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(武漢理工大學(xué) a.航運學(xué)院；b.智能交通系統(tǒng)研究中心；c.內(nèi)河航運技術(shù)湖北省重點實驗室；d.國家水運安全工程技術(shù)研究中心，武漢 430063)

船舶自動識別系統(tǒng)(automatic identification system，AIS)[1]的在使用中面臨著負(fù)荷過載的問題，目前主要利用具有豐富信道鏈路特點的甚高頻數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)(VHF data exchange system，VDES)來擴展AIS信道[2-3]；或者利用通用分組無線業(yè)務(wù)(general packet radio service, GPRS)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建虛擬AIS實現(xiàn)船舶與監(jiān)控中心的聯(lián)網(wǎng)[4-5]。然而受制于AIS基站建設(shè)與營運成本、AIS船載設(shè)備的功耗等因素[6]，封閉水域(包括湖泊、水庫等)船舶配置AIS船載設(shè)備比較困難。從封閉水域的船舶及其通航特點[7]來看，通常存在船舶功率較小，各種船用設(shè)備配置簡單以及區(qū)域船舶數(shù)量多、活動密度大、活動頻率高等特點。針對上述特征，結(jié)合現(xiàn)代信息技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，考慮設(shè)計基于LoRa(long range)[8]的系統(tǒng)解決方案，構(gòu)建一種新型的適用于封閉水域中船舶的自動識別系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)工作基本原理

1.1 LoRa與LoRaWAN的簡要技術(shù)特點

LoRa具有遠(yuǎn)距離、低功耗、低運營成本等特點，可實現(xiàn)大區(qū)域物聯(lián)網(wǎng)低成本全覆蓋功能[9-10]。

LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)根據(jù)實際應(yīng)用的需要，分別采取Class A和Class C 兩種工作模式，Class A模式所屬的通信終端設(shè)備在應(yīng)用時功耗最低，終端發(fā)送一個上行傳輸信號后，服務(wù)器能迅速的進(jìn)行下行通訊。Class C模式所屬的通信終端設(shè)備具有最大接收槽，能持續(xù)開放接收窗口。

1.2 系統(tǒng)工作原理

基于LoRa的封閉水域船舶自動識別系統(tǒng)采用LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)的Class C模式，支持?jǐn)?shù)據(jù)雙向傳輸。從下至上時，傳感器件采集船舶數(shù)據(jù)后，經(jīng)LoRa模塊傳輸至基站，再上傳至物聯(lián)網(wǎng)云平臺，從而實現(xiàn)船舶與管理平臺的對接。從上至下時，管理平臺通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送其他船舶的數(shù)據(jù)信息給物聯(lián)網(wǎng)云平臺后送到基站，再通過LoRa網(wǎng)絡(luò)下行至本船，從而實現(xiàn)管理平臺與船舶之間、船與船之間信息交互的功能。

系統(tǒng)工作原理見圖1。

圖1 封閉水域船舶自動識別系統(tǒng)工作原理

2 系統(tǒng)架構(gòu)

基于LoRa的封閉水域船舶自動識別系統(tǒng)架構(gòu)見圖2。

圖2 封閉水域船舶自動識別系統(tǒng)框架

2.1 船載單元

船載單元主要用于采集本船舶的動態(tài)信息，建立船舶與基站之間的雙向通信，并存儲、解析和展示本船舶與周圍船舶的動態(tài)信息。

船載單元包含傳感器模塊、LoRa射頻模塊、本地存儲模塊和顯示模塊四部分。傳感器模塊包括加速度計、GPS和數(shù)字羅經(jīng)等，用于采集船舶位置、航向和航速等動態(tài)信息。LoRa射頻模塊用于與基站通信，通信信息主要包括船舶的動態(tài)信息和船舶的靜態(tài)信息(主要是指船舶的識別碼、船寬、船型、船長等)。當(dāng)LoRa射頻模塊接收到基站發(fā)送的周圍船舶動靜態(tài)信息以后，經(jīng)數(shù)據(jù)解析，存儲到本地存儲模塊，并通過高清顯示屏展示出本船與周圍船舶的靜態(tài)信息和動態(tài)變化，實現(xiàn)船舶自動識別功能。船載單元框架見圖3。

圖3 船載單元框架

2.2 基站單元

采用基于LoRaWAN協(xié)議的室外型AUGTEK網(wǎng)關(guān)，支持全雙工上下行，具有16個上行數(shù)據(jù)通道和32個下行數(shù)據(jù)通道。用于與船載單元建立雙向通信,并且可對封閉水域船舶自動識別系統(tǒng)中大量船舶數(shù)據(jù)進(jìn)行臨時存儲與透傳。即使船舶在大霧、大雪天及區(qū)域性雷暴雨或大暴雨等惡劣的天氣環(huán)境中航行，其通信能力不會受到影響。

該網(wǎng)關(guān)主控模塊采用飛思卡爾m28x芯片，上行模塊采用sx1301芯片,下行模塊采用sx1278芯片。內(nèi)部包含ARM Cortex A8/1GHz 處理器、512 Mb內(nèi)存條、4GB Flash、GPS芯片和電源管理模塊(具有低電告警功能),外圍接口包含以太網(wǎng)接口、GPS天線接口、RF天線接口、WiFi天線接口、4G天線接口、Sim卡槽和USB接口。

2.3 數(shù)據(jù)處理與顯示單元

數(shù)據(jù)處理與顯示單元由服務(wù)器、云平臺和應(yīng)用平臺3部分組成，其中服務(wù)器和云平臺均采用基于LoRaWAN協(xié)議的服務(wù)器和云平臺。LoRaWAN 服務(wù)器是LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)中連接基站單元與云平臺的協(xié)議處理器，具有船載單元與基站單元連接入網(wǎng)鑒權(quán)、LoRaWAN協(xié)議解析、數(shù)據(jù)傳輸與管理、基站單元管理與配置、船載單元管理與配置、云平臺通信等功能。應(yīng)用平臺通過調(diào)用基于LoRaWAN協(xié)議的云平臺數(shù)據(jù)接口，得到船舶的動、靜態(tài)數(shù)據(jù)，再通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，展示出封閉水域內(nèi)所有的航行動態(tài)，最后通過計算出各船的位置關(guān)系，篩選出各船周圍一定范圍內(nèi)(具體范圍可根據(jù)需求進(jìn)行設(shè)置)的船舶數(shù)據(jù)發(fā)送給云平臺，再通過云平臺、服務(wù)器、基站單元下行至船載單元。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 數(shù)據(jù)管理

3.1.1 LoRa服務(wù)器數(shù)據(jù)管理

服務(wù)器作為基站網(wǎng)關(guān)與云端的協(xié)議處理器，能實現(xiàn)“網(wǎng)關(guān)-服務(wù)器-云”間船舶動、靜態(tài)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，對數(shù)據(jù)進(jìn)行多次加密，以確保傳輸?shù)陌踩?，并能進(jìn)行傳輸流量統(tǒng)計、傳輸狀態(tài)監(jiān)測。

3.1.2 船載單元上行數(shù)據(jù)協(xié)議

在船載單元與基站單元數(shù)據(jù)交互過程中，船載單元上傳數(shù)據(jù)分為2種情況：常態(tài)數(shù)據(jù)和事件觸發(fā)數(shù)據(jù)，常態(tài)數(shù)據(jù)又分為動態(tài)數(shù)據(jù)和靜態(tài)數(shù)據(jù)。上行船舶動態(tài)數(shù)據(jù)協(xié)議見表1。

3.1.3 基站單元下行數(shù)據(jù)協(xié)議

數(shù)據(jù)處理與顯示單元分析計算出封閉水域內(nèi)所有船舶的位置關(guān)系以后，通過基站單元向船載單元發(fā)送周圍一定范圍內(nèi)(可根據(jù)需要動態(tài)調(diào)整)船舶的動態(tài)數(shù)據(jù)，此動態(tài)數(shù)據(jù)需包含周圍每艘船舶的船舶識別碼、對地航速、經(jīng)度、緯度和對地航向，共15個字節(jié)。由LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)議規(guī)定，基站單元與船載單元之間最大傳輸字節(jié)數(shù)為其中經(jīng)緯度數(shù)據(jù)字段說明見表2。

表1 船舶動態(tài)數(shù)據(jù)協(xié)議表

表2 數(shù)據(jù)字段說明表

船載單元上行船舶靜態(tài)數(shù)據(jù)協(xié)議見表3。

表3 舶靜態(tài)數(shù)據(jù)協(xié)議表

55字節(jié)，其中還需包含幀頭、數(shù)據(jù)長度、校驗位和幀尾等5個字節(jié)，因此基站單元每包下行數(shù)據(jù)至多只能包含周圍3艘船的動態(tài)航行數(shù)據(jù)，基站下行數(shù)據(jù)協(xié)議見表4。

表4 基站下行數(shù)據(jù)協(xié)議表

3.1.4 船載單元傳輸頻率定義

為保障數(shù)據(jù)更新與傳輸?shù)男?，船載單元數(shù)據(jù)傳輸頻率根據(jù)封閉水域中小型船舶的航速來確定。封閉水域中小型船舶主要以普通雜散雜貨船、旅游船艇、渡船、高速客船為主[11]，普通散雜貨船航速12～15 kn，渡船航速8～10 kn，旅游船艇航速10～15 kn，高速客船航速20～30 kn[12-13]。以航行50 m為例，約需3～10 s?？紤]到封閉水域船舶通航密集，根據(jù)船舶航速確定數(shù)據(jù)傳輸頻率如下。

當(dāng)加速度計檢測到當(dāng)前船舶處于航行狀態(tài)時，航速為20 kn以上船舶每5 s上傳一次數(shù)據(jù)，航速為10～20 kn的船舶每8 s上傳一次數(shù)據(jù)，航速為10 kn以下船舶每10 s上傳一次數(shù)據(jù)。當(dāng)加速度計檢測到當(dāng)前船舶處于停泊狀態(tài)時，1 h上傳一次船舶動態(tài)數(shù)據(jù)。靜態(tài)數(shù)據(jù)每隔20 min上傳一次。當(dāng)船舶航行過程中遇到緊急狀況時會立即發(fā)送一次事件觸發(fā)數(shù)據(jù)幀上報事件觸發(fā)狀態(tài)。

3.2 基站布局方法設(shè)計

基站建設(shè)是封閉水域船舶識別系統(tǒng)建設(shè)的一部分，需要考慮經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和環(huán)境等因素，并分析封閉水域內(nèi)建網(wǎng)策略、網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)和地理環(huán)境。首先對封閉水域地理環(huán)境進(jìn)行勘察，統(tǒng)計各河段內(nèi)船舶流量，按照船舶密集程度對河段進(jìn)行分節(jié)，估算每節(jié)河道內(nèi)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，再對預(yù)算網(wǎng)絡(luò)規(guī)模進(jìn)行仿真。有了初步仿真結(jié)果以后，實地勘察無線網(wǎng)絡(luò)并篩選基站地址，然后設(shè)計詳細(xì)的LoRa網(wǎng)絡(luò)，最終對LoRa網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗證，根據(jù)仿真驗證結(jié)果進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)評估，以制定網(wǎng)關(guān)布網(wǎng)規(guī)則。

在封閉水域中每5 km建立一個基站單元，每個基站單元的網(wǎng)關(guān)覆蓋半徑為2.5 km，選用擴頻因子為SF8，通信速率為3 125 b/s。使用LoRa調(diào)制計算器計算終端節(jié)點在一定擴頻因子、帶寬、編碼率、中心頻率等參數(shù)設(shè)定下的發(fā)包時長。

3.2.1 網(wǎng)絡(luò)規(guī)模計算

假設(shè)每臺網(wǎng)關(guān)覆蓋范圍內(nèi)有N艘船，均處于航行狀態(tài)。以航速為10～20 kn的船舶為例，船載單元每8 s向基站單元上行一包動態(tài)數(shù)據(jù)，每一包動態(tài)數(shù)據(jù)包含的字節(jié)長度為21字節(jié)。由LoRa調(diào)制計算器計算得上報一包數(shù)據(jù)的時間為44.29 ms。網(wǎng)關(guān)收到數(shù)據(jù)后會分別向這N艘船舶下行其周圍M艘船舶的動態(tài)航行數(shù)據(jù)，每包下行數(shù)據(jù)包含周圍3艘船舶的動態(tài)數(shù)據(jù)，字節(jié)長度為50字節(jié)。由LoRa調(diào)制計算器計算得下行數(shù)據(jù)的時間為85.25 ms。將數(shù)據(jù)上行時間記為t1，下行時間記為t2。

由于網(wǎng)關(guān)具有16個上行通道和32個下行通道，支持全雙工上下行，則16包上行數(shù)據(jù)與32包下行數(shù)據(jù)能同時收發(fā)。當(dāng)上行數(shù)據(jù)或下行數(shù)據(jù)超過接收范圍時會產(chǎn)生數(shù)據(jù)相碰現(xiàn)象，造成數(shù)據(jù)丟包。因此為避免丟包造成的重傳壓力，應(yīng)讓所有船載單元與基站單元間的通信保持充足的時間。上行動態(tài)數(shù)據(jù)的船舶數(shù)與數(shù)據(jù)上行時間關(guān)系為

(1)

由計算得：N=2 890，則每臺網(wǎng)關(guān)8 s內(nèi)可接收2 890艘船舶的動態(tài)數(shù)據(jù)。

封閉水域船舶通航密度一般為5～10艘/km(非港區(qū)水域)，比較密集的水域可達(dá)200～500艘/km2(港區(qū)水域和寬闊水域)，因此，對網(wǎng)關(guān)的傳輸能力而言，可保證對5 km范圍內(nèi)所有船舶實時接收船舶上傳的動態(tài)航行數(shù)據(jù)。

3.2.2 數(shù)據(jù)收發(fā)機制定義

考慮封閉水域船舶避碰、安全管理的需求，根據(jù)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和網(wǎng)關(guān)傳輸能力，提出一種基于距離優(yōu)先的數(shù)據(jù)收發(fā)機制，具體描述如下。

1)數(shù)據(jù)上行。網(wǎng)關(guān)的傳輸能力能保障所有船舶的數(shù)據(jù)在任何位置和時間都能上傳到云平臺。

2)數(shù)據(jù)下行。下行時采用自適應(yīng)距離優(yōu)先機制，基站單元優(yōu)先向船載單元下行其周圍最近船舶的動態(tài)數(shù)據(jù)，則船舶間距離越近，被識別的時延越小。

當(dāng)基站單元得到覆蓋范圍內(nèi)所有船舶動態(tài)數(shù)據(jù)以后，向每艘船舶下行其他(N-1)艘船舶的動態(tài)數(shù)據(jù)，記所需總時間為T。假設(shè)費港口區(qū)域的船舶間距相等，記封閉水域船舶自動系統(tǒng)的識別距離為l，基站單元向船載單元發(fā)送距離為l的船舶數(shù)據(jù)的時延為τ。構(gòu)建船舶自動識別動態(tài)模型，由式(2)與式(3)計算時延τ。

(2)

(3)

(4)

基站覆蓋范圍內(nèi)船舶數(shù)量N在一定范圍時，船舶間距離l與船舶自動識別的時延τ之間的動態(tài)模型見圖4。

圖4 時延τ與N和l的動態(tài)關(guān)系

對于非港口區(qū)域，基站覆蓋范圍內(nèi)的船舶數(shù)N最大為50艘，時延τ與船舶間距l(xiāng)動態(tài)關(guān)系見圖5。

圖5 非港口水域中τ與N、l動態(tài)的關(guān)系

在非港口水域，當(dāng)基站覆蓋范圍內(nèi)的船舶容量不超過50艘時，基站單元能向每艘船舶下行基站覆蓋范圍內(nèi)所有船舶的動態(tài)數(shù)據(jù)，且下行時延至多為2 s。

對于港口水域或?qū)掗熕颍靖采w范圍內(nèi)的船舶容量在2 000～2 500艘時，時延τ與船舶間距l(xiāng)動態(tài)關(guān)系見圖6，為保證船舶自動識別時延低于10 s，應(yīng)縮短自動識別的范圍來降低時延，首先刪除距離目標(biāo)船舶較遠(yuǎn)的船舶信息，當(dāng)周圍船舶與目標(biāo)傳播距離相近時則刪除背離而去的船舶信息，保留對遇與追遇船舶的信息；同時增加網(wǎng)關(guān)的數(shù)量。

圖6 寬闊水域中τ與參數(shù)N、l關(guān)系

3.2.3 網(wǎng)關(guān)布網(wǎng)規(guī)則制定

系統(tǒng)保障封閉水域船舶自動識別系統(tǒng)的最大識別時延為10 s，最小識別范圍為1 km。則由式(4)可知，每臺網(wǎng)關(guān)下行通道的傳輸能力至多可供237艘船舶完成自動識別過程。由封閉水域船舶自動識別的動態(tài)模型可知，當(dāng)基站覆蓋范圍內(nèi)的船舶數(shù)不超過237艘時，可通過自動調(diào)節(jié)船舶自動識別的距離，保障系統(tǒng)中船舶自動識別的時延不超過10 s；當(dāng)基站覆蓋范圍內(nèi)的船舶數(shù)超過237艘時，可通過增加網(wǎng)關(guān)數(shù)量，保障系統(tǒng)中船舶自動識別的時延不超過10 s。從而保障封閉水域中船舶安全識別和航行避碰。

4 結(jié)論

通過對系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)容量和時延進(jìn)行仿真與實測實驗，驗證了基于LoRa的解決方案符合封閉水域中船舶自動識別的要求，可解決AIS負(fù)荷過載問題。相對于VDES和GPRS的解決方案，具有功耗低、基站布設(shè)方便等優(yōu)勢，可廣泛應(yīng)用于封閉水域中船舶的輔助導(dǎo)航與安全監(jiān)管。當(dāng)然在仿真計算系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)容量和時延時對船舶動態(tài)識別模型進(jìn)行了簡化，僅對船舶密度、航速和數(shù)據(jù)傳輸速度進(jìn)行了仿真驗證，未能對封閉水域中的環(huán)境因素進(jìn)行仿真驗證。因此下一步將研究不同環(huán)境中數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院途W(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性。