設(shè)備制式混亂，設(shè)備利用率不高，影響了系統(tǒng)應(yīng)發(fā)揮的作用。

上述海上無線通信系統(tǒng)具有應(yīng)用成本低、使用便捷、滿足近海覆蓋要求的特點(diǎn)。但是，通信系統(tǒng)受氣候條件和海洋環(huán)境影響較大，通信可靠性不高，而且系統(tǒng)采用窄帶通信方式，導(dǎo)致無法提供高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，極大地限制了其在漁業(yè)船聯(lián)網(wǎng)中的使用。

表2 海上漁業(yè)船舶通信技術(shù)比較

3 近海寬帶無線及寬帶自組網(wǎng)技術(shù)

中國陸基蜂窩移動通信技術(shù)發(fā)展日益迅速，跟隨國際無線移動通信發(fā)展過程，經(jīng)歷了以頻分多址技術(shù)的1G和以時分多址和碼分多址為主要技術(shù)的2G，之后的3G提供了相比于前兩代通信技術(shù)更寬的帶寬，常用的通信標(biāo)準(zhǔn)有WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA等。在第三代陸基移動通信在中國的陸域覆蓋過程中，2005年10月，中國漁政指揮中心與中國聯(lián)通公司簽署了建設(shè)海洋漁業(yè)CDMA移動通信系統(tǒng)建設(shè)協(xié)議，建設(shè)適用漁業(yè)的通信系統(tǒng)[22,28]。系統(tǒng)采用CDMA 1X廣域覆蓋解決方案，宏基站覆蓋半徑達(dá)到120 km，超遠(yuǎn)覆蓋微基站在近海面的實(shí)測覆蓋半徑達(dá)到的82 km，可以非常經(jīng)濟(jì)有效地解決近海面的無線信號廣域覆蓋問題，通話質(zhì)量也完全適應(yīng)海上惡劣的漁業(yè)作業(yè)環(huán)境[29-30]。4G通信技術(shù)在陸地通信系統(tǒng)正蓬勃發(fā)展，日益顯示出在數(shù)據(jù)帶寬方面的優(yōu)勢。利用沿海4G網(wǎng)絡(luò)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)基本的語音通信、數(shù)據(jù)傳輸、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能，還能夠提供髙效的海面增值服務(wù)。通過采用多天線增強(qiáng)技術(shù)、加大發(fā)射功率、合適的基站選址等方案，4G信號海面覆蓋范圍可以達(dá)到70 km[31-34]，而中繼技術(shù)在4G通信中的大量使用，為實(shí)現(xiàn)海上借助島、礁石、浮標(biāo)等地形和設(shè)施進(jìn)行更大范圍的海上覆蓋提供了可能[35-37]。相比現(xiàn)今廣為使用的4G移動通信，5G在大規(guī)模天線陣使用、資源利用率、傳輸速率以及頻譜利用率等各方面都有明顯的優(yōu)勢, 而且在用戶體驗(yàn)、傳輸時延、網(wǎng)絡(luò)的覆蓋性能等方面也會得到很大程度的提高[38]。在5G通信標(biāo)準(zhǔn)制定過程中已經(jīng)在考慮與衛(wèi)星之間的無縫接入[39]，實(shí)現(xiàn)永遠(yuǎn)在線、全球無死角覆蓋，這也必將為當(dāng)前面臨發(fā)展困境的海洋通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)提供良好的發(fā)展契機(jī)。

隨著無線通信技術(shù)的高速發(fā)展，種類繁多的無線自組網(wǎng)技術(shù)出現(xiàn)并應(yīng)用在生產(chǎn)和生活當(dāng)中。其中無線MESH自組網(wǎng)由于其能夠整合異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率、成本低、易于維護(hù)而且能夠提供可靠的服務(wù)而成了下一代無線通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)。無線MESH網(wǎng)絡(luò)與蜂窩無線網(wǎng)絡(luò)是不同的網(wǎng)絡(luò)，采用點(diǎn)到點(diǎn)或者點(diǎn)到多點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有節(jié)點(diǎn)快速移動、多跳通信、拓?fù)湓诓粩嘧兓葍?yōu)點(diǎn)，能夠用來解決海上通信“無縫覆蓋”的問題。MESH路由器的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層采用的國際協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)通常是IEEE802.11[40-41]和IEEE802.16[42]。

圖2給出了基于MESH網(wǎng)絡(luò)的船聯(lián)網(wǎng)自組網(wǎng)通信方案，其在海洋漁業(yè)中應(yīng)用具有較大的優(yōu)勢[43]。1)靈活節(jié)點(diǎn)接入能力：網(wǎng)絡(luò)具有智能控制和管理功能，可實(shí)現(xiàn)突發(fā)情況下快速組網(wǎng)和任意點(diǎn)的快速接入和退出，同時對其他節(jié)點(diǎn)和正常通信不會造成影響。漁船在海上航行和作業(yè)時，多數(shù)是在不停地移動位置，船與船之間的距離在不停地變化，MESH的靈活節(jié)點(diǎn)接入能力滿足了時時移動的漁船作為自組網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)的需求，更符合漁業(yè)船聯(lián)網(wǎng)實(shí)際的接入條件。2)高度的網(wǎng)絡(luò)自組織能力：在網(wǎng)絡(luò)中不存在中心節(jié)點(diǎn)，支持16節(jié)點(diǎn)同頻組網(wǎng)，并具有路徑選擇、路由自動管理等功能，保證信息通信以最短路徑進(jìn)行傳輸，并根據(jù)節(jié)點(diǎn)間的實(shí)際連接狀態(tài)，選擇是否接力中繼傳輸和最優(yōu)接力中繼路徑。MESH自組網(wǎng)的高度網(wǎng)絡(luò)自組織能力、無中心化符合漁業(yè)船舶航行和作業(yè)的實(shí)際場景，特別是在近海沿岸漁船較多，漁船與漁船之間多數(shù)是無任何協(xié)作關(guān)系的，高度的網(wǎng)絡(luò)自組織能力為這些漁船在無約定下實(shí)現(xiàn)對岸基無線通信在海上擴(kuò)展帶來便利。3)廣泛的網(wǎng)絡(luò)覆蓋：節(jié)點(diǎn)之間可實(shí)現(xiàn)視距40～50 km的單點(diǎn)傳輸距離，這樣的覆蓋能力在各種無線寬帶網(wǎng)絡(luò)中處于較高的水平，通過多跳點(diǎn)中繼可以大幅提高岸基無線通信的通信距離，提升系統(tǒng)的傳輸速率和容量。4)強(qiáng)大的帶寬傳輸能力：網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)最高6 MHz載波帶寬，并實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間最高8.9 Mbps的數(shù)據(jù)速率，可以充分滿足多路視頻與音頻、數(shù)據(jù)等信息的同時傳輸，或最低2.5 MHz的載波帶寬，帶寬在節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)按需實(shí)時動態(tài)分配共享，滿足多路音、視頻和其他數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸需要。船聯(lián)網(wǎng)中船載設(shè)備加裝了大量感知器件和設(shè)備，采集到包括視頻、圖片、音頻之內(nèi)的大數(shù)據(jù)量內(nèi)容，需要網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬盡可能寬，這樣才能為漁業(yè)船聯(lián)網(wǎng)后續(xù)的多樣化應(yīng)用提供可能。

圖2 基于MESH網(wǎng)絡(luò)的漁業(yè)船聯(lián)網(wǎng)自組網(wǎng)通信方案

4 海上衛(wèi)星通信技術(shù)

在海上移動通信領(lǐng)域，盡管基礎(chǔ)設(shè)施完備的4G移動通信網(wǎng)絡(luò)為中國近海海上用戶的高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)提供便利，但遠(yuǎn)離海岸的區(qū)域覆蓋永遠(yuǎn)是岸基移動通信亟待克服的困難。衛(wèi)星通信以通信距離遠(yuǎn)、覆蓋范圍廣、組網(wǎng)靈活，基本不受氣候變化和其他自然條件的影響，成為遠(yuǎn)海通信的理想選擇。海事衛(wèi)星系統(tǒng)(INMARSAT)，銥星系統(tǒng)(Iridium)、Thuraya、Skyterra、全球星(Globalstar)、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou)和“天通一號”衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)等是在中國海洋漁業(yè)衛(wèi)星通信中使用較多的衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

基于同步衛(wèi)星的INMARSAT海事衛(wèi)星系統(tǒng)覆蓋全球范圍，為處于不同地形、高度的終端提供雙向通信服務(wù)的通信衛(wèi)星，隨著INMARSAT海事衛(wèi)星系統(tǒng)業(yè)務(wù)的發(fā)展，它已成為了世界上能為海陸空各種環(huán)境提供服務(wù)的重要衛(wèi)星系統(tǒng)。INMARSAT衛(wèi)星系統(tǒng)陸續(xù)演進(jìn)了五代，目前主要在用的衛(wèi)星系統(tǒng)是第三代L波段語音通信系統(tǒng)、第四代L波段數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)以及第五代Ka寬帶通信系統(tǒng)。第五代海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)定位于寬帶通信系統(tǒng)，采用點(diǎn)波束方式，提供72個固定波束和6個移動波束，單顆衛(wèi)星容量4.5G，可以為寬帶衛(wèi)星終端用戶提供下行50 Mbps、上行5 Mbps的速率[44]。2017年5月INMARSA第五代第4顆衛(wèi)星發(fā)射成功[45]，這顆衛(wèi)星覆蓋中國及“一帶一路”沿線國家，基本完成了第五代海事衛(wèi)星系統(tǒng)的全球覆蓋和針對中國地區(qū)的容量增強(qiáng)。

低軌移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)Iridium，與INMARSAT相比，因其軌道面距地很近，信號傳輸損耗較小，無線電波能集中傳至地表，確保信號的品質(zhì)，同對還可減少回波雜訊，從而促使終端設(shè)備復(fù)雜性大大降低，終端的體積可大大縮小。第二代Iridium系統(tǒng)Iridium NEXT于2017年完成兩批20顆衛(wèi)星發(fā)射，預(yù)計(jì)整個星座將于2018年完成部署[46]。Iridium NEXT星座支持包括海事、航空、陸地移動、M2M以及政府服務(wù)等多個應(yīng)用領(lǐng)域，提供從上/下行22 kbps，到下行1.4 Mbps上行512 kbps等不同等級速率組合的數(shù)據(jù)服務(wù)，服務(wù)性能相比上一代系統(tǒng)有了大幅提升[47]。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可在全球范圍內(nèi)全天候、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導(dǎo)航、授時服務(wù)，并具短報(bào)文通信能力。截至2018年4月，已經(jīng)完成31顆衛(wèi)星發(fā)射組網(wǎng)，具備向亞太地區(qū)提供服務(wù)的能力[48]。計(jì)劃在2020年前后完成35顆衛(wèi)星發(fā)射組網(wǎng)[49]，建成北斗全球系統(tǒng)，向全球提供服務(wù)。北斗系統(tǒng)用戶終端具有雙向報(bào)文通信功能，用戶可以一次傳送40～60個漢字的短報(bào)文信息。中國海洋漁業(yè)是北斗短報(bào)文特色服務(wù)普及較早、應(yīng)用廣泛的領(lǐng)域之一，截至2016年底，全國有6萬多艘漁船配備了北斗星載終端設(shè)備[22]，開展主要包括漁船出海導(dǎo)航、漁政監(jiān)管、漁船出入港管理、海洋災(zāi)害預(yù)警、漁民短報(bào)文通信等應(yīng)用。

中國啟動了多個自主通信衛(wèi)星計(jì)劃，如自主研制建設(shè)的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)“天通一號”，2016年8月6日在西昌成功發(fā)射，目前衛(wèi)星開展在軌測試，地面應(yīng)用、運(yùn)控系統(tǒng)正集成聯(lián)試[50-51]，擁有超過100個點(diǎn)波束，實(shí)現(xiàn)了中國領(lǐng)土、領(lǐng)海、第一島鏈以內(nèi)區(qū)域覆蓋。用戶鏈路為S頻段，可以同時支持超過100萬用戶使用，并且采用多模方式，與陸基4G移動通信無縫連接，功能包括：撥打全球任意地面固定和移動電話；支持網(wǎng)內(nèi)和出網(wǎng)短消息以及與地面公網(wǎng)移動終端互聯(lián)互通；寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸速率最高可達(dá)384 kbps。中國其他的通信衛(wèi)星計(jì)劃包括：全球低軌衛(wèi)星星座通信系統(tǒng)“鴻雁星座”[52]、打造天基物聯(lián)網(wǎng)的“行云工程”[53]、全球覆蓋的衛(wèi)星寬帶互聯(lián)接入“虹云工程”[53]等，均計(jì)劃在最近幾年開展衛(wèi)星發(fā)射和組網(wǎng)工作。未來中國自主全球覆蓋通信衛(wèi)星系統(tǒng)的組網(wǎng)完成及投入服務(wù)，將極大地促進(jìn)中國海洋通信技術(shù)的發(fā)展，為漁業(yè)船聯(lián)網(wǎng)提供更多的通信技術(shù)手段。

綜上，衛(wèi)星通信廣域覆蓋，幾乎不受天氣和地理?xiàng)l件的影響，可全天時全天候工作；系統(tǒng)抗毀性強(qiáng)，自然災(zāi)害、突發(fā)事件等緊急情況下依舊能夠正常工作。傳統(tǒng)衛(wèi)星通信設(shè)備和資費(fèi)價(jià)格昂貴限制了其在海洋漁業(yè)中的應(yīng)用?；赩SAT衛(wèi)星通信的衛(wèi)星VSAT集群通信通過TDMA技術(shù)進(jìn)行多用戶信道資源共享，無需單一用戶租用寬帶專線，設(shè)備費(fèi)用和通信資費(fèi)大幅下降，為衛(wèi)星通信在海洋漁業(yè)中廣泛使用提供了可能。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至2017年底，至少有2萬艘漁船安裝和使用該設(shè)備。

5 海洋漁業(yè)大數(shù)據(jù)技術(shù)

目前，對于大數(shù)據(jù)的定義還沒有明確的規(guī)定。美國Gartner公司認(rèn)為大數(shù)據(jù)是需要高效和創(chuàng)新的信息處理方式，以增強(qiáng)洞察力和決策能力來適應(yīng)大量、高速和多樣化的信息資產(chǎn)[54]。麥肯錫全球研究所提出，大數(shù)據(jù)是指其大小超出了典型數(shù)據(jù)庫軟件工具捕獲、存儲、管理和分析能力的數(shù)據(jù)集[55]。一般情況下，人們認(rèn)為大數(shù)據(jù)有四大特征[56-57]，分別是容量性(Volume)、多樣性(Variety)、高速性(Velocity)以及價(jià)值性(Value)。基于漁業(yè)船聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的海洋漁業(yè)大數(shù)據(jù)，就是利用大數(shù)據(jù)的理念、技術(shù)和方法，解決海洋漁業(yè)或相關(guān)領(lǐng)域數(shù)據(jù)的采集、存儲、計(jì)算與應(yīng)用等一系列問題，是大數(shù)據(jù)的理論和技術(shù)在海洋漁業(yè)上的應(yīng)用與實(shí)踐[58-59]。漁業(yè)船聯(lián)網(wǎng)感知信息和中間處理的數(shù)據(jù)包含捕撈、供銷、科研、管理等各個環(huán)節(jié)以及影響這些環(huán)節(jié)的各類因素所產(chǎn)生的所有數(shù)據(jù)的集合，其規(guī)模龐大，存在文本、圖像、視頻、音頻等結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，特定時間內(nèi)不能通過常規(guī)方法對其處理和分析，必須進(jìn)行基于大數(shù)據(jù)的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取、分類、加工、管理、挖掘、分析等操作?；跐O業(yè)船聯(lián)網(wǎng)的海洋漁業(yè)大數(shù)據(jù)的特征主要表現(xiàn)在：

容量性：隨著漁業(yè)船聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)，在感知系統(tǒng)獲取的水質(zhì)、水文、氣象、生物、漁船生產(chǎn)信息(船位、氣象、漁具、漁獲物、物資、人員以及重要設(shè)備運(yùn)行參數(shù)等)、漁船進(jìn)出港動態(tài)信息、漁業(yè)漁政管理信息等直接數(shù)據(jù)及漁業(yè)生產(chǎn)狀態(tài)監(jiān)測、生產(chǎn)調(diào)度、管理運(yùn)營、用戶服務(wù)和消費(fèi)應(yīng)用等方面產(chǎn)生的數(shù)據(jù)規(guī)模龐大。

多樣性：在漁業(yè)船聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，擁有結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化以及非結(jié)構(gòu)化等多樣化數(shù)據(jù)，各種探測和監(jiān)測數(shù)據(jù)種類包括文本、圖像、視頻、音頻等。

高速性：在漁業(yè)船聯(lián)網(wǎng)中，漁業(yè)船舶設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、漁政監(jiān)管信息、應(yīng)急減災(zāi)信息等問題要求快速對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。因此在整個網(wǎng)絡(luò)中時效性要求較強(qiáng)的數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)流的方式生成，具有動態(tài)、快速、及時等特點(diǎn)。

價(jià)值性：海洋漁業(yè)大數(shù)據(jù)中隱藏著巨大的經(jīng)濟(jì)和社會價(jià)值，這些數(shù)據(jù)不僅反映漁業(yè)資源、漁業(yè)生產(chǎn)、漁業(yè)監(jiān)管等漁業(yè)內(nèi)部的信息，而且關(guān)系到相關(guān)海洋環(huán)境的情況，對國家的海洋科考、海洋資源的合理利用、減少污染等方面具有重大意義。

基于船聯(lián)網(wǎng)的海洋漁業(yè)大數(shù)據(jù)處理架構(gòu)共分為三層[59-60]：數(shù)據(jù)層、支撐層和服務(wù)層(圖3)。層與層之間、層內(nèi)部均遵照數(shù)據(jù)流傳輸規(guī)范以及數(shù)據(jù)處理規(guī)范，同時，為了保證系統(tǒng)的可靠安全運(yùn)行，需要設(shè)計(jì)安全保障體系，確保系統(tǒng)的安全性和可靠性。數(shù)據(jù)層主要是系統(tǒng)采集和運(yùn)行生成的各類數(shù)據(jù)，包括系統(tǒng)運(yùn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，采集信息組成的感知數(shù)據(jù)庫和業(yè)務(wù)系統(tǒng)產(chǎn)生的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)層采取標(biāo)準(zhǔn)化存儲，為支撐層提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)保證，數(shù)據(jù)層重點(diǎn)解決異構(gòu)數(shù)據(jù)存儲、大規(guī)模數(shù)據(jù)存儲以及支持高并發(fā)等關(guān)鍵技術(shù)問題。支撐層是整個系統(tǒng)的中間層，具有承上啟下的作用，提供數(shù)據(jù)維護(hù)手段，以及集合上層業(yè)務(wù)系統(tǒng)所需的各種算法以及基礎(chǔ)組件，方便服務(wù)層快速開發(fā)業(yè)務(wù)系統(tǒng)，同時也增強(qiáng)了系統(tǒng)的復(fù)用和擴(kuò)展性。服務(wù)層直接面向用戶和管理維護(hù)人員的操作界面，用戶可通過移動終端設(shè)備APP、對外服務(wù)網(wǎng)站門戶，以及數(shù)據(jù)中心的監(jiān)控指揮大屏幕參與到系統(tǒng)的使用與維護(hù)當(dāng)中，并根據(jù)數(shù)據(jù)中心搜集的各類數(shù)據(jù)，結(jié)合業(yè)務(wù)內(nèi)容，研發(fā)出直接面向各類用戶的應(yīng)用系統(tǒng)。

圖3 漁業(yè)船聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)處理架構(gòu)

6 安全體制建立

漁業(yè)船聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建目的是實(shí)現(xiàn)船與儀、船與人、船與船、船與岸、船與數(shù)據(jù)中心之間的信息通信[3]。主要涉及船內(nèi)網(wǎng)絡(luò)、船船網(wǎng)絡(luò)和船岸移動互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。漁業(yè)船聯(lián)網(wǎng)存在于多網(wǎng)融合環(huán)境中，由多重不同的網(wǎng)絡(luò)組成，其中，船內(nèi)網(wǎng)絡(luò)包括以太網(wǎng)、CAN總線、RS485/3232等總線通信，以及WIFI、RFID、藍(lán)牙、紅外線、NFC等無線通信方式。船船網(wǎng)絡(luò)主要涉及WIFI、MESH及漁業(yè)專用通信等通信方式。船岸移動互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)包括2G/3G/4G/5G、專網(wǎng)通信、衛(wèi)星通信等無線通信方式。這種網(wǎng)絡(luò)融合的特性是導(dǎo)致船聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)安全新問題的最主要原因。如圖4所示，漁業(yè)船聯(lián)網(wǎng)從安全防護(hù)對象角度來看[61-62]，應(yīng)從船聯(lián)網(wǎng)的“端”、“網(wǎng)”、“云”三個相對獨(dú)立的部分進(jìn)行安全設(shè)計(jì)，并在整個過程中貫穿考慮數(shù)據(jù)安全問題。

圖4 漁業(yè)船聯(lián)網(wǎng)安全體制架構(gòu)

由于漁船運(yùn)動軌跡和組網(wǎng)方式不斷變化，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出動態(tài)性、暫時性網(wǎng)絡(luò)；同時節(jié)點(diǎn)之間互連關(guān)系維持短暫，在有效通信范圍內(nèi)，節(jié)點(diǎn)之間保持連接狀態(tài)，一旦超出節(jié)點(diǎn)之間的有效通信范圍，它們的連接馬上會斷開[6]。這就使得船聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)相比面臨更多的安全風(fēng)險(xiǎn)和隱患。由于船—船自組織網(wǎng)絡(luò)自身的無中心、自組織等特點(diǎn)，傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)中成熟的安全保障機(jī)制無法得到直接應(yīng)用。另外，船聯(lián)網(wǎng)中的傳感節(jié)點(diǎn)通常需要部署在無人值守、不可控制的環(huán)境中，使得船聯(lián)網(wǎng)更容易受到網(wǎng)絡(luò)攻擊，面臨安全隱患。除了受到一般無線網(wǎng)絡(luò)所面臨的信息泄露、信息篡改、重放攻擊、泛洪攻擊、擁塞攻擊、丟棄與貪婪攻擊、拒絕服務(wù)等多種威脅外，還面臨傳感節(jié)點(diǎn)容易被攻擊者獲取，通過物理手段獲取存儲在節(jié)點(diǎn)中的所有信息，從而侵入網(wǎng)絡(luò)、控制網(wǎng)絡(luò)的威脅。目前，船聯(lián)網(wǎng)的安全需求及目標(biāo)信息安全問題還尚未得到很好的解決，也是阻礙船聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵問題。

7 結(jié)論

在明確了船聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場景和需求的基礎(chǔ)上[3]，對漁業(yè)船聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)建中涉及到的智能漁船數(shù)據(jù)采集及處理、海上無線通信、海洋衛(wèi)星通信、近海寬帶無線、基于MESH的寬帶自組網(wǎng)和漁業(yè)大數(shù)據(jù)處理等關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢進(jìn)行了綜述研究。明確了智能漁船的構(gòu)建作為漁業(yè)船聯(lián)網(wǎng)智能終端的必要性，及多元集成的海上通信來解決漁業(yè)船聯(lián)網(wǎng)船—岸、船—船通信的可行性和優(yōu)缺點(diǎn)，并通過對現(xiàn)有各種海上通信技術(shù)的分析，厘清了各種場景下通信網(wǎng)絡(luò)對數(shù)據(jù)傳輸保障的能力，為系統(tǒng)傳輸內(nèi)容、頻次、速率等網(wǎng)絡(luò)性能評估做好準(zhǔn)備工作。通過本文對漁業(yè)船聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)等的系統(tǒng)性分析，為后續(xù)漁業(yè)船聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

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