應(yīng)急通信系統(tǒng)在海事船舶遠(yuǎn)程安檢執(zhí)法中的應(yīng)用

中圖分類號：U692 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）18-0181-04

Abstract：Asanimportantpartofinteligenttransportationconstructionanddevelopment，intelligentmaritimeaffirsarean inevitabletrendtoutilizemodeminformationtodevelopintellgentmaritimesupervisionmodeintime.Inordertoimprovethe fciencyofsafetyinspectionofshipsinShenzhenseaareaandrealizetherequirementsofremoteshipinspection，aninovatie modeofcontactlessremoteshipinspectionnamely\"5GplusAd-HocNetwork\"，isproposedtoprovideareal-timeremoteship inspectionsolutioninmaritimesupervision，whichsolvestheproblemsofnocommunicationsignalcoverage，largeenvironmental noiseanddiffcultaudiotransmissoninclosedplacessuchasshipengineroomandcargohold.Thishascausedmaritielaw enforcementpersoneltobeunable tocarryoutremoteshipinspections throughReal-TimeCommunication.The\"5GplusAdHocNetwork\"fieldtestshowsthattheship'scabinsignalisstrong，thenetworkcoverageiscomprehensive，audioandvideo transmission is smooth，on-site operation is simple，and the system is scientific and reliable.

Keywords： emergencycommunicationsystem;remote maritime lawenforcement； ship inspection;adhocnetwork；securitylaw enforcement; communication network

在特殊形勢下，如新冠感染疫情會對航運業(yè)健康發(fā)展和履行靠港船舶登船執(zhí)法檢查帶來了一定的阻礙和限制。傳統(tǒng)的海事船舶執(zhí)法檢查主要依靠執(zhí)法人員現(xiàn)場登輪，逐一檢查，增加了在特殊形勢下，如新冠感染疫情時人員感染概率。為了保障轄區(qū)水上安全形勢的穩(wěn)定，保障船舶安全運營，改變監(jiān)管模式，采取遠(yuǎn)程船舶安全檢查是當(dāng)前最有效的方式方法之一。一般情況下，遠(yuǎn)程檢查的流程為海事執(zhí)法人員與船東或船員電話溝通確認(rèn)身份，添加微信好友，使用微信的視頻通話功能進(jìn)行檢查。然而，海事船舶遠(yuǎn)程檢查技術(shù)受限于船舶機(jī)艙、貨艙等無網(wǎng)絡(luò)信號，無法實現(xiàn)音視瀕信息傳輸，加之船艙噪音大，在沒有配置降噪耳機(jī)的情況下，無法與船艙內(nèi)船員正常語音溝通，使得遠(yuǎn)程檢查不能達(dá)到執(zhí)法人員登輪檢查的效果[1-2]。同時，當(dāng)前海洋通信系統(tǒng)主要使用傳統(tǒng)的窄帶海上無線通信（NAVREX、MF/FF、VHF），無法傳輸視頻信號;海洋衛(wèi)星通信和岸基移動通信傳輸時延大、費用高。其通信制式互不兼容、通信帶寬高低不一、覆蓋范圍存在盲區(qū)和缺乏高效統(tǒng)一管理。而公網(wǎng)通信海上覆蓋難、盲區(qū)多。

為了應(yīng)對疫情期間船舶檢驗和保證航運業(yè)健康發(fā)展，實行‘ 5G+ 自組網(wǎng)\"遠(yuǎn)程通信檢查模式是協(xié)助海事執(zhí)法人員船舶監(jiān)管的重要有效手段，為海事船舶監(jiān)管工作提供一套成熟的遠(yuǎn)程通信檢查執(zhí)法程序[3-4]。2022年1月，中國船級社發(fā)布了《船舶遠(yuǎn)程檢驗指南（2022）》，旨在規(guī)范船舶遠(yuǎn)程檢驗的具體要求，為新檢驗技術(shù)的推廣提供技術(shù)支持，同時也為海事執(zhí)法人員提供了便捷，保證了在不能親臨港口船舶檢驗現(xiàn)場的情況下，通過與船員的積極配合，應(yīng)用 5G+ 自組網(wǎng)\"以及監(jiān)控中心調(diào)度軟件平臺，實現(xiàn)執(zhí)法人員遠(yuǎn)程清晰查看船舶結(jié)構(gòu)、設(shè)備狀況以及相關(guān)電子文件等，掌握靠港船舶總體情況[5-。如此一來，遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)給海事執(zhí)法人員和船東均帶來了安全可靠的非接觸通信模式，大大提高了檢查效率。因此，未來船舶遠(yuǎn)程檢查檢驗將越來越普及和常態(tài)化，

1系統(tǒng)總體架構(gòu)

1.1 系統(tǒng)介紹

自組網(wǎng)是一種多節(jié)點、無中心、自組織的無線多跳通信網(wǎng)絡(luò)，由2個或2個以上節(jié)點組成，是一種帶有無線收發(fā)裝置的移動終端組成的移動計算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的任何無線設(shè)備節(jié)點都可以作為路由器發(fā)送和接收信號。每個設(shè)備都有多個傳輸路徑可用，網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)每個節(jié)點的通信負(fù)載情況動態(tài)分配通信路由，從而有效避免節(jié)點的通信擁塞。此外，無線自組網(wǎng)可以與其他網(wǎng)絡(luò)協(xié)同通信，無須增加通信節(jié)點以外的設(shè)備，以解決有線網(wǎng)絡(luò)覆蓋不到絕大部分區(qū)域的通信問題。

自組網(wǎng)通信示意圖如圖1所示。

1.1.1 自組網(wǎng)通信核心技術(shù)

該套自組網(wǎng)系統(tǒng)主要是通信大板集成，使用Qualnet+Matlab + Verilog +C 語言全流程開發(fā)，以及底層波形、組網(wǎng)協(xié)議、應(yīng)用調(diào)度的全棧自主代碼開發(fā)，包括基帶 + 中頻 +AD+ 射頻 + 功放的全要素的優(yōu)化升級。同時，使用MIMO智能天線，即多天線的發(fā)射、接收分集。

自組網(wǎng)設(shè)計圖如圖2所示。

1.1.2 自組網(wǎng)設(shè)備參數(shù)

1）整機(jī)發(fā)射功率大于等于 10W 。

2）支持無線鏈狀、星型、網(wǎng)狀網(wǎng)及混合組網(wǎng)，支持無線多跳技術(shù)，跳數(shù)大于等于9跳。

3）在通視條件下，單跳通信距離大于等于 70km 并且速率支持至少一路高清視頻傳輸。

4）支持在 150km/h 快速移動場景中穩(wěn)定傳輸視

頻圖像及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

5）后期按照應(yīng)急管理部應(yīng)急指揮無線寬帶自組網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范免費升級設(shè)備。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計原理

為了實現(xiàn)無網(wǎng)絡(luò)信號的封閉船艙“ 5G+ 自組網(wǎng)”系統(tǒng)設(shè)計，分析了系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計要點。該系統(tǒng)功能主要包括集群語音、視頻會議、數(shù)據(jù)傳輸和GIS等多種功能。

船端組網(wǎng)方式如圖3所示，可分為鏈?zhǔn)浇M網(wǎng)、星形組網(wǎng)和網(wǎng)狀組網(wǎng)3種方式，通過組網(wǎng)協(xié)議支持船舶內(nèi)部多跳式的動態(tài)組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潆S船員背負(fù)臺的移動變化可快速切換。每個節(jié)點都具有信號收發(fā)功能，可以動態(tài)計算每兩個節(jié)點之間的距離。通過此距離可以自動計算出信號受限距離，以此可以動態(tài)調(diào)整組網(wǎng)方式，以及每個節(jié)點的布設(shè)位置。

1.3通信系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.3.1 硬件組成

通過將“自組網(wǎng) + 智能手機(jī) + 防抖云臺 + 降噪耳機(jī) + 5G信號\"等連接組合，其中自組網(wǎng)主要由調(diào)度臺、中繼臺和背負(fù)臺組成，中繼臺可根據(jù)船舶大小現(xiàn)場勘查進(jìn)行具體數(shù)量與位置布設(shè)，并且均可靈活移動。其中調(diào)度臺主要用于連接路由器連接公網(wǎng)通信，主要布設(shè)在船舶信號非常好的甲板處，通過5G網(wǎng)絡(luò)與海事監(jiān)控指揮中心聯(lián)通；中繼臺主要用于連接調(diào)度臺和背負(fù)臺之間的通信；背負(fù)臺主要用于船員或執(zhí)法員背負(fù)，移動于需檢查的船艙，實現(xiàn)視頻回傳。

1.3.2 硬件核心算法

為了穿透船舶金屬障礙物，獲得更大的輸出信號功率，硬件部分使用了高效功放與射頻算法，包括數(shù)字預(yù)失真DPD（DigitalPre-Distortion）技術(shù)和波峰系數(shù)削減CFR（CrestFactorReduction）。其中DPD在通過數(shù)學(xué)建模提前補償PA的非線性和記憶效應(yīng)，在PA與輸入信號之間添加一個非線性單元，預(yù)先給信號加入非線性失真，由于非線性單元具有與PA相反的非線性特性，因此信號經(jīng)過非線性單元和PA后，非線性失真互相抵消，從而達(dá)到了線性化的目的。如圖4所示。

其次，該系統(tǒng)應(yīng)用的波峰系數(shù)削減CFR是目前無線通信系統(tǒng)中最基本的構(gòu)建模塊之一，也是非常重要的核心功能。通過削峰，使得信號盡可能地工作在功率放大器接近非線性的區(qū)域，提高功率放大器的效率。CFR可用于縮小一個傳輸信號的動態(tài)范圍，以便用于傳輸該信號的放大器能夠盡可能地工作在其線性區(qū)間。

1.4監(jiān)控軟件系統(tǒng)設(shè)計

岸端主要在海事指揮監(jiān)控中心部署遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)軟件，將船端采集的數(shù)據(jù)主要通過5G網(wǎng)絡(luò)信號進(jìn)行回傳，可以實時接收船端音視頻數(shù)據(jù)信息，達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。

其后臺可以實時呈現(xiàn)船端兩通信節(jié)點之間的距離，其節(jié)點之間距離計算公式如下

式中： D 代表 i，j 兩節(jié)點之間的距離； X 代表 i，j 兩節(jié)點 x 軸坐標(biāo)； Y 代表 i，j 兩節(jié)點 y 軸坐標(biāo)； Z 代表 i，j 兩節(jié)點 z 軸坐標(biāo)。

同時，通過自組網(wǎng)之間的組網(wǎng)協(xié)議實現(xiàn)了動態(tài)組網(wǎng)，組網(wǎng)流程如圖5所示。

1.5 網(wǎng)絡(luò)連接

現(xiàn)船舶全網(wǎng)覆蓋。利用無線自組網(wǎng)作為LTE便攜式基站之間的傳輸鏈路，將公網(wǎng)從岸端延伸至船舶各機(jī)艙、甲板等。

2.1 目標(biāo)船舶篩選

2 實際場景測試

提前與海事執(zhí)法部門進(jìn)行溝通，對即將到達(dá)港口停泊的貨輪進(jìn)行篩選，盡量篩選噸位比較大的船舶作為測試對象。選定目標(biāo)船舶后，由監(jiān)管部門對其說明情況，即采取遠(yuǎn)程執(zhí)法方式對船舶實施船舶安全檢查，選定船方主要溝通聯(lián)絡(luò)人，約定檢查時間，說明檢查類型，規(guī)定通信軟件，并指導(dǎo)船方使用方法。

2.2 測試前登船勘查

由圖6可知，測試船舶為一艘遠(yuǎn)洋貨輪，即運煤海船，船長約 200m ，上下約10層。船舶基本為鋼鐵結(jié)構(gòu)，進(jìn)入機(jī)艙內(nèi)部，手機(jī)信號為無服務(wù)狀態(tài)，無法實現(xiàn)任何通信，并且機(jī)艙環(huán)境復(fù)雜。由于各類機(jī)械設(shè)備運轉(zhuǎn)，產(chǎn)生噪音較大，并且無法進(jìn)行人員正常溝通。

2.3 測試方法

第一步，一般船舶甲板信號較強(qiáng)，因此選擇寬敞的船舶甲板放好調(diào)度臺并連接好5G路由器（圖7），路由器需插上電源并開機(jī)，等待路由器連接完成即可。

第二步，選擇機(jī)艙合適位置放置中繼臺1號，并開啟電源，必要的時候可以進(jìn)行挪動，保持通信有效。

第三步，選擇船舶甲板中間位置放置中繼臺2號，并開啟電源，必要的時候可以進(jìn)行挪動，保持通信有效。

第四步，船員背上連接好智能手機(jī)與降噪耳機(jī)的背負(fù)臺，打開電源以及打開專屬手機(jī)指定軟件APP，等待指揮中心指揮檢查。

第五步，打開指揮中心監(jiān)控界面，進(jìn)行遠(yuǎn)程視頻通話。

實船現(xiàn)場通信測試示意圖如圖8所示。

2.4 實施檢查

根據(jù)海事監(jiān)管部門船舶安全檢查要求，由船方負(fù)責(zé)人打開船舶終端通信軟件，按照海事現(xiàn)場執(zhí)法業(yè)務(wù)流程開展基礎(chǔ)檢查。檢查結(jié)束后，執(zhí)法人員將音頻視頻進(jìn)行保存記錄，必要時出具檢查報告。

3 監(jiān)控數(shù)據(jù)與處理

由圖9可知，岸端監(jiān)控系統(tǒng)主要布局在相關(guān)監(jiān)督部門，主要收集船端傳輸回來的數(shù)據(jù)信息，通過解析后實時呈現(xiàn)并同步存儲記錄到本地數(shù)據(jù)庫，包括船舶基礎(chǔ)信息、視頻、語音和位置等。為海事執(zhí)法人員提供數(shù)據(jù)查詢、日期與船舶信息檢索、統(tǒng)計以及分析處理的簡單數(shù)據(jù)，是輔助執(zhí)法人員快速決策的重要手段。

4優(yōu)勢

相比傳統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施模式，無線自組網(wǎng)具有較強(qiáng)的擴(kuò)展性、靈活性和自組織性。其在沒有中心控制節(jié)點的情況下，通過節(jié)點之間的協(xié)作和路由選擇，實現(xiàn)了船舶機(jī)艙內(nèi)全范圍網(wǎng)絡(luò)覆蓋，并且容量大、魯棒性更強(qiáng)，攻克了遠(yuǎn)程船舶安全監(jiān)督檢查的通信回傳問題。遠(yuǎn)程檢查模式不光是疫情下應(yīng)對社交隔離政策所需，也將會是今后很長一段時間航運業(yè)實施安全管理和監(jiān)管的發(fā)展趨勢，為海事執(zhí)法人員提供靠港船舶遠(yuǎn)程視頻執(zhí)法檢查的解決方案，解決靠港船舶船艙內(nèi)部無信號狀態(tài)下的視頻、語音通信回傳，實現(xiàn)遠(yuǎn)程指揮和巡檢調(diào)度或執(zhí)法檢查?？偨Y(jié)優(yōu)勢如下。

4.1 自組網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)勢

第一，架設(shè)簡單。不用鋪設(shè)船端光纜，不受周邊環(huán)境影響，組網(wǎng)便捷。第二，組網(wǎng)靈活。支持船隊海上航行時的動態(tài)組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潆S船隊變化可快速切換。第三，高機(jī)動性。船只高速行駛時，不影響無線自組網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量。第四，大帶寬。節(jié)點數(shù)量多，經(jīng)多個短跳傳輸數(shù)據(jù)時，干擾較小，數(shù)據(jù)丟失少，總帶寬大。第五，穩(wěn)定性高。節(jié)點出現(xiàn)故障或者受到干擾，數(shù)據(jù)包將自動無縫路由到更優(yōu)路徑繼續(xù)進(jìn)行傳輸，并且跨路由時不掉線，整個網(wǎng)絡(luò)的運行不會受到影響

4.2 節(jié)約執(zhí)法資源

檢查方便快捷，縮短現(xiàn)場登輪時間和檢查時間，尤其是碼頭與海事執(zhí)法部門距離較遠(yuǎn)的地方。此外，采取遠(yuǎn)程檢查還避免了影響船舶日常工作和正常營運。同時，也減少了執(zhí)法車輛和執(zhí)法船出行成本，有效緩解了執(zhí)法資源緊張的問題。對于特殊情形，如在新冠感染疫情下，也避免了執(zhí)法人員與船員直接接觸的感染風(fēng)險。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉烽杰.船舶遠(yuǎn)程檢驗的發(fā)展現(xiàn)狀研究[J].低碳世界，2022，12（4）：187-189.

[2]盧錦國，李春曉，黎子穎.新形勢下船舶遠(yuǎn)程檢驗?zāi)Ｊ桨l(fā)展的分析[J].中國海事，2022，202（5）：29-32.

[3]魯寧.應(yīng)急救援通信保障組網(wǎng)方案及通信技術(shù)探索[J].中國煤炭工業(yè)，2022，430（12）：64-66.

[4]楊應(yīng)榮.5G通訊技術(shù)在船舶實時遠(yuǎn)程檢驗的應(yīng)用及展望[J].中國水運，2021，690（5）：58-60.

[5]向林浩，唐偉強(qiáng)，周增輝.中國船級社“ 5G+ ”船舶實時遠(yuǎn)程檢驗技術(shù)解決方案[J].中國船檢，2021（1）：52-55.

[6]舟山中遠(yuǎn)海運重工應(yīng)用 5G+ 技術(shù)成功實現(xiàn)船舶遠(yuǎn)程檢驗[J].中國遠(yuǎn)洋海運，2020（6）：14-15.