劉 麗，谷照燕

基于物聯(lián)網(wǎng)的船舶監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計方案

劉 麗，谷照燕

摘 要：近幾年我國沿海海上船舶事故發(fā)生的頻率越來越高，而船舶監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)手段并沒有隨著計算機技術(shù)的發(fā)展而快速發(fā)展，為了提高對海上運行船舶的監(jiān)管能力，建立實時高效的管理系統(tǒng)，應(yīng)以物聯(lián)網(wǎng)和GPS技術(shù)的為基礎(chǔ)，探討新的船舶監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計方案。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；船舶；監(jiān)控；GPS

劉麗/渤海船舶職業(yè)學(xué)院信息工程系講師，碩士（遼寧葫蘆島125000）。

近些年，由于社會經(jīng)濟增長快速發(fā)展，我國水運行業(yè)的需求也在不斷的加大，而對應(yīng)的航運船舶數(shù)量也在隨之逐年的增加。水運行業(yè)為地方經(jīng)濟發(fā)展作出了巨大貢獻，然而由于水上交通基礎(chǔ)設(shè)施條件落后與水運航道寬度有限等問題的存在，這就造成船舶擁擠，船舶事故時常發(fā)生，船舶管理環(huán)節(jié)薄弱。為了國家與人民生命財產(chǎn)的安全，為了更好的對船舶進行監(jiān)控與管理，將先進的物聯(lián)網(wǎng)與GPS技術(shù)運用到船舶監(jiān)控系統(tǒng)中，具有極其重要的意義。

一、船聯(lián)網(wǎng)

船聯(lián)網(wǎng)是近年來繼物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)之后的又一個全新的應(yīng)用研究方向，具有一定的創(chuàng)造性和探索性。船聯(lián)網(wǎng)（Ship of Things）是指把各種感應(yīng)器嵌入安裝在船舶設(shè)備載體上，然后利用計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無線射頻識別技術(shù)和衛(wèi)星通信等技術(shù)手段而設(shè)計的能夠覆蓋我國沿海地區(qū)的海、天、地于一體的船舶物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。它是一套綜合處理各類船舶通信、避碰與落水報警、聯(lián)網(wǎng)管理與控制等功能的信息系統(tǒng)。在系統(tǒng)中運用物聯(lián)網(wǎng)概念結(jié)合RFID電子標簽與信息管理等，由系統(tǒng)工控機統(tǒng)一控制信息處理，配合通信收發(fā)天線，形成各船的通信終端，使水上航行的各類船舶互相聯(lián)絡(luò)及傳遞信號，與岸站相聯(lián)，形成具有統(tǒng)一多功能通信的船舶聯(lián)網(wǎng)[1]。

二、船舶監(jiān)控系統(tǒng)

（一）船舶監(jiān)控系統(tǒng)概述

船舶監(jiān)控系統(tǒng)是由電子海圖信息系統(tǒng)、船舶監(jiān)控系統(tǒng)與氣象信息系統(tǒng)等多個子系統(tǒng)組成的集信息顯示、監(jiān)控、管理集于一體的船舶綜合信息管理系統(tǒng)。此系統(tǒng)具有電子海圖與氣象信息重疊顯示、通過計算機技術(shù)、通訊技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等先進技術(shù)手段實時監(jiān)控船舶的所在位置，并且對船舶所在的位置做跟蹤標識與信息處理，這樣可以方便管理者對船舶的安全生產(chǎn)和船期執(zhí)行情況做到遠程實時跟蹤，遇到險情及時報警，并能準確的提供海灘救助信息及防臺避臺等多種功能[3]。

（二）船舶監(jiān)控方式

目前，從技術(shù)手段入手來看，船舶監(jiān)控系統(tǒng)主要有以下三種主流的監(jiān)控方式：

1.CDMA網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控方式。CDMA網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控主要是對沿海地區(qū)船舶利用中國電信的CDMA網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)手段來實現(xiàn)對其動態(tài)監(jiān)控與管理。這種監(jiān)控方式要求船只的基礎(chǔ)設(shè)施中要安裝發(fā)射裝置，港口口岸基礎(chǔ)設(shè)施中要安裝接收裝置，然后通過中國電信的CDMA網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)船舶動態(tài)的數(shù)據(jù)傳輸[2]。CDMA網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控方式的最大的缺點就是必須在沿海區(qū)域，而且還要有CDMA信號的地方使用，通常適用于在沿海地區(qū)運輸?shù)倪^往船舶。

2.衛(wèi)星監(jiān)控方式。衛(wèi)星監(jiān)控主要是指通過船載終端的設(shè)備接收到衛(wèi)星信號的準確位置，并獲取其對應(yīng)的坐標信息，并且將該位置的信息連同船只的信息通過無線通訊發(fā)送到船舶公司監(jiān)控指揮中心，經(jīng)過監(jiān)控指揮中心計算機的處理，可以通過船載終端，采用手動或自動的報警，這種方式最大的優(yōu)點就是可以不受船舶所在海區(qū)的限制，可以較好的實現(xiàn)全天候監(jiān)控與管理，但是也存在著最突出的缺點就是利用衛(wèi)星通訊的方式費用昂貴，不適用于長期持續(xù)的監(jiān)控[3]。

3.船舶AIS系統(tǒng)監(jiān)控方式。船舶AIS系統(tǒng)是指安裝在船載終端的AIS信號接收器利用AIS天線將船舶AIS信號全部接收，信號接收完畢以后由船舶AIS數(shù)據(jù)處理器將船舶經(jīng)緯度坐標、航行方向與航行速度等各種動態(tài)信息進行提取，信息提取結(jié)束以后再把這些信息保存到船舶動態(tài)數(shù)據(jù)庫中，方便實時掌握船舶的各種動態(tài)信息。目前，根據(jù)SOLAS公約第5章“航行安全及其相關(guān)導(dǎo)則”中規(guī)定的要求，全球300總噸及以上的所有從事國際航行的船舶、不從事國際航行的500總噸及以上的貨船或者是客船都要強制安裝自動識別系統(tǒng)AIS，由此可見AIS系統(tǒng)覆蓋的船舶范圍非常廣泛。但是由于AIS系統(tǒng)發(fā)射的信號只能覆蓋周圍30海里的距離，所以AIS系統(tǒng)比較適用于對港區(qū)內(nèi)的船舶進行動態(tài)監(jiān)控。

綜上所述，三種監(jiān)控方式都有各自的優(yōu)缺點及應(yīng)用范圍，為了更好地對船舶進行實時監(jiān)控與管理，我們必須要在船舶監(jiān)控系統(tǒng)中將先進的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引用進來。

三、基于物聯(lián)網(wǎng)的船舶監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計方案

（一）系統(tǒng)總體架構(gòu)

基于物聯(lián)網(wǎng)的船舶監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)遵循物聯(lián)網(wǎng)的體系特征即應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層和感知層3層如圖1所示的體系架構(gòu)，其中應(yīng)用層主要是船舶監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用平臺，它可以對過往運行的船舶的進行各種信息發(fā)布與科學(xué)管理；網(wǎng)絡(luò)層主要是通過北斗衛(wèi)星、移動通信和互聯(lián)網(wǎng)等手段為用戶提供的各種服務(wù)器來實現(xiàn)航運信息的傳輸和交換；感知層主要實現(xiàn)船舶運行過程中的職能感知，包括信息的采集、捕獲和識別等功能。

（二）感知層

感知識別是船聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)，而感知層的建設(shè)是船聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的根基。在感知層，船載終端裝備了的各種類型的傳感器或執(zhí)行器，通過傳感網(wǎng)節(jié)點和其他短距離組網(wǎng)設(shè)備，利用無線射頻RFID、多媒體信息采集、二維碼和GPS定位等技術(shù)將與船舶有關(guān)的定位數(shù)據(jù)、海上交通數(shù)據(jù)、突發(fā)事件的圖像和氣象數(shù)據(jù)等信息采集，為網(wǎng)絡(luò)層的應(yīng)用提供主要的信息來源[1]。

圖1 體系架構(gòu)

（三）網(wǎng)絡(luò)層

船舶監(jiān)控系統(tǒng)中的信息服務(wù)都是以網(wǎng)絡(luò)層為基礎(chǔ)的，直接通過現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)、衛(wèi)星通信網(wǎng)和無線短距離通信網(wǎng)等設(shè)施對來自感知層接收的數(shù)據(jù)信息進行傳輸與處理。

網(wǎng)絡(luò)層中的數(shù)據(jù)處理在船聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中發(fā)揮著記憶、分析的作用，數(shù)據(jù)庫的選擇尤為重要，在本系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫有基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫和專題數(shù)據(jù)庫，其中基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫選擇Microsoft Access，包括的數(shù)據(jù)表主要有船舶信息數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)以及管理數(shù)據(jù)等；專題數(shù)據(jù)庫選擇GIS軟件Arc/Info，數(shù)據(jù)表主要包括海量數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。

（四）應(yīng)用層

應(yīng)用層主要是根據(jù)用戶需求可以面向各類行業(yè)實際應(yīng)用的管理平臺與運行平臺。在應(yīng)用層建立的基于物聯(lián)網(wǎng)的船舶監(jiān)控系統(tǒng)在功能上主要由電子海圖信息管理、船舶監(jiān)控信息管理、氣象信息管理和船舶作業(yè)信息管理等功能模塊組成，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)主要功能

1.電子海圖信息管理。電子海圖（Electronic chart）是在計算機顯示器上能夠?qū)?4小時內(nèi)連續(xù)的各種海圖信息和其它航海信息精確的顯示出來，操作員根據(jù)電子海圖顯示的實際情況可以對其進行放大、縮小、漫游等功能的操作，當用鼠標點擊具體的某個船舶符號，便可以顯示這個被監(jiān)控船舶的位置信息，可通過對船舶點名查看、設(shè)置狀態(tài)、定時發(fā)送、報警發(fā)送等多種方式獲得靜態(tài)或動態(tài)數(shù)據(jù)信息[4]。

2.船舶監(jiān)控信息管理。船舶監(jiān)控的工作原理主要是將GPS衛(wèi)星每秒鐘發(fā)射的數(shù)據(jù)信號，通過船載終端裝備的傳感器進行接收，依據(jù)接收的數(shù)據(jù)按照差分定位算法計算出船載設(shè)備所在的位置坐標，根據(jù)位置坐標可以精確地得出船舶的所在具體位置、航運狀態(tài)以及船內(nèi)各種設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，把這些數(shù)據(jù)信息通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控指揮中心的主機上，監(jiān)控指揮中心的計算機對接收的數(shù)據(jù)進行分析處理，然后再與電子海圖進行比較，在電子海圖上就會將船舶的準確位置顯示出來，方便管理者及時準確的掌握船舶的實時動態(tài)信息如船舶的位置、行駛速度、遇到危險及時報警等；監(jiān)控指揮中心也可以通過語音對話、視頻對話等方式對運行的船舶發(fā)送交通調(diào)度、海上救援以及違章警告等重要信息[5]。假如船舶在海航行的時候遇到緊急或者是危險的狀況，駕駛員可以采用手動或自動報警，指揮監(jiān)控中心接收到數(shù)據(jù)信息以后，經(jīng)過計算機的分析處理后除了要將船舶精確位置顯示在電子海圖上以外還要立即向海事、救助等機構(gòu)報告，以實施緊急救援措施。

3.氣象信息管理。氣象信息是船舶安全航行首要考慮的因素之一，氣象信息管理在功能上主要有氣象傳真圖、水文氣象數(shù)據(jù)預(yù)報和潮汐數(shù)值預(yù)報等。此系統(tǒng)能夠?qū)庀髠髡鎴D或其他的水文氣象數(shù)據(jù)預(yù)報信息在電子海圖上疊加顯示出來，這樣能有利于航海人員充分的了解航行區(qū)域的氣象信息；其中氣象傳真圖是氣象傳真機通過無線電傳輸?shù)姆绞浇邮仗鞖夂秃Ｑ髨D像信息，主機根據(jù)依據(jù)氣象傳真機的接收的信號解析成氣象傳真圖，由于它在操作上比較簡單直觀，圖像覆蓋范圍比較廣、資料連續(xù)性強、便于綜合分析應(yīng)用和長期保存等特點，優(yōu)于海上其他天氣信息而得到廣泛的應(yīng)用[4]。

4.船舶作業(yè)信息管理。船舶作業(yè)信息管理主要用于船舶資料以及船舶的航運信息的管理。本部分主要包括基本信息設(shè)置、船舶信息設(shè)置、航次信息設(shè)置等功能，其中基本信息設(shè)置主要是針對船舶種類、船舶所需要的證書、航區(qū)、港口名稱、船員職務(wù)、船員等級證書以及船舶所載貨物分類等信息進行設(shè)置與處理；船舶信息設(shè)置主要是對船舶描述、船舶證書、船舶的經(jīng)營人及所有船員信息進行設(shè)置與管理；航次信息設(shè)置是航運的核心部分，它主要負責(zé)將船舶每次的航運的基本信息、每次航運的船員名單、每次航運船員證書及相應(yīng)的安檢信息等全部記錄下來，同時還為員工提供查詢以及報表打印等多種服務(wù)性的功能。

四、結(jié)束語

船聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用研究的又一個新方向，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)所取得的科技成果，通過對船舶監(jiān)控方式的比較，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的船舶監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計方案，在理論上基本實現(xiàn)船舶終端和監(jiān)控管理終端的互聯(lián)互通，為航運與港口管理工作提高了科學(xué)高效的管理。

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[1]董耀華,孫偉,董麗華,張成雷．我國內(nèi)河“船聯(lián)網(wǎng)”建設(shè)研究[M]．水運工程，2012,(8):145-149

[2]朱運利,歷彥峰．船舶智能監(jiān)控系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[M]．計算機測量與控制，2009,(5):893-896

[3]丁振國.基于“北斗”的船舶實時監(jiān)控系統(tǒng).航海技術(shù)[M]．2011,(4):41-43

[4]湯磊,楊春金.基于Mapinfo電子海圖和AIS的船舶導(dǎo)航系統(tǒng)的研究與研究[M]．通訊和計算機，2007,(4):72-74

[5]彭國均,虞金仁,黃金焰.中國海監(jiān)船舶導(dǎo)航與監(jiān)控系統(tǒng)的研究[M]．海洋開發(fā)與管理，2006,(4):64-69

遼寧省“十二五”教育規(guī)劃課題《高職物聯(lián)網(wǎng)實驗室建設(shè)方案與探討》課題的子課題“物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用”方向

中圖分類號：TP399

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1671-6531（2013）02-0135-02

：郭一鶴