趙玉紅

(1.河南科技大學(xué)，河南 洛陽(yáng) 471000；2.河南科技職業(yè)大學(xué)，河南 周口 466000)

0 引 言

船舶在正式交付前都需要進(jìn)行試航，在試航過(guò)程中可以獲取船舶航行的關(guān)鍵信息，包括船舶通信系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、定位系統(tǒng)等，這些試航信息需要在收集之后和船舶的建造和操作要求進(jìn)行對(duì)比，以確定船舶是否滿足航行要求。傳統(tǒng)的船舶試航信息記錄都是通過(guò)記錄儀來(lái)將船舶試航信息進(jìn)行記錄和存儲(chǔ)，最后在船舶完成試航后再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，而在信息化發(fā)展的今天，通信技術(shù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)的不斷發(fā)展為船舶試航提供了新的助力。除了船舶的基本操作信息外，船舶試航還需要對(duì)船舶航行中的位置信息進(jìn)行記錄和分析，GPS 技術(shù)是目前使用較為廣泛的衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)，在民用領(lǐng)域其定位精度可以達(dá)到3 m。

國(guó)內(nèi)目前對(duì)船舶試航的主要研究方向集中在試航流程、試航數(shù)據(jù)的采集以及試航模型等方面，李珍璜等[1]針對(duì)當(dāng)前試航流程中存在的問(wèn)題提出優(yōu)化措施，能夠有效縮短試航時(shí)間。吉永軍等[2]針對(duì)船舶試航過(guò)程中出現(xiàn)依賴人工專家的問(wèn)題提出了一種技術(shù)知識(shí)網(wǎng)絡(luò)專家方案，通過(guò)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)推理來(lái)解決試航中出現(xiàn)的問(wèn)題，從而提升解決試航問(wèn)題的效率。張海華等[3]以集裝箱船為例，對(duì)比建立的模型和船舶試航時(shí)的航行數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)模型數(shù)據(jù)對(duì)船舶試航具有一定參考性。

目前對(duì)船舶試航數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性傳輸和存儲(chǔ)等研究較少，因而本文在對(duì)數(shù)據(jù)通信技術(shù)、GPS 衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)等進(jìn)行充分研究的基礎(chǔ)上，提出一種能夠?qū)Υ霸嚭綌?shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)快速通信傳輸?shù)姆椒?，在系統(tǒng)中保留北斗導(dǎo)航數(shù)據(jù)接口，為后續(xù)試航系統(tǒng)的完善提供足夠的提升空間。

1 數(shù)據(jù)通信技術(shù)

1.1 船舶試航數(shù)據(jù)特點(diǎn)

為了測(cè)試建造的船舶是否達(dá)到出廠要求，需要對(duì)船舶航速以及航向操作進(jìn)行測(cè)試，這些測(cè)試包括船舶回轉(zhuǎn)試驗(yàn)、緊急剎車(chē)試驗(yàn)、直線航行試驗(yàn)以及錨泊試驗(yàn)等，所有這些測(cè)試可以對(duì)船舶的方向舵操作、電氣設(shè)備的操作等基本功能進(jìn)行確認(rèn)。在船舶上設(shè)置有傳感器節(jié)點(diǎn)，通過(guò)對(duì)這些傳感器節(jié)點(diǎn)的基本數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和匯總，最后獲取所有船舶的試航數(shù)據(jù)。

船舶試航數(shù)據(jù)由于涉及到GPS 位置信息、船舶發(fā)動(dòng)機(jī)、雷達(dá)數(shù)據(jù)、AIS 數(shù)據(jù)、各類電氣設(shè)備的狀態(tài)信息等，在整個(gè)試航過(guò)程中需要對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行全程監(jiān)控，以確保船舶按照既定航向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)確保船舶在既定試航過(guò)程中，所有設(shè)備的工作狀態(tài)正常[4]。綜合來(lái)看，船舶試航數(shù)據(jù)有如下特征：

1）數(shù)據(jù)種類多

船舶試航是對(duì)一艘全新的船舶進(jìn)行測(cè)試，因而在試航過(guò)程中需要收集的數(shù)據(jù)種類非常多，而且不同種類數(shù)據(jù)的格式和大小有很大不同，因而針對(duì)不同數(shù)據(jù)的處理方法也不盡相同。

2）單次數(shù)據(jù)傳輸量小，但總量大

船舶試航數(shù)據(jù)的單次數(shù)據(jù)傳輸量比較小，這是由于很多數(shù)據(jù)都是屬于開(kāi)關(guān)量數(shù)據(jù)和模擬量，這些數(shù)據(jù)量都小于1 kb，但是由于需要采集的數(shù)量比較多，因而船舶的試航數(shù)據(jù)量比較大。如果采用實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，需要在試航的船舶上配置有一個(gè)容量較大的存儲(chǔ)器。本文提出的試航系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信，通過(guò)4G 通信將船舶試航數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)娇刂浦行模蚨诖吧现恍枰O(shè)置一個(gè)容量較小的存儲(chǔ)器作為數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)[5-6]。

3）數(shù)據(jù)異常處理要求高

船舶試航過(guò)程中容易受到環(huán)境干擾，同時(shí)也可能會(huì)產(chǎn)生一些異常數(shù)據(jù)，對(duì)這些異常數(shù)據(jù)需要及時(shí)進(jìn)行判斷，通常在采集系統(tǒng)中在異常數(shù)據(jù)產(chǎn)生時(shí)，可以在短時(shí)間內(nèi)再次對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，如果再次采集的數(shù)據(jù)正常，會(huì)使用新數(shù)據(jù)來(lái)代替異常數(shù)據(jù)，或者是短時(shí)間內(nèi)連續(xù)采集幾次，使用多次采集的數(shù)據(jù)平均值來(lái)判斷是否存在異常[7]。

船舶試航數(shù)據(jù)除以上特點(diǎn)外，隨著船舶智能化、大型化的發(fā)展，船舶試航數(shù)據(jù)量會(huì)進(jìn)一步加大，同時(shí)除了傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)量、模擬量、GPS 位置信息等，在未來(lái)還有視頻數(shù)據(jù)、聲音數(shù)據(jù)等都需要進(jìn)行采集，因而數(shù)據(jù)的傳輸量會(huì)越來(lái)越大。

1.2 GPS 技術(shù)

GPS 技術(shù)是目前使用最廣泛的船舶導(dǎo)航定位技術(shù)，GPS 偽隨機(jī)碼測(cè)距原理如圖1 所示。

圖1 GPS 偽隨機(jī)碼測(cè)距原理Fig.1 GPS pseudo-random code ranging principle

GPS 衛(wèi)星信號(hào)中包含了測(cè)距碼、數(shù)據(jù)碼以及載波，在船舶試航中關(guān)注的是測(cè)距碼，測(cè)距碼又可以分為C/A 碼和P 碼，P 碼是一種偽測(cè)距碼，相較于C/A 碼而言，P 碼不容易被捕獲，但是精度高。在實(shí)際應(yīng)用中一般使用偽隨機(jī)碼來(lái)獲取船舶位置。船舶上的接收機(jī)通過(guò)分析信號(hào)傳播的時(shí)間△t，然后再乘以光速c，即可得到船舶和衛(wèi)星之間的距離，如果能夠同時(shí)接收到3 個(gè)衛(wèi)星的信號(hào)并加以分析，就可以獲取船舶的三維坐標(biāo)。

但是在實(shí)際測(cè)算過(guò)程中由于受到電離層的誤差、數(shù)據(jù)傳輸誤差等，建立的GPS 船舶位置測(cè)算模型需要綜合考慮這些誤差因素，定義P為船舶和某一顆GPS衛(wèi)星之間的偽距，則建立的船舶位置測(cè)算模型為：

式中：(X，Y，Z）為船舶的三維坐標(biāo)，(X1，Y1，Z1）為GPS 的三維坐標(biāo)，c為光速，△ts為衛(wèi)星的鐘差，△tr為接收機(jī)的鐘差，Vtrop為對(duì)流層修正參數(shù)，Vion為電離層修正參數(shù)。同理可以獲取其他2 個(gè)衛(wèi)星和船舶之間的偽距測(cè)算模型，最終即可算出接收機(jī)的鐘差和船舶坐標(biāo)。

1.3 4G 通信技術(shù)

船舶試航數(shù)據(jù)需要依托4G 通信技術(shù)傳輸?shù)桨痘刂浦行摹?G 通信技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)20 Mbps 的上傳速度以及100 Mbps 的下載速度。4G 通信技術(shù)中采用了正交頻復(fù)用OFDM 技術(shù)和多入多出天線MIMO 技術(shù)，有效提升了數(shù)據(jù)傳輸效率和抗干擾性能。

1）OFDM 技術(shù)

采用正交子信道，同時(shí)在不同的正交子信道上分配傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，不同正交子信道頻譜有重復(fù)部分，提升了頻段的利用效率，也減少了不同子信道之間的干擾，節(jié)約了帶寬。OFDM 技術(shù)和FDM 技術(shù)的對(duì)比效果如圖2 所示，可以發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)DM 技術(shù)主要是采用獨(dú)立的頻段傳輸，相比較而言，4G 技術(shù)采用的OFDM 技術(shù)在數(shù)據(jù)傳輸速率上具有較大優(yōu)勢(shì)，適用于當(dāng)前船舶試航時(shí)需要傳輸大量數(shù)據(jù)的基本要求。

圖2 OFDM 技術(shù)和FDM 技術(shù)對(duì)比Fig.2 Comparison of OFDM technology and FDM technology

2）MIMO 技術(shù)

船舶試航數(shù)據(jù)傳輸需要極高的可靠性，否則就無(wú)法保證船舶試航的順利完成。MIMO 技術(shù)是4G 技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一，其基本原理如圖3 所示。從發(fā)送端到接收端有多個(gè)天線，改變了原來(lái)的單一天線發(fā)送和接收數(shù)據(jù)由于存在干擾而導(dǎo)致傳輸失敗的情況，提升了數(shù)據(jù)提升的可靠性。

圖3 MIMO 技術(shù)Fig.3 MIMO technology

2 船舶試航數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)基本架構(gòu)

船舶試航數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是為了將試航數(shù)據(jù)通過(guò)4G 無(wú)線通信技術(shù)傳輸?shù)桨痘刂浦行?，系統(tǒng)包括試航數(shù)據(jù)采集模塊、GPS 信息處理模塊、4G 數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)接收模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)顯示模塊等，其架構(gòu)如圖4 所示。

圖4 船舶試航數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)架構(gòu)Fig.4 Architecture of ship trial data communication system

1）試航數(shù)據(jù)采集模塊：試航數(shù)據(jù)采集包括各類傳感器、開(kāi)關(guān)量采集的試航數(shù)據(jù)；

2）GPS 信息處理模塊：將獲取的GPS 衛(wèi)星導(dǎo)航信息進(jìn)行解碼和計(jì)算，使用偽碼測(cè)距技術(shù)獲取當(dāng)前船舶的位置和對(duì)應(yīng)的時(shí)間；

3）嵌入式處理器：采用ARM 嵌入式處理器，將試航數(shù)據(jù)采集模塊和GPS 信息處理模塊獲取的試航數(shù)據(jù)基本信息進(jìn)行存儲(chǔ)，并按照規(guī)定好的協(xié)議通過(guò)4G 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去；

4）數(shù)據(jù)接收模塊：岸基試航控制中心使用4G 網(wǎng)絡(luò)接收試航的所有數(shù)據(jù)；

5）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：將接收到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中；

6）數(shù)據(jù)分析：將接收的試航數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分類，并建立試航分類比對(duì)測(cè)試，對(duì)所有開(kāi)展的試航項(xiàng)目時(shí)段內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，將獲取的數(shù)據(jù)值和標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比對(duì)，對(duì)不符合要求的項(xiàng)目列表并輸出到文件；

7）數(shù)據(jù)顯示：對(duì)船舶試航過(guò)程中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)通過(guò)圖、表的形式顯示，實(shí)現(xiàn)船舶試航過(guò)程的快速交互。

2.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

岸基試航控制中心通過(guò)無(wú)線4G 網(wǎng)絡(luò)獲取試航數(shù)據(jù)信息，并將其存儲(chǔ)、分析并顯示。圖5 為船舶試航數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的軟件界面，在主頁(yè)面上顯示當(dāng)前4G 通信的狀態(tài)，以確保能夠正常和船舶進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

圖5 軟件界面Fig.5 Software interface

主頁(yè)面主要包括GPS 模塊、試航數(shù)據(jù)分析模塊以及推進(jìn)器狀態(tài)模塊。GPS 模塊是對(duì)GPS 獲取的船舶坐標(biāo)進(jìn)行顯示，并標(biāo)明當(dāng)前使用的坐標(biāo)系為WGS84 坐標(biāo)系，顯示當(dāng)前的船舶航向。試航數(shù)據(jù)分析可以通過(guò)點(diǎn)擊按鈕獲取不同船舶試航實(shí)驗(yàn)的基本數(shù)據(jù)，推進(jìn)器狀態(tài)是對(duì)船頭和船尾的推進(jìn)器狀態(tài)進(jìn)行推測(cè)，保證試航過(guò)程的安全。

2.3 系統(tǒng)測(cè)試

在完成系統(tǒng)既定功能之后，對(duì)船舶試航數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試。使用單點(diǎn)對(duì)單點(diǎn)的測(cè)試方案，在實(shí)驗(yàn)中選取距離1 km 的2 棟大樓，其中在一棟大樓中放置一塊ARM 嵌入式開(kāi)發(fā)板，開(kāi)發(fā)板連接路由器，另外一棟大樓中布置有一臺(tái)電腦，電腦上裝有船舶試航系統(tǒng)軟件。測(cè)試指標(biāo)包括系統(tǒng)通信時(shí)延、4G 連接成功率、掉線率以及最大傳輸速率等。具體測(cè)試流程如下：

1）編寫(xiě)測(cè)試程序，在按下測(cè)試按鈕后嵌入式開(kāi)發(fā)板會(huì)通過(guò)4G 網(wǎng)絡(luò)向外發(fā)送數(shù)據(jù)；

2）在電腦軟件端接收數(shù)據(jù)，并使用相關(guān)的工具對(duì)相關(guān)的通信指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，收集測(cè)試結(jié)果。

測(cè)試結(jié)果如表1 所示。其中，4G 連接成功率是指系統(tǒng)軟件端每次發(fā)起4G 連接的成功率，掉線率為系統(tǒng)軟件無(wú)法保持4G 連接狀態(tài)的概率，最大傳輸速率是指從嵌入式開(kāi)發(fā)板到系統(tǒng)軟件的最大傳輸速度?？梢园l(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的時(shí)延在可接受范圍內(nèi)，同時(shí)4G 網(wǎng)絡(luò)的連接成功率也非常高，掉線率低，最大傳輸速率可以達(dá)到10.0 Mbps，在軟件中可以通過(guò)設(shè)置網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)重連來(lái)保證系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。

表1 系統(tǒng)通信測(cè)試結(jié)果Tab.1 test results of system communication

3 結(jié) 語(yǔ)

船舶試航是船舶制造過(guò)程中的重要步驟之一，為了保證船舶試航數(shù)據(jù)的穩(wěn)定和可靠，并提升船舶試航測(cè)試的效率，本文結(jié)合GPS 技術(shù)和4G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，提出一種船舶試航數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，得出的結(jié)論如下：

1）使用4G 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)船舶試航數(shù)據(jù)的收集、傳輸、存儲(chǔ)以及分析，可以有效提升船舶試航效率；

2）GPS 技術(shù)中通過(guò)偽隨機(jī)碼的位置測(cè)算模型可以有效獲取船舶的位置信息，船舶位置信息和其他試航數(shù)據(jù)有效結(jié)合，就可以完成船舶試航的多種實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；

3）4G 無(wú)線通信技術(shù)具有較高的通信速率，系統(tǒng)時(shí)延低，因而可以滿足船舶試航數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕疽蟆?/p>