張玉濤，李國棟，湯濤林，尹項博，楊育紅

(1 中國水產(chǎn)科學研究院漁業(yè)機械儀器研究所，上海 200092；2 青島海洋科學與技術(shù)試點國家實驗室，山東 青島 266237)

漁業(yè)數(shù)據(jù)是促進中國漁業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要資源要素，以漁業(yè)船聯(lián)網(wǎng)為基礎的漁業(yè)大數(shù)據(jù)建設是漁業(yè)科技創(chuàng)新的新方向[1-2]。海洋漁船具有數(shù)量多、分布廣、持續(xù)作業(yè)時間長等特點，在海洋數(shù)據(jù)采集和漁業(yè)大數(shù)據(jù)建設方面具有巨大的潛在優(yōu)勢和前景[3-4]。漁業(yè)船聯(lián)網(wǎng)以海洋漁船為基本網(wǎng)絡節(jié)點，結(jié)合現(xiàn)代網(wǎng)絡和通信技術(shù)，可實現(xiàn)船-船、船-岸之間的數(shù)據(jù)傳輸和信息融合[5-6]，不但能夠保障漁船作業(yè)安全、指導漁業(yè)生產(chǎn)，而且能夠提供水文、氣象、漁業(yè)資源分布等大量重要海洋數(shù)據(jù)，對海洋科學研究、海洋資源開發(fā)、海洋權(quán)益維護等都具有重要意義[7-8]。歐美等漁業(yè)發(fā)達國家在漁業(yè)船聯(lián)網(wǎng)的研究和應用方面走在世界前列，部分國家已經(jīng)開始將漁業(yè)船聯(lián)網(wǎng)獲取的數(shù)據(jù)進行管理和應用，并構(gòu)建起海洋數(shù)據(jù)平臺為相關(guān)行業(yè)提供服務[9-12]。我國現(xiàn)有漁船多以小噸位漁船為主，智能化程度較低，漁船配置的傳感器差異較大，多處于單機工作狀態(tài)，無法實現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的集中處理，漁船不能作為數(shù)據(jù)節(jié)點參與漁業(yè)船聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建，從而無法建立完善的漁業(yè)數(shù)據(jù)庫，嚴重制約了中國海洋漁業(yè)大數(shù)據(jù)庫的建設和漁業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展[13-17]。

本研究根據(jù)中國漁船裝備現(xiàn)狀和作業(yè)特點，設計并實現(xiàn)基于漁業(yè)船聯(lián)網(wǎng)的船載終端系統(tǒng)，通過高度集成的主機設計和數(shù)據(jù)融合、自適應通信等算法設計，實現(xiàn)漁船全海域的漁業(yè)數(shù)據(jù)采集、傳輸和組網(wǎng)，降低現(xiàn)有漁船智能化改造和組網(wǎng)成本，為漁業(yè)船聯(lián)網(wǎng)的應用和推廣以及漁業(yè)大數(shù)據(jù)平臺建設打下基礎。

1 系統(tǒng)總體設計

漁船作為漁業(yè)船聯(lián)網(wǎng)的基本節(jié)點和信息源，依靠船載儀器和設備完成數(shù)據(jù)的采集和處理，并利用通信和組網(wǎng)技術(shù)完成數(shù)據(jù)的交換[6,18]。結(jié)合漁業(yè)船聯(lián)網(wǎng)及漁船助航助漁功能需求，提出了漁業(yè)船聯(lián)網(wǎng)船載終端系統(tǒng)總體設計。作為漁船節(jié)點的數(shù)據(jù)中心和控制中心，船載終端系統(tǒng)主要包括系統(tǒng)主機硬件和系統(tǒng)主機軟件2部分。系統(tǒng)主機硬件主要為多源傳感器提供電氣接口，完成通信協(xié)議及電平轉(zhuǎn)換，并為系統(tǒng)軟件運行提供平臺，根據(jù)系統(tǒng)指令實現(xiàn)相應的電路控制、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。系統(tǒng)主機軟件主要完成傳感器的數(shù)據(jù)處理，在相應功能區(qū)進行數(shù)據(jù)調(diào)用和信息顯示，并根據(jù)控制策略實現(xiàn)指令收發(fā)、數(shù)據(jù)融合及遠程傳輸控制等功能。系統(tǒng)總體設計框圖如圖1所示。

圖1 船載終端系統(tǒng)總體設計框圖

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 系統(tǒng)主機設計

船載系統(tǒng)主機作為信息處理、控制指令收發(fā)、數(shù)據(jù)顯示的核心，主要由主處理器、AIS收發(fā)機、設備接口模塊、轉(zhuǎn)換控制模塊、電源模塊等部分組成。主機及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，采用雙層嵌套式設計，內(nèi)層結(jié)構(gòu)用于主控機等相關(guān)設備和電路板的固定，各功能區(qū)域之間設計有散熱風道，可實現(xiàn)機箱的溫度快速調(diào)節(jié)。集成系統(tǒng)主機體積小，長寬高僅為502 mm、471 mm、232 mm，降低了對漁船主控室的空間要求。

圖2 主機結(jié)構(gòu)及整體圖

2.2 設備選型及接口設計

系統(tǒng)主處理器選用UNO-2484G型工控機，采用Core i7處理器，支持多種操作系統(tǒng)，主頻可達6.4 GHz，采用8 GB的DDR4內(nèi)存，同時配備了1TB硬盤存儲模塊，可滿足系統(tǒng)軟件的運行和數(shù)據(jù)存儲需求；AIS作為漁船常用的通導設備[20]，選用ONWA KS_200型AIS收發(fā)機來進行船舶識別和參與海上交管。

主機接口主要由RS485串口、網(wǎng)口以及天線專用接口3種類型組成。串口采用RS485通信接口進行傳感器的連接，其采用平衡驅(qū)動器和差分驅(qū)動接收，可減少傳輸過程中的共模干擾，保證強電磁環(huán)境下信號的有效傳輸，最大無線傳輸距離為1 200 m[21]，能夠滿足大部分漁船信號傳輸距離的要求。主機接口共支持8路串口設備、8路網(wǎng)口設備、4路通信天線的接入，同時可根據(jù)需求進行接口的拓展，可滿足多種類型傳感器及通信設備的接入。

3 數(shù)據(jù)處理與傳輸

3.1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程

船載集成系統(tǒng)的核心在于傳感器數(shù)據(jù)的有效采集和處理，即利用主機的中央處理器(CPU)對不同類型傳感器的數(shù)據(jù)進行自動解析、分析處理，從而完成信息的集中最優(yōu)化處理。針對漁業(yè)船聯(lián)網(wǎng)多源傳感器產(chǎn)生的大量異構(gòu)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理過程如圖3所示。系統(tǒng)通過主機接口采集傳感器數(shù)據(jù)，首先通過信號轉(zhuǎn)換電路完成電平轉(zhuǎn)換，然后CPU判斷數(shù)據(jù)來源完成數(shù)據(jù)解析，根據(jù)節(jié)點描述表篩除不完整數(shù)據(jù)，并剔除數(shù)據(jù)包中的包頭、校驗位等字節(jié)，提取出有效數(shù)據(jù)；系統(tǒng)根據(jù)傳感器之間的相關(guān)性進行數(shù)據(jù)分組，根據(jù)設置的采樣周期完成各組中傳感器數(shù)據(jù)的計算，使得數(shù)據(jù)采樣率與系統(tǒng)設置采樣率一致；然后系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)描述表完成數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化處理，通過數(shù)據(jù)融合生成融合數(shù)據(jù)集；最后通過數(shù)據(jù)總線將融合數(shù)據(jù)集發(fā)送至相應設備，完成數(shù)據(jù)的存儲、顯示和遠程傳輸。

圖3 傳感器數(shù)據(jù)處理示意圖

3.2 多源傳感器數(shù)據(jù)融合

作為船載系統(tǒng)的重要功能，漁船作業(yè)區(qū)域的環(huán)境及作業(yè)等特征數(shù)據(jù)由船載傳感器網(wǎng)絡監(jiān)測獲得，特征數(shù)據(jù)包含了文本、圖像、數(shù)字信號等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)類型，各特征數(shù)據(jù)采集速率和實時性要求也各不相同。多源傳感器異構(gòu)數(shù)據(jù)融合主要過程是對測量數(shù)據(jù)進行預處理以解決數(shù)據(jù)的重復、冗余等問題，通過數(shù)據(jù)級的融合，降低數(shù)據(jù)量，提高強相關(guān)數(shù)據(jù)的有效性。多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合結(jié)構(gòu)如圖4所示，根據(jù)數(shù)據(jù)來源進行相關(guān)性判定，將傳感器數(shù)據(jù)進行協(xié)議解析，剔除數(shù)據(jù)包頭等冗余數(shù)據(jù)并進行類型轉(zhuǎn)換，完成數(shù)據(jù)的清洗。

圖4 多元數(shù)據(jù)融合結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)通過CUP設定統(tǒng)一的采樣周期來解決多源傳感器采樣率不一致問題，假設設定的采樣周期為T，若傳感器n的數(shù)據(jù)采集頻率為fN，則傳感器n上傳的數(shù)據(jù)為：

(1)

系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)級融合方法[22-23]，經(jīng)過處理之后的數(shù)據(jù)，通過識別數(shù)據(jù)庫表頭的方式，進行強相關(guān)性多維數(shù)據(jù)組合，形成融合數(shù)據(jù)集。系統(tǒng)根據(jù)多源傳感器之間的相關(guān)性會生成多個融合數(shù)據(jù)集，多個融合數(shù)據(jù)集之間以時間和船位信息為統(tǒng)一識別基準，共同構(gòu)建起采樣點的全面特征數(shù)據(jù)。

3.3 自適應通信切換

漁船作業(yè)海域范圍廣，近海作業(yè)漁船還會頻繁往來于漁港與作業(yè)區(qū)之間，漁船所處位置不同，網(wǎng)絡信號的覆蓋情況也不同，因此需要采用不同的方式來實現(xiàn)船-岸之間的遠程通信。系統(tǒng)采用自適應通信切換策略，以實現(xiàn)4G通信優(yōu)先，衛(wèi)星通信全覆蓋的目的。自適應通信切換工作控制流程如圖5所示。

圖5 自適應通信切換流程圖

主機根據(jù)設定的時間周期T1，通過“PING”命令測試4G信號鏈路質(zhì)量，當4G鏈路信號質(zhì)量較好時，采用4G網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)的遠程傳輸；如果4G網(wǎng)絡鏈路不連通，則通過多路選擇器自動切換至衛(wèi)星通信鏈路，完成數(shù)據(jù)的傳輸。在衛(wèi)星通信狀態(tài)下，主機根據(jù)設定的時間周期T2進行4G信號的鏈路測試，如果4G信號鏈路質(zhì)量較好，則自動切換至4G通信鏈路。在此過程中，系統(tǒng)會調(diào)用位置數(shù)據(jù)來初步判斷漁船所處區(qū)域的網(wǎng)絡覆蓋情況，通過動態(tài)調(diào)整T1和T2的時間長度來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸。

4 系統(tǒng)軟件功能實現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)軟件架構(gòu)設計

船載終端作為漁船的數(shù)據(jù)中心，系統(tǒng)軟件主要實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的處理、信息的本地顯示、數(shù)據(jù)協(xié)議實現(xiàn)與傳輸?shù)裙δ?。本系統(tǒng)基于.NET Framework開發(fā)環(huán)境，通過Chromium內(nèi)核框架進行系統(tǒng)開發(fā)。Chromium內(nèi)核框架具有開源、穩(wěn)定性高、流暢性好等優(yōu)點，利用Chromium擴展庫，結(jié)合HTML、CCS、JavaScript可實現(xiàn)界面框架和各模塊控件的快速開發(fā)[24]。

系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖6所示，傳感器系統(tǒng)通過網(wǎng)口和串口將數(shù)據(jù)連接至主機電氣接口；通過調(diào)用.NET Framework類庫中的API函數(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的解析和處理，并將數(shù)據(jù)傳輸至Chromium內(nèi)核的數(shù)據(jù)更新緩存區(qū)；內(nèi)核讀取緩存區(qū)的數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)來源和執(zhí)行動作，完成數(shù)據(jù)的處理，并通過系統(tǒng)圖形接口完成信息顯示。

圖6 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

4.2 系統(tǒng)軟件功能實現(xiàn)

4.2.1 信息顯示模塊

信息顯示模塊是人機交互的主要部分，根據(jù)信息的重要程度與查看頻次采用多級界面顯示方式，可以使得各傳感器數(shù)據(jù)更加清晰和直觀，系統(tǒng)主界面如圖7所示。主界面以衛(wèi)星圖為基礎，完成漁船基本信息、航行信息、周圍漁船等基本信息的顯示；二級界面以彈出窗口的形式實時顯示傳感器數(shù)據(jù)，如探魚儀信息、視頻監(jiān)控、氣象數(shù)據(jù)等；三級界面主要實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)查詢，可根據(jù)月、天、周切換進行歷史數(shù)據(jù)變化趨勢分析。系統(tǒng)通過.NET中的API接口調(diào)用系統(tǒng)設置、AIS等數(shù)據(jù)，完成衛(wèi)星圖層中基本信息的添加，顯示界面主框架采用Chromium內(nèi)核類庫搭建，通過調(diào)用類庫中函數(shù)完成各級窗口的創(chuàng)建和控件動作屬性的設置。

圖7 系統(tǒng)主界面

4.2.2 數(shù)據(jù)獲取與調(diào)用

主機通過串口或網(wǎng)口接收到傳感器數(shù)據(jù)后，首先根據(jù)數(shù)據(jù)來源完成協(xié)議解析及融合處理，并根據(jù)異構(gòu)數(shù)據(jù)的相關(guān)性進行分組，通過調(diào)用.NET函數(shù)將數(shù)據(jù)上傳至內(nèi)核緩存區(qū)。內(nèi)核根據(jù)不同數(shù)據(jù)類型采取相應的處理策略，攝像頭和探魚儀等視頻數(shù)據(jù)直接進行調(diào)用，并在單獨窗口顯示；環(huán)境、漁船動力等文本數(shù)據(jù)則根據(jù)分組，分別提取數(shù)據(jù)要素，根據(jù)屬性設置完成傳感器數(shù)據(jù)的分組顯示。當查看歷史數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)根據(jù)相應區(qū)域的動作屬性，將存儲的數(shù)據(jù)調(diào)入數(shù)據(jù)緩存區(qū)并根據(jù)時間順序進行顯示。

4.2.3 數(shù)據(jù)存儲與傳輸

對于獲取的傳感器數(shù)據(jù)，系統(tǒng)同時進行原始數(shù)據(jù)和處理后融合數(shù)據(jù)集的本地存儲。船載系統(tǒng)采用輕量級的MQTT通信協(xié)議進行數(shù)據(jù)遠程傳輸，在通訊過程中，船載集成系統(tǒng)定義為發(fā)布者(Publish)，岸基數(shù)據(jù)中心定義為訂閱者(Subscribe)；傳輸?shù)南㈥犃蟹譃橹黝}(Topic)和負載(payload)兩部分，在融合數(shù)據(jù)集的傳輸中，每條數(shù)據(jù)添加關(guān)鍵字作為主題，各傳感器融合后的數(shù)據(jù)作為消息隊列的負載。作為一種低開銷、低帶寬的即時通信協(xié)議，MQTT協(xié)議在帶寬受限的漁業(yè)船聯(lián)網(wǎng)應用場景中具有較好的傳輸性能，可有效降低信息傳輸成本[25]。

5 系統(tǒng)部署及試驗

5.1 船載系統(tǒng)部署設計

5.1.1 船載試驗整體部署

船載系統(tǒng)基于中國某型遠洋漁業(yè)船舶進行部署實驗，船長66.66 m，船寬12.4 m，續(xù)航力為8 000 n mile，可滿足系統(tǒng)在不同應用場景下的組網(wǎng)測試。為充分驗證系統(tǒng)對漁業(yè)船聯(lián)網(wǎng)常用傳感器的集成處理能力，根據(jù)漁船特點主要部署了3類傳感器：漁船助航傳感器、漁船環(huán)境監(jiān)測傳感器、助漁儀器。同時，部署了4種不同的通信設備，可完成不同規(guī)模的組網(wǎng)功能。終端系統(tǒng)主機放置于駕駛室之內(nèi)，船載系統(tǒng)整體部署如圖8所示。

圖8 船載系統(tǒng)部署圖

5.1.2 傳感器選型

完善的船載傳感器節(jié)點是實現(xiàn)漁業(yè)船聯(lián)網(wǎng)多樣化應用的基礎，根據(jù)漁業(yè)船聯(lián)網(wǎng)漁船節(jié)點數(shù)據(jù)需求，進行了傳感器的選型，如表1所示。所選傳感器可完成環(huán)境、助航、助漁等多種特征數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)包括視頻、文本等多種類型，可充分驗證終端系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集中處理能力。

表1 傳感器選型

5.1.3 船載通信設計

在漁業(yè)船聯(lián)網(wǎng)應用場景中，實時通信需求多為小數(shù)據(jù)量、高穩(wěn)定性的場景[6,26]。針對漁船不同的作業(yè)場景的通信需求，結(jié)合漁船通信設備的情況，共部署了4類漁船終端通信方式[27-30]，如表2所示，可支持驗證船載終端系統(tǒng)自適應通信切換控制的有效性測試。

表2 船載系統(tǒng)通信方式

5.2 結(jié)果與分析

5.2.1 試驗結(jié)果

測試航行海域主要為中國南海海域，測試連續(xù)進行30余天。終端系統(tǒng)通過對傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的集中采集和處理，完成數(shù)據(jù)的清洗和壓縮融合，共生成5類融合數(shù)據(jù)集，包括環(huán)境數(shù)據(jù)集、水質(zhì)數(shù)據(jù)集、船舶系統(tǒng)數(shù)據(jù)集、助航數(shù)據(jù)集、助漁數(shù)據(jù)集，采集的原始數(shù)據(jù)達206余萬條。通過數(shù)據(jù)清洗及融合處理后，數(shù)據(jù)量壓縮至46萬余條，僅占原數(shù)據(jù)量的22%，在保留有效數(shù)據(jù)的前提下，大大降低了數(shù)據(jù)的傳輸量。以環(huán)境特征融合數(shù)據(jù)集為例，表3為部分數(shù)據(jù)，融合了從AIS獲得的船舶識別號、從北斗獲取的位置信息、系統(tǒng)時間、傳感器數(shù)據(jù)等強相關(guān)信息，全面直觀地體現(xiàn)了采樣點的各項特征數(shù)據(jù)。

表3 環(huán)境特征融合數(shù)據(jù)集

岸基數(shù)據(jù)中心監(jiān)測如圖9所示。

圖9 岸基數(shù)據(jù)中心監(jiān)測圖

可以看出整個航程中數(shù)據(jù)中心均連續(xù)獲得了船載集成系統(tǒng)的遠程實時數(shù)據(jù)。測試航行范圍覆蓋了近海和遠海海域，系統(tǒng)根據(jù)不同海域的信號覆蓋情況，通過自適應切換方式分別通過4G和衛(wèi)星通信方式，將融合數(shù)據(jù)集實時遠程傳輸至漁業(yè)船聯(lián)網(wǎng)岸基數(shù)據(jù)中心。船聯(lián)網(wǎng)岸基數(shù)據(jù)中心通過對各類融合數(shù)據(jù)集的解析，實現(xiàn)了對測試船舶的實時動態(tài)監(jiān)測。

5.2.2 分析討論

經(jīng)實際航行測試，基于漁業(yè)船聯(lián)網(wǎng)的船載集成系統(tǒng)不僅能夠完成多源傳感器異構(gòu)數(shù)據(jù)的采集與實時顯示，還通過數(shù)據(jù)清洗和融合設計生成融合數(shù)據(jù)集，實現(xiàn)對原始數(shù)據(jù)的壓縮，壓縮率可達78%，大大提高了傳輸效率。利用自適應通信切換，綜合利用不同通信方式優(yōu)點，實現(xiàn)了近海和遠海不同信號覆蓋海域的不間斷實時通信，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)中心對漁船全航程數(shù)據(jù)的實時遠程監(jiān)測。試驗表明，船載集成系統(tǒng)性能穩(wěn)定、功能完備，可滿足漁業(yè)船聯(lián)網(wǎng)不同應用場景的需求。但本系統(tǒng)還存在不足之處，如攝像頭和探魚儀等視頻數(shù)據(jù)量多，占用通信帶寬大等，后續(xù)系統(tǒng)將通過圖像識別算法進行關(guān)鍵信息提取的方法解決上述問題。

6 結(jié)論

針對中國海洋漁船現(xiàn)狀，為實現(xiàn)漁船的智能化升級改造，構(gòu)建漁業(yè)船聯(lián)網(wǎng)，設計了一套基于漁業(yè)船聯(lián)網(wǎng)的船載終端系統(tǒng)。系統(tǒng)包括硬件主機和系統(tǒng)軟件2部分，硬件主機體積小、性能高，集成了多種類型的電氣接口，可滿足多源傳感器的集中接入和處理，實現(xiàn)了信息的本地集中處理和顯示。系統(tǒng)軟件通過多級界面設計，實現(xiàn)了傳感器數(shù)據(jù)的實時顯示和歷史查詢。通過數(shù)據(jù)級融合算法生成融合數(shù)據(jù)集，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高效壓縮和傳輸，并通過自適應通信切換控制，在降低傳輸成本的同時實現(xiàn)了全海域的實時傳輸。通過部署測試，完成了航行海域多源傳感器異構(gòu)數(shù)據(jù)的采集和處理，并通過不同的組網(wǎng)方式實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實時遠程傳輸。本研究設計的漁業(yè)船聯(lián)網(wǎng)船載終端系統(tǒng)集成度高、穩(wěn)定性好、功能全面，可為我國漁船智能化改造和漁業(yè)船聯(lián)網(wǎng)建設提供支撐。

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