柳晨光 何 偉 石 磊 初秀民

（1.武漢理工大學(xué)智能交通系統(tǒng)研究中心 武漢430063；2.武漢理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院 武漢430063；3.閩江學(xué)院交通學(xué)院 福州350108）

0 引 言

由于航運(yùn)具有運(yùn)量大、能耗低、成本低等優(yōu)點(diǎn)，已成為國際貿(mào)易最主要的方式，占國際貿(mào)易總量的2／3以上。船舶在營運(yùn)過程中會產(chǎn)生一定數(shù)量的機(jī)艙艙底水［1－2］。官方資料統(tǒng)計，每年隨機(jī)艙艙底水排入海洋和內(nèi)河水域的油量數(shù)以萬t計。國際海事組織（IMO）制定的《MARPOL 73／78公約》附則I中規(guī)定：船舶排放機(jī)艙艙底水前必須經(jīng)過油水分離器處理，在允許排放區(qū)域達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)后方可排放。但船舶機(jī)艙維護(hù)人員為減少設(shè)備維護(hù)工作量和節(jié)約成本，不使用油水分離器，直接將艙底水排放入海，當(dāng)前油水分離器監(jiān)控系統(tǒng)很難識別這些違規(guī)行為。在PSC（港口國）檢查時，監(jiān)管人員目前主要通過查看油水分離器使用記錄和觀察管路改裝與否等方式來確定是否有違規(guī)排放艙底水行為發(fā)生。這種人工檢查方式效率較低，且檢查人員個人業(yè)務(wù)水平可能會影響最后判斷的結(jié)果。

基于上述現(xiàn)狀，筆者提出了1種通過遠(yuǎn)程訪問的方式查看油水分離器使用狀況的方法。該方法旨在提高檢查效率、準(zhǔn)確度，以及節(jié)約人工成本，同時也提高了船舶管理信息化水平，是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在船舶管理上的應(yīng)用。

張道發(fā)［3］設(shè)計了1款基于3G遠(yuǎn)程監(jiān)測的船舶油分濃度監(jiān)測裝置，提出了在長江內(nèi)河3G網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域采用3G網(wǎng)絡(luò)模塊實(shí)時傳輸油水分離器運(yùn)行情況，但3G網(wǎng)目前無法實(shí)現(xiàn)一卡全球通，使用區(qū)域受限，且會產(chǎn)生費(fèi)用。陳一奇等［4］針對艙底水非法排放的現(xiàn)象設(shè)計了基于AIS的艙底水排放監(jiān)控系統(tǒng)，但其傳輸?shù)男畔我?，不能完全反映油水分離器狀態(tài)信息，也未能深入分析信息遠(yuǎn)程傳輸?shù)木唧w實(shí)現(xiàn)過程。此外，還有一些研究學(xué)者提出利用射頻IC卡或者U盤來保存油水分離器歷史使用情況，但這種方法自動化程度不高［5－6］。針對上述方法普遍存在的不足，筆者圍繞油水分離器遠(yuǎn)程信息傳輸方案的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)來展開。

1 傳輸方案

要實(shí)現(xiàn)油水分離器信息的遠(yuǎn)程傳輸，必須使用1種通用、可靠、成本低的通信方式。

1.1 通信方案選擇

查閱相關(guān)資料并總結(jié)，適合本系統(tǒng)的遠(yuǎn)程傳輸方式主要有移動通信、海事衛(wèi)星系統(tǒng)和AIS。三者各有特點(diǎn)，比較說明如下。

1）移動通信。移動通信是指用于手機(jī)數(shù)據(jù)通信的網(wǎng)絡(luò)，主要包括GPRS、3G和4G網(wǎng)［7］。移動通信網(wǎng)均是通過電信運(yùn)營商基站來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其傳輸速度明顯高于一般無線電臺，同時建立連接速度快，比較適合間斷、突發(fā)性和頻繁的數(shù)據(jù)傳輸場合［8］。但由于各國使用的標(biāo)準(zhǔn)都不一致，且資費(fèi)也不盡相同，即使有全球漫游通信的可能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蚧残枰冻龈哳~的使用費(fèi)用。因此，使用移動通信作為油水分離器遠(yuǎn)程傳輸方式并不十分符合。

2）海事衛(wèi)星系統(tǒng)。海事衛(wèi)星系統(tǒng)是美國通信衛(wèi)星總公司于20世紀(jì)70年代中期研制成功的新型通信工具。海事衛(wèi)星系統(tǒng)主要由同步通信衛(wèi)星、移動終端（包括海用、陸用和空用終端）、海岸地球站，以及協(xié)調(diào)控制站等組成［9－11］。海事衛(wèi)星覆蓋面十分廣闊，數(shù)據(jù)帶寬也能滿足本系統(tǒng)通信需求，但費(fèi)用太高，且大量船舶如果長期占用海事衛(wèi)星信道會影響搜救等重要任務(wù)正常進(jìn)行，因此并不適用作為油水分離器遠(yuǎn)程傳輸方式。

3）AIS。AIS系統(tǒng)起源于北歐，是1個工作于VHF頻段雙固定頻點(diǎn)的窄帶無線傳輸系統(tǒng)。它由船舶電臺、助航設(shè)備電臺、基站和搜救飛機(jī)等組成，是1種集網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、電子信息顯示技術(shù)為一體的數(shù)字助航系統(tǒng)和設(shè)備［12－13］。AIS頻率穩(wěn)定度較高，帶寬范圍內(nèi)的信號漂移極小，這顯著提高了其抗干擾的性能。作為重要的船舶避碰和海事信息化管理設(shè)備，幾乎所有的海船和內(nèi)河船舶上都配備了AIS［16］。

使用AIS作為油水分離器遠(yuǎn)程傳輸方式具有以下優(yōu)點(diǎn)：① 無需申請專門的通信頻點(diǎn)，直接使用原有AIS通信設(shè)備和通信網(wǎng)絡(luò)即可；②AIS有24種報文，其中某些報文內(nèi)容可自己定義，很好地解決了通信兼容性問題；③AIS作為全球通用設(shè)備，可免費(fèi)使用AIS網(wǎng)絡(luò)，降低了通信成本。因此，筆者選用AIS作為油水分離器遠(yuǎn)程通信方式。系統(tǒng)通信流程見圖1。

1.2 傳輸協(xié)議制定

油水分離器遠(yuǎn)程信息傳輸主要是指海事監(jiān)管部門（港口國檢查部門）與船舶間進(jìn)行信息交互。對于現(xiàn)有油水分離器設(shè)備，只能采集到油分質(zhì)量濃度信息，并不能完全反映油水分離器使用情況。本文需傳輸?shù)男畔ㄓ退蛛x器啟閉情況、實(shí)時數(shù)據(jù)、歷史排油情況和自定義消息。為完成上述信息的采集，需對船舶油水分離器管路做適當(dāng)改造，可行的方式是舷外水排出管路和污油排出管路增加流量計。

傳輸信息的具體含義如下。

1）實(shí)時數(shù)據(jù)。用于描述油水分離器實(shí)時工作狀態(tài)，包括實(shí)時油分濃度值、排出舷外水實(shí)時流量、排到污油柜污油實(shí)時流量值和報警標(biāo)識。當(dāng)油分質(zhì)量濃度大于15mg／L（部分地區(qū)要求更為嚴(yán)格），而排出舷外水流量計不等于0（近似），表示油水分離器工作異常，此時應(yīng)報警。

2）油水分離器啟閉情況。用于描述在過去1個月內(nèi)（時間長度可根據(jù)需求進(jìn)行更改）油水分離器每24h內(nèi)啟閉情況。

圖1 AIS通信流程Fig.1 The procedure of AIS communication

3）歷史排油情況。根據(jù)歷史處理污油總量和正常污油閾值判斷是否有未正常使用油水分離器而偷排油污水行為發(fā)生。在1個月內(nèi)如果總排污油量小于設(shè)置下限閾值，則船舶有偷排行為發(fā)生的可能性很高；如果高于正常上限閾值，在排除維修因素影響情況下說明機(jī)艙在近期內(nèi)設(shè)備有漏油等情況發(fā)生，應(yīng)提醒船上人員注意。

4）自定義消息。海事監(jiān)管部門能遠(yuǎn)程發(fā)送自定義消息至某條船舶，該船舶收到后會顯示到屏幕上。

本文需制定1套報文傳輸協(xié)議，以實(shí)現(xiàn)上述信息的傳輸。船舶端至監(jiān)控管理部門傳輸過程為：油水分離器信息采集終端將采集信息打包為明碼報文，通過串行通信方式傳輸至AIS船臺；AIS船臺解析出數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)嵌入到AIS暗碼報文中，通過甚高頻廣播傳輸至監(jiān)控中心AIS基站；監(jiān)控中心AIS基站接收到該AIS報文后進(jìn)行解析，還原為明碼報文，通過串行方式傳輸至監(jiān)控信息管理平臺；監(jiān)控中心管理平臺接收到明碼報文后，對其進(jìn)行解析，最后將信息顯示和存儲起來。監(jiān)控管理部門至船舶端傳輸過程相反。整個過程見圖2。

從上述信息傳輸過程可以看出，信息傳輸需經(jīng)過自定義明碼報文和AIS暗碼報文的相互轉(zhuǎn)換，但暗碼報文僅是明碼報文的“翻譯”。明碼報文用于油水分離器采集終端與船載AIS船臺、AIS基站與信息管理平臺間的透明傳輸，暗碼報文用于AIS設(shè)備間的通信。本文所涉及的報文傳輸協(xié)議是指明碼報文協(xié)議，包括實(shí)時數(shù)據(jù)報文協(xié)議、啟閉情況報文協(xié)議、歷史排油情況報文協(xié)議、自定義消息報文協(xié)議。

圖2 船舶采集端至監(jiān)控信息平臺間信息傳輸過程Fig.2 The process of information transmission between ship data acquisition terminal and monitor platform

要實(shí)現(xiàn)上述傳輸協(xié)議，至少需要新定義6類報文，即實(shí)時數(shù)據(jù)報文、請求發(fā)送報文、啟閉情況報文、歷史排油情況報文、自定義消息報文、確認(rèn)收到報文。各個報文間傳輸?shù)年P(guān)系見圖3。

圖3 各報文傳輸關(guān)系Fig.3 The relationship between the messages

每條報文格式均采用NEMA0183語句格式，即為“＄AAAAA，ddd…d dd＊hh＜CR＞＜LF＞”，具體字段見表1。

表1 報文字段定義Tab.1 General message definition

1）實(shí)時數(shù)據(jù)報文協(xié)議。實(shí)時數(shù)據(jù)報文是AIS船臺通過自主廣播的方式發(fā)送，周期為20s，其地址域為“RLOIL”。報文格式為“＄RLOIL，＜1＞，＜2＞，＜3＞，＜4＞＊hh＜CR＞ ＜LF＞”。各字段定義和備注見表2。

表2 實(shí)時數(shù)據(jù)報文字段定義Tab.2 Message definition of real-time data

2）啟閉情況報文協(xié)議和歷史排油情況報文協(xié)議。如圖3所示，啟閉情況報文協(xié)議包括請求發(fā)送報文、啟閉情況報文和確認(rèn)收到報文。信息通信流程為：監(jiān)控中心發(fā)送請求發(fā)送報文給某船舶，船舶接收到該報文后回復(fù)啟閉情況報文和歷史排油情況報文，若在一段時間內(nèi)船舶未回復(fù)，則再次發(fā)送請求發(fā)送報文；監(jiān)控中心接收完成后發(fā)送確認(rèn)收到報文，如果船舶未收到確認(rèn)報文，則船舶重新發(fā)送未收到的報文。

（1）請求發(fā)送報文。報文格式為“＄REQST，＜1＞＊hh＜CR＞ ＜LF＞”。其中，“＜1＞”為 MMSI（maritime mobile service indentify，海上移動通信業(yè)務(wù)標(biāo)識），表示請求發(fā)送數(shù)據(jù)的目標(biāo)船舶，MMSI固定為9個字節(jié)長，能唯一標(biāo)識每艘船舶。

（2）啟閉情況報文。報文格式為“＄USEYN，＜1＞＜2＞＊h h＜CR＞＜LF＞”。其中：“＜1＞”為目標(biāo)監(jiān)控中心MMSI，＜2＞為1個月內(nèi)油水分離器每1d啟用情況。為節(jié)約帶寬，報文使用二進(jìn)制表示，即“1”代表已啟用，“0”代表未啟用，將二進(jìn)制轉(zhuǎn)為ASCII碼發(fā)出。31d用4個字符即可。比如前8d使用情況為“00100011”，轉(zhuǎn)為 ASCII碼為“?！?。

（3）歷史排油情況報文。報文格式為“＄HISOIL，＜1＞ ＜2＞＜3＞ ＜4＞＊hh＜CR＞＜LF＞”。字段定義見表3。

表3 歷史排油情況字段定義Tab.3 Message definition of history oil discharge

（4）啟閉情況確認(rèn)收到報文。報文格式為“＄VRUSE，＜1＞＊hh＜CR＞ ＜LF＞”。其中：“VRUSE”為確認(rèn)收到啟閉情況報文地址域，“＜1＞”為目標(biāo)船舶MMSI。

（5）歷史排油情況確認(rèn)收到報文。報文格式為 “＄VRHIS，＜1＞＊hh＜CR＞＜LF＞”。其中：“VRHIS”為確認(rèn)收到啟閉情況報文地址域，“＜1＞”為目標(biāo)船舶MMSI。

3）自定義消息報文協(xié)議。如圖3所示，自定義消息報文協(xié)議包括自定義消息報文和確認(rèn)收到報文。信息通信流程為：監(jiān)控中心發(fā)送自定義消息給某條船舶，船舶接收到后回復(fù)確認(rèn)收到報文，如果未回復(fù)確認(rèn)收到報文，監(jiān)控中心重新發(fā)送自定義消息報文。

（1）自定義消息報文。報文格式為“＄CSMSG＜1＞＜2＞＊hh＜CR＞＜LF＞”。其中：“CSMSG”為自定義消息報文地址域，“＜1＞”為MMSI；“＜2＞”為消息內(nèi)容，支持可顯示ASCII字符。

（2）自定義消息確認(rèn)收到報文。報文格式為“＄VRCSM，＜1＞ ＊hh＜CR＞ ＜LF＞”。其中：“VRCSM”為自定義消息確認(rèn)收到地址域，“＜1＞”為目標(biāo)監(jiān)控中心MMSI。

2 AIS通信實(shí)現(xiàn)

AIS語句由語句起始符（“＄”或“！”）起始，以語句結(jié)束符（＜CR＞＜LF＞）結(jié)束。語句的最大長度為82個字符，超過此長度語句應(yīng)分割為幾個語句傳輸。AIS語句分為2種形式，1種以“＄”開始的語句，能直接從消息中讀出包含的信息，稱為“明碼”（parametric sentences），主要是傳感器的信息，比如GPS報文；另1種是以“！”開始的語句，需要通過字符轉(zhuǎn)換和格式定義才能明白其中信息，稱之為“暗碼”（encapsulation sentences）或封裝語句，包含了船舶航行的重要信息。封裝語句為“！aaccc，＜1＞，＜2＞，＜3＞，＜4＞，＜5＞，＜6＞＊hh＜CR＞＜LF＞”，各字段定義見表4。

表4 AIS封裝語句定義Tab.4 The message definition of AIS

ITU－R M.1371－1規(guī)定，消息12是尋址安全相關(guān)消息，用于點(diǎn)對點(diǎn)發(fā)送安全報文，其定義見表5；消息14是安全廣播消息，用于對外廣播安全相關(guān)報文，其定義見表6。艙底水排放與海洋和水路環(huán)境保護(hù)息息相關(guān)，因此使用安全消息傳輸較為合理。從報文協(xié)議可知，“＄RLOIL”為廣播消息，應(yīng)使用消息14傳輸，其余所有報文均使用消息12傳輸。消息12與14內(nèi)容嵌在封裝語句的數(shù)據(jù)塊字段內(nèi)進(jìn)行傳輸。安全報文對于安全保障十分重要，因此當(dāng)船舶發(fā)生事故時，應(yīng)優(yōu)先發(fā)送事故報文。

表5 消息12定義Tab.5 Message 12definition

IEC61162－1規(guī)定，AIS只能傳輸可顯示ASCII字符，其有效范圍為0x20–0x7E［17］。油水分離器數(shù)據(jù)如果直接以標(biāo)準(zhǔn)ASCII碼傳輸，會造成AIS報文中存在不可顯示的字符。因此，規(guī)定在安全信息內(nèi)容中需要傳輸6位ASCII碼字符。ASCII碼字符與標(biāo)準(zhǔn)ASCII碼字符轉(zhuǎn)換見表7。

表6 消息14定義Tab.6 Message 14definition

表7 6位ASCII碼字符與標(biāo)準(zhǔn)ASCII碼字符轉(zhuǎn)換Tab.7 The conversion reference between standard ASCII and“6-bit”ASCII

使用消息12或14傳輸油水分離器明碼報文過程為（以終端向遠(yuǎn)程發(fā)送為例）：① 終端通過串口發(fā)送明碼報文至AIS船臺；②AIS船臺接收到報文后進(jìn)行校驗，如無誤，則提取報文內(nèi)容，如有誤，則舍棄該條報文；③ 將報文內(nèi)容嵌套至消息12或14中，以AIS消息發(fā)送；④ 監(jiān)控中心AIS基站接收到該AIS報文后進(jìn)行解析，還原明碼報文；⑤AIS基站通過串口發(fā)送明碼報文至遠(yuǎn)程計算機(jī)，計算機(jī)對報文解析后進(jìn)行顯示和存儲。

上述過程以實(shí)時數(shù)據(jù)報文為例進(jìn)行說明，實(shí)時數(shù)據(jù)報文應(yīng)使用消息14傳輸。假設(shè)某一時刻船載采集終端給AIS船臺傳輸?shù)膶?shí)時數(shù)據(jù)報文為“＄RLOIL，12，1001，0000，N＊19”（完整報文應(yīng)加上＜CR＞＜LF＞，對應(yīng)十六進(jìn)制為0x0D0A，下同），AIS船臺接收到該報文后校對無誤后，提取出需傳輸報文 “RLOIL，12，1001，0000，N”。根據(jù)定義消息14，假設(shè)報文轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)為0，自身 MMSI為“413771818”，消息14二進(jìn)制表示為

共200個b，6b一組排列后還剩2b，此時應(yīng)填充4個二進(jìn)制“0”湊齊。消息14最后二進(jìn)制表示為

根據(jù)表6將6b值對應(yīng)為標(biāo)準(zhǔn)ASCII字符串，即“＞6：k’：QBC4u9C2hi＜Rhi＜30i；30h＜30dCP”（雙引號不計算在內(nèi)），共34個字符。再根據(jù)AIS封裝語句定義，并假定該語句通過B信道傳輸，則最后生成的AIS報文為

“！AIVDM，1，1，，B，＞6：k’：QBC4u9C2hi＜Rhi＜30i；30h＜30dCP＊04”

該條報文由AIS基站接收后，經(jīng)解析處理還原為“RLOIL，12，1001，0000，N”，重新打包為“＄RLOIL，12，1001，0500，4000，N＊19”，再通過串口發(fā)送至遠(yuǎn)程信息管理計算機(jī)。計算機(jī)對該報文進(jìn)行解析，得到當(dāng)前船舶的MMSI、排出舷外艙底水流量、油份濃度值、排出舷外艙底水流量值、排到污油柜污油流量值、油水分離器報警標(biāo)識分別為“413771818”“1001L／h”“0L／h”和“未報警”。

3 通信可靠性測試

AIS作為1種通信方式存在通信不可靠問題，馬楓等從機(jī)理上對此作了科學(xué)的分析，因此有必要研究本系統(tǒng)的通信可靠性問題。

以武漢理工大學(xué)大學(xué)第1教學(xué)樓和第5教學(xué)樓為測試點(diǎn)，測試2點(diǎn)間數(shù)據(jù)傳輸可靠性問題，測試點(diǎn)位置見圖4。其中第1教學(xué)樓模擬船舶端，第5教學(xué)樓模擬海事監(jiān)管部門，2點(diǎn)間的直線距離約為834m，在傳輸鏈路上有樹木等障礙物遮擋。

圖4 測試點(diǎn)位置Fig.4 Test position

1）測試方法。通信可靠性最重要的一點(diǎn)是保證丟包率控制在一定范圍內(nèi)，因此可通過測試丟包率來評判通信鏈路的可靠性。丟包率測試方法為：① 在規(guī)定的時間內(nèi)，從船載端以固定間隔發(fā)送油水分離器實(shí)時數(shù)據(jù)報文，測試遠(yuǎn)程端接收情況，統(tǒng)計共丟失報文數(shù)量，最后計算得到丟包率；② 在規(guī)定的時間內(nèi)，從遠(yuǎn)程端發(fā)送查詢報文到船載端，測試船載端接收情況，統(tǒng)計丟失報文數(shù)量，最后計算得到丟包率。

2）測試結(jié)果。2014年3月23日16：20～17：00時期間，分別測試了遠(yuǎn)程端至船載端和船載端至遠(yuǎn)程端通信丟包率情況，接收報文數(shù)據(jù)見表8。

根據(jù)上述數(shù)據(jù)計算可得，遠(yuǎn)程端至船載端丟包率Q1＝（219－157）／219＝28.3%；船載端至遠(yuǎn)程端丟包率Q2＝（220－139）／220＝36.8%。圖5、圖6描述的是不同方向數(shù)據(jù)接收情況。由于AIS通過甚高頻段傳播數(shù)據(jù)，屬于視距傳播，易受障礙物遮擋的影響，本實(shí)驗中2個測試點(diǎn)間有房屋和樹木遮擋，對通信產(chǎn)生了一定的影響，導(dǎo)致丟包率偏大。

表8 通信測試數(shù)據(jù)Tab.8 Communication data

圖5 遠(yuǎn)程端至船載端部分?jǐn)?shù)據(jù)接收情況Fig.5 The reception from remote terminal to shipborne terminal

圖6 船載端至遠(yuǎn)程端部分?jǐn)?shù)據(jù)接收情況Fig.6 The reception from shipborne terminal to remote terminal

4 結(jié)束語

筆者提出的基于AIS傳輸方案較為完整，普適性較好，成本低廉，有助于更好地監(jiān)督含油艙底水的非法排放。但本方案設(shè)計中對于安全消息等級問題沒有做細(xì)致的分析，對重發(fā)機(jī)制使用效果也沒有作進(jìn)一步的驗證，這在今后的研究中需要完善。

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