賀麗陽,陳永劍,馬曉峰,曾 暉,李 偉,劉 凱

(1.北京航空航天大學電子信息工程學院,北京 100191;2.中交水運規(guī)劃設計院有限公司,北京 100088;3.中華人民共和國海事局,北京 100736)

1 引 言

全球海上遇險與安全系統(tǒng)(Global Maritime Distress and Safety System,GMDSS)自1999年2月1日正式實施以來,在遇險報警、現(xiàn)場通信、搜救協(xié)調(diào)通信、緊急與安全通信等諸多方面起到了重要作用。為了配合GMDSS的實施,1991年國家計委撥專項經(jīng)費用于建設中國海上遇險和安全系統(tǒng)工程,涉及國際海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)(INMARSAT)、低極軌道搜救衛(wèi)星(COSPASSARSAT)報警測位系統(tǒng)、地面無線電通信系統(tǒng)、陸上搜救協(xié)調(diào)通信網(wǎng)、奈伏泰斯(NAVTEX)系統(tǒng)和船舶報告系統(tǒng)[1]。目前,我國已經(jīng)建設完成海上遇險和安全通信系統(tǒng),以及溝通中國海上搜救協(xié)調(diào)中心(MRCC)和各直屬局海上搜救分中心(MRSC)的海事信息主干網(wǎng),包括船舶管理系統(tǒng)、船員管理系統(tǒng)、船載客貨系統(tǒng)、通航管理系統(tǒng)、船舶交通管理系統(tǒng)(VTS)、船舶自動識別系統(tǒng)(AIS)、船舶報告系統(tǒng)等與海事應急搜救指揮相關(guān)的信息系統(tǒng)[2]。因此,我國海上搜救應急反應及處理能力有了很大程度的提高并取得了顯著的成效。

不過,在上述系統(tǒng)中,現(xiàn)有各種地面通信設備的兼容性較低,難以統(tǒng)一協(xié)調(diào)、綜合使用,操作人員往往只熟練使用其中某個設備,缺少協(xié)調(diào)操控整個系統(tǒng)的綜合素質(zhì),從而影響了海上事故應急反應的整體效率。針對這個問題,文獻[3]提出了協(xié)調(diào)性通信的思想,對GMDSS地面系統(tǒng)模擬器的研發(fā)具有借鑒意義。在文獻[4]中,作者提出了船舶信息綜合系統(tǒng)的設想,該系統(tǒng)以在船上設一臺服務器為核心,把船上所有信息存儲在服務器中,其中既包括現(xiàn)有的船舶各種自動化裝置運行中的實時數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)經(jīng)過一定的處理后存入服務器中。同時把船舶日常管理所需要的各種數(shù)據(jù)也以數(shù)據(jù)庫的格式存入服務器,實現(xiàn)兩種不同數(shù)據(jù)集成,從而使船舶實現(xiàn)高度信息化,為船舶發(fā)展提出了新的目標——信息集成與綜合。文獻[5]設計了一種基于信息融合技術(shù)的航運智能運輸系統(tǒng)(MITS),采用智能信息融合技術(shù),對各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行智能處理,提供智能決策支持,以提高運輸效率、保障航運安全。為了進一步解決這個問題,通過程控交換機的有線接口與公用電話網(wǎng)進行連接,實現(xiàn)有線報警電話的接入。通過無線電臺適配器的無線接口與無線電臺的手柄連接實現(xiàn)無線轉(zhuǎn)有線,再通過無線電臺適配器的有線接口與程控交換機的有線接口連接,最終實現(xiàn)無線系統(tǒng)接入至有線系統(tǒng)。座席系統(tǒng)綜合各種數(shù)據(jù)和語音信息,將原先分散的各種端站、語音電話集成到統(tǒng)一的接入平臺上,通過數(shù)據(jù)、語音、視頻控制一體化的操作座席,為指揮人員提供專業(yè)、便捷的值班和應急指揮手段。

本文其余部分的安排如下:第2部分給出了海上遇險搜救綜合通信系統(tǒng)的設計方案;第3部分對其主要部分進行了具體設計實現(xiàn);第4部分給出了系統(tǒng)測試結(jié)果;第5部分總結(jié)了全文。

2 海上遇險搜救綜合通信系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

目前,各搜救中心使用的通信設備包括有線通信設備、無線通信設備和視頻通信設備。其中,有線通信設備包括12395專線、110專線、抗震救災專線、傳真專線、海事衛(wèi)星電話專線、電傳機專線,以及海事局辦公電話等。用戶單位利用現(xiàn)有有線通信設備實現(xiàn)專線電話報警受理、電傳收發(fā)、辦公電話通信等。無線通信設備包括MF/HF/VHF電臺及DSC、SSB/800M/110電臺等。MF/HF/VHF電臺作為主要的無線通信設備,用戶單位利用現(xiàn)有DSC對MF/HF/VHF電臺進行選臺選頻、收發(fā)音量調(diào)節(jié)操作,實現(xiàn)調(diào)度值班員對VHF16頻道報警話音的監(jiān)聽及臨時通話、與遇險船只的無線通話、接收NAVTEX航情報文、查看DSC遇險報文等。此外,用戶單位有時會利用SSB/800M/110電臺進行選定頻道的無線通話。視頻通信設備包括CCTV閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)、無線視頻傳輸系統(tǒng)。用戶單位通過現(xiàn)有的CCTV閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)進行港口、碼頭等現(xiàn)場視頻監(jiān)控,通過綜合無線視頻傳輸系統(tǒng)和CCTV閉路電視監(jiān)控系統(tǒng),實現(xiàn)遇險船只現(xiàn)場圖像監(jiān)控。

圖1所示為本文設計的海上遇險搜救綜合通信系統(tǒng),它綜合了GMDSS中海事衛(wèi)星、甚高頻(VHF)電臺、數(shù)選值班臺(DSC)、NAVTEX、窄帶直接印字電報(NBDP)等設備,既可以實現(xiàn)12395專線、搜救值班電話、其他普通電話、傳真等有線通信手段的接入,又實現(xiàn)了中頻/高頻/(MF/HF)、VHF等無線通信手段的接入,并可以完成DSC報文、NBDP報文和NAVTEX報文的接收和解析以及各類語音通信的實時自動錄音,提供錄音查詢、調(diào)用,從而實現(xiàn)了海上應急搜救工作的統(tǒng)一調(diào)度和指揮。在該通信系統(tǒng)中,用戶單位現(xiàn)有的有線、無線通信設備均由H20-20交換機提供綜合接入接口;由調(diào)度臺提供多種調(diào)度界面,包括語音接警及指揮調(diào)度、報文電傳調(diào)度、傳真調(diào)度、視頻瀏覽控制等;由傳真/錄音/報文電傳服務器提供傳真服務、錄音服務,以及傳真、錄音、報文電傳的數(shù)據(jù)暫存管理。由第三方應用軟件發(fā)起語音報警、DSC遇險報文、傳真報警的警情關(guān)聯(lián)申請,由傳真/錄音/報文電傳服務器向第三方應用軟件提供相關(guān)的數(shù)據(jù)訪問服務。

圖1 海上遇險搜救綜合通信系統(tǒng)Fig.1 Integrated communication system for maritime distress and safety

2.2 通信設備和操作終端適配接入

目前通用的適配接入方案是通過一套綜合業(yè)務平臺將不同通信系統(tǒng)進行集成連接,綜合業(yè)務平臺通過有線接口連接有線報警電話,通過無線接口連接無線報警電臺。這種方案連接有線報警電話不存在問題,但連接無線電臺時會出現(xiàn)電臺接口與綜合業(yè)務平臺接口不匹配的問題,主要原因是用戶的現(xiàn)有電臺存在產(chǎn)品型號、接口類型的差異。另一方面,為了滿足日常值班的需要,在值班員桌面上通常擺放著多部12395電話機、傳真機、110電話機、VHF電臺、漁業(yè)電臺等多種類型的終端,多種復雜終端給值班員的操作帶來了較大的不便,直接影響到值班員的接觸警效率。如何將值班員桌面上的各類終端融合到集成化的值班座席,并實現(xiàn)一鍵式操作是整個應急通信融合接入、統(tǒng)一指揮調(diào)度的綜合體現(xiàn)。

如圖2所示,本文采用程控交換機和無線電臺適配器的方案,對有線報警電話和無線報警電臺進行無縫集成融合。這個方案既能滿足有線電話的接入,又能適應用戶現(xiàn)場各種無線電臺的接入,實現(xiàn)了各類操作終端的適配連接。

圖2 通信設備和操作終端的適配接入Fig.2 Integration of communication equipment and operating terminals

3 系統(tǒng)各主要部分的設計與實現(xiàn)

海上遇險搜救綜合通信系統(tǒng)利用程控調(diào)度交換機H20-20和無線電臺適配器來實現(xiàn)有線通信系統(tǒng)與無線通信系統(tǒng)的無縫集成融合,并具有報文接收和解析、GMDSS系統(tǒng)接入、語音通信自動錄音的能力。下面詳細介紹各部分的設計實現(xiàn)過程。

3.1 H20-20交換機

H20-20交換機通過環(huán)路啟動中繼板或2M數(shù)字中繼板(LS/2M)為12395專線/110專線/抗震救災專線/傳真專線/海事衛(wèi)星電話專線提供接口;提供U口2B+D數(shù)字調(diào)度板(DDU),用于連接調(diào)度臺的U口2B+D數(shù)字接口板(ADIB)或RA的U口2B+D數(shù)字接口板(RDIB),從而為SSB/800M/110電臺、MF/HF/VHF電臺、電傳機提供接口;通過 DDU板為調(diào)度臺提供接口;通過模擬用戶板(ALU)為傳真服務器、海事局辦公電話提供接口;通過錄音用戶板(RCU)為錄音服務器提供接口。

其分層結(jié)構(gòu)如圖3所示,包括物理層、鏈路層和應用層。在調(diào)度臺/RA一側(cè),物理接口由U口2B+D數(shù)字接口板(ADIB/RDIB)提供;在H20-20交換機一側(cè),物理口由DDU提供。DDU板與ADIB/RDIB板之間可通過音頻電纜實現(xiàn)連接,環(huán)路距離可達4.3 km。當調(diào)度臺或RA與H20-20交換機之間的距離超過4.3 km時,可通過U口延伸設備和數(shù)字傳輸網(wǎng)絡實現(xiàn)U口延伸。

圖3 2B+D數(shù)字用戶通信技術(shù)Fig.3 2B+D digital subscriber communications technology

3.2 無線電臺適配器

如圖1所示,12395專線、抗震救災專線、值班電話、辦公電話等有線通信手段直接通過標準的LS環(huán)路中繼或2M數(shù)字中繼與調(diào)度交換機互聯(lián),實現(xiàn)相關(guān)電話的接入,并通過值班坐席進行電話綜合調(diào)度。而無線通信手段需要通過RA連接SSB/800M/110電臺、JRC電臺來實現(xiàn)無線轉(zhuǎn)有線話音通信、按講(PTT)控制以及調(diào)度臺針對JRC電臺所進行的選臺選頻控制、NAVTEX航情報文接收、DSC遇險報文接收和確認等。

RA的一端與電臺/具有RS-232接口的電傳機設備相連接,另一端與H20-20交換機的DDU板相連接。RA在與SSB/800M/110電臺相連接時,需要提供話音及PTT接口;在與MF/HF/VHF電臺相連接時,需要提供話音接口、PTT接口以及RS-232接口。針對海事應急輔助指揮系統(tǒng)試點工程的需求,RA提供以下功能:電臺話音接口阻抗匹配、初始化報告、在線狀態(tài)報告、活動語音檢測、收發(fā)音量控制、活動語音檢測靈敏度控制、主動被監(jiān)聽、通話結(jié)束自動釋放、話音輸出接口、PTT控制、RS-232接口波特率設置、供電方式、狀態(tài)指示及外部接口等。

RA的功能框圖如圖 4所示。它由CPU控制器、電源模塊、U接口、PTT控制接口、RS-232接口、阻抗匹配處理、收發(fā)音量調(diào)節(jié)、話音輸出接口、活動語音檢測等組成。CPU控制器是RA的控制核心。阻抗匹配處理對RA所接電臺的音頻收發(fā)線連接進行接口阻抗匹配,使話音接口阻抗符合600 Ψ標準。RA采用外接220 V交流整流器轉(zhuǎn)5 V直流(DC)的供電方式,電源模塊接受5V DC供電,并為其他電路提供所需的二次電源。

圖4 RA的功能框圖Fig.4 Functional block diagram of radio adapter

RA通過背板提供RJ-11插座用于U口連接,提供D9插頭用于RS-232串口連接,提供D9插座用于電臺音頻收發(fā)和PTT控制線連接,提供3.5 mm雙聲道音頻插座用于有源音箱連接,提供直流電源插座用于外置5V DC電源連接。

3.3 報文接收和解析

如圖5所示,報文服務器通過不同的調(diào)用接口分別與傳真服務器、錄音服務器、報文電傳服務器、調(diào)度臺、第三方應用軟件進行通信。報文電傳服務器通過報文服務器接收來自調(diào)度臺的NAVTEX航情報文、DSC遇險報文、電傳,對數(shù)據(jù)提供暫存及提取管理。

圖5 報文服務器調(diào)用接口的連接關(guān)系Fig.5 Connection of message severs

報文服務器利用傳真服務調(diào)用接口、錄音服務調(diào)用接口、報文電傳服務調(diào)用接口、調(diào)度臺應用服務調(diào)用接口,從傳真服務器、錄音服務器、報文電傳服務器、調(diào)度臺獲得相關(guān)的數(shù)據(jù)或服務,并向第三方應用軟件接口提供相關(guān)的調(diào)用服務,用于警情關(guān)聯(lián)處理或控制調(diào)度臺實現(xiàn)呼叫。

3.4 GMDSS系統(tǒng)接入

為了支持調(diào)度指揮相關(guān)功能,還需要提供GMDSS系統(tǒng)中關(guān)于海事衛(wèi)星、VHF、DSC、NAVTEX、NBDP等設備的接入,如圖6所示。

圖6 GMDSS系統(tǒng)的設備接入Fig.6 Access to GMDSS equipment

圖中,海事衛(wèi)星地面站、VHF、DSC、NAVTEX、NBDP電臺也是通過RA接入H20-20交換機系統(tǒng)。RA的一端通過音頻電纜與H20-20交換機的DDU板相連接,另一端通過專用電纜組件與電臺的音頻收發(fā)線、PTT控制線以及RS-232接口相連接,或與具有RS-232接口的電傳機相連接。

3.5 自動錄音系統(tǒng)

采用計算機電信合成(CTI)技術(shù)的網(wǎng)絡應用平臺可以實現(xiàn)值班臺通話的實時錄音,這種增強的錄音方式保留了數(shù)字錄音系統(tǒng)的優(yōu)點,同時又得到CTI平臺強大功能的支持。由于采用了分布式網(wǎng)絡平臺,新一代的錄音系統(tǒng)除了支持數(shù)字錄音質(zhì)量以外,還提供了多點互連、遠程查詢、接入 Internet、互聯(lián)呼叫中心、集成第三方系統(tǒng)等眾多優(yōu)勢。錄音系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖和主界面分別如圖7和圖8所示。

圖7 錄音系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Schematic diagram of recording system

圖8 錄音系統(tǒng)的主界面Fig.8 The main interface of the recording system

單套自動錄音系統(tǒng)可支持128路同時錄音、支持多個錄音磁盤循環(huán)錄音,可按壓控、音控以及碼控等不同的方式啟動錄音,磁盤滿后自動切換到下一磁盤,具有遠程FTP同步備份功能和全自動備份功能,可以將錄音自動備份到其他磁盤、進行自動磁盤管理功能,能夠刪除存放時間過長的錄音記錄,并當錄音空間不足時自動刪除最舊的錄音。

4 系統(tǒng)測試結(jié)果

此部分對所設計實現(xiàn)的海上遇險搜救綜合通信系統(tǒng)進行了測試,并給出了相關(guān)結(jié)果。

4.1 基本功能測試及結(jié)果

為測試本系統(tǒng)的基本功能,我們分別在浙江和海南進行了船舶測試。測試環(huán)境:晴朗、大霧、小雨、中雨、雷陣雨等天氣情況;有無無線頻率干擾情況;沒有障礙物、有大量船舶、有島嶼、有堤壩等海面直線障礙物的情況;接收天線離海面的高度2～15 m;終端佩帶于肩膀上、漂浮于海面上、舉在手上等情況。該系統(tǒng)的基本功能測試及結(jié)果如表1所示。

表1 基本功能測試及結(jié)果Table 1 Basic functional test and result

從表中可知,該系統(tǒng)的各項基本功能都達到了要求,實現(xiàn)了將現(xiàn)有海上 12395電話、移動電話、VHF電臺、漁業(yè)電臺綜合到同一個通信平臺,將有線電話、傳真、無線通話等業(yè)務集成到同一值班坐席綜合處理,簡化了操作員的桌面終端,提高了操作員的操作效率,避免了操作失誤。值班員的桌面只需要擺放一臺顯示器及1～2部普通電話機就能實現(xiàn)有線、無線、傳真等多種報警業(yè)務的綜合處理,并且每個值班座席具有來電管理、快捷撥號、電話會議、電話錄音等功能。

4.2 圖像視頻傳輸測試

圖像視頻傳輸測試由海上無線圖像傳輸測試、陸上視頻傳輸測試以及海陸間實時傳輸測試組成。測試結(jié)果表明,海事巡邏船和救助船舶可實現(xiàn)從測試海區(qū)到MRCC及各MRSC的現(xiàn)場圖像信號傳輸。在煙臺成山頭的測試中,VTS鐵塔安裝無線基站,巡邏船配置一臺無線船載站,可實現(xiàn)巡邏船現(xiàn)場圖像信號經(jīng)無線移動系統(tǒng)到成山頭無線基站的傳輸,再通過成山頭VTS與煙臺MRSC間的專線,進一步實現(xiàn)了圖像傳輸?shù)綗熍_MRSC的任務。

測試結(jié)果還表明,本文所設計的海上遇險搜救綜合通信系統(tǒng)充分利用了程控調(diào)度交換機的可靠性及無線電臺適配器具有電臺阻抗匹配調(diào)節(jié)及活動語音自動檢測的特性,能適應用戶現(xiàn)有的各種型號電臺,并能將無線電臺的語音及PTT控制信號無縫連接到有線通信系統(tǒng)上。

本系統(tǒng)與現(xiàn)有的其他系統(tǒng)相比具有以下優(yōu)勢:(1)充分利用程控調(diào)度交換機系統(tǒng)的可靠性及電話調(diào)度功能的靈活性,能最大程度滿足應急指揮調(diào)度的各項電話功能;(2)無線電臺適配器具有電臺阻抗匹配調(diào)節(jié)及活動語音自動檢測的特性,能適應用戶現(xiàn)有的各種型號電臺,并能將無線電臺的語音及PPT控制信號無縫融合到有線電話系統(tǒng);(3)集成化值班坐席操作簡單,使用方便,具有電話、電子傳真、無線電臺通話、電話錄音的綜合業(yè)務處理功能。

5 結(jié)束語

針對目前各級海上搜救中心多種通信手段并存的情況,本文設計并實現(xiàn)了海上遇險搜救綜合通信系統(tǒng),可以將海上應急搜救領(lǐng)域使用的不同類型、基于不同技術(shù)體系和通信協(xié)議的通信設備和各類數(shù)字電傳設備統(tǒng)一接入,實現(xiàn)了對無線電臺的調(diào)度通話、頻選控制以及對數(shù)字電傳報文的接收解析等功能,并將原本分散的各類操作終端集成到一個操作座席上,有效使用了各種海上及岸上可用的通信資源和人力資源,從而實現(xiàn)了海上遇險船舶與搜救中心之間的立體化、全天候搜救通信以及海上搜救行動的綜合指揮調(diào)度。測試結(jié)果驗證了系統(tǒng)的有效性和可靠性。

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