ISPS 規(guī)則下船舶人員智能安保系統(tǒng)研究與實踐

張俊雄，丁賢根

(1. 中船黃埔文沖船舶有限公司，廣東 廣州 510715；2. 深圳艾迪寶智能系統(tǒng)有限公司，廣東 深圳 518183)

ISPS 規(guī)則下船舶人員智能安保系統(tǒng)研究與實踐

張俊雄1，丁賢根2

(1. 中船黃埔文沖船舶有限公司，廣東 廣州 510715；2. 深圳艾迪寶智能系統(tǒng)有限公司，廣東 深圳 518183)

根據(jù) ISPS 規(guī)則中船舶人員安保的條款，研究、設計并且實施了人員安保的智能管理系統(tǒng)，包含總體方案、BR 基站、藍牙網(wǎng)絡、IB-FSBA 算法、智能手環(huán)、系統(tǒng)可靠性和系統(tǒng)編碼。在藍牙網(wǎng)絡方面，采用微微網(wǎng)和散射網(wǎng)結合的方式組網(wǎng)，對于網(wǎng)絡中的手環(huán)，采用模糊的和人工智能的貝葉斯算法查找各個手環(huán)，采用定位算法確定各個手環(huán)的位置坐標；在可靠性和智能手環(huán)方面，設計并且采用一種新的發(fā)明專利方案。該整體解決方案最終在ST-246 海洋工程船上予以具體實施。

ISPS 規(guī)則；Bluetooth 通信；散射網(wǎng)；人員管理

0 引 言

ISPS[1-2]是《國際船舶和港口設施保安規(guī)則》（International Ship and Port Facility Security Code），簡稱ISPS Code 或 ISPS 規(guī)則。它是由 1974 年《國際海上人命安全公約》締約國政府會議，在 2002 年 12 月 12 日倫敦國際海事組織海上保安外交大會以第 2 號決議通過的，也是對于《1978 年國際海上人命安全公約》針對船舶、港口及港口國政府機構對于最低安全一項的修正案。它規(guī)定港口國政府、船東、船上人員以及港口/設施人員察覺安全威脅并且采取相應預防措施的責任，以防止安全事件影響從事國際貿易的船舶或港口設施。在文獻[2]中規(guī)定：“ 進入船舶通道控制方式和措施；登船人員及其物品包括行李和無人照管的行李上船的控制；限制區(qū)域的監(jiān)視和監(jiān)控，以確保只有經過授權的人員才能進入”。

目前，在 ISPS 中人員管理部分，國內尚未發(fā)現(xiàn)有廠商研發(fā)生產，國際以挪威某公司為代表的“ISPS Gangway Control System”在國內海工船上較為流行?！昂Ｑ笫?289”和“海洋石油 291”上安裝的系統(tǒng)，只是簡單地采用 RFID 卡對在船人員進行管理，功能包含 RFID 卡定義、人員信息關聯(lián)、人員上下船登記、船員宿舍門禁。

這種基于 RFID 人員考勤系統(tǒng)是屬于 20 世紀 90 年代的 IT 技術產物，在信息技術發(fā)展日新月異的今天，已經跟不上形勢發(fā)展的需求。具體原因有以下幾個方面：

1）不支持全船甲板無線覆蓋、不支持船上人員定位；2）不支持區(qū)域人員管理；3）不支持人員動態(tài)調度、不支持雙向通信；4）不支持實時云網(wǎng)絡模式；5）全船停電時不可用；6）售后服務是效率低下的洲際服務，與國內的快速響應需求不吻合。

因此，研發(fā)一種填補國內空白的、創(chuàng)新的、能夠解決上述問題的 ISPS 系統(tǒng)非常有必要。本文以 ST-246飽和潛水支持船為例，研究并設計實施 ISPS 規(guī)格下的船舶人智能安保系統(tǒng)。

1 ISPS 總體設計

圖1 是本系統(tǒng)在船舶上的網(wǎng)絡結構圖，它由 BR基站、ISPS 手環(huán)、網(wǎng)絡和軟件構成。

BR 基站是分布于船舶相關甲板上及警戒區(qū)域的雙模式無線通信基站，用以解決最基本的在船人員的查找和定位功能，從而帶來符合 ISPS 船舶人員安保管理的各項要求的功能。各個 BR 基站有各自的通信范圍，完成蜂窩通信，并且與船舶數(shù)據(jù)中心機房構成覆蓋全船甲板的無線通信網(wǎng)絡。

在船人員均戴有 ISPS 智能手環(huán)，該手環(huán)與BR基站通信，完成查找、身份識別、無線定位、上下船記錄、信息收發(fā)、動態(tài)管理等功能，ISPS 智能手環(huán)與BR 基站之間完成雙向通信。

在圖 1 中，基站BR1，BR2，BR3是分布在各個甲板上的出入口，例如舷梯、救生艇、救生筏、直升機平臺等位置。基站 BR4是船舶警戒區(qū)域的艙室，在警戒區(qū)域中，根據(jù) ISPS 安保管理的要求，不允許進入的人員一旦闖入，將立即報警。在 BR4中，RFID 部分用于控制門禁，Bluetooth 用于識別進入的人員是否允許進入該區(qū)域。

依據(jù) ST-246 飽和潛水支持船的實際狀況，我們設計的個基站的位置如表 1 所描述，全船有左右 2 個舷梯，左右 2 個救生艇，左右 2 個救生筏和直升機平臺，此外，還有數(shù)據(jù)中心機房、駕駛室和集中室。

2 BR 基站設計

2.1 藍牙網(wǎng)絡設計

圖2 是 BR 基站的硬件結構圖，它由 Bluetooth LE，IB-FSBA T，RDIF/NFC，MCU System，Power 等構成，藍牙網(wǎng)絡是由 BE 藍牙基站組網(wǎng)而成。

該設計能夠支持 IB-FSBA 模糊智能算法，支持“多對多”通信，理論通信距離超過 300 m。

標準的 Bluetooth 的通信方式，主設備和從設備之間通信通常僅支持“一對一”模式，最多也就是一對七[4,9]，并且通信距離較短，通常在 10 m 左右，例如手機和藍牙耳機之間的一一對應，無法做到“多對多”通信。本系統(tǒng)采用一種 IB-FSBA 模糊智能算法是一種發(fā)明專利技術，它不僅能夠實現(xiàn)“多對多”通信，通信距離即便在船舶的鋼鐵世界中，也能夠達到 50 m，更能夠實現(xiàn) ISPS 手環(huán)在船舶上的查找和定位。

藍牙技術的組網(wǎng)包含微微網(wǎng)和散射網(wǎng)[3-4]，如圖 3所示。

微微網(wǎng)是藍牙最基本的組網(wǎng)模式，它由主節(jié)點和從節(jié)點組成，主從節(jié)點設備采用調頻通信，并且每個微微網(wǎng)都有著自己獨立的調頻序列和狀態(tài)。雖然同一個微微網(wǎng)中，可以有 256 個設備，但是只能有1個主節(jié)點設備和 7 個活躍的從節(jié)點設備，其他的從節(jié)點設備只能處于與主節(jié)點設備保持同步，但是只能是處于休眠狀態(tài)的從節(jié)點設備。1個主節(jié)點設備智能工作在1個微微網(wǎng)中，但是1個從節(jié)點設備就可以就可以憑借“分時復用”機制，連接到多個微微網(wǎng)中。

散射網(wǎng)也稱為微微互聯(lián)網(wǎng)，是多個微微網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)模式，1個微微網(wǎng)中的主節(jié)點設備可以在另外1個微微網(wǎng)中充當從節(jié)點設備，如圖 3 中的M1，一個微微網(wǎng)中的從節(jié)點設備可以同時存在于多個無線覆蓋的微微網(wǎng)中。微微網(wǎng)之間可以通過M/S模式和S/S模式橋接連通，如圖 3 中的M1，在微微網(wǎng)P1中，它是主節(jié)點設備，但是在微微網(wǎng)P2中，它設置成為從節(jié)點設備。

2.2 IB-FSBA 模糊智能算法設計

本系統(tǒng)設計的 IB-FSBA 模糊智能算法（IdeaBank Fuzzy Super Bluetooth Algorithm）能夠查找船舶甲板上的 ISPS 手環(huán)以及它們的位置坐標，它分為 IB-FSBA 模糊查找部分和 IB-FSBA 定位部分。

圖4 是 IB-FSBA 模糊智能算法中模糊查找部分的設計示意圖。

圖4 中BR1，BR2是船舶甲板上的 2 個 BR基站（BR基站個數(shù)為M，編號標記為m），虛線分別是這2 個BR基站的共同無線覆蓋區(qū)域，R1～R10是分布在甲板上的在船人員的 ISPS 手環(huán)編號（全船手環(huán)個數(shù)為N，編號標記為n），每個 BR 基站中包含一個 Bluetooth LE，它具備對于 ISPS 手環(huán)中 Bluetooth 發(fā)射信號具有測量其強度的功能?；綛Rm對于其無線覆蓋區(qū)域中的手環(huán)Rn都測出各自的型號強度V（m，n），對于這些型號強度，做線性處理，處理成 0～1 的值，以此作為模糊隸屬度[6,7]μ（m，n）。此外，再根據(jù)V（m，n），求出基站到手環(huán)的距離γ（m，n）。

設U為全體手環(huán)R（總數(shù)為N）在全體BR基站（總數(shù)為M）中所測量到的信號強度μ（m，n）構成的集合，A為某個BRm基站對于全體手環(huán)R所測量到的信號強度μ（m，n），此外，將系統(tǒng)所包含的，但是該BRm基站測量不到的 ISPS 手環(huán)信號強度置 0，則由下列公式：

所確定的集合A為U上的模糊集合[5-6]，其中：μ（m，n）A為模糊集合A的隸屬度函數(shù)；μx（m，n）A（u）為元素u對于A的隸屬度。論域U記錄為：

以 ISPS 手環(huán)R的個數(shù)為M，并且以μ（m，n）→V（m，n）大為優(yōu)化目標條件，采用電壓V（m，n）優(yōu)先的人工智能貝葉斯算法[7-8]進行遍歷、回歸、優(yōu)化和迭代，最終求解出最優(yōu)結果的置信水平λ及其λ截集：

對于Aλ中的全部元素，在U中置對應地全部置1，其余全部置 0，得集合Fλ。

取出Fλ中數(shù)據(jù)為 1 的單元坐標（m，n）所對應的 ISPS 手環(huán)的 ID 號，以完成全部 ISPS 手環(huán)的查詢和定位，其中全部BR基站均查找不到（也就是列坐標均為 0 的 ISPS 手環(huán)）的 ISPS 手環(huán)確定為不在船舶甲板區(qū)域的 ISPS 手環(huán)。

圖5 為 IB-FSBA 模糊智能算法中 IB-FSBA 定位部分的設計示意圖。

圖5 中BRa，BRb是分布在船舶甲板上的BR基站，Rc是船舶上人員的 ISPS 手環(huán)，其（x，y）坐標均為船舶基準坐標。

根據(jù)式（2）計算出 ISPS 手環(huán)與BR基站的距離矩陣Γ如下：

根據(jù)BR基站安裝后的坐標信息，整理出各個BR基站的坐標矩陣Ω如下：

對于上述矩陣，對每個列從大到小排序，取出排列在前2位的數(shù)據(jù)，依據(jù)圖 4 中的三角形原理，已知三角形的 3 個邊長和 2 個基站坐標（例如BRa、BRb、Rc三角形），設計矩陣函數(shù)f3，求解出每個 ISPS 手環(huán)的（x，y）坐標值R，從而實現(xiàn) ISPS 手環(huán)定位。

其中n為手環(huán)的 ID 號，對應于人員編號；x，y為其坐標。

3 ISPS 手環(huán)設計

ISPS 是集成 Bluetooth，RFID/NFC 和無線充電于一體的一種可穿戴設備，支持 IP67 防護。

圖6 為 ISPS 手環(huán)原理圖，具體包含 Bluetooth LE模塊、Fuzzy AI T 模塊、RFID 模塊、Sensor 模塊、顯示模塊和 Qi 無線充電接收和充電電池模塊。其中，Bluetooth LE 模塊是支持 BLE4.0 以上協(xié)議的 SoC 系統(tǒng)；Fuzzy AI T 模塊是配合 IB-FSBA 設計的協(xié)議軟件模塊，以支持本系統(tǒng)的 IB-FSBA 算法實施；RFID 模塊是一個獨立的無源近距無線傳感模塊，頻率標準是13.56 MHz；Sensor 模塊中包含 6 軸傳感器、心率傳感器，還可以加裝其他傳感器；顯示模塊是一個用于顯示 ISPS 手環(huán)及系統(tǒng)信息的 OLED 顯示器模塊；Qi 無線充電接收和充電電池模塊是為了解決 ISPS 手環(huán)電源問題設計的。

圖7 為 ISPS 手環(huán)的 PCB 設計圖[9]，它將整個手環(huán)用一個 PCB 來完成解決，其中，為了進行無線充電、RFID 傳輸和藍牙的無線電隔離，采用了一種發(fā)明專利申請的 PCB 設計，其最大創(chuàng)新點在于將磁隔離片[5]夾在 PCB 中。如圖 7 中所示，左邊是無線充電的天線線圈所在的一邊，由于無線充電是一種頻率在 100 KHz左右的強交變磁場，如果對其不予隔離，它將極大地破壞 ISPS 手環(huán)的 EMI/EMC 指標[5]，造成手環(huán)失靈及系統(tǒng)崩潰。于是，在充電天線線圈和 PCB 信號層之間，夾入了磁隔離層，并且把 PCB 的接地層緊靠在磁隔離層之間，用磁隔離層隔離強交變磁場，用接地層隔離交變電場，以此解決無線充電的強電磁干擾問題，提高手環(huán)的 EMI/EMC 性能。此外，在圖 7 的右邊，是RFID 的天線線圈所在的邊，由于 RFID 的工作實際上也是一個強電磁場互感過程，在這里，在最右邊，是RFID 天線線圈的銅層，它的左邊用磁隔離層進行隔離，以避免信號銅層受到 RFID 的強電磁場干擾。最后，在電路焊接完成之后，在電子元件的表面，再涂上電絕緣的磁隔離膠，以進一步改善手環(huán)的 EMI/EMC性能[5]。

4 可靠性設計

可靠性是本系統(tǒng)的設計重點，主要考慮如下幾個方面：

1）在系統(tǒng)電源可靠性方面，當船舶發(fā)生不可挽救的災難時，可能全船發(fā)生停電，在本系統(tǒng)中，對于數(shù)據(jù)中心機房，采用的是大功率長延時的 UPS 供電，全部信息點均采用該 UPS 統(tǒng)一供電。

2）在系統(tǒng)信號傳輸可靠性方面，在網(wǎng)絡傳輸線路上，數(shù)據(jù)中心機房與各個信息點之全部采用高抗干擾的室外鎧裝光纖線路。

3）在手環(huán)可靠性方面，首先是采用無線充電的聚合物電池或者石墨烯電池供電，電池可支撐手環(huán)工作一周以上的時間。其次，盡管大多數(shù) Bluetooth LE 芯片都支持 NFC，即 13.56 MHz 頻率的近場無線傳感，但是本系統(tǒng)還是采用獨立的無源 RFID 而非采用有源的 NFC 來完成近場無線傳感，以免萬一手環(huán)電池耗盡時無法完成近場無線傳感。

4）在 IP 防護方面，本系統(tǒng)中的室外設備，如 BR基站和 ISPS 手環(huán)，全部采用 IP67 防護。

5）在冗余設計方面，主要是指數(shù)據(jù)庫的冗余。這里采用船舶數(shù)據(jù)庫與船舶岸基總部數(shù)據(jù)庫同步備份的方式解決，即便船舶數(shù)據(jù)中心機房設備被毀，其損毀之前的數(shù)據(jù)庫內容，在船舶岸基總部的數(shù)據(jù)庫中均由實時的備份。

6）在安全加密方面，船舶內部通信是針對每個ISPS 手環(huán)所擁有的 ID 號加密，系統(tǒng)采用 AES 或 MD5加解密。

5 ISPS 系統(tǒng)編碼設計

ISPS 系統(tǒng)編碼設計是本系統(tǒng)標準化的一個重要組成部分。如圖 8 所示。

系統(tǒng)的編碼用于標識船舶人員、物資和設備的編碼?？梢越栌弥写偟臉藴驶?9 位物資代碼，這里簡便起見，設計由 6 個字節(jié) 10 進制數(shù)構成，其中從高位到地位，第 6，5 位為系統(tǒng)的大類編碼，描述系統(tǒng)的大類信息，第 4 位為系統(tǒng)的小類編碼，第 3，2，1 位為流水編號。在人員編碼中，例如 111001 為船長的人員編號。

記錄 1 編碼包含手環(huán) ID、人員編碼、人員固有屬性內容。這是一種靜態(tài)內容，每個在船人員都有 1 條這樣的編碼。

記錄 2 編碼包含手環(huán) ID、上下船動作、上下船發(fā)生時間、閘口編碼、原因編碼。這是一種動態(tài)的記錄，每個人每上下船 1 次，或者到達某個區(qū)域 1 次，都會產生 1 條記錄。

記錄 1 和記錄 2 之間，通過手環(huán) ID 號關聯(lián)，記錄1 和編碼之間，通過人員編碼關聯(lián)。

6 結 語

通過上述設計，ISPS 系統(tǒng)達到了以下設計要求：

1）支持全船甲板無線電覆蓋、支持船上人員定位；2）支持區(qū)域人員管理；3）支持人員動態(tài)調度、支持雙向通信；4）支持實時云網(wǎng)絡模式；5）全船停電時可用；6）售后服務是國內的快速模式。

當然，由于本系統(tǒng)是首次設計，還有一些后續(xù)完善工作，例如加入“北斗”衛(wèi)星導航和救援功能，進一步降低成本，完善系統(tǒng)的軟硬件功能和性能等。

[ 1 ]船舶保安體系認證規(guī)范. 中國船級社. 2014版.

[ 2 ]國際船舶和港口設施保安規(guī)則. 百度文庫.

[ 3 ]李振榮. 基于藍牙的無線通信芯片關鍵技術研究[D]. 西安:西安電子科技大學, 1010.

[ 4 ]丁賢根. 帶磁隔離和電隔離及天線的抗 EMI 線路板, 發(fā)明專利申請?zhí)?201611003437.6 中國知識產權局.

[ 5 ]何新貴. 模糊數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)[D]. 北京: 清華大學出版社, 1994.

[ 6 ]陽愛民. 模糊分類模型的研究[D]. 上海: 復旦大學, 2005.

[ 7 ]張超. 藍牙個域網(wǎng)改型及芯片化實現(xiàn)技術研究[D]. 西安: 西安電子科技大學, 2011.

[ 8 ]藍牙 BLE 權威教程http://wenku.baidu.com/view/447271 aeba0d4a7302763af3.html.

[ 9 ]汪金菊. 貝葉斯模型及其在混沌序列分析中的應用研究[D].合肥: 合肥工業(yè)大學, 2008.

[10]丁賢根. 基于 CMS 文件分組保密管理系統(tǒng)的實現(xiàn)方法. 發(fā)明專利申請?zhí)?2016100225512.7 中國知識產權局.

[11]華海亮. 基于 WiFi 和藍牙的室內定位技術研究[D]. 錦州: 遼寧工業(yè)大學, 2016.

[12]丁賢根. CMS 面向對象的人工智能信息保密系統(tǒng) 發(fā)明專利申請?zhí)?201610315591.0 中國知識產權局.

[13]丁賢根. 基于 CMS 技術的即時通信保密系統(tǒng)的實現(xiàn)方法.發(fā)明專利申請?zhí)?201610037365.0 中國知識產權局.

The study and practice of an intelligent management system for personnel security under ISPS Code

ZHANG Jun-xiong1, DING Xian-gen2
(1. CSSC Huangpu Wenchong Shipbuilding Company Limited, Guangzhou 510715, China; 2. Shenzhen Ideabank Intelligent System Co., Ltd, Shengzhen 518183, China)

Following the provisions of ISPS Code, we studied, designed and implemented a novel intelligent management system for personnel security, which includes the general guideline, BR base station, Bluetooth network, IB-FSBA algorithm, intelligent wristband, reliability system and systematic coding scheme. For the Bluetooth network, we used a combination of Piconet and Scatternet. For the wristbands, we located them based on fuzzy set and artificial intelligent Bayesian algorithm and then determined their coordinates based on a positioning algorithm. For the reliability system and wristband, we designed and adopted a new invention patent. The complete system was implemented on the ST-246 Offshore Engineering Ship.

ISPS code；bluetooth；scatemet；personnel management

U665.261；TN967.2

A

1672 - 7619(2017)04 - 0144 - 05

10.3404/j.issn.1672 - 7619.2017.04.029

2016 - 12 - 12

張俊雄(1964 - )，男，高級工程師，研究方向為船舶制造。