基于北斗短报文功能的疏浚船舶数据传输系统设计

缪袁泉，丁琪，胡知斌

（中交疏浚技术装备国家工程研究中心有限公司，上海 200136）

0 引言

信息化是现代企业高效运转的必要条件，目前船岸数据通信是制约船舶运行公司信息化的主要瓶颈之一。船岸数据通信可以实现船公司对船舶的实时生产监控、技术支持、基础管理。卫星通信是最适合船舶调动频繁、经常远离陆基公众宽带通信网络、需要大量传输实时工况数据的疏浚企业信息化工具之一。

本文研究基于北斗卫星导航系统的RDSS（Radio Determination Satellite Service)短报文通信功能，通过北斗多卡通信终端（以下简称多卡机），将工程船舶实时工况信息远程传输至陆上数据库的卫星通信系统[1]。短报文通信是指卫星移动终端和北斗卫星或北斗地面服务站之间能够直接通过卫星信号进行双向的信息传递，通信以短报文（类似手机通讯的短信息）为传输基本单位，设备的短报文通信频度及长度由授权的北斗用户卡决定。系统设计使用北斗RDSS系统3类非加密用户卡，该类卡最快每分钟传送一次短报文，报文长度为78.5 B[2]。

1 数据传输系统组成

船岸数据传输系统由船端多卡机、船端采集发送计算机、岸端北斗通信终端（以下简称指挥机）、岸端工作计算机、传输软件等组成。实现由船端向岸端传输“船舶位置、船舶生产报表、疏浚过程数据、疏浚设备工况、船机设备工况、船舶管理相关文件”等信息。并实现部分信息由岸端发至船端。

船端多卡机是为了增大北斗传输数据量而专门开发的设备，可以理解为多个北斗单卡机共用1个卫星传输通道的设备。多卡机在使用20张3类非加密用户卡的前提下通过总线控制多个用户ID轮询，支持19个用户ID分时发送短报文通信，1个用户ID接收短报文通信，这样船到岸传输19×78.5=1.49kB/min，岸到船传输78.5B/min。考虑到传输编码和校验的字节开销，船到岸实际信息传输率大约为1.2 kB/min。

多卡机和船端采集发送计算机通过串口连接。船端采集发送计算机通过以太网络采集船舶定位定向系统、疏浚控制系统、机舱报警系统、管理文件、图片等数据，将这些数据分类、压缩、编码、打包后通过串口发送给多卡机。

多卡机通过北斗卫星向其地面接收总站请求短报文服务，允许后数据通过北斗卫星转发至岸端指挥机，指挥机也通过串口连接岸端工作电脑。

指挥机使用秒级北斗用户卡，最快传送短报文1次/min。除了具有普通用户机的所有功能外，还可监收其下属用户机（不超过1 000台）的通信信息，并向下属用户机通播指挥信息[3]。

岸端的工作电脑负责把指挥机收到的各种数据包解包、分类、存储以及提供应用程序的调用、察看和分析等功能。

2 传输软件设计

系统核心为传输软件。考虑到疏浚工程船舶的特殊性，软件需要解决以下问题：

1）工程船舶原有疏浚监控系统开发商各不相同，信号输出方式、信号清单差异很大，需要与它们都能正常通信，可靠获得工况数据，并整合为统一的信号表[4]；

2）工程船舶类型不同，耙吸挖泥船、绞吸挖泥船、抓斗挖泥船等船型疏浚数据内容千差万别。同一船型的疏浚船舶主要设备配置不同，也会造成数据内容、数据顺序不同，需要分别处理；

3）能对上述信息实施分类、分级传输，并能在北斗短报文传输带宽范围内达到传输频率可调，内容可选；

4）实施数据传输前的甄选、编辑、压缩，减少文件和工况数据传输量；

5）在信号源数据刷新率范围内，对各类信息可以按需进行采集密度选择，以满足工程数据挖掘、船位数据、潮位数据、水深数据等各类数据对信息刷新率的要求。

基于北斗RDSS功能的传输软件包括船端、岸端两部分。设计的基本思路是通过编制各船型、各主要设备信号分类传输表格，将所有信号分为70 B大小的传输表格以适应北斗短报文长度，保证每个给定船舶有适用于自己的表格清单，并据此传输，岸端软件与船端使用同样的表格接收数据，避免对每个信号的定义都要传输，从而减少占用短报文字节[5]。

根据上述原则，耙吸挖泥船、绞吸挖泥船、抓斗挖泥船的通用传输分类表数量分别为13、14、8个，具体到各船，因为主要设备的配置不同，其传输表格为7～14个不等，具体传输哪些表格由岸端指令控制，即可以点餐式传输指定的内容。传输软件以高频率采集工况数据并本地存储，发送同一采集时间获得的信号，保证传输的信号在原始采集时间上的一致性。当指定传输的表格未占满多卡机19张卡通信能力时，系统将根据剩余带宽重复传输指定表格的信号，从而提高信号传输频次。高时间密度的数据可用于专项分析疏浚工况或分析特定设备的运转状态。

2.1 船端传输软件

船端软件包括采集通信、压缩存储、传输控制、多卡机通信、船端显示等模块。

2.1.1 采集通信模块

采集通信模块与疏浚监控系统或重要船机系统通信，采集实时疏浚工况、船机数据；与其他船舶信息管理软件通信，获得相应需传输的文件。目前上海航道局工程船舶监控系统软件由多家疏浚控制系统集成商开发，采集通信模块与监控软件之间的通信解决方案为由监控软件集成商提供API（应用程序接口）函数，采集通信软件应适用于不同疏浚监控系统，并完成对所有信号点进行标准化配置。与船舶信息管理文件通信采取指定路径的直接文件读取方式。

采集后的数据先实施分类。船位信息、生产信息、疏浚机具工况、船机工况依据《中交物资设备编码规范》、《耙吸挖泥船疏浚监控系统信号源定义》、《绞吸挖泥船疏浚监控系统信号源定义》、《抓斗挖泥船疏浚监控系统信号源定义》划分成几个大类，信息管理系统文件也分为一个大类。暂定信息分类使用6个bit编码，即不超过64大类。每类信息按照重要程度分为3级，以便实现信息分等级传输。

2.1.2 船端压缩存储模块

船端压缩模块依据给定的压缩策略实施数据/文件压缩，压缩后根据给定的存储策略存储到指定区域。

对于船位、船机工况、疏浚机具工况的数据流，高精度数据用8个字节表示，采用IEEE 754标准中的double型编码，数据范围在1.7E-308～1.7E+308；一般精度模拟量数据用2个字节采用科学计数法的形式表示，高12位表示数据长度，低4位表示10的指数，其中，第15位表示数值的正负号，第3位表示指数的符号；布尔型数据用二进制位来表示，从而减少传输字节数。文件压缩采用rar格式无损压缩引擎处理。

采用SQL2008对数据进行存储。其中，对实时工况数据在数据库表进行存储；压缩后的文件按照上节分类原则分别存储在本地磁盘不同路径下，文件的路径存储在数据库中。

设定历史数据保存时间段，超出该时间段的数据自动删除，防止长时间运行数据库过大造成的影响。由于监控系统已经保存上述数据，本地存储只是为了方便纠错重发或指定内容高频次发送。采集发送计算机保存时间可以不超过1 h，其数据量约为4.8 MB。

2.1.3 船端传输控制模块

船端传输控制模块为北斗信息系统，是疏浚企业核心模块，需要实施加密处理，授权使用。实现传输内容、频次控制、纠错控制、编码、校验等功能。

根据给定的传输策略选择传输内容或传输频率，给定的传输策略可以由岸端指令调整，模块将自动判断系统传输能力并给出反馈。传输内容没有用完字节量时，应能根据给定的策略，反复发送指定的传输内容，达到加大指定信息的刷新率的效果。

传输控制模块根据传输不同的信号内容，实施不同的纠错策略，对不同文件/数据实施重发、多次重发或舍弃操作。对于工况数据，传输失败将直接丢弃。对于文件传输，在文件的包编码上附加传输校验码。传输失败后，由岸端通过岸-船用户卡发送指令重新发送，确保文件能够恢复。

传输控制模块实施数据流或超过70 B文件的切割，生成符合北斗通信规范的短报文数据包，并依据给定的编码策略对数据包编码；编码策略的目的是在信息包传输时根据其编码，即可知道其传输信息的来源、种类、数量及批次，同时尽可能少占用有效传送字节。编码策略决定了系统的容量，为保证传输的有效进行，必须再添加控制字、包编号、校验码等辅助字节。每个数据由报头、数据区、包结束符（或者包连接符）和校验码四部分组成。使用发送卡ID作船舶身份识别。

每个数据包的最后一个字节用于时间标签及重要文件的传输校验。传输时同一批次传送的数据其采集时间一致。其中传输校验用2个bit，时间标签实际上为批次标识，防止多个大文件的不同信息包，因系统传递延误造成错位，无法拼装。

2.1.4 多卡机通信模块

传输控制模块依据北斗多卡机的通信协议与其通信。船端采集发送计算机通过串口与多卡机通信，多卡机给出一个设备ID，外设使用这个ID依次发送、接收数据包。具体真实使用哪个北斗用户通讯卡，由多卡机自行分配。每个数据包的发送均会返还一个通信回执，告诉用户通信成功与否，便于纠错和重发。为保证用户实时了解多卡机内部卡的数量及健康状况，便于控制传输节奏，多卡机定时发送所有用户通讯信息给外设。

2.1.5 船端显示模块

船端显示模块接收并显示岸段生产调度指令、气象海浪、潮位等信息，并通过局域网或串口送到指定船舶上的其他工作站。系统使用控制指令数据包实现岸—船通信。通信协议为岸—船控制指令集。船—岸控制指令包设置1个字节编码，即256种指令类型，分别对应于生产指令、调度指令、气象海浪、潮位等施工支持管理信息，及传输内容控制指令。如指定只传输某船耙臂工况，并以尽可能高的传输频次传输。或者指定传输某个管理信息系统的文件，及用于通信控制的传输控制指令。

2.2 岸端传输软件

2.2.1 岸端传输控制模块

岸端传输控制模块根据收到的数据包编码，组装获得所需完整数据/文件。实施文件传输失败的发送重发请求及确认，依据编码策略、压缩策略依次恢复数据/文件，最后将数据/文件存储在指定路径。

2.2.2 岸端通信模块

岸端通信模块与信息中心服务器中的数据库操作软件通信，后者将接收到的数据/文件存储到数据库中。岸端发向船端的数据处理方式与船端软件一致，不再赘述。

3 结语

经过实船验证，上述船岸北斗通信系统较好地克服了北斗短报文通信带宽窄、工程船舶信息复杂多样的困难，实现了用户对疏浚船舶施工数据传输内容、传输频度各异的需求，增加新的施工船型也只要另行编制对应的传输表格即可。为解决疏浚工程船舶位置、施工信息回传难题开辟了崭新的途径，拥有十分广阔的行业应用前景。

未来通过岸端发送指令，可以实现对目标船船端跨设备类别的传输表格订制，满足管理部门的专项故障诊断、工艺分析或其他特殊需求。

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