基于北斗—物联网技术的远洋渔船补给信息管理系统应用

王淑芳,虞丽娟,,陈成明,,曹守启,夏俊

(1.上海海洋大学工程学院,上海 201306; 2.同济大学 机械与能源工程学院,上海 200092)



基于北斗—物联网技术的远洋渔船补给信息管理系统应用

王淑芳1,虞丽娟1,2,陈成明1,2,曹守启1,夏俊2

(1.上海海洋大学工程学院,上海 201306; 2.同济大学 机械与能源工程学院,上海 200092)

新兴的信息技术物联网为现代远洋渔业注入了新的生机,提供了智能化的平台。其中,“北斗”卫星导航系统作为信息感知和信息传输的手段,在物联网的感知层和网络层发挥着重要的作用。本文着眼物联网构成的关键环节和北斗系统在物联网技术中的应用,从而进一步探讨了北斗—物联网技术在远洋渔船补给信息管理系统的应用。最后提出了基于北斗—物联网技术的远洋渔船补给信息管理系统这一概念以及在该系统中补给的流程。

北斗系统;物联网技术;远洋渔船

0 引 言

中国远洋渔业作为一种资源型战略性产业从1985年发展到现在,已经在中国海洋经济中占有了十分重要的地位;远洋渔船在海上航行、作业时,不断消耗储备的食品、燃油、冷冻液等生产、生活用备品备件。由于港口、航道、海况、海岛等多方面因素,我国的渔船捕捞作业支持服务技术比较落后,渔业船舶很难及时得到应有的补给。而渔业生产的效率、成本和能耗与远洋渔船信息有着直接的关系,因此,完备的船岸补给信息交流和管理系统就成了远洋渔船顺利出海作业的重要保障。

北斗卫星导航系统是由我国独立开发的,它具有精度高、成本低、全天时天候、短报文通信等优势,在我国远洋渔业安全的监控和管理中这些功能是必不可少的。在物联网(Internet of things)技术的基础上,利用北斗系统建立的渔船管理与指挥系统、规范渔船的补给,对促进远洋渔业现代化管理和渔船的作业效率有着非常重大的意义。

1 物联网及其体系结构

1.1 物联网简述

物联网是将传统网络从人与人的联系扩展到物与物、物与人的联系,但是互联网技术仍然是其技术基础和核心。早在1995年比尔·盖茨提出了物联网的概念,随后在1998年和1999年这个概念也被美国麻省理工大学Auto-ID实验室相继提出。2005年ITU提出物联网技术将是信息产业的第三次革命性创新[1]。中国政府在2009年提出了“感知中国”的构想,同时物联网技术被列入国家七大战略性新兴产业之一[2]。

1.2 物联网体系结构

物联网分为三个层次,即用来接收数据的感知层、信息传输的网络层和面向用户的应用层[2]。图1为物联网体系结构框图。

图1 物联网体系结构框图

1.2.1 感知层结构

感知层主要由传感器和无线射频识别(RFID)等组成。

传感器是一种信号监测装置,它可以把检测到的信号转化成用户需要的形式输出。将大量的微型传感器放在同一个网络中就形成的无线传感网络,可以用来探测包括电磁、温度、湿度、噪声、光强度、压力等信息,在物联网系统中有着不可或缺的作用。

RFID技术是一种不需要任何形式的物理接触识别目标相关信息的无线通信技术[3]。常见的RFID系统主要包括电子标签、读写器和信息处理系统组成。当代有电子标签的物品经过特定的读写器时,读写器将标签中的信息激活并通过无线电波完成自动采集。

1.2.2 网络层结构

只有随时随地将实物上电子介质所产生的数字信号传出去的技术,才是真正意义上的物联网。所以当传输距离为10 m、100 m或者1 km的范围时,无线传感网络还是能很好地发挥作用的,但是若是要将数字信号传输到数千公里之外,它的传输能力已经显然无法满足需求了。因此,物联网的网络层就需要ZigBee无线传感网络、移动通信网络、北斗卫星系统协同工作了。

1.2.3 应用层结构

物联网应用层主要是数据处理系统。物联网把采集到的数据根据不同的需求和目的需要经过计算机处理分发道不同的信息门户,供用户使用。这一过程都是在应用层来完成的,它用到的主要技术有信息处理、集成应用、云计算、网络管理和web服务。

2 北斗卫星导航系统

北斗卫星导航系统(BDS)是我国自主研发的全球卫星导航系统,成为在美国全球定位系统(GPS)、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统(GLONASS)之后第三个成熟的卫星导航系统。

北斗系统与其他系统相比具有以下优点:1) 兼备通讯和定位功能,无需其他通讯设备支持[4];2) 覆盖范围广,全天服务;3) 用费较低;4) 容量大,收集数据快;5) 我国自主研发的系统,安全性能高、稳定、可靠[5]。北斗定位系统可以在物联网的感知层和网络层中起到了不可或缺的作用,是实现跟踪、定位、监控和管理的技术支持。图2,图3分别示出了“开创号”远洋渔船上安装的北斗控制面板和渔船北斗终端。

图2 北斗控制面板连接

图3 渔船北斗终端

北斗—物联网技术运用在远洋渔船补给中,实现船上作业实时监控与管理、基地对渔船作业的按计划调度和高效的渔业生产,将很大程度上改善渔船的补给过程,提高远洋渔船出海作业的效率。

3 北斗—物联网系统的研究

3.1 北斗—物联网体系简述

北斗—物联网系统主要以物联网为基本构架,以北斗卫星定位系统为主要传输工具进行运作的。从物联网的定义和构架中可以看出,物联网技术的核心是通过通信和交流来进行资源共享。不受天气地域限制的卫星导航定位是它非常重要的技术支撑,而北斗系统恰恰满足了物联网的这些需求,使北斗—物联网体系的实现成为可能。

在北斗—物联网系统中,RFID技术主要负责信息记录和传递[6]的,而ZigBee无线传感网络与北斗的结合主要负责渔船进行精准定位[7]。

RFID技术特有的无精准对位,大批量数据同时采集等特点,使渔船工作人员从大量重复作业中解脱出来。由于远洋渔船的工作特性,都会有大批量的数据通过系统通过采用RFID技术在物资入库、出库、存储、盘点时,不需要打开包裹,读写器自动识别并将信息传输到管理系统中,然后更新标签内的状态和信息。这项技术在渔船补给中的使用降低了工作人员的工作强度,方便了对物资的管理。

在由ZigBee技术和北斗卫星导航定位系统为核心搭建的传感器网络中,利用覆盖船队区域的ZigBee无线传感器网络中的参考节点来判断渔船的相对位置,同时各参考节点之间保持无线联通。定位过程就是传感器所收集到的位置和环境信息从定位节点依次传递到参考节点、船载定位服务器、渔船北斗卫星信号接收机,从而获得精准、快速的定位。精准的定位信息可以在补给船的路线的设计提供方便,同时也便于地面控制中心对补给船航行过程中的位置进行监测。

3.2 北斗—物联网体系在船舶上的应用

北斗—物联网技术在船舶上的应用,涉及到射频识别技术、ZigBee无线组网技术、无线网络通信技术、等智能物体技术。目前,在渔船监控和信息服务方面,广泛应用的是由岸上设备和船载设备共同组成的船舶自动识别系统[8],配合北斗卫星系统通过相应频道将船位、船速航向等船舶动态和静态信息传递给附近水域船舶和岸上控制中心,以便能快速准确了解邻近海面所有船舶信息。除船舶自动识别系统,我国新型远洋渔船还安装了船舶远程监控管理系统,能够实现远洋船舶的航行、货物、海况、视频等信息的传输,完成船岸之间信息交互[9]。

上海开创远洋渔业有限公司与上海海洋大学、同济大学联合开发的远洋渔船及作业物联网智慧服务系统已经在“开创”号渔船上安装使用,该系统主要包括船舶重点设备感知子系统、渔获仓储与质量安全溯源子系统、船舶作业管理子系统、船岸一体化子系统、远程视频监控子系统、北斗星船舶定位子系统等八个子系统。北斗星船舶定位子系统主要实现船舶实时定位和船舶历史航行轨迹信息的查询等功能。

如图4为目前正在开发当中的远洋渔船补给信息子系统船上物资管理界面,可根据物资种类、填写日期和输入关键字来搜索物资使用情况,也可以点击导出物品信息清单按钮导出Excel表格以方便对物资进行查询和管理,同时可对物资信息(“物品”、“类型”、“入库出库量”、“时间”、“备注”)进行添加、修改和删除。

图4 船上物资管理

4 北斗—物联网技术在远洋渔船补给中的设计

船舶作业物料、备品备件品种多、数量少、个性需求显著,在物料补给过程中,燃油、冷冻液、渔需物资等补给的实时性要求高。目前我国的大部分渔业船舶几乎都是回港进行物资补给,在船舶进港前岸上不能详细知道需要补给物资的具体种类和数量[10]。针对这一现状,利用物联网技术把渔船上的这些物资补给信息通过无线通信和网络技术传给岸上控制中心,这样企业就可以掌握主动,事先明确渔船上的物资消耗和需要补给的信息,从而对渔船进行主动补给。

4.1 远洋渔船补给信息管理系统

北斗—物联网系统在远洋渔船补给中的应用主要体现在渔船信息的管理和船岸之间信息的传递上,因此建立一套专门用于的渔船补给信息管理的系统用来解决远洋渔船的补给问题。拟定建立的系统中的大致有:用户登陆模块、备品备件管理信息模块、补给船调度模块、渔获物仓储模块4个功能模块,如图5所示。

图5 远洋渔船补给信息管理系统模块设计

在备品备件信息模块中,主要记录的是出海作业渔船船上的备品备件的使用情况;补给船调度模块主要是系统对物资、渔船、天气等影响补给船出海的因素进行分析之后,自动给出补给船最优的补给路线;渔获物仓储模块是对渔船渔获物进行统计,方便补给船在补给完成之后将部分渔获物运回岸上,减少渔船仓库的负担。

4.2 渔船智能化补给的流程

图6 远洋渔船智能化补给流程图

如图6所示，远洋渔船补给的详细流程如下:出海作业的渔船上的物资上都贴有内附各自信息的RFID标签,通过手持式阅读器和ZigBee无线传感网络将物资全部录入系统之中,同时由北斗—物联网系统将这些信息同步到岸上的控制中心,由此岸上的工作人员便可实时地观测到船上物资的消耗情况。当船上的某种物资或者备品备件缺少时,无需等待船上工作人员向岸上发出补给信号,岸上的工作人员已经提早了解需求并主动制定出补给方案,使渔船补给更加及时,同时也减少了渔船的因故不能正常作业的概率。在补给船运送物资的过程中,随船配备的船载北斗导航终端,实现运输过程的全程监控,对每一件物资的状态都能及时了解,可以减少物资的丢失现象。同时,在补给船完成补给任务返航时,可以将渔船上的渔获物运回中心。

北斗—物联网技术将渔船、运输补给船和港口互联,实现渔船和港口信息的交互;结合物流配送和补给方法,更好地为渔船的生产、生活提供必要的燃油、润滑油、冷冻液、食品、渔具等提供智慧服务。

5 结束语

远洋渔船的补给问题一直以来都被人们忽视,究其主要原因在于大多数渔船的信息化程度不够,船员接受新技术较慢,没能意识到原始的靠岸补给带来的损失和信息化补给所带来的经济效益。北斗—物联网技术在渔船中的广泛应用为以后的智能信息化补给打下很好的基础。本文首先对物联网技术的构架进行了简单的阐述,分析了北斗定位导航系统在物联网的感知层和网络层中的作用,提出了北斗和物联网技术相结合在远洋渔船上的应用,从而进一步提出北斗—物联网技术在渔船补给中的应用。

通过本文的分析可以看出,北斗—物联网技术将是我国远洋渔船发展不可或缺的组成部分,随着系统在渔船中的不断投入使用,将掀开我国远洋渔业新的篇章。

[1] 岳冬冬,王鲁民,郑汉丰,等. 中国远洋鱿钓渔业发展现状与技术展望[J]. 资源科学,2014(8):1686-1694.

[2] 郎为民,王逢东. 全球物联网的发展现状[J]. 电信快报,2011(4):3-6.

[3] 黄鹏,杨云志,李元忠. “物联网”推动RFID技术和通信网络的发展[J]. 电讯技术,2010(3):85-89.

[4] 赵学洋,李海红. 基于北斗-物联网技术的导航信息系统探讨[J]. 新技术新工艺,2013(3):112-115.

[5] 潘程吉,汪勃. 北斗导航系统在物联网中的应用展望[J]. 遥测遥控,2011(6):14-17.

[6] 龚凌翔,叶芝慧,冯奇,等. 基于STM32的北斗/RFID组合定位系统设计[J]. 电子测量技术,2014(4):76-82.

[7] 沙琨,谢泰,胡晓媛. 基于北斗和ZigBee的海上伤员定位系统研究[J]. 医疗卫生装备,2013(10):40-41,53.

[8] 胡刚,马昕,范秋燕. 北斗卫星导航系统在海洋渔业上的应用[J]. 渔业现代化,2010(1):60-62.

[9] 林明. 海洋渔业船舶监管信息化管理模式的研究[D].大连:大连海事大学,2015.

[10]朱健. 渔船动态监管信息系统在渔业管理中的应用研究[D].广州:华南理工大学,2010.

Based Compass-information Management System Networking Technology Offshore Supply Boats

WANG Shufang1,YU Lijuan1,2,CHEN Chengming1,2,CAO Shouqi1,XIA Jun2

(1.CollegeofEngineering,ShanghaiOceanUniversity,Shanghai201306,China; 2.CollegeofMechanicalandEnergyEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

The emerging information technology networking for modern offshore fishing has injected new vitality, and provides an intelligent internet. Among them, as a means of information perception and information transfer, the "BDS" navigation satellite system plays an important role in the perception of things and network layers in the perception of things and network layers. This article mainly includes the key systems consisting of Things and BDS system configuration in the application of networking technology and further explores the applications of BDS-Things technology in offshore fishing vessels Information Management System. Finally, we present the concept of networking technology offshore fishing supply information management systems and the supplying process which based on BDS-Things technology.

BDS system; things of internet technology; ocean fishing supplying

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.02.021

2016-12-05

上海市科学技术委员会创新行动计划项目(编号:15DZ1202202); 国家远洋渔业工程技术研究中心开放基金项目(编号:02091305051)

S977

A

1008-9268(2017)02-0093-05

王淑芳 (1993-),女,硕士生,主要研究方向为机械工程、物联网工程。

虞丽娟 (1963-),女,教授,主要从事物联网工程、海洋工程、体育工程、高等教育管理等方面研究。

陈成明 (1978-),男,博士、讲师,主要从事人因工程、工效学、物联网工程等方面的科研工作

曹守启 (1973-),男,副教授,主要从事海洋工程装备设计、物联网工程等方面的研究工作

夏俊 (1985-),男,博士,主要从事物联网工程,机械电子工程等方面的研究工作。

联系人: 王淑芳E-mail:972946102@qq.com