何 偉，柳晨光，石 磊，初秀民

1.閩江學(xué)院交通學(xué)院，福建 福州350108；2.智能交通研究中心(武漢理工大學(xué))，湖北 武漢430063

0 引 言

根據(jù)《2011中國(guó)漁業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒》統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2009～2011年沿海漁業(yè)安全事故共計(jì)沉船1 892艘，重大傷亡人數(shù)高達(dá)780人，直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)2.54億元[1].事故險(xiǎn)情的三項(xiàng)指標(biāo)，即沉船數(shù)量、重大傷亡人數(shù)、直接經(jīng)濟(jì)損失的年變化情況如圖1所示.

圖1 2009至2011年漁船事故安全統(tǒng)計(jì)圖

從圖1可以看出，沉船數(shù)量從2009年的808艘減少到2011年的598艘，其他指標(biāo)基本平穩(wěn).這說明漁船安全狀況有所好轉(zhuǎn)，但是每年重大傷亡人數(shù)還是沒有大規(guī)模減少，漁民生命安全保障現(xiàn)狀值得關(guān)注.根據(jù)2009～2011年我國(guó)農(nóng)業(yè)部漁業(yè)安全生產(chǎn)報(bào)告統(tǒng)計(jì)分析，漁船碰撞占漁業(yè)安全事故的40%，觸礁和觸損共占28%，擱淺占5%.為減少漁船安全事故的發(fā)生，全國(guó)漁業(yè)發(fā)展“十二五”規(guī)劃中提出要加快漁業(yè)管理信息化的建設(shè)，不斷提高漁業(yè)管理信息化水平[2].因此結(jié)合漁船身份識(shí)別、漁網(wǎng)身份識(shí)別以及人員落水應(yīng)答等漁業(yè)生產(chǎn)安全保障成套終端開發(fā)漁船安全監(jiān)控系統(tǒng)以及遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)軟件，實(shí)現(xiàn)漁船、商船、漁網(wǎng)、人員等有效物聯(lián)，從而保障漁業(yè)生產(chǎn)安全，對(duì)加強(qiáng)漁業(yè)管理信息化、減少安全事故發(fā)生具有重要意義[3-4].

筆者將開展?jié)O業(yè)生產(chǎn)安全保障信息遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究，首先分析漁業(yè)生產(chǎn)安全保障物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究現(xiàn)狀，提出漁業(yè)生產(chǎn)安全保障信息遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)技術(shù)需求；其次，分析漁業(yè)生產(chǎn)安全保障技術(shù)體系，提出系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)解決方案；最后設(shè)計(jì)漁業(yè)生產(chǎn)安全保障信息遠(yuǎn)程管理軟件系統(tǒng)的架構(gòu)及其功能，并進(jìn)行研究展望.

1 漁業(yè)生產(chǎn)安全物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)

1.1 導(dǎo)航定位技術(shù)發(fā)展

從國(guó)家和福建省漁業(yè)相關(guān)部門制定的“十二五”規(guī)劃可知，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)得到了國(guó)家的大力扶持，近幾年會(huì)加大推廣力度；當(dāng)前占用絕大部分市場(chǎng)的GPS是由美國(guó)控制，遇到突發(fā)狀況有隨時(shí)停止服務(wù)的可能；相比于GPS，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)擁有短報(bào)文通信功能，在災(zāi)難救援中能發(fā)揮重要作用.基于這些因素，未來北斗導(dǎo)航必將大量運(yùn)用于導(dǎo)航和救助領(lǐng)域.因此，開發(fā)基于北斗導(dǎo)航的設(shè)備符合未來漁業(yè)導(dǎo)航、救助發(fā)展方向.

1.2 漁船救助設(shè)備

2007～2008年，國(guó)際海事組織(International Maritime Organization，以下簡(jiǎn)稱：IMO)修改了GMDSS方面的標(biāo)準(zhǔn)以及SOLAS公約的相關(guān)章節(jié)，將原來船舶強(qiáng)制配置的“雷達(dá)應(yīng)答器(SART)”修改為“搜救定位裝置”包括了雷達(dá)應(yīng)答器(RADAR-SART)和自動(dòng)識(shí)別搜救應(yīng)答器(AIS-SART)，從2010年1月1日起，RADAR-SART和AIS-SART可以互換.RADAR-SART是一種被動(dòng)發(fā)射信號(hào)的應(yīng)答裝置，無法主動(dòng)進(jìn)行位置報(bào)警.AIS-SART是一種船舶救生用定位裝置，它開啟后會(huì)自動(dòng)發(fā)射本船(救生艇/筏)的識(shí)別碼和位置信息，信號(hào)發(fā)出后，事故船舶周圍的船舶或搜救飛機(jī)會(huì)發(fā)現(xiàn)特殊信號(hào)，并快速確定遇險(xiǎn)船舶(救生艇/筏)的位置，縮短搜救時(shí)間.AIS-SART與RADAR-SART相比性能更加優(yōu)越，不僅定位更精準(zhǔn)而且搜救距離更遠(yuǎn).經(jīng)試驗(yàn)證實(shí)，AIS-SART較之RADAR-SART更有利于在惡劣的海上環(huán)境時(shí)，能夠精確快速地對(duì)遇險(xiǎn)船舶、救生艇及幸存者進(jìn)行定位，贏得寶貴的救援時(shí)間，與RADAR-SART不同的是，AIS-SART是主動(dòng)發(fā)射信號(hào)的報(bào)警裝置[5].

1.3 船聯(lián)網(wǎng)

船聯(lián)網(wǎng)的提出就是寄望于將物聯(lián)網(wǎng)研究的理念、方法和成果應(yīng)用于水上交通，將物聯(lián)網(wǎng)研究領(lǐng)域中區(qū)域成熟的技術(shù)引入航運(yùn)，對(duì)航運(yùn)中的船舶、貨物、航道、橋梁、船閘等對(duì)象的相關(guān)屬性進(jìn)行感知，構(gòu)建水上智能交通物聯(lián)網(wǎng).水上交通系統(tǒng)中的信息技術(shù)在過去發(fā)展中已經(jīng)在船岸通信、交通組織和管控等方面取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，以船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(Automatic Identification System，以下簡(jiǎn)稱AIS)、船舶交通服務(wù)(Vessel Traffic Services，以下簡(jiǎn)稱VTS)、電子海圖顯示與信息系統(tǒng)(Electronic Chart Display and Information System，以下簡(jiǎn)稱：ECDIS)為代表的各種專門技術(shù)均得到廣泛應(yīng)用[6-7].在漁業(yè)管理方面，也應(yīng)用到了船聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)理念和技術(shù)，目前已經(jīng)建立了中國(guó)漁政管理指揮系統(tǒng)和全國(guó)海洋漁業(yè)安全通信網(wǎng)，對(duì)于漁業(yè)管理、救助等方面發(fā)揮了較好的作用.隨著船聯(lián)網(wǎng)的興起和發(fā)展，在漁業(yè)生產(chǎn)中也逐步在漁船、漁網(wǎng)、漁民、其他船只、航道、監(jiān)管部門之間組建互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，并開發(fā)漁船安全監(jiān)控船載系統(tǒng)以及遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)軟件，實(shí)現(xiàn)漁船身份識(shí)別、漁網(wǎng)身份識(shí)別、人員落水應(yīng)答、船舶避碰等功能.該系統(tǒng)可與當(dāng)前正在運(yùn)行的中國(guó)漁政管理指揮系統(tǒng)和海洋漁業(yè)安全通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)資源共享，建立一套標(biāo)準(zhǔn)、完善的漁業(yè)信息管理和服務(wù)系統(tǒng).

2 漁業(yè)生產(chǎn)安全保障研究技術(shù)體系

為了保障漁業(yè)生產(chǎn)安全目標(biāo)，有必要基于北斗導(dǎo)航、AIS-SART、AIS通訊技術(shù)，利用VHF、3G網(wǎng)絡(luò)，開發(fā)漁船安全監(jiān)控船載系統(tǒng)和漁業(yè)安全生產(chǎn)遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)，筆者提出了基于船聯(lián)網(wǎng)的漁船安全生產(chǎn)技術(shù)體系，如圖2所示.

2.1 基于北斗的漁船AIS系統(tǒng)

隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航在亞太地區(qū)正式投入運(yùn)行，北斗導(dǎo)航已在我國(guó)森林防火、水利防汛、交通運(yùn)輸、安全保衛(wèi)等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用.當(dāng)前AIS設(shè)備使用的衛(wèi)星定位技術(shù)主要是美國(guó)開發(fā)的GPS導(dǎo)航，而美國(guó)出于某種目的(戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)期)可隨時(shí)關(guān)閉導(dǎo)航服務(wù).因此，開發(fā)基于北斗導(dǎo)航的AIS系統(tǒng)是十分必要的.相比于GPS，北斗導(dǎo)航在AIS設(shè)備應(yīng)用中具有以下優(yōu)勢(shì)：北斗定位系統(tǒng)與AIS在電路和協(xié)議上是相互兼容的； 它同時(shí)具備定位與通信功能，可拓展AIS功能； 安全、可靠，保密性強(qiáng)，適合關(guān)鍵部門使用.

基于北斗的漁船AIS系統(tǒng)是采用AIS技術(shù)，內(nèi)嵌北斗衛(wèi)星接收模塊，在AIS標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，將北斗衛(wèi)星接收模塊作為定位源替代AIS原有GPS定位，同時(shí)增加短報(bào)文通信功能的系統(tǒng).為實(shí)現(xiàn)短報(bào)文通信，需增加北斗短報(bào)文通信模塊，并配套輸入、顯示單元.基于北斗定位的AIS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示.

圖2 漁業(yè)生產(chǎn)安全保障技術(shù)體系

圖3 基于北斗定位的AIS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 基于北斗的漁網(wǎng)定位器

漁網(wǎng)漁船出海通常會(huì)攜帶多條漁網(wǎng)，為充分發(fā)揮捕魚效率，相鄰漁網(wǎng)之間可能相距較遠(yuǎn)，漁網(wǎng)在船舶、海流或者海風(fēng)等作用下有時(shí)會(huì)丟失.大部分漁民屬于低收入人群，而一條漁網(wǎng)可能會(huì)有將近萬元的價(jià)值.

由于漁網(wǎng)安放不規(guī)范、漁網(wǎng)漂移、過往船舶行駛偏航等原因，漁網(wǎng)礙航現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，一旦發(fā)生漁網(wǎng)被船舶螺旋槳纏住，對(duì)船舶安全航行造成很大影響.因此，沿海海事相關(guān)部門定期會(huì)啟動(dòng)清理礙航漁網(wǎng)的行動(dòng).

針對(duì)上述漁網(wǎng)丟失和漁網(wǎng)礙航現(xiàn)象，基于北斗的漁網(wǎng)定位識(shí)別器的研發(fā)是十分必要的.漁網(wǎng)定位識(shí)別器是在漁網(wǎng)上安裝一套基于VHF的通信設(shè)備，其可周期性主動(dòng)的廣播自身位置信息，使?jié)O網(wǎng)所屬漁船和周邊船舶能實(shí)時(shí)監(jiān)控漁網(wǎng)位置，保障漁網(wǎng)和漁船航行安全.

根據(jù)IMO規(guī)定，漁船不需強(qiáng)制安裝A類AIS船臺(tái)，從目前推廣情況來看，絕大部分漁船配備的是B類AIS船臺(tái)，為保持兼容性，漁網(wǎng)和人員定位器也應(yīng)采用B類AIS船臺(tái)標(biāo)準(zhǔn).對(duì)應(yīng)于A類AIS發(fā)射功率為12.5 W，B類AIS發(fā)射功率為2 W.漁網(wǎng)、人員定位器只需廣播位置信息，無需接收AIS信息，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)可屏蔽發(fā)送功能，以降低功耗.在正常情況下，人員定位器應(yīng)處于關(guān)閉狀態(tài)，完全不耗電，當(dāng)發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)就人為可觸發(fā)開關(guān)，以10 min間隔對(duì)外廣播信息.漁網(wǎng)定位器是在漁網(wǎng)下水后就需打開，以10 min間隔對(duì)外廣播信息.定位器系統(tǒng)組成框圖如圖4所示.

圖4 定位器系統(tǒng)組成框圖

2.3 基于北斗的人員定位器的研發(fā)

漁業(yè)一直都是高危行業(yè)，據(jù)聯(lián)合國(guó)國(guó)際勞工職業(yè)安全與健康分部估算，全世界每年漁民平均死亡率約為80人/10萬人，漁船失事、漁民落水現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生.據(jù)統(tǒng)計(jì)，福建省2013年上半年共發(fā)生漁業(yè)船舶水上安全事故11起，其中生產(chǎn)安全事故共造成4人死亡(含失蹤).漁船失事后，漁船船員應(yīng)沉著冷靜，按序登上救生筏，及時(shí)發(fā)送求救信號(hào).情況特別緊急而沒有時(shí)間登上救生筏，船員就需要配備一套求救裝置，能不間斷發(fā)送求救信息.基于北斗的人員定位器是基于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)定位，通過VHF網(wǎng)絡(luò)廣播自身求救信息的設(shè)備，具有防水、使用時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn).

一艘漁船如果為所有的漁網(wǎng)和人員配備定位器，對(duì)于漁民來說也是一筆不菲的費(fèi)用.本文提出以一種基于AIS基帶信號(hào)的快速調(diào)制算法，其利用高斯濾波最小移頻鍵控(Gaussianfiltered Minimum Shift Keying，以下簡(jiǎn)稱：GMSK)調(diào)制后基帶信號(hào)波形的特點(diǎn)，不需要數(shù)字信號(hào)處理器(Digital Signal Processor，以下簡(jiǎn)稱：DSP)或者現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(Field-Programmable Gate Array，以下簡(jiǎn)稱：FPGA)就能調(diào)制出滿足要求的GMSK信號(hào)，降低了設(shè)備生產(chǎn)成本，但該算法只適用于發(fā)送不接收AIS報(bào)文的場(chǎng)合.該算法的程序?qū)崿F(xiàn)流程如圖5所示.

圖5 算法的程序?qū)崿F(xiàn)流程

2.4 基于AIS的漁船、漁網(wǎng)、商船、人員定位交互協(xié)議規(guī)范研究

漁船AIS、漁網(wǎng)定位識(shí)別器、人員定位識(shí)別器和其他船舶AIS都是基于VHF網(wǎng)絡(luò)傳輸信息，它們之間通信是通過AIS報(bào)文實(shí)現(xiàn)的，由于AIS標(biāo)準(zhǔn)并沒有針對(duì)漁網(wǎng)和人員作特殊規(guī)定，因此需要規(guī)范它們之間的交互協(xié)議.漁網(wǎng)、人員定位器是可以通過AIS標(biāo)準(zhǔn)的18號(hào)、19號(hào)報(bào)文廣播自身位置、速度等信息.

2.5 漁船安全監(jiān)控船載系統(tǒng)

借助船聯(lián)網(wǎng)的概念，可將漁船看作為一個(gè)封閉系統(tǒng)，其包括漁船、船員和漁網(wǎng)，它們之間通過VHF網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)“物物相連”.在漁船上開發(fā)一套安全監(jiān)控船載軟件，就可實(shí)時(shí)監(jiān)控漁船與漁網(wǎng)的位置關(guān)系、漁船上船員的位置和漁船本身的狀態(tài)，同時(shí)該軟件還可以與周圍船舶、漁船管理部門進(jìn)行數(shù)據(jù)交換.

漁船安全監(jiān)控船載軟件是集成電子海圖，面向漁船、商船、漁網(wǎng)和遇險(xiǎn)人員等多個(gè)對(duì)象的顯示與管理終端.其主要功能有：① 漁船與周邊船舶狀態(tài)信息顯示，包括位置、航速、航跡；② 漁網(wǎng)位置顯示和報(bào)警提示；③ 遇險(xiǎn)人員位置顯示；④ 船舶歷史軌跡回放；⑤ 設(shè)定漁網(wǎng)安全位置范圍，超過安全位置即報(bào)警；⑥ 集成北斗短報(bào)文通信功能.

漁業(yè)生產(chǎn)遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)是通過遠(yuǎn)程監(jiān)控漁船、漁網(wǎng)、船員(漁民)、氣象、搜救設(shè)施等對(duì)象的實(shí)時(shí)狀態(tài)，來保障漁業(yè)生產(chǎn)的安全和提高漁業(yè)生產(chǎn)效率的管理系統(tǒng).該系統(tǒng)主要功能有：① 監(jiān)控每條漁船及附屬物品和人員的狀態(tài)；② 監(jiān)控氣象信息，保證漁業(yè)安全；③ 監(jiān)控搜救設(shè)施的狀態(tài)，出事故后作出應(yīng)急決策，將損失控制到最??；④ 開放數(shù)據(jù)接口，可與其他授權(quán)系統(tǒng)共享數(shù)據(jù)；⑤ 集成北斗短報(bào)文通信功能.

3 漁業(yè)生產(chǎn)安全保障信息遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)架構(gòu)與功能設(shè)計(jì)

利用漁業(yè)生產(chǎn)安全保障終端，并整合已有漁業(yè)、海事資源，設(shè)計(jì)漁業(yè)生產(chǎn)安全遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)如圖6所示，系統(tǒng)共分為5層，分別為信息感知與接入層、基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)中心層、業(yè)務(wù)邏輯層和信息服務(wù)層.

圖6 漁業(yè)生產(chǎn)安全保障信息遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)架構(gòu)

a.信息感知與接入層.信息感知與接入是指通過構(gòu)建漁船船聯(lián)網(wǎng)，以對(duì)漁船、漁網(wǎng)、人員狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，通過AIS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)漁船船聯(lián)網(wǎng)與周圍商船的互聯(lián).船聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)需要依靠人員定位器、漁網(wǎng)定位器、AIS的輔助，它們通過AIS網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接起來，構(gòu)成漁船安全監(jiān)控管理系統(tǒng).其中，漁船AIS、人員定位器和漁網(wǎng)定位器是基于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)定位.

b.基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)層.基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)層主要是用于數(shù)據(jù)通信，漁船安全監(jiān)控管理系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)可通過3G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)缴弦患?jí)數(shù)據(jù)庫保存和調(diào)用.由于漁船出行安全受到天氣影響較大，因此有必要提供氣象數(shù)據(jù)給遠(yuǎn)程管理系統(tǒng).

c.數(shù)據(jù)中心層.數(shù)據(jù)中心層主要是用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理，主要包括漁船、人員、漁網(wǎng)、商船和氣象數(shù)據(jù).根據(jù)信息采集的要求，應(yīng)事先制定好數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)格式.

d.業(yè)務(wù)邏輯層.業(yè)務(wù)邏輯層主要是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)添加、修改和查詢業(yè)務(wù)，驗(yàn)證數(shù)據(jù)格式是否正確，用戶權(quán)限判斷等功能，保證程序運(yùn)行的健壯性.

e.信息服務(wù)層.信息服務(wù)層是基于漁業(yè)生產(chǎn)遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)為漁業(yè)管理部門、漁民提供信息服務(wù)，主要包括漁船監(jiān)控、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、數(shù)據(jù)共享、北斗短報(bào)文通信、船舶軌跡顯示與回放、突發(fā)應(yīng)急事件決策等.

4 結(jié) 語

基于北斗定位的漁業(yè)生產(chǎn)安全保障信息管理技術(shù)有助于促進(jìn)北斗導(dǎo)航、搜救設(shè)備在漁業(yè)領(lǐng)域的推廣，漁船船聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)也符合當(dāng)前發(fā)展趨勢(shì).筆者開展基于北斗定位的漁業(yè)生產(chǎn)安全保障信息遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)的技術(shù)研究，取得主要研究結(jié)果如下：

a.在漁業(yè)領(lǐng)域提出船聯(lián)網(wǎng)概念，通過VHF網(wǎng)絡(luò)將漁船、漁網(wǎng)、船員(漁民)、商船互連，并在漁船上安裝漁船安全監(jiān)控船載軟件系統(tǒng)，保證漁船作業(yè)安全.

b.提出基于北斗導(dǎo)航的漁網(wǎng)、人員定位器設(shè)計(jì)方案，集成北斗導(dǎo)航短報(bào)文功能，在漁網(wǎng)丟失、人員遇險(xiǎn)時(shí)發(fā)揮重要作用.

c.提出基于AIS基帶信號(hào)的快速調(diào)制算法技術(shù)方案，可有效降低漁網(wǎng)、人員定位器成本.

d.設(shè)計(jì)了漁業(yè)生產(chǎn)遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)框架，遠(yuǎn)程監(jiān)控漁船、漁網(wǎng)、船員(漁民)、氣象、搜救設(shè)施等對(duì)象的實(shí)時(shí)狀態(tài)，同時(shí)開放數(shù)據(jù)分享接口.

筆者的研究為漁業(yè)生產(chǎn)安全遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)開發(fā)提供完整的技術(shù)思路，將有助于加強(qiáng)漁業(yè)生產(chǎn)安全研究，提高了漁業(yè)生產(chǎn)信息化水平.在未來研究中將開展?jié)O業(yè)生產(chǎn)安全遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)開發(fā)與安全預(yù)警管理、漁船安全風(fēng)險(xiǎn)控制等研究.

致 謝

閩江學(xué)院提供了資金資助，在此致以衷心的感謝！

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