陳新恩，畢齊林，方 欣，施玲玲，閆奕樸

(廣州航海學(xué)院，廣東 廣州 510725)

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)全球化和世界貿(mào)易的蓬勃發(fā)展，全球85%的貿(mào)易通過船舶運(yùn)輸，由船舶運(yùn)行造成的海洋污染日益凸顯。在船舶環(huán)保方面，國(guó)際海事組織IMO 已頒發(fā)了全球限硫令，2020 年始要減少全球硫排放到0.5%，船舶的燃油硫含量將從3.5%降到0.5%[1]，因此加強(qiáng)對(duì)船舶日常運(yùn)營(yíng)的監(jiān)管，對(duì)于防止全球的航運(yùn)污染海洋環(huán)境尤為重要[2 –3]。鑒于此，采用性能優(yōu)越的北斗短報(bào)文通信功能，構(gòu)建基于北斗的船舶環(huán)保監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，同時(shí)與現(xiàn)有的海洋防污染規(guī)則措施相結(jié)合，來提升遠(yuǎn)洋船舶的航行監(jiān)管水平，已成為工程技術(shù)人員的研究熱點(diǎn)[4]。

目前，北斗系統(tǒng)在海上的應(yīng)用主要包括船舶遇險(xiǎn)報(bào)警業(yè)務(wù)[5]，定位導(dǎo)航[6]，以及船舶港口調(diào)度指揮和監(jiān)控[7]等方面。林金海[8]提出一種基于北斗的海事安全管理系統(tǒng)，通過北斗對(duì)船舶實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了北斗在船舶航行安全的動(dòng)態(tài)全過程監(jiān)控。申翔等[9]則利用北斗系統(tǒng)的短報(bào)文通信功能，高效開展了海上搜救工作。但是，相關(guān)科研團(tuán)隊(duì)采用北斗系統(tǒng)在海洋環(huán)境保護(hù)方面的研究還不夠深入。陳新恩等[10]提出了基于北斗系統(tǒng)的船用焚燒爐進(jìn)行船岸一體化監(jiān)控方案，創(chuàng)新設(shè)計(jì)出幾種判斷船員是否違規(guī)向海洋傾倒垃圾和污油的方法，成為了船舶在海洋環(huán)境保護(hù)方面利用北斗系統(tǒng)的創(chuàng)新案例。然而該系統(tǒng)只是針對(duì)船用焚燒爐的船岸一體化監(jiān)控，船上其他的防污染設(shè)備如油水分離器，船舶尾氣排放檢測(cè)等還未涉及到，并且對(duì)于采集的信息數(shù)據(jù)傳輸還未深入研究。

針對(duì)上述問題，本文構(gòu)建一種基于北斗系統(tǒng)短報(bào)文通信功能的遠(yuǎn)洋船舶環(huán)保船岸一體化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)各種傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將數(shù)據(jù)信息進(jìn)行調(diào)制和加密處理，船員可實(shí)時(shí)查看采集的數(shù)據(jù)信息，了解防污染設(shè)備運(yùn)行狀況。通過船岸通信系統(tǒng)將收集的船舶防污染數(shù)據(jù)信息反饋到船舶管理公司和海事監(jiān)管部門，分析數(shù)據(jù)可以判斷是否有違規(guī)排放的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)船舶，特別是遠(yuǎn)洋船舶上的日常運(yùn)營(yíng)監(jiān)管，彌補(bǔ)航運(yùn)監(jiān)管方面的缺陷。

1 基于北斗的船舶防污染監(jiān)控系統(tǒng)原理

基于北斗的船舶防污染監(jiān)控系統(tǒng)工作過程如下：

1）在船載終端的數(shù)據(jù)采集單元將船舶焚燒爐、油水分離器等防污染設(shè)備運(yùn)行工況參數(shù)通過各種傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，傳輸?shù)酱翱刂浦行倪M(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和存儲(chǔ)；

2）將生成的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行調(diào)制和加密；

3）通過船岸通信系統(tǒng)，將信息傳輸?shù)降孛婵刂浦行?，船舶管理公司和海事監(jiān)管部門可及時(shí)了解船舶防污染設(shè)備的狀況，從而構(gòu)成船岸一體化監(jiān)控系統(tǒng)，可大大提升船舶防污染的監(jiān)控水平及海事監(jiān)管部門的執(zhí)法力度。船舶防污染監(jiān)控系統(tǒng)組成如圖1 所示，包括船載終端系統(tǒng)、船岸通信系統(tǒng)和岸基數(shù)據(jù)監(jiān)管系統(tǒng)。

圖1 船舶防污染監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成Fig.1 The composition of ship anti-pollution monitoring system

在船舶防污染船岸一體化監(jiān)控系統(tǒng)工作過程中，數(shù)據(jù)采集單元采集焚燒爐2 個(gè)以上工作數(shù)據(jù)信號(hào)，主要以風(fēng)機(jī)啟動(dòng)信號(hào)和燃燒器啟動(dòng)信號(hào)作為開關(guān)量信號(hào)，確保數(shù)據(jù)的有效性。系統(tǒng)將數(shù)據(jù)信息通過串口傳輸?shù)酱d數(shù)據(jù)處理器進(jìn)行分析、計(jì)算和存儲(chǔ)，并加密后通過船載北斗終端發(fā)送到陸地終端解密并存儲(chǔ)。船舶管理公司和海事管理部門可以通過訪問實(shí)時(shí)了解到船舶防污染設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行狀況。船舶管理公司和海事管理部門也可以通過北斗，向遠(yuǎn)洋船舶發(fā)送相關(guān)的指令。一定程度上，整個(gè)系統(tǒng)可以進(jìn)行雙向互通。與此同時(shí)，考慮到通常情況下的北斗民用通信每條短報(bào)文的最大信息容量為78 bit 數(shù)據(jù)，使用頻度1 min 可使用一次[11]。因此，本系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)采用定時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)方式，頻度為間隔60 s 1 次，并且為緊急通信和自定義消息發(fā)送預(yù)留頻度。

2 防污染船岸一體化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

以北斗短報(bào)文通信功能位為載體，將北斗衛(wèi)星通信和遠(yuǎn)洋船舶防污染設(shè)備的實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，對(duì)于提高遠(yuǎn)洋船舶防污染監(jiān)控能力以及保護(hù)海洋環(huán)境具有重要意義。如圖2 所示，考慮到系統(tǒng)應(yīng)用的實(shí)際情況，防污染船岸一體化監(jiān)控系統(tǒng)主要功能應(yīng)包括：數(shù)據(jù)歷史查詢、數(shù)據(jù)信息報(bào)表、異常報(bào)警、應(yīng)急通信和可擴(kuò)充功能。

圖2 船岸一體化監(jiān)控系統(tǒng)Fig.2 The ship-shore integrated monitoring system

2.1 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)包括船載終端硬件系統(tǒng)和岸基硬件系統(tǒng)兩部分，如圖3 所示。船載終端硬件系統(tǒng)包括船載數(shù)據(jù)處理器、船載數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和火焰探測(cè)器、油份濃度傳感器、液位傳感器、流量傳感器、時(shí)間計(jì)數(shù)器等數(shù)據(jù)采集模塊。其中，考慮到本系統(tǒng)所需處理的數(shù)據(jù)集信息量大、實(shí)時(shí)性要求高的特點(diǎn)，選用宏晶公司的STC89C52RC 單片機(jī)作為處理器，該處理器具有高性能、低功耗和實(shí)時(shí)信號(hào)處理的優(yōu)點(diǎn)。

圖3 船載終端硬件系統(tǒng)框架圖Fig.3 The framework of shipboard terminal hardware system

火焰探測(cè)器安裝在焚燒爐的爐膛內(nèi)，用來檢測(cè)焚燒爐是否處于燃燒狀態(tài)，并通過現(xiàn)場(chǎng)總線將采集的數(shù)據(jù)傳送到船載數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中；質(zhì)量傳感器用來檢測(cè)船用焚燒爐處理的固體垃圾質(zhì)量；液位傳感器安裝在污油水柜中，用于計(jì)算船舶產(chǎn)生的污水量和污油量；油份濃度傳感器和流量傳感器主要安裝在污油水管路中，用于測(cè)量污油水的油份濃度和污油水的排放量；人機(jī)交換模塊采用顯示屏顯示界面，可以通過登錄訪問存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)。此外，對(duì)于尾氣排放含硫量等也可以通過相應(yīng)的傳感器記錄并存儲(chǔ)在船載數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中。

岸基硬件系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)服務(wù)器，用于船端數(shù)據(jù)的接收，海事監(jiān)管部門和船舶管理公司可以通過登錄訪問服務(wù)器，了解該船的防污染設(shè)備運(yùn)行狀況等信息。此外，當(dāng)前適用于北斗短報(bào)文數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕K端設(shè)備有TS8512 一體機(jī)、NIV-201 北斗多模一體機(jī)和BZ280 系列北斗一體機(jī)。其中TS8512 一體機(jī)憑借其精度高、體積小、連接簡(jiǎn)單、操作方便、集成度高的特點(diǎn)適用于船艦導(dǎo)航、位置上報(bào)和船舶短報(bào)文通信等大規(guī)模應(yīng)用。

TS8512 一體機(jī)主要的性能指標(biāo)如下：

1）發(fā)射功率 5 W（端口功率），2）發(fā)射信號(hào)頻率準(zhǔn)確度 ≤5*10?7，3）接收靈敏度 ?157.6 dBW，4）載波抑制 ≥30 dB，5）首次捕獲時(shí)間 ≤2 s，6）數(shù)據(jù)更新頻率 1 Hz，7）失鎖重捕時(shí)間 ≤1 s，8）時(shí)差測(cè)量誤差 ≤10 ns，9）捕獲靈敏度 ?133 dBm，10）直流供電 +9～36 V，11）接口為1 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)RS232 串口。

船載數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息通過轉(zhuǎn)換，利用RS232 串口與TS8512 一體機(jī)進(jìn)行連接通信，岸基遠(yuǎn)程信息管理系統(tǒng)與陸地北斗接收設(shè)備通信，進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

基于北斗的船舶防污染船岸一體化監(jiān)控系統(tǒng)所有的數(shù)據(jù)采集發(fā)送和接收都是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程。因此，該系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。軟件設(shè)計(jì)包括船載數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)系統(tǒng)和岸基遠(yuǎn)程信息管理系統(tǒng)，其功能設(shè)計(jì)如圖4 所示。

圖4 軟件系統(tǒng)框架圖Fig.4 The framework of software system

考慮到本系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸是一個(gè)動(dòng)態(tài)信息采集和存儲(chǔ)過程。鑒于此，本系統(tǒng)選用安全性高，支持大多數(shù)通用Web 服務(wù)器的JSP（Java Sever pages）作為動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的開發(fā)工具，滿足動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)更新要求。

設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主界面，包括當(dāng)前時(shí)間顯示、船舶選擇確認(rèn)、參數(shù)設(shè)定、船岸信息處理、報(bào)警設(shè)置、運(yùn)行控制6 個(gè)子菜單。點(diǎn)擊參數(shù)設(shè)定子菜單可對(duì)船用油水分離器、尾氣排放監(jiān)測(cè)等設(shè)備的工作參數(shù)進(jìn)行設(shè)定；點(diǎn)擊船岸信息處理子菜單可對(duì)船舶管理公司和海事監(jiān)管部門發(fā)送的信息進(jìn)行顯示和查詢；點(diǎn)擊報(bào)警設(shè)置按鈕可依據(jù)不同的工況要求，對(duì)一些傳感器的上下限報(bào)警量進(jìn)行自主設(shè)置；點(diǎn)擊運(yùn)行控制可對(duì)船用油水分離器等設(shè)備的工作模式進(jìn)行選擇，并對(duì)一些船用輔助設(shè)備進(jìn)行手動(dòng)啟?？刂?。

船載數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)系統(tǒng)如圖5 所示，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、處理和存儲(chǔ)。通過交互界面，船上工作人員可以進(jìn)行訪問、查詢等功能。點(diǎn)擊防污染設(shè)備的工作參數(shù)界面，可了解設(shè)備運(yùn)行狀況，對(duì)污水處理量、污油處理量、尾氣含硫量等參數(shù)確認(rèn)。同時(shí)，信息查看子菜單也可以對(duì)船舶管理公司和監(jiān)管部門發(fā)來的信息進(jìn)行查看、顯示等。

圖5 船載數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)系統(tǒng)界面Fig.5 Shipboard data processing and storage system interface

岸基遠(yuǎn)程信息管理系統(tǒng)如圖6 所示，有船舶信息和狀態(tài)顯示、數(shù)據(jù)報(bào)表生成、報(bào)警控制與處理、環(huán)保數(shù)據(jù)查詢等功能。系統(tǒng)使用前，需點(diǎn)擊船舶信息顯示子菜單查詢所監(jiān)測(cè)船舶的船名、所屬公司，以及以往各類檢查的違規(guī)記錄；實(shí)時(shí)監(jiān)控可顯示設(shè)備的運(yùn)行畫面；報(bào)警控制與處理能夠查詢歷史報(bào)警記錄數(shù)據(jù)報(bào)表生成；環(huán)保數(shù)據(jù)查詢功能可對(duì)各設(shè)備的每日使用情況和歷史數(shù)據(jù)記錄進(jìn)行實(shí)時(shí)查看；數(shù)據(jù)報(bào)表生成功能可對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，從而船舶管理公司和海事監(jiān)管部門可以分析和判斷船舶是否有污染產(chǎn)生。

圖6 岸基遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)界面Fig.6 Shore-based remote management system interface

3 數(shù)據(jù)采集通信傳輸方法研究

3.1 數(shù)據(jù)采集計(jì)算

數(shù)據(jù)采集過程中，需要實(shí)時(shí)把采集到的船舶處理的污水、污油量等通過北斗短報(bào)文通信功能傳輸?shù)疥懙囟说暮Ｊ卤O(jiān)管部門和船舶管理公司。因此，需要計(jì)算出相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸容量，統(tǒng)一采集處理存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)信息以字節(jié)為單位計(jì)算，每個(gè)字符對(duì)應(yīng)1 個(gè)字節(jié)，每個(gè)漢字對(duì)應(yīng)2 個(gè)字節(jié)[12]，轉(zhuǎn)化采集到的數(shù)據(jù)為可以存儲(chǔ)的二進(jìn)制數(shù)，船岸一體化模擬系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集如表1所示。

表1 船岸一體化模擬系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集表Tab.1 Ship-shore integrated simulation system data collection table

由計(jì)算數(shù)據(jù)可知，現(xiàn)有的數(shù)據(jù)滿足北斗通信容量，并且還可以進(jìn)行通信容量的拓展。

3.2 北斗終端數(shù)據(jù)接口通信協(xié)議

北斗數(shù)據(jù)通信包括發(fā)送和接收，傳輸指令語句也就包括請(qǐng)求指令和應(yīng)答指令兩部分。在北斗船岸一體化監(jiān)控系統(tǒng)通信過程中，通信終端采用標(biāo)準(zhǔn)為RS232的串口通信協(xié)議與外部設(shè)備建立連接，其參數(shù)定義如下：傳輸速率9600 bps；開始位1 位；停止位1 位；數(shù)據(jù)位8 位；無奇偶校驗(yàn)位。船岸一體化監(jiān)控系統(tǒng)需要用到的請(qǐng)求指令是通信申請(qǐng)$TXSQ，相應(yīng)指令是通信信息$TXXX，只有滿足相應(yīng)的協(xié)議要求才能建立聯(lián)系。因此，為保證北斗短報(bào)文通信滿足協(xié)議的相關(guān)要求，本文制定的報(bào)文格式依次為指令、長(zhǎng)度、用戶地址、信息內(nèi)容和校驗(yàn)和5 個(gè)方面，傳輸要求如下：

1）指令

傳輸時(shí)用長(zhǎng)度為1 個(gè)字節(jié)的ASCII 碼表示，以起始符“$”開始；

2）長(zhǎng)度

即數(shù)據(jù)總字節(jié)數(shù)，表示從“$”到校驗(yàn)和（含校驗(yàn)和）為止；

3）用戶地扯

用戶機(jī)3 個(gè)字符長(zhǎng)度的ID 號(hào)；

4）信息內(nèi)容

各參數(shù)按格式要求進(jìn)行填充，使用二進(jìn)制原碼；

5）校驗(yàn)和

是指從“指令”起始符起到“校驗(yàn)和”為止，按字節(jié)異或統(tǒng)計(jì)的字符總數(shù)。

發(fā)送報(bào)文格式如表2 所示。

表2 發(fā)送報(bào)文格式Tab.2 Send message format

通信過程中，發(fā)送報(bào)文電文內(nèi)容包括遠(yuǎn)洋船舶防污染設(shè)備焚燒爐運(yùn)行形狀況參數(shù)，油水分離器水中油含量等參數(shù)、尾氣排放硫含量等數(shù)據(jù)信息。

接收?qǐng)?bào)文格式如表3 所示。

表3 接受報(bào)文格式Tab.3 Accept message format

其中，CRC 檢驗(yàn)是循環(huán)冗余檢驗(yàn)，根據(jù)除法及余數(shù)原理作錯(cuò)誤幀測(cè)，確保傳輸數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤，“00H”為正確信息，“01H”即為錯(cuò)誤信息。接收?qǐng)?bào)文主要是岸基的北斗地面控制中心，使得船舶管理公司和海事監(jiān)管部門能夠獲得遠(yuǎn)洋船舶防污染設(shè)備的參數(shù)。

4 結(jié) 語

針對(duì)遠(yuǎn)洋船舶難以監(jiān)管的弊端，基于北斗系統(tǒng)的短報(bào)文通信功能，研究了一種基于北斗的遠(yuǎn)洋船舶環(huán)保船岸一體化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，得到以下結(jié)論：

1）北斗通信系統(tǒng)適合于大范圍的船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)管，以及船舶相關(guān)數(shù)據(jù)資料的獲?。?/p>

2）基于北斗的遠(yuǎn)洋船舶環(huán)保船岸一體化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)統(tǒng)可對(duì)船舶上的防污染設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為遠(yuǎn)程監(jiān)控提供了技術(shù)支持和信息支撐；

3）該系統(tǒng)滿足了遠(yuǎn)洋船舶上的日常運(yùn)營(yíng)監(jiān)管，彌補(bǔ)航運(yùn)監(jiān)管方面的缺陷，同時(shí)成為北斗系統(tǒng)依托船舶在海洋環(huán)境保護(hù)方面實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的創(chuàng)新型案例。