王淑芳,虞麗娟,,陳成明,,曹守啟,夏俊

(1.上海海洋大學工程學院,上海 201306; 2.同濟大學 機械與能源工程學院,上海 200092)

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基于北斗—物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遠洋漁船補給信息管理系統(tǒng)應用

王淑芳1,虞麗娟1,2,陳成明1,2,曹守啟1,夏俊2

(1.上海海洋大學工程學院,上海 201306; 2.同濟大學 機械與能源工程學院,上海 200092)

新興的信息技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)為現(xiàn)代遠洋漁業(yè)注入了新的生機,提供了智能化的平臺。其中,“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)作為信息感知和信息傳輸?shù)氖侄?在物聯(lián)網(wǎng)的感知層和網(wǎng)絡層發(fā)揮著重要的作用。本文著眼物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和北斗系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的應用,從而進一步探討了北斗—物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在遠洋漁船補給信息管理系統(tǒng)的應用。最后提出了基于北斗—物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遠洋漁船補給信息管理系統(tǒng)這一概念以及在該系統(tǒng)中補給的流程。

北斗系統(tǒng);物聯(lián)網(wǎng)技術(shù);遠洋漁船

0 引 言

中國遠洋漁業(yè)作為一種資源型戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)從1985年發(fā)展到現(xiàn)在,已經(jīng)在中國海洋經(jīng)濟中占有了十分重要的地位;遠洋漁船在海上航行、作業(yè)時,不斷消耗儲備的食品、燃油、冷凍液等生產(chǎn)、生活用備品備件。由于港口、航道、海況、海島等多方面因素,我國的漁船捕撈作業(yè)支持服務技術(shù)比較落后,漁業(yè)船舶很難及時得到應有的補給。而漁業(yè)生產(chǎn)的效率、成本和能耗與遠洋漁船信息有著直接的關(guān)系,因此,完備的船岸補給信息交流和管理系統(tǒng)就成了遠洋漁船順利出海作業(yè)的重要保障。

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是由我國獨立開發(fā)的,它具有精度高、成本低、全天時天候、短報文通信等優(yōu)勢,在我國遠洋漁業(yè)安全的監(jiān)控和管理中這些功能是必不可少的。在物聯(lián)網(wǎng)(Internet of things)技術(shù)的基礎上,利用北斗系統(tǒng)建立的漁船管理與指揮系統(tǒng)、規(guī)范漁船的補給,對促進遠洋漁業(yè)現(xiàn)代化管理和漁船的作業(yè)效率有著非常重大的意義。

1 物聯(lián)網(wǎng)及其體系結(jié)構(gòu)

1.1 物聯(lián)網(wǎng)簡述

物聯(lián)網(wǎng)是將傳統(tǒng)網(wǎng)絡從人與人的聯(lián)系擴展到物與物、物與人的聯(lián)系,但是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)仍然是其技術(shù)基礎和核心。早在1995年比爾·蓋茨提出了物聯(lián)網(wǎng)的概念,隨后在1998年和1999年這個概念也被美國麻省理工大學Auto-ID實驗室相繼提出。2005年ITU提出物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將是信息產(chǎn)業(yè)的第三次革命性創(chuàng)新[1]。中國政府在2009年提出了“感知中國”的構(gòu)想,同時物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)被列入國家七大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一[2]。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)分為三個層次,即用來接收數(shù)據(jù)的感知層、信息傳輸?shù)木W(wǎng)絡層和面向用戶的應用層[2]。圖1為物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)框圖。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)框圖

1.2.1 感知層結(jié)構(gòu)

感知層主要由傳感器和無線射頻識別(RFID)等組成。

傳感器是一種信號監(jiān)測裝置,它可以把檢測到的信號轉(zhuǎn)化成用戶需要的形式輸出。將大量的微型傳感器放在同一個網(wǎng)絡中就形成的無線傳感網(wǎng)絡,可以用來探測包括電磁、溫度、濕度、噪聲、光強度、壓力等信息,在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中有著不可或缺的作用。

RFID技術(shù)是一種不需要任何形式的物理接觸識別目標相關(guān)信息的無線通信技術(shù)[3]。常見的RFID系統(tǒng)主要包括電子標簽、讀寫器和信息處理系統(tǒng)組成。當代有電子標簽的物品經(jīng)過特定的讀寫器時,讀寫器將標簽中的信息激活并通過無線電波完成自動采集。

1.2.2 網(wǎng)絡層結(jié)構(gòu)

只有隨時隨地將實物上電子介質(zhì)所產(chǎn)生的數(shù)字信號傳出去的技術(shù),才是真正意義上的物聯(lián)網(wǎng)。所以當傳輸距離為10 m、100 m或者1 km的范圍時,無線傳感網(wǎng)絡還是能很好地發(fā)揮作用的,但是若是要將數(shù)字信號傳輸?shù)綌?shù)千公里之外,它的傳輸能力已經(jīng)顯然無法滿足需求了。因此,物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡層就需要ZigBee無線傳感網(wǎng)絡、移動通信網(wǎng)絡、北斗衛(wèi)星系統(tǒng)協(xié)同工作了。

1.2.3 應用層結(jié)構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)應用層主要是數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。物聯(lián)網(wǎng)把采集到的數(shù)據(jù)根據(jù)不同的需求和目的需要經(jīng)過計算機處理分發(fā)道不同的信息門戶,供用戶使用。這一過程都是在應用層來完成的,它用到的主要技術(shù)有信息處理、集成應用、云計算、網(wǎng)絡管理和web服務。

2 北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BDS)是我國自主研發(fā)的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng),成為在美國全球定位系統(tǒng)(GPS)、俄羅斯格洛納斯衛(wèi)星導航系統(tǒng)(GLONASS)之后第三個成熟的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。

北斗系統(tǒng)與其他系統(tǒng)相比具有以下優(yōu)點:1) 兼?zhèn)渫ㄓ嵑投ㄎ还δ?無需其他通訊設備支持[4];2) 覆蓋范圍廣,全天服務;3) 用費較低;4) 容量大,收集數(shù)據(jù)快;5) 我國自主研發(fā)的系統(tǒng),安全性能高、穩(wěn)定、可靠[5]。北斗定位系統(tǒng)可以在物聯(lián)網(wǎng)的感知層和網(wǎng)絡層中起到了不可或缺的作用,是實現(xiàn)跟蹤、定位、監(jiān)控和管理的技術(shù)支持。圖2,圖3分別示出了“開創(chuàng)號”遠洋漁船上安裝的北斗控制面板和漁船北斗終端。

圖2 北斗控制面板連接

圖3 漁船北斗終端

北斗—物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運用在遠洋漁船補給中,實現(xiàn)船上作業(yè)實時監(jiān)控與管理、基地對漁船作業(yè)的按計劃調(diào)度和高效的漁業(yè)生產(chǎn),將很大程度上改善漁船的補給過程,提高遠洋漁船出海作業(yè)的效率。

3 北斗—物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的研究

3.1 北斗—物聯(lián)網(wǎng)體系簡述

北斗—物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)主要以物聯(lián)網(wǎng)為基本構(gòu)架,以北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)為主要傳輸工具進行運作的。從物聯(lián)網(wǎng)的定義和構(gòu)架中可以看出,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的核心是通過通信和交流來進行資源共享。不受天氣地域限制的衛(wèi)星導航定位是它非常重要的技術(shù)支撐,而北斗系統(tǒng)恰恰滿足了物聯(lián)網(wǎng)的這些需求,使北斗—物聯(lián)網(wǎng)體系的實現(xiàn)成為可能。

在北斗—物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中,RFID技術(shù)主要負責信息記錄和傳遞[6]的,而ZigBee無線傳感網(wǎng)絡與北斗的結(jié)合主要負責漁船進行精準定位[7]。

RFID技術(shù)特有的無精準對位,大批量數(shù)據(jù)同時采集等特點,使?jié)O船工作人員從大量重復作業(yè)中解脫出來。由于遠洋漁船的工作特性,都會有大批量的數(shù)據(jù)通過系統(tǒng)通過采用RFID技術(shù)在物資入庫、出庫、存儲、盤點時,不需要打開包裹,讀寫器自動識別并將信息傳輸?shù)焦芾硐到y(tǒng)中,然后更新標簽內(nèi)的狀態(tài)和信息。這項技術(shù)在漁船補給中的使用降低了工作人員的工作強度,方便了對物資的管理。

在由ZigBee技術(shù)和北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)為核心搭建的傳感器網(wǎng)絡中,利用覆蓋船隊區(qū)域的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡中的參考節(jié)點來判斷漁船的相對位置,同時各參考節(jié)點之間保持無線聯(lián)通。定位過程就是傳感器所收集到的位置和環(huán)境信息從定位節(jié)點依次傳遞到參考節(jié)點、船載定位服務器、漁船北斗衛(wèi)星信號接收機,從而獲得精準、快速的定位。精準的定位信息可以在補給船的路線的設計提供方便,同時也便于地面控制中心對補給船航行過程中的位置進行監(jiān)測。

3.2 北斗—物聯(lián)網(wǎng)體系在船舶上的應用

北斗—物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在船舶上的應用,涉及到射頻識別技術(shù)、ZigBee無線組網(wǎng)技術(shù)、無線網(wǎng)絡通信技術(shù)、等智能物體技術(shù)。目前,在漁船監(jiān)控和信息服務方面,廣泛應用的是由岸上設備和船載設備共同組成的船舶自動識別系統(tǒng)[8],配合北斗衛(wèi)星系統(tǒng)通過相應頻道將船位、船速航向等船舶動態(tài)和靜態(tài)信息傳遞給附近水域船舶和岸上控制中心,以便能快速準確了解鄰近海面所有船舶信息。除船舶自動識別系統(tǒng),我國新型遠洋漁船還安裝了船舶遠程監(jiān)控管理系統(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)遠洋船舶的航行、貨物、海況、視頻等信息的傳輸,完成船岸之間信息交互[9]。

上海開創(chuàng)遠洋漁業(yè)有限公司與上海海洋大學、同濟大學聯(lián)合開發(fā)的遠洋漁船及作業(yè)物聯(lián)網(wǎng)智慧服務系統(tǒng)已經(jīng)在“開創(chuàng)”號漁船上安裝使用,該系統(tǒng)主要包括船舶重點設備感知子系統(tǒng)、漁獲倉儲與質(zhì)量安全溯源子系統(tǒng)、船舶作業(yè)管理子系統(tǒng)、船岸一體化子系統(tǒng)、遠程視頻監(jiān)控子系統(tǒng)、北斗星船舶定位子系統(tǒng)等八個子系統(tǒng)。北斗星船舶定位子系統(tǒng)主要實現(xiàn)船舶實時定位和船舶歷史航行軌跡信息的查詢等功能。

如圖4為目前正在開發(fā)當中的遠洋漁船補給信息子系統(tǒng)船上物資管理界面,可根據(jù)物資種類、填寫日期和輸入關(guān)鍵字來搜索物資使用情況,也可以點擊導出物品信息清單按鈕導出Excel表格以方便對物資進行查詢和管理,同時可對物資信息(“物品”、“類型”、“入庫出庫量”、“時間”、“備注”)進行添加、修改和刪除。

圖4 船上物資管理

4 北斗—物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在遠洋漁船補給中的設計

船舶作業(yè)物料、備品備件品種多、數(shù)量少、個性需求顯著,在物料補給過程中,燃油、冷凍液、漁需物資等補給的實時性要求高。目前我國的大部分漁業(yè)船舶幾乎都是回港進行物資補給,在船舶進港前岸上不能詳細知道需要補給物資的具體種類和數(shù)量[10]。針對這一現(xiàn)狀,利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)把漁船上的這些物資補給信息通過無線通信和網(wǎng)絡技術(shù)傳給岸上控制中心,這樣企業(yè)就可以掌握主動,事先明確漁船上的物資消耗和需要補給的信息,從而對漁船進行主動補給。

4.1 遠洋漁船補給信息管理系統(tǒng)

北斗—物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在遠洋漁船補給中的應用主要體現(xiàn)在漁船信息的管理和船岸之間信息的傳遞上,因此建立一套專門用于的漁船補給信息管理的系統(tǒng)用來解決遠洋漁船的補給問題。擬定建立的系統(tǒng)中的大致有:用戶登陸模塊、備品備件管理信息模塊、補給船調(diào)度模塊、漁獲物倉儲模塊4個功能模塊,如圖5所示。

圖5 遠洋漁船補給信息管理系統(tǒng)模塊設計

在備品備件信息模塊中,主要記錄的是出海作業(yè)漁船船上的備品備件的使用情況;補給船調(diào)度模塊主要是系統(tǒng)對物資、漁船、天氣等影響補給船出海的因素進行分析之后,自動給出補給船最優(yōu)的補給路線;漁獲物倉儲模塊是對漁船漁獲物進行統(tǒng)計,方便補給船在補給完成之后將部分漁獲物運回岸上,減少漁船倉庫的負擔。

4.2 漁船智能化補給的流程

圖6 遠洋漁船智能化補給流程圖

如圖6所示，遠洋漁船補給的詳細流程如下:出海作業(yè)的漁船上的物資上都貼有內(nèi)附各自信息的RFID標簽,通過手持式閱讀器和ZigBee無線傳感網(wǎng)絡將物資全部錄入系統(tǒng)之中,同時由北斗—物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)將這些信息同步到岸上的控制中心,由此岸上的工作人員便可實時地觀測到船上物資的消耗情況。當船上的某種物資或者備品備件缺少時,無需等待船上工作人員向岸上發(fā)出補給信號,岸上的工作人員已經(jīng)提早了解需求并主動制定出補給方案,使?jié)O船補給更加及時,同時也減少了漁船的因故不能正常作業(yè)的概率。在補給船運送物資的過程中,隨船配備的船載北斗導航終端,實現(xiàn)運輸過程的全程監(jiān)控,對每一件物資的狀態(tài)都能及時了解,可以減少物資的丟失現(xiàn)象。同時,在補給船完成補給任務返航時,可以將漁船上的漁獲物運回中心。

北斗—物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將漁船、運輸補給船和港口互聯(lián),實現(xiàn)漁船和港口信息的交互;結(jié)合物流配送和補給方法,更好地為漁船的生產(chǎn)、生活提供必要的燃油、潤滑油、冷凍液、食品、漁具等提供智慧服務。

5 結(jié)束語

遠洋漁船的補給問題一直以來都被人們忽視,究其主要原因在于大多數(shù)漁船的信息化程度不夠,船員接受新技術(shù)較慢,沒能意識到原始的靠岸補給帶來的損失和信息化補給所帶來的經(jīng)濟效益。北斗—物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在漁船中的廣泛應用為以后的智能信息化補給打下很好的基礎。本文首先對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的構(gòu)架進行了簡單的闡述,分析了北斗定位導航系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)的感知層和網(wǎng)絡層中的作用,提出了北斗和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合在遠洋漁船上的應用,從而進一步提出北斗—物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在漁船補給中的應用。

通過本文的分析可以看出,北斗—物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將是我國遠洋漁船發(fā)展不可或缺的組成部分,隨著系統(tǒng)在漁船中的不斷投入使用,將掀開我國遠洋漁業(yè)新的篇章。

[1] 岳冬冬,王魯民,鄭漢豐,等. 中國遠洋魷釣漁業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與技術(shù)展望[J]. 資源科學,2014(8):1686-1694.

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Based Compass-information Management System Networking Technology Offshore Supply Boats

WANG Shufang1,YU Lijuan1,2,CHEN Chengming1,2,CAO Shouqi1,XIA Jun2

(1.CollegeofEngineering,ShanghaiOceanUniversity,Shanghai201306,China; 2.CollegeofMechanicalandEnergyEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

The emerging information technology networking for modern offshore fishing has injected new vitality, and provides an intelligent internet. Among them, as a means of information perception and information transfer, the "BDS" navigation satellite system plays an important role in the perception of things and network layers in the perception of things and network layers. This article mainly includes the key systems consisting of Things and BDS system configuration in the application of networking technology and further explores the applications of BDS-Things technology in offshore fishing vessels Information Management System. Finally, we present the concept of networking technology offshore fishing supply information management systems and the supplying process which based on BDS-Things technology.

BDS system; things of internet technology; ocean fishing supplying

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.02.021

2016-12-05

上海市科學技術(shù)委員會創(chuàng)新行動計劃項目(編號:15DZ1202202); 國家遠洋漁業(yè)工程技術(shù)研究中心開放基金項目(編號:02091305051)

S977

A

1008-9268(2017)02-0093-05

王淑芳 (1993-),女,碩士生,主要研究方向為機械工程、物聯(lián)網(wǎng)工程。

虞麗娟 (1963-),女,教授,主要從事物聯(lián)網(wǎng)工程、海洋工程、體育工程、高等教育管理等方面研究。

陳成明 (1978-),男,博士、講師,主要從事人因工程、工效學、物聯(lián)網(wǎng)工程等方面的科研工作

曹守啟 (1973-),男,副教授,主要從事海洋工程裝備設計、物聯(lián)網(wǎng)工程等方面的研究工作

夏俊 (1985-),男,博士,主要從事物聯(lián)網(wǎng)工程,機械電子工程等方面的研究工作。

聯(lián)系人: 王淑芳E-mail:972946102@qq.com