邢天任 朱偉

摘 要：在航運(yùn)安全管理中，需要綜合考慮氣象、水文、船舶、航標(biāo)等復(fù)雜因素對(duì)航運(yùn)安全的影響，而要掌握這些信息的最佳方案就是采用航運(yùn)安全管理系統(tǒng)?？紤]到傳統(tǒng)航運(yùn)監(jiān)控系統(tǒng)誤差大、有盲區(qū)等缺點(diǎn)。本文將我國(guó)自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)應(yīng)用到航運(yùn)安全管理工作中，設(shè)計(jì)了一套基于北斗系統(tǒng)的航運(yùn)安全管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)航道海域的高精度、全天候、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)和安全分析。希望本文的研究能為我國(guó)航運(yùn)信息化管理模式的構(gòu)建提供有益的借鑒。

關(guān)鍵詞：北斗系統(tǒng) 航運(yùn) 安全管理

1.前言

目前國(guó)際上各大港口一般都配備了較先進(jìn)的GPS航運(yùn)安全管理系統(tǒng)，但由于我國(guó)不具有GPS的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，這對(duì)我國(guó)航運(yùn)事業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展是十分不利的。因此，通過(guò)本國(guó)自主研發(fā)的衛(wèi)星定位系統(tǒng)來(lái)設(shè)計(jì)一套適合國(guó)情的航運(yùn)安全管理系統(tǒng)，成為許多發(fā)展中國(guó)家亟待解決的問(wèn)題。我國(guó)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為我國(guó)航運(yùn)安全管理提供了新的思路。

2.航運(yùn)安全管理現(xiàn)狀分析

航標(biāo)的狀態(tài)、航道的水文和氣象條件、船舶的通行流量等因素是航運(yùn)安全管理和決策的重要依據(jù)，但這些參數(shù)往往是動(dòng)態(tài)的，傳統(tǒng)的依靠人工測(cè)量的管理模式已無(wú)法滿足當(dāng)前的航運(yùn)管理需求，這給航運(yùn)安全埋下了重大隱患。當(dāng)前我國(guó)的航標(biāo)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正處于初期應(yīng)用階段，航運(yùn)安全管理系統(tǒng)尚未成熟，尚存在許多技術(shù)瓶頸。雖然采用美國(guó)的GPS系統(tǒng)可以在一定程度上緩解我國(guó)的需求，但從國(guó)家安全考慮也非長(zhǎng)久之計(jì)。隨著我國(guó)自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)逐步成型，基于北斗系統(tǒng)的航運(yùn)安全管理系統(tǒng)開(kāi)始受到人們的廣泛關(guān)注。

3.基于北斗系統(tǒng)的航運(yùn)安全管理系統(tǒng)

3.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)與功能

本文設(shè)計(jì)的航運(yùn)安全管理系統(tǒng)以北斗系統(tǒng)為技術(shù)核心，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)航標(biāo)、航道、船舶、環(huán)境等各方面的綜合管理，通過(guò)該系統(tǒng)，航運(yùn)管理部門可以隨時(shí)進(jìn)行信息查詢、狀態(tài)監(jiān)控、航標(biāo)遙控、航線跟蹤等功能。系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)、無(wú)線通訊、用戶終端等模塊組成，是一個(gè)融合了多種技術(shù)的航運(yùn)安全綜合性管理平臺(tái)。

（1）數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集由采集客戶端完成，可以采集與航道安全相關(guān)的所有重要參數(shù)，包括溫濕度、能見(jiàn)度、風(fēng)速風(fēng)向等氣象參數(shù)，流速、流向、水質(zhì)等水文水質(zhì)參數(shù)，船舶流量、航標(biāo)位置等交通參數(shù)。這些參數(shù)將統(tǒng)一發(fā)送至數(shù)據(jù)服務(wù)器進(jìn)行處理與存儲(chǔ)。

（2）數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)的處理與存儲(chǔ)由數(shù)據(jù)中心統(tǒng)一完成，由于匯集了所有關(guān)鍵參數(shù)，能否有效利用這些數(shù)據(jù)來(lái)為航道管理服務(wù)就成為了整套系統(tǒng)的關(guān)鍵，因此數(shù)據(jù)處理中心是航道安全管理系統(tǒng)的核心組成部分。數(shù)據(jù)處理中心首先可以完成數(shù)據(jù)的解析和存儲(chǔ)，其次可以通過(guò)存儲(chǔ)的大數(shù)據(jù)建立航道安全預(yù)測(cè)模型，再次可以將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和安全分析結(jié)果實(shí)時(shí)推送給管理部門，最后還能通過(guò)接收值班人員的控制指令實(shí)現(xiàn)對(duì)航道現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的實(shí)時(shí)控制。

（3）無(wú)線通訊

無(wú)線通訊功能由北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)共同完成，負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)傳感器與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心之間的數(shù)據(jù)傳輸，是整套系統(tǒng)的核心功能。由于海域的特殊性，現(xiàn)場(chǎng)不可能采用傳統(tǒng)的有線通信模式，因此采用無(wú)線通訊模式?；诒倍废到y(tǒng)的無(wú)線通訊方案，避免了傳統(tǒng)GSM通信對(duì)基站的苛刻要求，簡(jiǎn)單高效。

（4）人機(jī)交互

用戶終端主要負(fù)責(zé)完成用戶與管理系統(tǒng)之間的人機(jī)交互，一方面將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和分析結(jié)果回傳給用戶，另一方面將用戶的控制指令發(fā)送至現(xiàn)場(chǎng)傳感器實(shí)現(xiàn)設(shè)備控制。

3.2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（1）氣象與海況數(shù)據(jù)采集模塊

該模塊主要由大量的傳感器和模擬采集設(shè)備組成，不同的數(shù)據(jù)采用不同的傳感器，氣象數(shù)據(jù)采集選用溫濕度計(jì)、風(fēng)速風(fēng)向儀、能見(jiàn)度儀等設(shè)備，海域參數(shù)采用水位計(jì)、流速計(jì)、位移計(jì)等設(shè)備，航標(biāo)狀態(tài)參數(shù)則由GPS終端來(lái)采集。以上采集參數(shù)均為模塊信號(hào)，經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換后成為數(shù)字信號(hào)，并作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)發(fā)送到北斗通訊模塊中。

（2）北斗通訊定位模塊

北斗通訊定位模塊是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的關(guān)鍵模塊，集成了包括RDSS芯片、復(fù)位電路、GNSS芯片、時(shí)鐘電路以及存儲(chǔ)器等一系列電路單元。為了實(shí)現(xiàn)雙向通信，模塊采用了GNSS定位芯片與RDSS通信芯片相結(jié)合的設(shè)計(jì)?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備眾多，模塊的處理器核心選用了STC12C5A60S2單片機(jī)，不但可以滿足數(shù)據(jù)的快速處理要求，同時(shí)還具有多功能、低功耗、抗干擾等優(yōu)點(diǎn)。北斗RDSS采用了GYM2003B芯片，以滿足基帶與射頻的設(shè)計(jì)。GNSS定位芯片則采用了我國(guó)自主研發(fā)的UM220芯片，該芯片同時(shí)支持雙定位和差分定位功能，滿足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

（3）電源模塊

用于數(shù)據(jù)采集設(shè)備輸出數(shù)據(jù)的RS485串口模塊，用于串行數(shù)據(jù)入網(wǎng)的串口服務(wù)器模塊，主控單元STC12C5A60S2單片機(jī)以及北斗定位通訊模塊都需要相應(yīng)電壓的電源供電，考慮到航標(biāo)等設(shè)備長(zhǎng)期漂浮于海上，采用了太陽(yáng)能供電系統(tǒng)作為總電源，經(jīng)過(guò)分壓后為各模塊供電。

3.3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

（1）通訊報(bào)文設(shè)計(jì)

為了使現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與數(shù)據(jù)中心高效地進(jìn)行通信，需要設(shè)計(jì)一套合理的通訊報(bào)文格式，所有數(shù)據(jù)將統(tǒng)一按該報(bào)文格式進(jìn)行打包，然后由北斗通訊模塊發(fā)送出去。本系統(tǒng)的報(bào)文格式設(shè)計(jì)如圖1所示。

①數(shù)據(jù)包頭為“$$”，標(biāo)志著一條完整報(bào)文的開(kāi)始，通信軟件檢測(cè)到該字符組合時(shí)開(kāi)始讀取報(bào)文信息。

②“報(bào)文長(zhǎng)度”是一條完整報(bào)文所占用的字節(jié)總數(shù)，當(dāng)通信程序檢測(cè)到數(shù)據(jù)包頭后，往后讀取該長(zhǎng)度的報(bào)文信息。

③“消息類型”表征了該報(bào)文所攜帶的數(shù)據(jù)來(lái)源于哪種傳感器，本文共規(guī)定了5類基本消息類型，即水文數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、定位數(shù)據(jù)、航標(biāo)數(shù)據(jù)和報(bào)警數(shù)據(jù)，其中報(bào)警數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)最高，其余數(shù)據(jù)類型具有同等優(yōu)先級(jí)。

④“消息內(nèi)容”是消息的數(shù)據(jù)主體，代表相應(yīng)類型的參數(shù)，通信程序按照消息類型來(lái)對(duì)消息內(nèi)容進(jìn)行解析，得到不同類型的物理量。

⑤“校驗(yàn)和”用于對(duì)數(shù)據(jù)包的正確性進(jìn)行驗(yàn)證，接收端接收到數(shù)據(jù)后首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，正確了才進(jìn)入下一步的處理，否則說(shuō)明數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中出現(xiàn)錯(cuò)誤，數(shù)據(jù)應(yīng)作丟棄處理。

（2）北斗通信單元設(shè)計(jì)

北斗通信單元在整套系統(tǒng)軟件中是以一個(gè)獨(dú)立的應(yīng)用功能模塊進(jìn)行開(kāi)發(fā)的，采用了軟件開(kāi)發(fā)中最常用的面向?qū)ο蟮木幊趟枷耄ㄟ^(guò)java語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)。程序中主要包括心跳保持、數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)接收和報(bào)文解析等功能模塊，解析后的數(shù)據(jù)將傳輸?shù)蕉嘣慈诤蠑?shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)作進(jìn)一步分析。如圖2所示。在程序中，每個(gè)任務(wù)都是一個(gè)獨(dú)立的線程，保證了數(shù)據(jù)處理和事件響應(yīng)的及時(shí)性，同時(shí)提高程序執(zhí)行效率。

（3）數(shù)據(jù)采集與發(fā)送子程序

北斗通信單元的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收是由數(shù)據(jù)采集與發(fā)送子程序來(lái)控制的，程序總體架構(gòu)為前后臺(tái)程序結(jié)構(gòu)，也就是說(shuō)，通過(guò)外部定時(shí)器中斷的方式來(lái)采集水文、氣象和航標(biāo)信息，然后由主程序?qū)?shù)據(jù)按規(guī)定的報(bào)文格式進(jìn)行組裝和發(fā)送。在接收數(shù)據(jù)中心發(fā)來(lái)的航標(biāo)配置指令時(shí)，也要先按約定格式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，再傳入航標(biāo)控制單元中執(zhí)行。數(shù)據(jù)接收與解析流程與上述邏輯相反，此處不再贅述。

4.總結(jié)與展望

航運(yùn)安全管理是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，它涉及了氣象、水文、航標(biāo)、船舶等多種動(dòng)態(tài)因素，因此要保障航運(yùn)安全并非易事。航運(yùn)安全管理系統(tǒng)的應(yīng)用使航運(yùn)安全管理工作的效率大大提高，而我國(guó)自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)在航運(yùn)安全管理系統(tǒng)的成功應(yīng)用，更是使我國(guó)航運(yùn)安全管理水平有了顯著的提升，是我國(guó)航運(yùn)管理信息化的重要里程碑。本文設(shè)計(jì)了一套基于北斗系統(tǒng)的航運(yùn)安全管理系統(tǒng)，闡明了國(guó)產(chǎn)北斗系統(tǒng)在我國(guó)航運(yùn)安全管理中的應(yīng)用方案，達(dá)到了航運(yùn)安全管理網(wǎng)絡(luò)化、自動(dòng)化、數(shù)字化的要求。北斗系統(tǒng)作為剛投運(yùn)不久的新研發(fā)系統(tǒng)，與美國(guó)GPS等先進(jìn)系統(tǒng)還有較大的差距，因此基于北斗系統(tǒng)的航運(yùn)安全管理系統(tǒng)也有著廣闊的發(fā)展空間。

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