趙德福

(江西服裝學(xué)院，江西 南昌100161)

0 引 言

船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)控是指通過技術(shù)手段實(shí)時(shí)監(jiān)控船舶的所在位置，從而實(shí)現(xiàn)對船舶信息、船隊(duì)管理、船舶查詢、船舶通信的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)跟蹤。

目前，較為主流的監(jiān)控應(yīng)用模式可分為沿海CDMA 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、衛(wèi)星監(jiān)控和沿海AIS 系統(tǒng)監(jiān)控3種。其中，沿海CDMA 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控要求船基安裝發(fā)射裝置，岸基安裝接收裝置，通過CDMA 網(wǎng)絡(luò)傳輸船舶動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，該監(jiān)控方式受CDMA 信號限制，僅適合于沿海運(yùn)輸船舶;衛(wèi)星監(jiān)控通過船載的衛(wèi)星發(fā)射和接收裝置傳輸數(shù)據(jù)，該方式雖然不受區(qū)域限制，但通訊費(fèi)用昂貴;AIS 系統(tǒng)監(jiān)控通過船舶安裝的AIS系統(tǒng)實(shí)時(shí)掌握船舶動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，由于AIS 系統(tǒng)發(fā)射的信號只能覆蓋30 n mile，因此該監(jiān)控方式也限制在港區(qū)內(nèi)的監(jiān)控。本文提出一種基于云計(jì)算的船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)合CDMA 與海事衛(wèi)星2 個(gè)網(wǎng)絡(luò)，通過切換開關(guān)選擇網(wǎng)絡(luò)以保障通信的穩(wěn)定可靠。在近海時(shí)，基于CDMA 無線網(wǎng)絡(luò)傳輸，在遠(yuǎn)海時(shí)，基于海事衛(wèi)星BGAN 網(wǎng)絡(luò)傳輸。同時(shí)，該系統(tǒng)采用云計(jì)算技術(shù)均衡負(fù)載，實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化配置，解決大規(guī)模數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析問題。

1 云計(jì)算與監(jiān)控技術(shù)

1.1 云計(jì)算

云計(jì)算基于互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)服務(wù)的增加、使用和交付模式，通常涉及通過互聯(lián)網(wǎng)來提供動(dòng)態(tài)易擴(kuò)展且經(jīng)常是虛擬化的資源。主要技術(shù)包括編程模式、海量數(shù)據(jù)分別存儲(chǔ)技術(shù)、海量數(shù)據(jù)管理技術(shù)、虛擬化技術(shù)、云計(jì)算平臺(tái)管理技術(shù)等［1］。美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)有關(guān)云計(jì)算的概念如圖1 所示，云計(jì)算體系結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖1 云計(jì)算Fig.1 Cloud computing

圖2 云計(jì)算體系結(jié)構(gòu)Fig.2 Cloud computing architecture

1.2 監(jiān)控技術(shù)

大規(guī)模分布式應(yīng)用的監(jiān)控系統(tǒng)通常采用集中式體系結(jié)構(gòu)和階梯式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2 種模式，其體系結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 分布式監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Distributed monitoring system architecture

其中，集中式結(jié)構(gòu)為C/S 模式，由監(jiān)控服務(wù)器和監(jiān)控代理2 部分組成，具有延遲小、易管理、易部署等優(yōu)勢，其劣勢在于存在單點(diǎn)失效，節(jié)點(diǎn)多時(shí)響應(yīng)慢，當(dāng)客戶端代碼需要做出修改的時(shí)候，或者某臺(tái)客戶端機(jī)器損壞時(shí)，必需重新安裝客戶端軟件，這些都給客戶端的部署和維護(hù)帶來了困難。階梯式系統(tǒng)則可以彌補(bǔ)集中式系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)增多，控制受限的缺點(diǎn)，但是當(dāng)節(jié)點(diǎn)較多時(shí)，其層次結(jié)構(gòu)負(fù)責(zé)，會(huì)使得系統(tǒng)延時(shí)增大，同時(shí)程序的部署與實(shí)施困難程度也大大增加。隨著瀏覽器技術(shù)的逐漸成熟，出現(xiàn)的B/S 結(jié)構(gòu)(見圖4)，利用瀏覽器代替客戶端，大大簡化了客戶端，只要使用任意一臺(tái)有瀏覽器的機(jī)器就能夠工作。但是B/S 受網(wǎng)絡(luò)通信速度限制，頁面動(dòng)態(tài)刷新響應(yīng)速度低，而且需要解決數(shù)據(jù)堵塞，存儲(chǔ)空間的問題。

為解決傳統(tǒng)監(jiān)控技術(shù)存在的問題，本文將云計(jì)算技術(shù)應(yīng)用到安防領(lǐng)域，提出基于云計(jì)算的船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用云計(jì)算分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以提高系統(tǒng)工作效率、增強(qiáng)存儲(chǔ)功能、增強(qiáng)智能化分析與搜索能力［2］。

2 云計(jì)算平臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)需求分析

監(jiān)控系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)如下:

1)船舶信息管理

船舶信息管理主要負(fù)責(zé)對船舶基本信息進(jìn)行登記、查詢、更新和修改。基本信息包括船舶資料、航次信息、貨物信息等。

船舶信息:主要包括IMO 編碼、呼號、船名、國籍、船只尺寸、類型、船舶的經(jīng)營人信息、貨物種類。

航次信息:包括航運(yùn)基本信息，例如每次航運(yùn)路線、安檢記錄、船員名單、船員證書等。

貨物信息:主要包括貨物種類、貨物重量等。

2)船員信息管理

船員信息管理包括對船長、輪機(jī)長、駕駛員、輪機(jī)員等人員基本資料登記、任職記錄登記、報(bào)批登記、交接班記錄、綜合查詢與分析、船員換班管理，以及統(tǒng)計(jì)所有與船舶船員工作過程控制有關(guān)的工作任務(wù)。

3)船舶實(shí)時(shí)監(jiān)控

通過網(wǎng)絡(luò)電子海圖技術(shù)，建立船舶動(dòng)態(tài)信息實(shí)時(shí)顯示，進(jìn)行船位跟蹤，顯示速度、標(biāo)示、航線等信息，并在電子海圖上顯示動(dòng)態(tài)船型和船舶航向、船速、位置等動(dòng)態(tài)航行信息，顯示船舶名字、呼號、MMSI、貨物種類等船舶靜態(tài)信息。

4)船舶航行軌跡回放

根據(jù)需要，查看船舶在某段時(shí)間范圍內(nèi)的航行軌跡，支撐下載回放，支持放大(縮小)、拉框放大(縮小)、比例尺設(shè)定、特定監(jiān)控區(qū)域設(shè)置等功能。

5)船舶遠(yuǎn)程通信控制

實(shí)現(xiàn)船岸數(shù)據(jù)交換以及岸端對船舶端的控制。

6)電子海圖數(shù)據(jù)處理

主要包括海圖顯示、海圖計(jì)算工具、標(biāo)繪工具、海圖打印、信息分類顯示等功能，支持放大(縮小)、拉框放大(縮小)、比例尺設(shè)定。

7)氣象數(shù)據(jù)處理

對氣象、潮汐、洋流等信息進(jìn)行管理，包括氣象實(shí)況分析、形勢預(yù)測、各近海海區(qū)預(yù)報(bào)、各遠(yuǎn)海海區(qū)預(yù)報(bào)等功能。

8)燃油控制數(shù)據(jù)處理

對船舶運(yùn)行過程的燃油消耗進(jìn)行監(jiān)控，主要負(fù)責(zé)完場油品定額 (燃料油、潤滑油)、油品消耗(日、航次報(bào)告)、節(jié)油統(tǒng)計(jì)、油品檢驗(yàn)、設(shè)備油液趨勢分析、設(shè)備油品管理等工作，為降低海運(yùn)成本，節(jié)能減排提供可靠地?cái)?shù)據(jù)支持。

9)日志

包括設(shè)備異常、視頻丟失等各種船舶報(bào)警日志，船舶信息查詢工作日志等。

此外，系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)過程中應(yīng)該滿足以下標(biāo)準(zhǔn):

1)國際海盜測量組織(IHO)S57 數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)。

2)國際海盜測量組織(IHO)ECDIS 海圖內(nèi)容顯示與顯示規(guī)范S52 標(biāo)準(zhǔn)。

3)海軍航海保證部VCF 電子海圖數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)。

4)中國海圖圖式標(biāo)準(zhǔn)GB1239 -1998。

5)符合國際海事組織(IMO)、國際電信聯(lián)盟(ITU)等相關(guān)國際組織的船舶通訊標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于云計(jì)算的船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)解決方案如圖4 和圖5 所示。其中圖4 為利用云計(jì)算的分布式應(yīng)用框架，圖5 為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖4 分布式架構(gòu)Fig.4 Distributed architecture

圖5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.5 System architecture

將分布式應(yīng)用布置在云端，將物理機(jī)轉(zhuǎn)移到依托云平臺(tái)的虛擬機(jī)，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。進(jìn)入云平臺(tái)的應(yīng)用可以更好地對資源進(jìn)行調(diào)度，節(jié)約成本。系統(tǒng)主要以下3 個(gè)部分組成:

1)數(shù)據(jù)采集與處理

在監(jiān)控系統(tǒng)中，首先要保證數(shù)據(jù)源的清晰與有效。在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，根據(jù)船舶型號及尺寸大小，安置多路(4 路～16 路)專業(yè)視頻采集卡及確定攝像頭安裝數(shù)量與位置。攝像頭要求防水、防腐、防爆、具備升級空間。

數(shù)據(jù)采集與處理采用兩層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通過網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與通訊。上層為以太網(wǎng)、下層為總線網(wǎng)。上層網(wǎng)絡(luò)通過云管理平臺(tái)掛接數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理等云資源平臺(tái)。下層網(wǎng)絡(luò)采用現(xiàn)場總線方式，連接數(shù)據(jù)采集模塊與通訊模塊，負(fù)責(zé)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的的采集、處理與分析。

2)船岸通信

船岸通信系統(tǒng)負(fù)責(zé)船舶與陸地管理指揮中心以及各船舶之間的數(shù)據(jù)通信和數(shù)據(jù)共享問題。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的船岸通信方式采用海事衛(wèi)星與CDMA 網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方式，以解決傳統(tǒng)通信方法覆蓋區(qū)域有限、造價(jià)昂貴等問題。根據(jù)船岸見得距離遠(yuǎn)近，通過網(wǎng)絡(luò)切換開關(guān)選擇不同網(wǎng)絡(luò)接入方式。在近海時(shí)，選擇CDMA 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無線通信，將無線視頻監(jiān)控設(shè)備的信號源壓縮編碼后上傳;在遠(yuǎn)海時(shí)，將視頻監(jiān)控設(shè)備網(wǎng)口與海事衛(wèi)星設(shè)備網(wǎng)口連接，通過海事衛(wèi)星傳輸數(shù)據(jù)。海事衛(wèi)星與CDMA 相結(jié)合的通信方式靈活性強(qiáng)，保證無線通信的穩(wěn)定可靠。

3)船上監(jiān)控系統(tǒng)與陸地應(yīng)用管理系統(tǒng)

根據(jù)海運(yùn)管理機(jī)構(gòu)設(shè)置和業(yè)務(wù)流程特點(diǎn)，監(jiān)控系統(tǒng)分為船舶監(jiān)控版與陸地管理版。對于船舶經(jīng)營人而言，通過監(jiān)控系統(tǒng)，可以對船舶整體動(dòng)態(tài)及各項(xiàng)業(yè)務(wù)執(zhí)行情況了然于心;對于港口管理機(jī)構(gòu)而言，通過監(jiān)控系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對船舶航行全過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控，對船舶信息、船隊(duì)管理、船舶查詢、船舶通信的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)跟蹤。

船舶監(jiān)控版注重船舶整體安全狀態(tài)檢測與管理、燃油數(shù)據(jù)評估與預(yù)測、日常船務(wù)工作安排與管理，為陸地指揮管理中心提供各種信息與數(shù)據(jù)。船舶本地采用有線視頻監(jiān)控設(shè)計(jì)［3］，通過本地網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行本地監(jiān)控。在船舶駕駛室、船舶易受攻擊區(qū)域(例如甲板)、防海盜艙室或避難場所安置具有紅外功能的攝像裝置，通過本地監(jiān)控系統(tǒng)對船員工作情況進(jìn)行監(jiān)督管理，對船舶設(shè)備、物資安全進(jìn)行監(jiān)控［4-5］。當(dāng)船只遭遇海盜襲擊時(shí)，本地視頻監(jiān)控系統(tǒng)可以有效幫助船員掌握全船狀況，為進(jìn)一步采取保護(hù)或反擊措施提供了安全保障。此外，本地視頻監(jiān)控系統(tǒng)還可以通過目標(biāo)識別基于檢測技術(shù)，設(shè)定安全警戒距離，實(shí)現(xiàn)防碰撞報(bào)警功能［6］。

陸地管理版注重船舶航行的指揮調(diào)度、安排作業(yè)計(jì)劃、港區(qū)安全保障等。船舶陸地應(yīng)用管理系統(tǒng)海運(yùn)信息處理和決策的中心，船舶動(dòng)態(tài)信息數(shù)據(jù)通過通訊系統(tǒng)進(jìn)入到陸地管理系統(tǒng)后，利用相關(guān)云資源平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的校驗(yàn)、分析、處理，將船舶運(yùn)行信息及時(shí)準(zhǔn)確地分享給陸地管理人員。同時(shí)，陸地管理指揮人員通過該管理系統(tǒng)向各個(gè)運(yùn)行的船舶傳達(dá)相關(guān)命令，實(shí)現(xiàn)對整個(gè)海運(yùn)狀況的調(diào)度與掌控，實(shí)現(xiàn)船岸管理信息化、數(shù)字化、可視化、一體化。

在傳統(tǒng)的船舶監(jiān)控系統(tǒng)中，需要大量的計(jì)算集群和空間數(shù)據(jù)來計(jì)算、分析和存儲(chǔ)海量數(shù)據(jù)。通過云服務(wù)平臺(tái)的引入，用戶只需要通過web 應(yīng)用程序界面來管理數(shù)據(jù)即可，其他所有任務(wù)都交由云計(jì)算來完成。與傳統(tǒng)船舶監(jiān)控系統(tǒng)相比較，利用云計(jì)算技術(shù)構(gòu)建船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)勢在于以下幾點(diǎn):

1)可用范圍:通過申請“云”中的虛擬節(jié)點(diǎn)，可以得到任意的運(yùn)算能力。

2)動(dòng)態(tài)性:云計(jì)算將物理上分布于廣闊地域的計(jì)算資源成為一個(gè)虛擬的、整合的計(jì)算資源，從能根據(jù)用戶的要求動(dòng)態(tài)調(diào)整以及配置應(yīng)用程序。使得用戶可以忽略物理實(shí)質(zhì)和管理細(xì)節(jié)，專注于業(yè)務(wù)與流程的建立上。

3)按需訪問:當(dāng)有需要時(shí)，云計(jì)算立即分配運(yùn)算能力。

4)存儲(chǔ)空間:云平臺(tái)提供近似無限的空間給監(jiān)控系統(tǒng)。

5)協(xié)作性:可以通過公眾網(wǎng)絡(luò)從任何地方訪問。

6)成本:提供即付即用的使用模式，能夠大大節(jié)約信息化成本。云計(jì)算能夠靈活部署計(jì)算資源，實(shí)現(xiàn)按需分配，按量計(jì)費(fèi)，從而提高管理效率。

7)維護(hù):虛擬節(jié)點(diǎn)在云中托管，發(fā)生故障時(shí)，任務(wù)可以自動(dòng)遷移到正常的節(jié)點(diǎn)上。

3 結(jié) 語

中國海運(yùn)船業(yè)正處在快速發(fā)展階段，海運(yùn)安全得到越來越多的關(guān)注。應(yīng)用現(xiàn)代化的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通訊技術(shù)、信息技術(shù)構(gòu)建船岸一體化的監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)，可以滿足海運(yùn)行業(yè)高效、安全、實(shí)時(shí)、低碳的管理要求。本文提出了基于云計(jì)算的船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過云計(jì)算技術(shù)，優(yōu)化資源配置，提高監(jiān)控平臺(tái)存儲(chǔ)能力與數(shù)據(jù)處理能力，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)交互能力強(qiáng)，可視性好。通過采用海事衛(wèi)星與CDMA 雙網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合的方式，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控?zé)o盲區(qū)。隨著云計(jì)算技術(shù)的不斷發(fā)展，其在信息一體化的監(jiān)控平臺(tái)中，將會(huì)發(fā)揮雨來越來越重要的作用。此外，隨著海運(yùn)業(yè)務(wù)量的迅速增長，水上航運(yùn)密度將不斷增加，各大型船舶觸礁及碰撞事故時(shí)有發(fā)生，現(xiàn)階段近海域船舶監(jiān)控系統(tǒng)將滿足不了海運(yùn)安全監(jiān)管的需求，因此，無盲區(qū)的監(jiān)控海上監(jiān)控系統(tǒng)是未來船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢與方向。

［1］云計(jì)算.互聯(lián)網(wǎng)［EB/OL］.http://baike.baidu.com/view/1316082.htm?fr=aladdin Cloud computing.Internet［EB/OL］.http://baike.baidu.com/view/1316082.htm?fr=aladdin.

［2］李萬才.淺析云計(jì)算在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］. 中國安防，2011(7):44 -46.

［3］于謇.基于無線的數(shù)字式船舶視頻監(jiān)控系統(tǒng)［J］. 電視技術(shù)，2012，36(13):128 -130.YU Jian. Digital ship video monitoring system based on wireless［J］.Video Engineering，2012，36(13):128 -130.

［4］方萬水，李煒，吳先高. 艦船損管監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展概述［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2002，24(6):37 -39.FANG Wan-shui，LI Wei，WU Xian-gao.The generalization of damage control system′s development for naval ships［J］.Ship Science and Technology，2002，24(6):37 -39.

［5］王洪波，李海平，董強(qiáng)，等.艦船綜合網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2007，29(1):129 -132.WANG Hong-bo，LI Hai-ping，DONG Qiang，et al. Design of network video monitoring integral system onboard［J］.Ship Science and Technology，2007，29(1):129 -132.

［6］YANG Zhen-qi.Marine traffic accident prediction based on particle swarm optimization - based RBF neural network［D］.Shandong Jiaotong University，2011.