基于物联网的船舶监控系统的设计方案

2013-09-18谷照燕

长春教育学院学报 2013年4期

关键词：物联网船舶监控

刘丽，谷照燕

基于物联网的船舶监控系统的设计方案

刘丽，谷照燕

摘要：近几年我国沿海海上船舶事故发生的频率越来越高，而船舶监控系统的技术手段并没有随着计算机技术的发展而快速发展，为了提高对海上运行船舶的监管能力，建立实时高效的管理系统，应以物联网和GPS技术的为基础，探讨新的船舶监控系统的设计方案。

关键词：物联网；船舶；监控；GPS

刘丽/渤海船舶职业学院信息工程系讲师，硕士（辽宁葫芦岛125000）。

近些年，由于社会经济增长快速发展，我国水运行业的需求也在不断的加大，而对应的航运船舶数量也在随之逐年的增加。水运行业为地方经济发展作出了巨大贡献，然而由于水上交通基础设施条件落后与水运航道宽度有限等问题的存在，这就造成船舶拥挤，船舶事故时常发生，船舶管理环节薄弱。为了国家与人民生命财产的安全，为了更好的对船舶进行监控与管理，将先进的物联网与GPS技术运用到船舶监控系统中，具有极其重要的意义。

一、船联网

船联网是近年来继物联网、车联网之后的又一个全新的应用研究方向，具有一定的创造性和探索性。船联网（Ship of Things）是指把各种感应器嵌入安装在船舶设备载体上，然后利用计算机技术、网络技术、无线射频识别技术和卫星通信等技术手段而设计的能够覆盖我国沿海地区的海、天、地于一体的船舶物联网系统。它是一套综合处理各类船舶通信、避碰与落水报警、联网管理与控制等功能的信息系统。在系统中运用物联网概念结合RFID电子标签与信息管理等，由系统工控机统一控制信息处理，配合通信收发天线，形成各船的通信终端，使水上航行的各类船舶互相联络及传递信号，与岸站相联，形成具有统一多功能通信的船舶联网[1]。

二、船舶监控系统

（一）船舶监控系统概述

船舶监控系统是由电子海图信息系统、船舶监控系统与气象信息系统等多个子系统组成的集信息显示、监控、管理集于一体的船舶综合信息管理系统。此系统具有电子海图与气象信息重叠显示、通过计算机技术、通讯技术与网络技术等先进技术手段实时监控船舶的所在位置，并且对船舶所在的位置做跟踪标识与信息处理，这样可以方便管理者对船舶的安全生产和船期执行情况做到远程实时跟踪，遇到险情及时报警，并能准确的提供海滩救助信息及防台避台等多种功能[3]。

（二）船舶监控方式

目前，从技术手段入手来看，船舶监控系统主要有以下三种主流的监控方式：

1.CDMA网络监控方式。CDMA网络监控主要是对沿海地区船舶利用中国电信的CDMA网络的技术手段来实现对其动态监控与管理。这种监控方式要求船只的基础设施中要安装发射装置，港口口岸基础设施中要安装接收装置，然后通过中国电信的CDMA网络实现船舶动态的数据传输[2]。CDMA网络监控方式的最大的缺点就是必须在沿海区域，而且还要有CDMA信号的地方使用，通常适用于在沿海地区运输的过往船舶。

2.卫星监控方式。卫星监控主要是指通过船载终端的设备接收到卫星信号的准确位置，并获取其对应的坐标信息，并且将该位置的信息连同船只的信息通过无线通讯发送到船舶公司监控指挥中心，经过监控指挥中心计算机的处理，可以通过船载终端，采用手动或自动的报警，这种方式最大的优点就是可以不受船舶所在海区的限制，可以较好的实现全天候监控与管理，但是也存在着最突出的缺点就是利用卫星通讯的方式费用昂贵，不适用于长期持续的监控[3]。

3.船舶AIS系统监控方式。船舶AIS系统是指安装在船载终端的AIS信号接收器利用AIS天线将船舶AIS信号全部接收，信号接收完毕以后由船舶AIS数据处理器将船舶经纬度坐标、航行方向与航行速度等各种动态信息进行提取，信息提取结束以后再把这些信息保存到船舶动态数据库中，方便实时掌握船舶的各种动态信息。目前，根据SOLAS公约第5章“航行安全及其相关导则”中规定的要求，全球300总吨及以上的所有从事国际航行的船舶、不从事国际航行的500总吨及以上的货船或者是客船都要强制安装自动识别系统AIS，由此可见AIS系统覆盖的船舶范围非常广泛。但是由于AIS系统发射的信号只能覆盖周围30海里的距离，所以AIS系统比较适用于对港区内的船舶进行动态监控。

综上所述，三种监控方式都有各自的优缺点及应用范围，为了更好地对船舶进行实时监控与管理，我们必须要在船舶监控系统中将先进的物联网技术引用进来。

三、基于物联网的船舶监控系统的设计方案

（一）系统总体架构

基于物联网的船舶监控系统应遵循物联网的体系特征即应用层、网络层和感知层3层如图1所示的体系架构，其中应用层主要是船舶监控系统的开发应用平台，它可以对过往运行的船舶的进行各种信息发布与科学管理；网络层主要是通过北斗卫星、移动通信和互联网等手段为用户提供的各种服务器来实现航运信息的传输和交换；感知层主要实现船舶运行过程中的职能感知，包括信息的采集、捕获和识别等功能。

（二）感知层

感知识别是船联网的核心技术，而感知层的建设是船联网建设的根基。在感知层，船载终端装备了的各种类型的传感器或执行器，通过传感网节点和其他短距离组网设备，利用无线射频RFID、多媒体信息采集、二维码和GPS定位等技术将与船舶有关的定位数据、海上交通数据、突发事件的图像和气象数据等信息采集，为网络层的应用提供主要的信息来源[1]。

图1 体系架构

（三）网络层

船舶监控系统中的信息服务都是以网络层为基础的，直接通过现有的互联网、移动通信网、卫星通信网和无线短距离通信网等设施对来自感知层接收的数据信息进行传输与处理。

网络层中的数据处理在船联网建设中发挥着记忆、分析的作用，数据库的选择尤为重要，在本系统中的数据库有基础数据库和专题数据库，其中基础数据库选择Microsoft Access，包括的数据表主要有船舶信息数据、业务数据以及管理数据等；专题数据库选择GIS软件Arc/Info，数据表主要包括海量数据、实时数据和属性数据。

（四）应用层

应用层主要是根据用户需求可以面向各类行业实际应用的管理平台与运行平台。在应用层建立的基于物联网的船舶监控系统在功能上主要由电子海图信息管理、船舶监控信息管理、气象信息管理和船舶作业信息管理等功能模块组成，如图2所示。

图2 系统主要功能

1.电子海图信息管理。电子海图（Electronic chart）是在计算机显示器上能够将24小时内连续的各种海图信息和其它航海信息精确的显示出来，操作员根据电子海图显示的实际情况可以对其进行放大、缩小、漫游等功能的操作，当用鼠标点击具体的某个船舶符号，便可以显示这个被监控船舶的位置信息，可通过对船舶点名查看、设置状态、定时发送、报警发送等多种方式获得静态或动态数据信息[4]。

2.船舶监控信息管理。船舶监控的工作原理主要是将GPS卫星每秒钟发射的数据信号，通过船载终端装备的传感器进行接收，依据接收的数据按照差分定位算法计算出船载设备所在的位置坐标，根据位置坐标可以精确地得出船舶的所在具体位置、航运状态以及船内各种设备的相关数据信息，把这些数据信息通过网络传输到监控指挥中心的主机上，监控指挥中心的计算机对接收的数据进行分析处理，然后再与电子海图进行比较，在电子海图上就会将船舶的准确位置显示出来，方便管理者及时准确的掌握船舶的实时动态信息如船舶的位置、行驶速度、遇到危险及时报警等；监控指挥中心也可以通过语音对话、视频对话等方式对运行的船舶发送交通调度、海上救援以及违章警告等重要信息[5]。假如船舶在海航行的时候遇到紧急或者是危险的状况，驾驶员可以采用手动或自动报警，指挥监控中心接收到数据信息以后，经过计算机的分析处理后除了要将船舶精确位置显示在电子海图上以外还要立即向海事、救助等机构报告，以实施紧急救援措施。

3.气象信息管理。气象信息是船舶安全航行首要考虑的因素之一，气象信息管理在功能上主要有气象传真图、水文气象数据预报和潮汐数值预报等。此系统能够将气象传真图或其他的水文气象数据预报信息在电子海图上叠加显示出来，这样能有利于航海人员充分的了解航行区域的气象信息；其中气象传真图是气象传真机通过无线电传输的方式接收天气和海洋图像信息，主机根据依据气象传真机的接收的信号解析成气象传真图，由于它在操作上比较简单直观，图像覆盖范围比较广、资料连续性强、便于综合分析应用和长期保存等特点，优于海上其他天气信息而得到广泛的应用[4]。

4.船舶作业信息管理。船舶作业信息管理主要用于船舶资料以及船舶的航运信息的管理。本部分主要包括基本信息设置、船舶信息设置、航次信息设置等功能，其中基本信息设置主要是针对船舶种类、船舶所需要的证书、航区、港口名称、船员职务、船员等级证书以及船舶所载货物分类等信息进行设置与处理；船舶信息设置主要是对船舶描述、船舶证书、船舶的经营人及所有船员信息进行设置与管理；航次信息设置是航运的核心部分，它主要负责将船舶每次的航运的基本信息、每次航运的船员名单、每次航运船员证书及相应的安检信息等全部记录下来，同时还为员工提供查询以及报表打印等多种服务性的功能。