一種海上雙船協(xié)同作業(yè)指揮技術(shù)方案

鄭 超 肖 健 葉應(yīng)樹 陳三三

（福建省地震局，福建 福州350003）

福建省地處我國(guó)東南沿海地震帶北段，區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，由北東向和北西向兩組斷裂控制[1]，存在發(fā)生破壞性地震的地質(zhì)構(gòu)造背景。根據(jù)福建歷史地震資料，1604 年泉州海外發(fā)生過8 級(jí)大震[2]。因此為進(jìn)一步查明引發(fā)地震的濱海斷裂帶的位置、產(chǎn)狀和深部構(gòu)造信息，福建省地震局從2013 年開始實(shí)施“福建及臺(tái)灣海峽地殼深部構(gòu)造陸海聯(lián)測(cè)”計(jì)劃（以下簡(jiǎn)稱“陸海聯(lián)測(cè)”），開展了地下介質(zhì)變化的監(jiān)測(cè)等一些列科學(xué)實(shí)驗(yàn)，逐步構(gòu)建起福建及臺(tái)灣海峽的一維、二維、三維的地殼上地幔速度結(jié)構(gòu)。2019 年的重點(diǎn)工作是開展臺(tái)灣海峽西部殼幔結(jié)構(gòu)體系、海域斷裂的位置、空間形態(tài)、精細(xì)結(jié)構(gòu)等方面的研究，并首次開展海上雙船協(xié)同作業(yè)的試驗(yàn)。圖1 為2019 年部署在廈門地震勘測(cè)研究中心的福建及臺(tái)灣海峽地殼深部構(gòu)造陸海聯(lián)測(cè)總指揮部。

圖1 2019 年福建及臺(tái)灣海峽地殼深部構(gòu)造陸海聯(lián)測(cè)指揮部實(shí)景

在陸海聯(lián)測(cè)中，由于有海上試驗(yàn)項(xiàng)目，為能在陸地及時(shí)了解海上作業(yè)情況同時(shí)向海上作業(yè)組反饋陸上指揮部的指示要求，需要在海上與陸地架設(shè)通信設(shè)備進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)通信。通信內(nèi)容包括語(yǔ)音、視頻、試驗(yàn)工作數(shù)據(jù)等。為此，在2013-2015 年的陸海實(shí)驗(yàn)中，福建省地震局應(yīng)急指揮與宣教中心[3-4]開發(fā)了相關(guān)軟件，利用海事衛(wèi)星設(shè)備實(shí)現(xiàn)了對(duì)震源船航行軌跡的跟蹤。2017 年，王青平等人[5]研發(fā)了“基于北斗短報(bào)文的震源船跟蹤系統(tǒng)”，利用我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的北斗短報(bào)文將震源船上多個(gè)點(diǎn)的位置信息推送到陸海聯(lián)測(cè)指揮部，實(shí)現(xiàn)了指揮部對(duì)震源船航速、航向的實(shí)時(shí)監(jiān)控等功能。

在2019 年陸海聯(lián)測(cè)實(shí)驗(yàn)中，首次提出雙船協(xié)同作業(yè)的試驗(yàn)（主船“延平2 號(hào)”震源船、副船“上和號(hào)”科考船，兩船間隔約1.5km）。實(shí)驗(yàn)要求：

（1）廈門現(xiàn)場(chǎng)總指揮部可以與雙船進(jìn)行視頻通話，隨時(shí)掌握海上工作情況。

（2）廈門現(xiàn)場(chǎng)總指揮部準(zhǔn)實(shí)時(shí)查看兩船的位置（更新頻率應(yīng)在1 分鐘左右），便于對(duì)整個(gè)陸海聯(lián)測(cè)工作進(jìn)度的總體把握。

（3）主船實(shí)時(shí)查看兩船的位置（更新頻率應(yīng)控制在10 秒內(nèi)），便于控制兩船的相對(duì)位置。

在前幾次陸海聯(lián)測(cè)工作的通信系統(tǒng)搭建方案中，主要是依靠海事衛(wèi)星來(lái)作為海上作業(yè)船與陸上指揮系統(tǒng)的信息通道的橋梁。在滿足視頻通話方面，單船模式與雙船模式無(wú)太大區(qū)別，通過利用主船自帶的海衛(wèi)通和副船的海事衛(wèi)星設(shè)備，借助視頻會(huì)議終端即可實(shí)現(xiàn)（解決了第一條“實(shí)驗(yàn)要求”）。但是僅僅照搬以往的實(shí)施方案，較難滿足在本次實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)的對(duì)主副船之間的數(shù)據(jù)通信，以及與陸上指揮部數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性的新要求。在本次實(shí)驗(yàn)中，主副船將協(xié)同工作，所進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)船的位置、方向有較高要求。主船作為海上指揮需要對(duì)副船作業(yè)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理。如果不對(duì)原有方案進(jìn)行升級(jí)改造，雙方之間的通信仍然還是依靠海事衛(wèi)星設(shè)備的話，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)和實(shí)施效果，雙方之間通信將有較大的數(shù)據(jù)時(shí)間延遲且無(wú)法避免。由于主船在關(guān)鍵時(shí)刻是需要副船準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)位置的，而較大的數(shù)據(jù)延遲將使得主船與副船位置數(shù)據(jù)不能實(shí)時(shí)同步，從而導(dǎo)致雙船協(xié)同工作難以開展。同時(shí)在陸上指揮部，雙船各自獨(dú)立的數(shù)據(jù)反饋通道也將增大陸上指揮部對(duì)這兩路數(shù)據(jù)的同步匹配工作，數(shù)據(jù)不同步以及時(shí)效性差也對(duì)陸上技術(shù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理造成較大影響。因此如果不修改舊方案，將無(wú)法滿足“實(shí)驗(yàn)要求”第二條和第三條，因此亟需一種新的技術(shù)方案解決雙船協(xié)同作業(yè)指揮。

根據(jù)陸海聯(lián)測(cè)工作方案要求，兩船之間的距離在1-2km 范圍內(nèi)，同時(shí)海上作業(yè)時(shí)，兩船之間并沒有障礙物，因此通過電波方式直傳數(shù)據(jù)是可以滿足雙船之間的數(shù)據(jù)交互需求的?；谠撍伎冀嵌瘸霭l(fā)，從而提出本次實(shí)驗(yàn)完整的海上雙船協(xié)同作業(yè)的技術(shù)方案，如圖2 所示。

首先，沿用過去成熟的通信方案，使用主船“延平2 號(hào)”自帶的海衛(wèi)通衛(wèi)星設(shè)備保障其與現(xiàn)場(chǎng)指揮部之間的視頻會(huì)議。雖然副船“上和號(hào)”自身沒有衛(wèi)星通訊，不過可以將以往使用的海事衛(wèi)星設(shè)備供其使用，保障副船與指揮部之間的視頻通話，解決第1 條實(shí)驗(yàn)要求。

其次，副船的服務(wù)系統(tǒng)可以通過副船的局域網(wǎng)訪問GPS 接收機(jī)，獲取副船的實(shí)時(shí)位置信息，通過部署在副船上的無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)發(fā)射單元將副船的實(shí)時(shí)信息推送給主船。主船的服務(wù)系統(tǒng)也可以在主船的局域網(wǎng)內(nèi)訪問多個(gè)GPS 接收機(jī)，獲取主船多個(gè)控制點(diǎn)的實(shí)時(shí)位置信息。在與無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)接收單元接收的副船實(shí)時(shí)信息進(jìn)行融合后，就可以實(shí)現(xiàn)雙船的實(shí)時(shí)同步監(jiān)控。由于局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)延遲小，無(wú)線數(shù)傳的傳輸速度快，足以保證主船上更新兩船位置的頻度，也完美解決第3 條實(shí)驗(yàn)要求。

最后，通過主船的海衛(wèi)通衛(wèi)星通訊，將一段時(shí)間內(nèi)匯集的兩船位置數(shù)據(jù)通過海事衛(wèi)星推送給陸上指揮部技術(shù)處理團(tuán)隊(duì)并在雙船監(jiān)控系統(tǒng)上進(jìn)行處理展示，解決了第2 條實(shí)驗(yàn)要求。

圖2 基于無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)的雙船協(xié)同作業(yè)技術(shù)方案

本文提出一種利用無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)進(jìn)行雙船協(xié)同作業(yè)的技術(shù)方案。借助無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)將副船位置信息回傳至主船，便于主船本地顯示雙船的位置信息，同時(shí)通過衛(wèi)星將雙船的位置信息推送至陸地的廈門現(xiàn)場(chǎng)指揮部，實(shí)現(xiàn)對(duì)雙船的航速、航向等實(shí)時(shí)監(jiān)控，有效提升安全生產(chǎn)的風(fēng)險(xiǎn)控制能力，也保障整體實(shí)驗(yàn)的進(jìn)度，為圓滿完成2019 年陸海聯(lián)測(cè)實(shí)驗(yàn)奠定基礎(chǔ)。