船舶運輸環(huán)境觀測與數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的構(gòu)建

徐鴻志 山東海運股份有限公司

劉軼華 上海海事大學(xué)

鮑獻文 中國海洋大學(xué)

張建民 山東海運股份有限公司

船舶運輸環(huán)境要素主要包括海浪（風(fēng)浪和涌浪）、海冰、洋流、風(fēng)、氣壓、氣溫、水溫、濕度、能見度及天氣現(xiàn)象等。海運航線要實現(xiàn)智能決策，就需要對船舶運輸環(huán)境要素進行監(jiān)測，采集數(shù)據(jù)并實時傳輸，構(gòu)建運輸環(huán)境觀測與數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。

運輸環(huán)境觀測與數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)包括運輸環(huán)境數(shù)據(jù)觀測、數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)热齻€子系統(tǒng)，其構(gòu)建分為三個方面：大氣和海洋觀測與數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)研發(fā)，觀測系統(tǒng)實船安裝、調(diào)試、試運行和示范運行，觀測數(shù)據(jù)落地（接收）、存儲（數(shù)據(jù)庫管理）、分發(fā)（反饋）。

1.現(xiàn)有條件分析

目前，目標(biāo)航線上運行的遠洋船舶其對運輸環(huán)境觀測能力相對較弱——觀測設(shè)備主要為分離式的早期產(chǎn)品，有些要素為人工觀測（或讀數(shù)）；觀測數(shù)據(jù)主要記錄在航海日志上（通常4小時一次記錄），但不能無線發(fā)送。器測自動測量的運輸環(huán)境要素有：經(jīng)緯度、氣溫、風(fēng)速風(fēng)向、GPS速度、船舶對水的速度；目測的運輸環(huán)境要素有：海浪（風(fēng)浪和涌浪）、洋流、海況、天氣現(xiàn)象；人工觀測的運輸環(huán)境要素有：濕度（干濕溫度表）、氣壓（空盒氣壓表）、水溫（讀數(shù)）。這些運輸環(huán)境要素基本涵蓋了系統(tǒng)要求的觀測要素。

圖1 系統(tǒng)組成示意圖

Email發(fā)送已經(jīng)成為了遠洋運輸船舶主要通訊方式，每天的“船位報”均通過Email發(fā)送，具備了自動觀測數(shù)據(jù)的發(fā)送條件。

2.技術(shù)解決方案概述

首先，是將除目測項目（海況、能見度、天氣現(xiàn)象）外的其他觀測要素變?yōu)樽詣悠鳒y，即通過傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)，實現(xiàn)氣溫、氣壓、濕度、風(fēng)速風(fēng)向、降水、GPS速度、船舶對水的速度（模數(shù)轉(zhuǎn)換）、水溫（模數(shù)轉(zhuǎn)換）的自動采集和記錄。然后，通過程序?qū)⒆詣硬杉挠^測數(shù)據(jù)與每日“船位報”合并，經(jīng)Email發(fā)送回陸地。對于目測要素數(shù)據(jù)采用觸屏選擇的方式，形成數(shù)據(jù)記錄，并與自動觀測數(shù)據(jù)一并發(fā)回陸地端。

陸地端，在接收到Email后，通過程序自動將觀測數(shù)據(jù)與“船位報”分離，“船位報”仍按原有方式處置，而觀測數(shù)據(jù)則自動記入數(shù)據(jù)庫。通過數(shù)據(jù)庫管理觀測數(shù)據(jù)，并按不同用戶或單位的實際需求，通過SQL的組合實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的檢索查詢，實現(xiàn)不同文件格式（Excel、TXT、CSV等）的導(dǎo)出，或可通過網(wǎng)絡(luò)進行“數(shù)據(jù)分發(fā)”為不同用戶提供數(shù)據(jù)服務(wù)。

3.觀測要素和系統(tǒng)組成

3.1 觀測要素

觀測要素包括：水溫、氣溫、濕度、氣壓、風(fēng)速風(fēng)向、海浪（海況）、能見度、天氣現(xiàn)象等，參照原有觀測要素，包括GPS速度和船舶對水的速度，共計為10個觀測要素。其中，目測為4個要素：海況、洋流、能見度、天氣現(xiàn)象。其余的均可為器測，由綜合氣象傳感器觀測要素：氣溫、濕度、氣壓、風(fēng)速風(fēng)向、降水（可作為天氣現(xiàn)象的補充）。表層海水溫度可在原有溫度傳感器的基礎(chǔ)上，通過加裝模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號。船舶對水的運動速度也可采用相同的方法。而GPS速度則可通過導(dǎo)航GPS的輸出或通過程序采集位置信息，通過計算得到對地速度。

3.2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)包括2大部分，一是船舶方面的軟硬件總成；二是陸地端接收Email和北斗發(fā)送的信息，并通過數(shù)據(jù)庫存儲和管理（檢索、導(dǎo)出、分發(fā)），參見圖1。

上圖中，左側(cè)為船端的數(shù)據(jù)/信息輸入，數(shù)據(jù)采集和控制將定時采集傳感器數(shù)據(jù)（如每小時一次），并記錄采集數(shù)據(jù)。每日，結(jié)合定時發(fā)送的船位報信息，進行發(fā)送前的編碼。編碼包括兩部分，一是通過Email發(fā)送，既將船位報信息與數(shù)據(jù)打包形成一個郵件；二是按照北斗衛(wèi)星發(fā)送規(guī)則編制的短報文。然后，分別通過Email通訊鏈路和北斗通訊鏈路發(fā)送。

在陸地端，分別通過Email通訊鏈路和北斗通訊鏈路接收。北斗衛(wèi)星的接收信息，通過串口直接進入服務(wù)器，由程序解析并輸入數(shù)據(jù)庫。

4.系統(tǒng)建設(shè)

系統(tǒng)建設(shè)分為2部分：一是涉及船舶方面的觀測、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)發(fā)送等“采集發(fā)送系統(tǒng)”的建設(shè)內(nèi)容；二是涉及陸地方面的數(shù)據(jù)接收落地、信息分解、解析存儲、檢索處理、分發(fā)共享等“陸地接收系統(tǒng)”的建設(shè)內(nèi)容。

4.1 船舶需要加裝的器件及對船舶的要求

涉及船舶方面系統(tǒng)建設(shè)的基本原則是，充分利用現(xiàn)有的電纜線路，杜絕或最大限度地減少船舶改造工程。需要加裝的器件包括：（1）氣象傳感器；（2）數(shù)據(jù)采集、控制和顯示單元；（3）北斗收發(fā)一體機；（4）模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊（水溫、船對水速度）；（5）無線接力傳輸模塊；（6）船舶航行GPS輸出信號隔離模塊；（7）系統(tǒng)供電來自船電（交流220V或直流12V，系統(tǒng)總功率小于50w）。

4.2 數(shù)據(jù)采集匯總和控制

主要功能包括：（1）承擔(dān)氣象傳感器、北斗一體機的直流供電；（2）通過觸摸屏選擇方式完成目測項目的人工輸入（盡量簡化操作）；（3）實時顯示觀測數(shù)據(jù)，為航海日志記錄提供信息；（4）需要與Email發(fā)送發(fā)生連接關(guān)系，以便將觀測數(shù)據(jù)記錄編碼附加到定時船位報（Email）后部一并發(fā)出，這些工作需要了解定時船位報（Email）的生成和發(fā)送過程。

4.3 數(shù)據(jù)發(fā)送和傳輸

數(shù)據(jù)發(fā)送和傳輸分別通過現(xiàn)有的Email通訊鏈路和北斗衛(wèi)星通訊鏈路來實現(xiàn)。

在通過現(xiàn)有的Email通訊鏈路時，需要與船位報合并后發(fā)送，落地時再將觀測數(shù)據(jù)從郵件中分離出來，形成2部分內(nèi)容。分離出的船位報文，將保留原格式，不改變原報文處置方式。而觀測數(shù)據(jù)則寫入數(shù)據(jù)庫，這個過程由程序自動完成。

4.4 陸地接收端建設(shè)

在陸地接收端，主要涉及到數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)共享兩個方面的問題。由于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)器等環(huán)境條件不明，因此需要根據(jù)陸地接收端的實際情況討論、補充和修改這部分內(nèi)容。

4.5 陸地數(shù)據(jù)接收

如上所述，觀測數(shù)據(jù)接收（落地）分為兩個部分，一是接收船舶發(fā)送的Email；二是接收北斗衛(wèi)星通訊數(shù)據(jù)，因此在陸地端將涉及到以下幾個方面。

（1）服務(wù)器和局域網(wǎng)。收到的Email后，首先經(jīng)部署在服務(wù)器上的“郵件分離”程序自動處理，分成船舶報文郵件和觀測數(shù)據(jù)2部分。

（2）程序的安裝和部署?！班]件分離”程序、數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)庫管理備份軟件、數(shù)據(jù)庫檢索和數(shù)據(jù)共享程序（內(nèi)部共享和外部共享）、北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收入庫和指令發(fā)送程序，都需要在服務(wù)器上進行安裝和部署。

（3）北斗異地接收。北斗數(shù)據(jù)接收與Email接收可以為異地接收方式。這樣帶來的問題是需要通過網(wǎng)絡(luò)使兩個接收，滾筒使用同一個數(shù)據(jù)庫，在技術(shù)上是可以實現(xiàn)的。

4.6 數(shù)據(jù)分發(fā)

考慮到項目評估、評價、預(yù)報改進的目標(biāo)，示范船的觀測數(shù)據(jù)必將涉及到數(shù)據(jù)共享的問題，需要通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)觀測數(shù)據(jù)的分發(fā)共享，在技術(shù)上是可以實現(xiàn)的。

5.硬軟件研發(fā)

5.1 主要硬件研發(fā)

按照上述描述，在硬件方面主要研發(fā)的是“數(shù)據(jù)采集、控制和顯示單元”，主要包括：（1）數(shù)采和控制單元；（2）系統(tǒng)供電；（3）其他模塊和器件。

5.2 主要軟件研發(fā)內(nèi)容

軟件方面，船端軟件由于缺少維護條件，需要運行穩(wěn)定并具備一鍵重裝，或遠程重裝功能。陸地軟件盡管維護方便，但同樣應(yīng)運行穩(wěn)定可靠，通過充分測試，盡量減少Bug。僅從數(shù)量上講，軟件研發(fā)要多于硬件，主要軟件如下：（1）數(shù)據(jù)循環(huán)采集和控制程序；（2）郵件自動分離程序；（3）北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收程序；（4）數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)檢索程序；（5）數(shù)據(jù)內(nèi)外部共享（分發(fā)）程序；（6）服務(wù)器安裝部署程序；（7）數(shù)據(jù)庫。

6.結(jié)束語

船舶運輸環(huán)境觀測與數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的構(gòu)建，需要明確陸地環(huán)境條件（網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器情況等），確定觀測數(shù)據(jù)共享的規(guī)則，編制開發(fā)技術(shù)文檔的設(shè)計輸入，安裝、測試、系統(tǒng)調(diào)試，最后系統(tǒng)進入實船運行。