安慶,吳樹森

(1.武漢光谷北斗控股集團(tuán)有限公司,湖北 武漢 430206;2.華中科技大學(xué),湖北 武漢 430074)

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北斗船舶航線監(jiān)管平臺系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

安慶1,吳樹森2

(1.武漢光谷北斗控股集團(tuán)有限公司,湖北 武漢 430206;2.華中科技大學(xué),湖北 武漢 430074)

針對目前對海上船舶采用傳統(tǒng)手段進(jìn)行監(jiān)管存在盲區(qū)及資費(fèi)昂貴的痛點(diǎn),利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)所具有的定位、測速、授時(shí),及其北斗一代所特有的短報(bào)文雙向通信及功能,設(shè)計(jì)了一套北斗船舶航線監(jiān)管平臺系統(tǒng),并將它應(yīng)用于武漢市港航局所轄的船舶航線的監(jiān)管工作中。結(jié)果證明,該系統(tǒng)在不依賴其它通信技術(shù)手段前提下,能夠?qū)崿F(xiàn)船舶實(shí)時(shí)定位、測速、精密授時(shí)、船舶之間、以及船舶與監(jiān)控中心和授權(quán)手機(jī)短報(bào)文雙向通信。另外,還具有防撞報(bào)警、航跡偏差告警等功能,以及全天候、無盲區(qū)、低資費(fèi)、高可靠的優(yōu)勢,有較大的實(shí)用價(jià)值。

北斗一代;短報(bào)文;船舶監(jiān)控;雙向通信

0 引 言

為提升武漢長江中游航運(yùn)中心輻射功能,武漢市先后開通了“江海直達(dá)”、“瀘漢臺集裝箱快班”、21世紀(jì)海上絲綢之路“武漢——東盟試驗(yàn)航線” 及“武漢至日韓集裝箱快線”等近洋航線。武漢市港航管理局作為航線船舶監(jiān)管方,如何有效監(jiān)管所管轄的船舶及整個(gè)航線,保障內(nèi)河,特別是遠(yuǎn)洋航線上船舶的安全,提高船舶的運(yùn)輸和監(jiān)管水平,是一個(gè)函待解決的問題[1]。

傳統(tǒng)的海上船舶監(jiān)控主要手段有船舶自動(dòng)識別系統(tǒng)(AIS)技術(shù)和移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控等[2]。但是,由于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍有一定的局限性,只能在內(nèi)河和近海區(qū)域發(fā)揮作用,超出覆蓋范圍便無法完成通信。雖然AIS系統(tǒng)的應(yīng)用已經(jīng)非常成熟,但是也有其局限性。首先是該系統(tǒng)只能對近海船舶進(jìn)行位置監(jiān)控,到遠(yuǎn)洋地區(qū)則無信號[3],其二,有些國家政府的AIS系統(tǒng)只對國內(nèi)船舶使用,對國外船舶不開放,導(dǎo)致國外船舶到該國海域無法使用AIS系統(tǒng)[4]。目前的辦法是,使用GPS和海事衛(wèi)星的組合,用GPS獲取實(shí)時(shí)位置,再通過海事衛(wèi)星電話報(bào)告給岸上監(jiān)控中心[5]。但海事衛(wèi)星通話昂貴,基本不可能用其進(jìn)行全天候的通話和報(bào)告,而且使用起來也比較麻煩,這就為監(jiān)控中心實(shí)時(shí)監(jiān)控遠(yuǎn)洋船舶帶來了困難。

隨著地球空間信息技術(shù)的發(fā)展,以北斗衛(wèi)星導(dǎo)航、地理信息系統(tǒng)(GIS)、大數(shù)據(jù)及云計(jì)算等為代表的集成技術(shù),為遠(yuǎn)洋船舶航線監(jiān)管平臺系統(tǒng)的研究提供了有力支持,特別是北斗一代的短報(bào)文雙向通信功能,使我們能在不借助其它通信網(wǎng)絡(luò)的前提下,達(dá)到船舶位置的一鍵式監(jiān)控,并可與岸上手機(jī)短信的進(jìn)行互動(dòng),實(shí)現(xiàn)了一種新型的船舶監(jiān)控方法。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國自行研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),是繼美國的GPS、俄羅斯的GLONASS之后第三個(gè)成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[6],2003年完成了“北斗一號”(BD-1)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的組網(wǎng)。BD-1是由兩顆地球靜止衛(wèi)星(80.°E和140.°E),一顆在軌備份衛(wèi)星(110.5.°E)、中心控制系統(tǒng)、標(biāo)校系統(tǒng)和各類北斗用戶接收機(jī)組成[7]。它是借助于BD-1分別與北斗用戶機(jī)、地面控制中心進(jìn)行雙向通信,通過控制中心來進(jìn)行輔助定位,因此是有源的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[8]。其覆蓋范圍是在北緯5°～55°,東經(jīng)70°～140°之間的一個(gè)心臟形區(qū)域,其形狀為上大下小, 最寬處在北緯35°左右,工作頻率為2 491.75 MHz(S波段)和1 615.68 MHz(L波段)[9]。目前,正在進(jìn)行的是“北斗二號”(BD-2)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的組網(wǎng),到2016年3月,已發(fā)射了21顆北斗衛(wèi)星,覆蓋范圍為亞太地區(qū)國家,并且已實(shí)現(xiàn)了無源定位。計(jì)劃到2020年,總共發(fā)射35顆北斗衛(wèi)星形成全球組網(wǎng)覆蓋[10]。我國現(xiàn)在的北斗系統(tǒng)不同于其它衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的一個(gè)最大特點(diǎn)是,它不僅具有定位、授時(shí)、測速的共有功能,而且它還保留了BD-1所特有的雙向短報(bào)文通信功能,單次最多可發(fā)送120個(gè)漢字[11],這是別的導(dǎo)航系統(tǒng)所不具備的,同時(shí)這也是我們設(shè)計(jì)的北斗船舶航線監(jiān)管平臺系統(tǒng)基礎(chǔ)所在。

該系統(tǒng)的基本工作流程是,通過船載北斗接收機(jī)觀測北斗衛(wèi)星原始數(shù)據(jù),在本地解算出位置信息,然后將其或其它信息,經(jīng)過船載北斗接收機(jī)發(fā)射給北斗衛(wèi)星,再由其轉(zhuǎn)發(fā)給地面監(jiān)控中心的北斗指揮機(jī),由指揮機(jī)經(jīng)過數(shù)據(jù)處理再交由監(jiān)控中心各類服務(wù)器和存儲,然后進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理、存儲、展示等。同樣,監(jiān)控中心的調(diào)度信息也可通過北斗指揮機(jī)、北斗衛(wèi)星到達(dá)北斗船載終端。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

采用的北斗船載機(jī)型號為GGBD-ST-02型,如圖2所示,它是針對船舶通信和導(dǎo)航應(yīng)用推出的一款支持北斗RDSS/RNSS功能的船載機(jī),包含北斗多頻天線、射頻、基帶以及主控板,顯示屏,可實(shí)現(xiàn)RDSS定位、短報(bào)文通信和RNSS導(dǎo)航定位等功能。

北斗指揮機(jī)型號為GGBD-SC-100,如圖3所示,它能夠?qū)崟r(shí)提供其所在位置的經(jīng)度、緯度與高程,并以標(biāo)準(zhǔn)形式顯示,能進(jìn)行電文鍵入、編輯、發(fā)送、接收和顯示;可同時(shí)兼收多個(gè)下轄用戶,包括這些用戶的所有通信、定位情況;可向下轄用戶一次同時(shí)發(fā)送通播信息。即類似于廣播形式,發(fā)送一條通播數(shù)據(jù)后,所有下轄終端可同時(shí)收到此條信息;可同時(shí)鎖定北斗系統(tǒng)全部6個(gè)信道,這樣可大大增強(qiáng)通信成功率,保證在北斗任何一個(gè)信道上的數(shù)據(jù)都可接收至指揮機(jī)。

圖2 GGBD-ST-02型北斗船載機(jī)

圖3 GGBD-SC-100型北斗指揮機(jī)

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)原理與優(yōu)化

2.1 船載機(jī)與普通手機(jī)及相互之間互發(fā)短信

北斗船載機(jī)向普通手機(jī)發(fā)送短信,需要經(jīng)過指揮機(jī)的通信服務(wù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。其原理為:北斗船載機(jī)發(fā)送短報(bào)文發(fā)至指揮機(jī),指揮機(jī)的通信服務(wù)通過串口收到短報(bào)文。當(dāng)北斗指揮機(jī)判斷短報(bào)文內(nèi)容的前11位為手機(jī)號碼時(shí),將短報(bào)文通過網(wǎng)絡(luò)推送至短信網(wǎng)關(guān),再由短信網(wǎng)關(guān)發(fā)至授權(quán)手機(jī),以實(shí)現(xiàn)北斗船載機(jī)與授權(quán)手機(jī)之間的短報(bào)文通信功能。相反,授權(quán)手機(jī)也可以向北斗船載機(jī)發(fā)送短報(bào)文,指揮機(jī)的通信服務(wù)收到來自手機(jī)的短信之后,通過識別短信內(nèi)容的前6位判斷其發(fā)送目標(biāo),通過調(diào)用指揮機(jī)的接口,由指揮機(jī)發(fā)送至船載機(jī),達(dá)到授權(quán)手機(jī)發(fā)送短信至船載機(jī)的目的。

同樣,北斗船載機(jī)發(fā)送短報(bào)文至船載機(jī)也是通過衛(wèi)星通道直接發(fā)送。但是如果船載機(jī)卡綁定了一張主卡的話,子卡的船載機(jī)發(fā)出的短報(bào)文將會往主卡的指揮機(jī)發(fā)一份短報(bào)文。此時(shí),主卡的指揮機(jī)將具有了廣播的功能,主卡指揮機(jī)可以向綁定其的所有子卡廣播短報(bào)文,類似短信群發(fā)的功能。此功能可應(yīng)用在海洋船舶監(jiān)管系統(tǒng)中的天氣播報(bào)、緊急通知等。

2.2 性能優(yōu)化

基于WebGIS 實(shí)現(xiàn)目標(biāo)監(jiān)控時(shí),網(wǎng)絡(luò)平臺需要進(jìn)行大量的地圖數(shù)據(jù)與監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的交互,為了提高網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸性能并對交互過程進(jìn)行高效管理以滿足多用戶訪問的需求,需要對網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行優(yōu)化。我們主要通過在WebGIS 中采用AJAX 技術(shù)對數(shù)據(jù)交互性能與利用對象池方法對狀態(tài)管理性能進(jìn)行優(yōu)化。在傳統(tǒng)的Web 交互中,用戶在瀏覽器客戶端提交操作請求后,Web 服務(wù)器接收并處理傳來的請求,返回一個(gè)新的頁面,當(dāng)傳輸數(shù)據(jù)量大、交互頻繁的時(shí)候,頁面運(yùn)行遲緩。AJAX采用異步交互模式,其最顯著的效果就是用戶獲得服務(wù)器返回結(jié)果時(shí)不需要刷新頁面,這樣,用戶屏幕上的表單便不會閃爍、消失或延遲。將AJAX 技術(shù)應(yīng)用于基于WebGIS 的目標(biāo)監(jiān)控中,可以優(yōu)化地圖加載的響應(yīng)速度,提高目標(biāo)監(jiān)控的效率。

3 系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)與開發(fā)

3.1 系統(tǒng)軟件功能

北斗船舶航線監(jiān)管平臺系統(tǒng)基于北斗系統(tǒng)所具有的雙向通信功能,實(shí)現(xiàn)了船舶的監(jiān)控和管理、短報(bào)文的互發(fā)、港口的管理等功能,其主要分為船舶管理模塊、通訊管理模塊、港口管理模塊、報(bào)表管理模塊、系統(tǒng)管理模塊。

船舶管理模塊的功能包括實(shí)時(shí)顯示船舶位置,顯示船舶最近或過去一段時(shí)間的船航定位軌跡信息,根據(jù)地圖的縮放比例,對船舶定位軌跡節(jié)點(diǎn)進(jìn)行稀疏處理,在地圖上,以小時(shí)為單位,在船舶定位軌跡點(diǎn)標(biāo)注定位時(shí)間信息,對船舶定義圓形和多邊形電子圍欄等功能。另外,還具有測速、精密授時(shí)的功能,定位精度為10 m,測速精度為0.2 m/s、授時(shí)精度為10 ns.此外,該模塊還具有防撞報(bào)警和航跡偏差告警等功能,能正確引導(dǎo)船舶按計(jì)劃航線航行,一旦船舶偏離計(jì)劃航線,能及時(shí)修正航向返回計(jì)劃航線,以保證船舶的航行安全。

通訊管理模塊的功能包括監(jiān)控中心通過北斗指揮機(jī)對單一船舶或多船舶發(fā)送基于文字的短報(bào)文信息,如天氣播報(bào)、緊急通知等,并可接收船舶發(fā)送的基于文字的短報(bào)文信息,如遇險(xiǎn)救援信息等,一次最多可發(fā)送120個(gè)漢字。另外,它還具有船舶和岸上授權(quán)手機(jī)之間互發(fā)短信的功能。

港口管理模塊的功能包括劃定船舶出入港口的作業(yè)區(qū)域并標(biāo)注,查詢船舶的航班執(zhí)行情況,為每個(gè)執(zhí)行港口運(yùn)輸任務(wù)的船舶建立任務(wù)單等功能。

報(bào)表管理模塊的功能包括可按設(shè)置的時(shí)間生成船舶、航班、港口及通信記錄的報(bào)表,并可對其統(tǒng)計(jì)和分析,以及進(jìn)行多種方式的圖形化展示。

系統(tǒng)管理模塊的功能包括定位終端載體使用者的個(gè)人身份信息、組織關(guān)系信息、身份權(quán)限角色信息的管理,平臺及分組管理人員帳戶信息管理,修改當(dāng)前用戶的登錄密碼等功能。

3.2 系統(tǒng)集成開發(fā)模式

本系統(tǒng)采用了集成開發(fā)模式,選用Visual C++作為程序設(shè)計(jì)語言,集成GIS組件式二次開發(fā)模式,GIS開發(fā)組件選擇ESRI的ArcGIS Engine。它是一套完備的嵌入式GIS 組件庫和工具庫,常用于普通的開發(fā)框架中,支持包括COM、.NET框架、Java和C++等多種開發(fā)語言,可以方便地將GIS功能嵌入到目標(biāo)開發(fā)軟件中。它的優(yōu)點(diǎn)是既可以充分利用地理信息系統(tǒng)工具軟件完備的空間數(shù)據(jù)庫管理、分析功能,又可以利用其他面向?qū)ο罂梢暬_發(fā)語言具有的高效、方便等編程優(yōu)點(diǎn),集二者之所長,不僅能大大地提高應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)效率,而且使用可視化軟件開發(fā)工具開發(fā)出來的應(yīng)用程序具有更好的外觀效果,更強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫功能,可靠性好,易于移植,便于維護(hù)。

本系統(tǒng)已應(yīng)用于武漢市港航局所管理的航線船舶,其典型的應(yīng)用展示界面如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)應(yīng)用界面 (a)登錄首頁界面;(b)短信互動(dòng)界面;(c)船舶管理界面 ;(d)軌跡回放界面

4 結(jié)束語

光谷北斗研發(fā)的北斗船舶航線監(jiān)管平臺系統(tǒng)以創(chuàng)建智能船舶監(jiān)控為目標(biāo),通過在武漢市港航局的實(shí)際運(yùn)用,使其管轄下所有航線的船舶都實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)控和全程調(diào)度,切實(shí)提高了其船舶管理監(jiān)控業(yè)務(wù)水平。另外,由于北斗系統(tǒng)是由我國自主研發(fā),安全可控的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),國新辦已于2013年12月27日正式公布了其接口ICD文件,這標(biāo)志著北斗民用導(dǎo)航正式起步?；谶@個(gè)契機(jī),我們研發(fā)了該套系統(tǒng),并在武漢港航局進(jìn)行了正式實(shí)施和運(yùn)用。事實(shí)證明,該系統(tǒng)的運(yùn)用不僅加強(qiáng)了該局對所轄航線船舶的監(jiān)管和調(diào)度,降低了業(yè)務(wù)運(yùn)行成本,而且也推動(dòng)了我國北斗技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展,具有較大的實(shí)用和推廣價(jià)值。

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Design and Implementation of the System of Vessels′ Courses Supervision Platform Based on BDS

AN Qing1,WU Shusen2

(1.WuhanOpticsValleyBeiDouHoldingsGroupCo.,LTD,Wuhan430206,China;2.HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,China)

In view of the existence of the pain points of blind spots and expensive costs to marine vessels by traditional supervision means,by using positioning、velocity measuring、time granting and the unique two-way short message communication function of BeiDou satellite navigation system,designed a set of vessels' courses supervision platform system based on BDS,and made use of it in the supervision of vessels’ route in Wuhan Port and Shipping Authority. The results proved the system can achieve the function of real-time positioning、velocity measuring、precious time granting of the vessels,and the function of the two-way communication between vessels, with the vessels’ monitoring center and with mobile phones,under the premise that the system does not depend on other communication technology. In addition,the system has the function of Collision and deviation warning,and the advantages of all-weather, no blind spots, low rates, high reliability,and has great practical value.

Beidou generation one; short message; vessels monitoring; two way communication

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.02.011

2016-09-19

P228.4

A

1008-9268(2017)02-0050-05

安慶 (1969-),男,高級工程師,研究方向?yàn)?S技術(shù)集成與應(yīng)用。

吳樹森 (1961-),男,教授,研究方向?yàn)橹腔鄢鞘薪ㄔO(shè)。

聯(lián)系人: 安慶 E-mail: 490756729@qq.com