隋 多，邱占芝，王偉健

(大連交通大學 軟件學院，遼寧 大連 116000)*

0 引言

進入21世紀以來，海上運輸業(yè)的蓬勃發(fā)展導致港口海岸線資源日益緊張，建設開敞式碼頭已經(jīng)成為解決港口海岸線資源消耗殆盡的必然趨勢.然而，開敞式碼頭直面海洋，系靠泊作業(yè)環(huán)境惡劣，風、海浪、潮流等環(huán)境動力要素，對系靠作業(yè)安全構(gòu)成極大的威脅.在過大的風浪流作用下，船舶運動幅度將加劇，極易造成系泊纜力超限，造成斷纜事故發(fā)生.2006年7月15日，發(fā)生在大連30萬噸級進口原油碼頭的原油船“偉大聯(lián)盟”的斷纜漂流擱淺事故險些造成27萬噸進口原油的泄漏［1］.為此，亟待建立大型開敞式碼頭系靠泊網(wǎng)絡化實時監(jiān)控系統(tǒng)，以便保證系靠泊作業(yè)安全，提高系靠泊作業(yè)效率.本文針對開敞式碼頭系靠泊網(wǎng)絡化監(jiān)控系統(tǒng)的運行需求，研究系統(tǒng)不同監(jiān)測對象的數(shù)據(jù)傳輸方法，給出系統(tǒng)組網(wǎng)模式、網(wǎng)絡系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，以及數(shù)據(jù)傳輸技術與處理流程，并通過系統(tǒng)模擬驗證提出方法的有效性.

1 需求與監(jiān)控目標分析

船舶大型化與碼頭深水化的發(fā)展使得碼頭越來越多的建設在外海開敞區(qū)域，合理的布纜方式與恰當?shù)淖o舷保護有助于系泊船舶對外海自然條件的抵御與適應.開敞式碼頭的平面布局方式一般分為四種:常規(guī)的開敞式泊位、“蝶”形的開敞式泊位、浮筒系泊的開敞式泊位、多方位的開敞式泊位［2］.在我國一般多采用“蝶”形開敞式泊位(如圖1所示為蝶形碼頭泊位系纜示意圖).

圖1 蝶形碼頭泊位系纜示意圖

由于受到自然因素包括海風、海浪、海流的共同作用，系泊船舶會產(chǎn)生不可抗拒的六自由度復合運動，這六個自由度分別是橫移(sway)、縱移(surge)、升沉(heave)、橫搖(roll)、縱搖(pitch)、回轉(zhuǎn)(yaw)［3］.強復合運動會導致纜繩張力過大而發(fā)生崩斷，之后纜力重新分配作用于剩余纜繩而使其悉數(shù)斷裂，因此監(jiān)控系統(tǒng)要保證對上述六自由度進行實時監(jiān)測.監(jiān)控系統(tǒng)還要能準確地獲取系泊船舶的基本信息(如船舶名稱、船舶編號、排水量、泊位編號、國籍、進離港日期等).實時視頻監(jiān)測模塊也是船舶監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分，它采用數(shù)字化和網(wǎng)絡化的多角度進行動態(tài)實時視頻監(jiān)測，更直觀更快捷地掌握船舶系泊情況.

經(jīng)上述分析并結(jié)合用戶實際需求，監(jiān)控系統(tǒng)主要傳輸數(shù)據(jù)分為以下四大類:

(1)船舶靜態(tài)屬性(船舶名稱、船舶編號、排水量、泊位編號、國籍等);

(2)船舶動態(tài)屬性(纜繩張力、護舷壓力、橫移、縱移、升沉、橫搖、縱搖、回轉(zhuǎn)等);

(3)海洋環(huán)境信息(風向、風速、流向、流速、浪高等);

(4)視頻監(jiān)測信息.

基于上述監(jiān)測對象的傳輸需求，整個開敞式碼頭系靠泊網(wǎng)絡化實時監(jiān)控系統(tǒng)被分成三層結(jié)構(gòu):監(jiān)控層、網(wǎng)關層、網(wǎng)絡層.其監(jiān)控層由CAN總線和CDMA2000 1X網(wǎng)絡擔當，網(wǎng)關層則由對應的CAN/Ethernet網(wǎng)關和PDSN網(wǎng)關組成，而上位機網(wǎng)絡層由以太網(wǎng)Ethernet來搭建.纜繩張力與護舷壓力的底層采集模塊通過CAN總線網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸與CAN/Ethernet網(wǎng)關的轉(zhuǎn)換功能，將采集數(shù)據(jù)實時傳輸至基于以太網(wǎng)的上位機網(wǎng)絡中;船舶靜態(tài)屬性、部分船舶動態(tài)屬性、海洋環(huán)境信息、視頻監(jiān)測信息則利用目前流行的移動通信網(wǎng)下的3G網(wǎng)絡CDMA2000 1X與PDSN網(wǎng)關進行數(shù)據(jù)的傳輸.據(jù)此，開敞式碼頭系靠泊網(wǎng)絡化實時監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)如下圖2所示.

圖2 數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)

2 數(shù)據(jù)傳輸方法

開敞式碼頭系靠泊網(wǎng)絡化實時監(jiān)控系統(tǒng)采用兩種數(shù)據(jù)傳輸方法:CAN總線——以太網(wǎng)Ethernet傳輸和CDMA2000 1X——以太網(wǎng) Ethernet傳輸.其中，前者主要涉及纜力與護舷壓力的數(shù)據(jù)傳輸，而其余監(jiān)控對象的數(shù)據(jù)傳輸均采用后者.

2.1 纜力與護舷壓力的數(shù)據(jù)傳輸

纜力與護舷壓力的數(shù)據(jù)傳輸方案:電阻應變式傳感器［4］采集的實時數(shù)據(jù)，通過 CAN發(fā)送模塊，將數(shù)據(jù)以CAN數(shù)據(jù)幀格式進行總線傳輸，使之到達CAN/Ethernet網(wǎng)關，CAN數(shù)據(jù)幀利用網(wǎng)關，轉(zhuǎn)換成為以太網(wǎng)幀，最終通過以太網(wǎng)傳輸?shù)竭_上位機系統(tǒng).纜力與護舷壓力的數(shù)據(jù)傳輸，應具有高實時性、高可靠性，因此系統(tǒng)采用當今主流CAN總線(ControllerAreaNetwork)作為監(jiān)控底層網(wǎng)絡.CAN現(xiàn)場總線技術廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)、航海工程等領域，它作為智能設備的聯(lián)系紐帶，把掛接在總線上、作為網(wǎng)絡節(jié)點的智能設備連接成為一種全分布網(wǎng)絡控制系統(tǒng)［5］.而基于以太網(wǎng)Ethernet的上位機網(wǎng)絡，具有低成本、易組網(wǎng)、高速率等特點，滿足開敞式碼頭全方位的信息傳遞、共享和集成功能.CAN總線與以太網(wǎng)的連接紐帶由CAN/Ethernet網(wǎng)關擔當.

CAN總線只包含物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層，采用短幀結(jié)構(gòu)并以多主方式工作.傳感器的采集值，采用CAN技術規(guī)范(Version 2.0)中定義的含有29位標識符的擴展幀格式來表示.其中，具體涉及到四種不同類型的幀:數(shù)據(jù)幀(Data Frame)、遠程幀(Remote Frame)、錯誤幀(Error Frame)、過載幀(Overload Frame).數(shù)據(jù)幀(Data Frame)是由7個不同的位域(Bit Field)組成，包括幀起始(Start of Frame)、仲裁域(Arbitration Field)、控制域(Control Field)、數(shù)據(jù)域(Data Field)、CRC 域(CRC Field)、應答域(ACK Field)和幀結(jié)尾(End of Frame)［6］.具體的 CAN 報文格式如表1所示，標識符中的ID28到ID18為基本ID，它定義了擴展幀的基本優(yōu)先權(quán);而ID17到ID0為擴展ID，表示纜繩或護舷設備編號(如艏纜、艉纜、1JHJ護舷等);數(shù)據(jù)域由4個字節(jié)組成，表示纜力和護舷壓力的數(shù)值.Can/Ethernet網(wǎng)關是以微處理器+TCP/IP協(xié)議棧芯片+以太網(wǎng)物理層接口芯片的形式來組建［7］，CAN數(shù)據(jù)幀經(jīng)過Can/Ethernet網(wǎng)關中的TCP/IP協(xié)議棧各層協(xié)議的處理變成以太網(wǎng)幀，即在CAN數(shù)據(jù)前添加相應的協(xié)議頭，如鏈路層的以太網(wǎng)幀頭，網(wǎng)絡層的IP包頭以及傳輸層的TCP或UDP頭.封包好的以太網(wǎng)幀，通過幀上的目的地址，到達目的MAC地址的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，在網(wǎng)絡層中需要處理相應的IP包和ARP包，ARP包用以實現(xiàn)IP地址與MAC地址的映射，而IP包經(jīng)過IP協(xié)議解析變成了ICMP包、TCP包或UDP包，ICMP包經(jīng)過ICMP協(xié)議處理后，發(fā)送錯誤報告或信息，TCP或UDP包經(jīng)過TCP或UDP協(xié)議解析后，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綉脤又械纳衔粰C系統(tǒng).上位機與Can/Ethernet網(wǎng)關的傳輸采用SOCKET套接字連接，其中網(wǎng)關工作在服務器端，上位機工作在客戶端.傳輸時雙方首先建立SOCKET套接字，服務器端(網(wǎng)關)綁定套接字，監(jiān)聽指定端口，等待連接.客戶端(上位機)發(fā)送建立連接命令Connect()，等待服務器端回應.連接建立后，纜力與護舷壓力數(shù)據(jù)開始進行上傳，上傳結(jié)束后關閉套接字連接.

表1 CAN報文格式定義

2.2 其余監(jiān)控對象的數(shù)據(jù)傳輸

其余監(jiān)控對象的數(shù)據(jù)傳輸方案:現(xiàn)場采集的實時數(shù)據(jù)，通過CDMA 2000 1X發(fā)送模塊的空中接口，將數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)絇DSN網(wǎng)關，網(wǎng)關將數(shù)據(jù)幀封裝成以太網(wǎng)幀進入上位機網(wǎng)絡，最終到達目的上位機系統(tǒng).船舶靜態(tài)屬性、部分船舶動態(tài)屬性、海洋環(huán)境信息及視頻監(jiān)測信息的采集監(jiān)測節(jié)點分布廣闊，海況復雜惡劣，有線傳輸方案存在布線、傳輸距離及擴展性方面的限制，而采用衛(wèi)星通信又價格不菲，因此移動通信網(wǎng)就成為首選數(shù)據(jù)傳輸方式.同時，采用CDMA2000 1X的3G網(wǎng)絡相比于GSM和GPRS，在傳輸速率和傳輸帶寬具有明顯優(yōu)勢，例如在視頻監(jiān)測信息中，CDMA2000 1X可以達到384 kbps的速率，以碼頭現(xiàn)場24位攝像機拍攝的CIF(分辨率為352 dpi×288 dpi)格式視頻畫面為基礎，算出每幀的原始數(shù)據(jù)量為352×288×24÷1 024=2 376 kbit，系統(tǒng)同時采用圖像壓縮比為250∶1的H.264標準進行壓縮編碼，則CDMA2000 1X每秒可傳幀數(shù)為384÷(2 376÷250)=40幀，由于24幀/s就能使人眼觀察到順暢畫面，因此CDMA2000 1X滿足視頻監(jiān)測信息的帶寬要求［8］.

CDMA2000 1X的技術基礎是CDMA(Code Division Multiple Access)碼分多址技術，它是在分支-擴頻通信技術上發(fā)展起來的一種擴頻技術，其原理是將被傳送信號用一個帶寬遠大于被傳信號的高速偽隨機碼(PN碼)進行調(diào)制，導致了原信號帶寬的擴展，然后經(jīng)載波調(diào)制(二進制相移鍵控BPSK)發(fā)送，接收端采用完全相同的高速偽隨機碼，對接收信號進行相應的處理，把擴展寬帶信號還原回了原被傳送信號［9］.CDMA2000 1X——以太網(wǎng)Ethernet網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括傳感器采集終端、CDMA數(shù)據(jù)傳輸單元(CDMA DTU)、基站收發(fā)機 BTS(Base Transceiver Station)、基站控制器 BSC(Base Station Controller)、分組控制功能 PCF(Packet Control Function)、分組業(yè)務數(shù)據(jù)節(jié)點PDSN(Packet Data Serving Node)、AAA Server(Authentication，Authorization，Accounting)、歸屬地代理HA(Home Agent)、上位機.數(shù)據(jù)鏈路通道建立后，CDMA數(shù)據(jù)傳輸單元(CDMA DTU)利用BTS，將采集到的分組數(shù)據(jù)發(fā)送到BSC上，BSC中的PCF提供到PDSN的PPP幀傳輸，用來實現(xiàn)監(jiān)測設備與PDSN的 PPP協(xié)議連接，PPP協(xié)議包含鏈路控制協(xié)議LCP(Link Control Protocol)、網(wǎng)絡控制協(xié)議NCP(Network Control Protocol)、認證協(xié)議:PAP(Password Authentication Protocol，口令驗證協(xié)議)、CHAP(Challenge-Handshake Authentication Protocol，挑戰(zhàn)握手驗證協(xié)議)，當一個 NCP處于 Opened狀態(tài)時，PPP傳輸相應的網(wǎng)絡層協(xié)議數(shù)據(jù)包，而PDSN作為接入網(wǎng)關，根據(jù)上位機的IP地址，最終將數(shù)據(jù)封包發(fā)送到上位機監(jiān)控中心.PDSN提供了簡單IP和移動IP兩種接入方式，簡單IP就是從PDSN的地址池中分配一個動態(tài)IP地址給某一監(jiān)測設備，使監(jiān)測設備可以和外界進行通信;而移動IP是PDSN周期性的向監(jiān)測設備發(fā)送代理廣播消息，代理廣播中含有地址池中的一系列地址.特別指出，視頻監(jiān)測信息在傳輸層采用了RTP/RTCP協(xié)議，采集壓縮后的視頻數(shù)據(jù)首先進行了RTP封裝，RTP提供端到端的實時數(shù)據(jù)傳輸服務，還需使用UDP協(xié)議作為下一層協(xié)議，對RTP包進行UDP封裝和IP封裝，共同完成視頻分組數(shù)據(jù)的傳輸［10］.

圖3 CDMA2000 1X——以太網(wǎng)Ethernet網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

3 模擬仿真

上位機系統(tǒng)是整個監(jiān)控系統(tǒng)的核心，控制著整個系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)，完成對監(jiān)控終端設備的數(shù)據(jù)、狀態(tài)、故障等信息的解析處理，并以圖形方式顯示給管理員或用戶.KingView組態(tài)王開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)軟件，是新型的工業(yè)自動控制系統(tǒng)，它以標準的工業(yè)計算機軟、硬件平臺構(gòu)成的集成系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的封閉式系統(tǒng)，具有適應性強、開放性好、易于擴展、經(jīng)濟、開發(fā)周期短等優(yōu)點.使用組態(tài)王開發(fā)的基本過程為圖形界面的設計、構(gòu)造數(shù)據(jù)庫、建立動畫連接、運行和調(diào)試.圖4為組態(tài)王KingView 6.55進行的開敞式碼頭系靠泊網(wǎng)絡化實時監(jiān)控系統(tǒng)的仿真界面.

圖4 實時監(jiān)控系統(tǒng)仿真界面

4 結(jié)論

本文通過分析開敞式碼頭系靠泊網(wǎng)絡化實時監(jiān)控系統(tǒng)中的監(jiān)控對象，確定了由監(jiān)控層、網(wǎng)關層和網(wǎng)絡層構(gòu)成的三層數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu).纜力與護舷壓力采用CAN總線作為監(jiān)控層網(wǎng)絡，其他監(jiān)控對象則采用CDMA2000 1X作為監(jiān)控層網(wǎng)絡，二者通過對應Can/Ethernet網(wǎng)關和PDSN網(wǎng)關的處理，將數(shù)據(jù)上傳至以太網(wǎng)中的上位機系統(tǒng).最后，通過組態(tài)王KingView 6.55模擬仿真了上位機系統(tǒng)的監(jiān)控界面，驗證了提出方法的有效性.

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