呂振肅,劉忠學,王連勝,羅建軍,王良成

(1.海南大學 三亞學院,海南 三亞 572022;2.三亞海事局,海南 三亞 572022)

1 引 言

健全可靠的海事通信不但是船舶安全航行和正常運營的需要,更是海上生命安全必不可少的基本保證。它從原始的旗語、燈光信號開始,經過人工莫爾斯無線電報、無線電話、無線電傳真,發(fā)展到現在的海事衛(wèi)星通信系統(tǒng),特別是Inmarsat(海事衛(wèi)星通信系統(tǒng))和GMDSS(全球海上遇險與安全系統(tǒng)),使海事通信發(fā)生了翻天覆地的變化。Inmarsat可以為海陸空提供電話、電傳、傳真、數據、國際互聯(lián)網及多媒體通信業(yè)務,而GMDSS系統(tǒng)實現了船與船、船與岸臺全方位和全天候即時溝通信息。GMDSS還能提供緊急與安全通信業(yè)務和海上安全信息的播發(fā),以及進行常規(guī)通信。GDMSS在船上的使用導致了駕駛與通信合一,傳統(tǒng)的船舶報務員已被取消[1-4]。

進入21世紀,隨著包括數字通信技術、衛(wèi)星通信、衛(wèi)星導航、雷達技術、計算機網絡技術、大規(guī)模集成電路和微處理技術等現代通信和導航技術的發(fā)展,海上通信體系建設得到了迅速的發(fā)展。以通信和信息技術為核心的交通管理系統(tǒng)(VTS)、船舶自動識別系統(tǒng)(AIS)、水上安全電視監(jiān)控系統(tǒng)(CCTV)、全球海上遇險與安全系統(tǒng)(GMDSS)等現代化管理手段使得海事通信實現了數字化、智能化、立體化和現代化,在確保水上交通安全、改善水上交通秩序、確保船舶航行安全方面發(fā)揮出了積極的作用。

縱觀海事通信技術的發(fā)展歷程,海事通信技術的發(fā)展促進了航海事業(yè)的發(fā)展,而航海事業(yè)的發(fā)展也帶動了通信技術的進步,因此研究現代通信與信息技術在海事通信中的應用對保障海上航行安全、實現全球航海信息資源的利用與共享、促進航運事業(yè)發(fā)展起著至關重要的作用[5]。本文主要分析現代網絡技術、新一代衛(wèi)星通信系統(tǒng)、數字海洋技術及新一代寬帶無線移動通信技術等現代通信與信息技術在海事通信中的應用。

2 海事通信中現代通信與信息技術的應用展望

2.1 現代網絡技術應用

人類社會進入21世紀以來,Internet網絡技術的發(fā)展和應用對社會產生了巨大影響。陸地網絡通信系統(tǒng)經過近十幾年的飛速發(fā)展,技術方面已經達到相當成熟的水平,應用方面已滲透到人類社會的各個領域,市場運作也已經進入全面商業(yè)化的階段。以TCP/IP協(xié)議為核心的國際互聯(lián)網,以ADSL技術為基礎的電信網,數字蜂窩移動通信網,廣播電視網以及各種廣域網、局域網、城域網、無線局域網等已經將地球陸地連成了一片,現代網絡可以將語音、數據、圖像等信息傳送到地球陸地上任何有需求的地方。目前,下一代網絡(NGN)的研究已全面展開,網絡技術將繼續(xù)朝著開放、集成、高速、高性能、寬帶和智能化方向發(fā)展。這些不斷發(fā)展的網絡技術將為海洋搜救通信網絡建設提供強有力的技術保障。

以現代網絡技術為基礎的航海信息系統(tǒng)的建設近年來取得了長足的進步,其中影響較大的有下面幾種系統(tǒng)。

(1)船舶交通管理系統(tǒng)(VTS)

該系統(tǒng)一般由雷達監(jiān)控系統(tǒng)、船舶數據處理系統(tǒng)及船舶交通服務指揮中心組成,輔以VHF通信系統(tǒng)、閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)、氣象系統(tǒng)等,在距離海岸25 nmile范圍內,對船舶交通實施監(jiān)督、管理和控制并提供咨詢服務。目前這類系統(tǒng)在我國沿海各主要港口、碼頭都已逐步建立,對保障船舶交通安全、提高船舶通航效率、協(xié)調海上應急救助和保護水域環(huán)境等具有重要作用[6]。

(2)CCTV閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)

這是一個典型的數字視頻網絡監(jiān)控系統(tǒng),整個系統(tǒng)包括圖像采集、信息傳輸、圖像處理三大子系統(tǒng),由監(jiān)控攝像點、現場監(jiān)控站和監(jiān)控中心組成,監(jiān)控中心一般設在地方海事局,實現對管轄區(qū)內的一些主要港口、渡口、碼頭、港池、以及進出港航道和外錨地等水域的監(jiān)控。通過局域網各級管理人員可隨時了解各監(jiān)控點的現場情況,并對所需瀏覽圖像進行靈活編輯操作,通過網絡將監(jiān)控數據上傳至上級海事主管部門。目前,該系統(tǒng)已經或正在我國沿海各海事部門部署和運行[7,8]。

(3)船舶自動識別系統(tǒng)(AIS)

這是一種集網絡技術、現代通訊技術、計算機技術和電子顯示技術為一體的數字助航系統(tǒng)和船舶避碰設備。AIS由船載設備和岸基設施共同組成。船載設備是一種工作在VHF海上頻段的船載廣播式應答器,它可以連續(xù)自動地向其它船舶或岸臺播發(fā)和接收鄰近船舶的靜態(tài)、動態(tài)數據和航行狀態(tài)信息,實現船舶間和船岸間船舶信息和航行狀態(tài)的自動交換、監(jiān)測和識別;岸基設施由基站、基站控制器、服務器、基站網絡系統(tǒng)和相應的控制、應用軟件組成,系統(tǒng)可實時監(jiān)測、存儲、處理基站岸臺接收到的信息,并通過網絡傳輸到監(jiān)測中心。通過AIS船舶監(jiān)測系統(tǒng),可以準確定位在港船舶的位置坐標,查看船舶的詳細信息,并對多條船舶進行實時跟蹤定位,極大地提高船舶航行的安全[9]。

其它各種航海信息系統(tǒng)、海事信息網等也在規(guī)劃和建設之中。但是海上網絡系統(tǒng)無論在技術上、規(guī)模上以及應用服務上都同陸地網絡系統(tǒng)有比較大的差距,要在短期內建設一個類似陸上Internet的全球海上互連網還不太現實。因此,海洋信息網絡建設應當是按需求、按市場逐步推進的過程。首先,以各級海事局為中心,以海岸港口、碼頭、船舶為信息點,構建一個基于IP的有線、寬帶光主干信息網,其作用是接收、傳輸和綜合來自不同通信系統(tǒng)、不同信息源的航運、安全、搜救等航海信息,由各種航海信息系統(tǒng)進行數據分析、處理后形成各種文檔、指令、數據和圖表,上傳或下傳到有關海事機構,為船舶航行安全提供全方位的信息服務;其次,在港口、碼頭附近的近海區(qū)域建立無線局域網,以技術成熟的蜂窩系統(tǒng)GSM、CDMA等移動通信系統(tǒng)為基礎,在岸邊建立大功率基站,船上配備各種專用移動終端、無線儀表和無線視頻監(jiān)控設備,實現區(qū)域內航行船舶的實時通信、動態(tài)信息采集和視頻監(jiān)控。在遠海區(qū)域,一方面利用日益成熟的衛(wèi)星通信網絡,船上配備適當的衛(wèi)星終端,通過衛(wèi)星將航海信息實時接入陸上航海信息中心;另一方面,利用近年來發(fā)展的無線移動局域網技術(WiMAX、Ad Hoc等),在一些特殊海域或遇險搜救現場建立臨時無線局域網,完成海上信息傳遞。

隨著網絡技術、無線寬帶技術和衛(wèi)星通信技術的高速發(fā)展,通過衛(wèi)星實現海陸網絡互聯(lián),使航行在任何海域的船載移動網站都能高速無縫接入到陸地國際互聯(lián)網中,實現全球網絡一體化,將是現代航海事業(yè)奮斗的目標之一。

2.2 新一代衛(wèi)星通信系統(tǒng)

在未來的海洋通信系統(tǒng)中,衛(wèi)星通信將越來越占主導地位。自1982年國際海事衛(wèi)星組織(International Maritime Satellite Organization,INMARSAT)開始提供全球海事衛(wèi)星通信服務以來,通信衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展已經經歷了四代。隨著第三顆第四代海事通信衛(wèi)星于2008年8月發(fā)射成功以及2009年2月完成對第四代衛(wèi)星的全球覆蓋調整,海事衛(wèi)星第四代通信系統(tǒng)具備了在陸地、海上和空中提供便捷的高速移動寬帶衛(wèi)星業(yè)務的服務能力,新寬帶多媒體業(yè)務將全面開啟寬帶移動衛(wèi)星通信應用的新紀元[10]。

新一代衛(wèi)星通信系統(tǒng)與網絡技術相結合將是現代海洋通信系統(tǒng)發(fā)展的趨勢,兩者間的合作意味著人類將邁入一個隨時隨地都能夠進行語音通信的時代。INMARSAT已經和正在開發(fā)這類產品,例如Inmarsat全球分區(qū)網絡(GAN)、Inmarsat區(qū)域性寬帶網絡(R-BGAN)、Inmarsat寬帶全球區(qū)域網(BGAN)以及Inmarsat手持機(ISTPHONE)等。其中INMARSAT基于INTERNET IP和GPRS技術的R-BGAN產品,實現了移動衛(wèi)星寬帶數據通信業(yè)務,可提供基于IP協(xié)議的一條144 kbit/s安全共享信道,其輕便小巧的終端設備使企業(yè)客戶可方便地連接到因特網、企業(yè)局域網和廣域網,或者簡單方便地發(fā)送電子郵件,覆蓋范圍包括歐洲、中東、非洲、東歐和次大陸地區(qū)的99個國家。由國際海事衛(wèi)星組織所主導、獲得歐洲太空總署支持的寬頻全球局域網絡系統(tǒng)(BGAN)是具有寬帶網絡接入、移動實時視頻直播、兼容3G等多種前衛(wèi)通信能力的新一代Inmarsat全球衛(wèi)星寬帶局域網系統(tǒng)。BGAN將對85%的全球陸地面積提供無縫隙網絡覆蓋,終端設備承載最高達492 kbit/s的高速互聯(lián)網接入、話音、傳真、ISDN、短信、語音信箱等多種業(yè)務應用模式[11]。

新一代衛(wèi)星通信系統(tǒng)已經具備了進行全球通信的水平,但要真正實現上述功能,在裝備、協(xié)調、運營、管理等方面還有許多工作要做,一些關鍵技術還需要進一步完善。

2.3 數字海洋技術

1998年,美國副總統(tǒng)戈爾提出了數字地球的概念,認為數字地球是一種可以嵌入海量地理數據、多分辨率和三維的地球表示,并可在其上添加許多與人們生產生活相關的各種信息。數字海洋是數字地球的一部分,可簡單表述為:數字海洋是由海量、多分辨率、多時相、多類型空間對海洋觀測數據和海洋監(jiān)測數據及其分析算法和模型構建而成的虛擬海洋世界。

為迎接海洋21世紀,我國從國家發(fā)展戰(zhàn)略的高度出發(fā)于1998年底提出構建“數字海洋”的戰(zhàn)略設想,將發(fā)展數字海洋列入“十五”和2015年國家海洋科學技術發(fā)展計劃,明確了中國“數字海洋”建設的戰(zhàn)略目標、總體構想和戰(zhàn)略步驟。2006年,國家海洋局批準了“中國近海數字海洋信息基礎框架構建”項目實施方案。目前,大部分建設任務已經進入系統(tǒng)集成、系統(tǒng)測試及試點性節(jié)點部署階段,數字海洋信息基礎平臺已經建成或正在各省市海事局建設,各種海洋綜合管理系統(tǒng)的開發(fā)也在相繼展開。作為數字海洋原型系統(tǒng),國家海洋局在2009年6月正式發(fā)布了“中國數字海洋公眾版”信息服務系統(tǒng),標志著我國“數字海洋”建設已進入實質性實施和應用階段[12]。

“數字海洋”是一項龐大、復雜的系統(tǒng)工程。從科學角度看,地球科學、海洋科學、環(huán)境科學、生物科學以及空間科學、信息科學、計算科學等的進步為人類認識和探索海洋奠定了堅實的理論基礎;技術方面,現代遙測遙感技術、高速信息處理技術、現代通信技術、網絡技術、虛擬現實與可視化技術等為數字海洋的建設提供了強有力的技術支持;系統(tǒng)構成方面,全球海洋觀測系統(tǒng)(GOOS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)和全球定位系統(tǒng)(GPS)構成了“數字海洋”的重要支撐平臺[13]。

海事通信的數字化、自動化、網絡化和智能化是“數字海洋”的重要組成部分,典型系統(tǒng)有以下4種[13]。

(1)自動避碰系統(tǒng)

自動跟蹤目標,測量和顯示來船的位置、航向、航速、相對運動和碰撞危險數據。同船舶自動識別系統(tǒng)(AIS)結合,可連續(xù)向其它船舶傳送船舶自身數據,并可連續(xù)接收其它船舶的數據,有利于減少因船舶識別和避碰決策失誤引起的船舶碰撞事故。

(2)交通管理與突發(fā)事件處理系統(tǒng)

主要完成現有VTS中心的各項職能。利用ARPA、AIS等設備實時監(jiān)控海上的所有船舶,特別是港口、航道等交通敏感區(qū)。設置預警區(qū)域,顯示報警點的位置及報警內容,為指揮人員處理突發(fā)事件的決策方案提供依據。

(3)自動導航系統(tǒng)

利用各種傳感器設備獲取船舶的航行參數,如位置、航向、航速等,在ECDIS上實時進行標繪,與設定的計劃航線和預警門限進行比較,從而實現船舶的自動導航。自動導航系統(tǒng)的實際應用有效減少了海事事故的發(fā)生。

(4)通信及信息交換系統(tǒng)

通信是智能交通的重要環(huán)節(jié)。在海上要利用各種通信手段如衛(wèi)星通信、VHF、GSM等,其目的就是保證中心與用戶都能實時獲得所需要信息,指導船舶安全航行,確保交通順暢。信息交換模塊主要指利用網絡資源,如Internet,實時發(fā)布和獲取與交通相關的各種信息,實現信息共享,從而建立起一個廣域的、甚至全球的智能交通信息網絡。

我國的“數字海洋”建設還處于起步階段,要實現真正意義上的海洋數字化、透明化、可視化和海洋決策管理科學化、應急響應快速化、信息服務社會化還有很長的路要走。

2.4 新一代寬帶無線移動通信技術

無線移動通信技術經歷了第一代、第二代,正逐步進入第三代(3G),許多新的通信方式和通信系統(tǒng)不斷推出,如國際第三代合作伙伴計劃(3GPP)正在實施的長期演變(LTE)項目計劃和高級國際移動通信(IMT-Advanced)研究計劃等都已經在為后3G和第四代無線移動通信系統(tǒng)作準備。移動通信發(fā)展的主要目標是高速、寬帶、大容量,因此,發(fā)展新一代寬帶無線移動通信系統(tǒng)是當前和未來通信技術的核心和方向。

作為海上移動通信,由于其所處的特殊環(huán)境,如海域遼闊、目標分散、對象(船舶)移動、環(huán)境惡劣等,并不是所有的移動通信方式都適合海上通信,因此,研究如何將已經成熟的陸上移動通信技術適當地推廣到海洋通信中以及發(fā)展新一代海上寬帶無線移動通信系統(tǒng)是建設現代海洋的任務之一。從技術特點和技術水平角度,可以利用的技術和系統(tǒng)如下所述。

(1)第二代(GSM)、第三代(CDMA)蜂窩移動通信系統(tǒng)

優(yōu)點是技術成熟、陸地支撐條件好,缺點是通信距離短,建立海上移動基站困難等,因此比較適合在海岸港口碼頭和近海區(qū)域組網通信。新一代無線移動通信系統(tǒng)雖然在帶寬、傳輸速率以及移動性能上將有很大提高,但用于遠海通信還需較大的改善。

(2)直播衛(wèi)星(DBS)業(yè)務

優(yōu)點是覆蓋范圍廣、不受地域限制,缺點是技術比較復雜、成本高、上下傳輸不對稱。理論上講,直播衛(wèi)星應該是最適合遠海通信的一種技術,也是未來最值得關注的海上通信方式[14]。

(3)無線局域網(WLAN)

作為有線網絡的延伸,無線局域網是近年來最為活躍的研究和應用領域?；?IEEE 802.11、IEEE 802.16、IEEE 802.20等不同系列標準,無線局域網形成了許多系統(tǒng),如 WiFi、WiMAX、超寬帶(UWB)、Ad Hoc網、無線傳感網等,其中Ad Hoc網絡在建立海上救助快速應急通信網絡方面有巨大的應用潛力[15,16]。

3 結 語

進入21世紀,人類對海洋資源的開發(fā)達到前所未有的高度,傳統(tǒng)的海上通信技術已無法滿足要求,將現代網絡技術、新一代衛(wèi)星通信系統(tǒng)、數字海洋技術、新一代寬帶無線移動通信技術等現代通信與信息技術引入海上通信,實現海陸網絡一體化,海陸話音、傳真、ISDN、短信、語音信箱等多種通信業(yè)務應用模式以及海上安全救援的數字化、自動化、網絡化和智能化等需求顯得日益突出,需要進行廣泛、深入的研究。

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