船舶动力远程决策系统通信技术研究

2018-09-01李南

现代导航 2018年4期

李南

（中国舰船研究院，北京 100192）

0 引言

船舶动力是船舶的心脏，船舶动力的正常工作是船舶航行的必要条件。大型船舶动力系统技术含量高、造价昂贵，对船舶动力系统设备的监测和维护是保证设备正常运行、提高设备工作效率、延长使用寿命、保障船舶动力设备使用人员安全的手段。

船舶动力设备使用人员由于技术水平有限，难以完全满足设备运行和日常维护保养的要求，而一旦发生重大故障将会给用户造成巨大的经济损失，排除故障需该领域专业技术人员提供技术支持，设备停机时间加长又进一步加大了用户的损失。另外，动力设备制造厂商的售后服务人员为了进行技术支持，需要奔波于不同的码头和船厂，极端情况下，船舶动力设备在大海上航行时出现故障致使船舶搁浅，服务人员到达现场维护将更加困难，由于用户地域分布广，给动力系统的升级与维护带来不便，由此可见，动力设备制造厂商进行现场技术支持难以为用户提供最佳的售后服务。

为了解决船舶动力系统设备现场技术支持不足，我们设计了一套船舶动力综合安全评估及远程决策支持技术系统（以下简称船舶动力远程决策系统）。该系统主要功能是对船舶动力系统设备进行远程监测、根据监测数据评估设备的健康状况，提供维护或修理的建议以及技术支持。该系统由在岸上的远程决策支持系统、在海上的船舶动力监测系统以及连接岸上的远程决策支持系统和海上的船舶动力监测系统的远程通信系统三部分组成，如图1所示，其中岸上的远程决策支持系统由远程决策支持技术中心、远程决策支持技术支援节点等部分组成；海上的船舶动力监测系统由采集船舶航行数据、主柴油机、船舶电力系统和船舶锅炉等设备的重要运行数据，为船舶动力远程决策系统提供可靠数据源的数据采集系统，还有与岸上的远程决策支持系统进行需求沟通的动力监测系统应用终端等部分组成。

远程通信系统主要由船上的通信网络与岸上的通信网络以及连接两者的无线通信设备等部分组成[1-2]。远程通信系统需要传输的内容种类繁多，例如数据、图像和语音等，并且会随着需求的改变而增加，同时传输的速率也会随着需求的改变而增加。如何建立一套远程通信系统对船舶动力远程决策系统至关重要。

本文在研究船舶动力远程决策系统对通信设备的要求以及现有通信手段的基础上，提出了两种切实可行的总体构想，并梳理出该设想中需要解决的几项关键技术。

图1 船舶动力远程决策系统组成

1 船舶动力远程决策系统对远程通信的需求

船舶动力远程决策系统是对船舶动力设备的状态进行实时监测，并将监测数据发回到在岸上的远程决策中心，由远程决策中心的技术人员判断船舶动力目前的运行状态，船舶动力设备是否健康，是否需要维护或维修，怎么维护或维修，进而指导船舶动力设备使用人员进行具体的维护或维修。

1.1 对远程通信设备种类的需求

船舶大部分时间处于航行状态，小部分时间处于码头停泊状态，因此船舶与岸基远程决策中心的通信必须由无线通信完成。船舶在海上航行的位置通常远离海岸，相对海岸来说通常在视距以外，也就是说船舶与岸基的通信通常情况下是超视距通信，即超视距无线通信。超视距无线通信的通信装备有长波通信、短波通信、卫星通信等。因此下面将重点考虑长波通信、短波通信和卫星通信能否满足船舶动力远程决策系统对远程通信的要求。

（1）长波通信

长波通信是利用波长长于 1000m（频率低于300KHz）的电磁波进行的无线电通信。长波通信设备的特点是系统庞大、天线巨大、功率大、造价高、频带较窄，只能通电报或低速数据，速率一般为数十bit，而且更重要的特点是在船舶上只能接收信号不能发射信号，不能进行信息的相互传递，因此从这个特点看，长波通信不能满足船舶动力远程决策系统对远程通信的要求。

（2）短波通信

短波通信是利用波长为 100m～10m（频率为3MHz～30MHz）的电磁波进行的无线电通信。短波通信主要靠天波传播，可经电离层一次或数次反射，最远可传至上万公里，如按气候、电离层的电子密度和高度的日变化以及通信距离等因素选择合适频率，就可用较小功率进行远距离通信。短波通信设备较简单，随着新技术的发展，利用计算机进行自动测量传播参量和自动选择最佳通信频率的高频自适应通信，不但使电报、电话短波通信可随时保持畅通，而且还可以进行数据率达2400bit/s的数据通信。短波通信被广泛地应用于政府、军事、外交、气象、通信导航、商业等部门[3-4]，用以传递语言、文字、图像、数据等信息。尤其在军事部门，它始终是军事指挥远距离通信的重要手段之一。在军舰和民用船只上也都装有短波通信设备。由此可知，短波通信可以满足船舶动力远程决策系统对远程通信的要求。

（3）卫星通信

通信卫星[5-7]可以作为中继站来转发无线电波，实现两个或多个地球站之间的远距离通信。卫星通信具有如下特点：

（1）通信距离远，通信覆盖面积大。卫星通信单跳传递的最远距离可达18000km，一颗静止通信卫星能覆盖地球总面积的40%左右，在此区域内地球站都可利用卫星转发信号进行通信。这就使得卫星通信成为国际通信、国内通信（尤其是边远地区通信）、军事通信以及广播电视等的重要传输手段。

（2）具有多址连接特性，通信灵活性大。能同时实现多个方向、多个地球站之间直接通信，不受地理条件的限制，具有高度的机动灵活性。

（3）可用频带宽，通信容量大。卫星通信工作在微波波段，因而可用频带宽，通信容量大，适合传达大容量电话、电报、数据及宽带电视等多种业务。除光缆通信外，还没有其它通信手段的通信容量大于卫星通信。

（4）传播稳定可靠，通信质量高。卫星通信线路畅通率通常都在99.8%以上。因为通信卫星是多点之间建立直达通信的唯一中继站，所以不会像其它通信设备由于多个中继站噪声叠加而使通信质量下降。

（5）成本与通信距离无关。

因此，卫星通信能够满足船舶动力远程决策系统对远程通信的要求，并且卫星通信相对其它超视距通信经济有效。

1.2 对传输内容种类的需求

船舶动力远程决策系统，通常情况下主要由船舶传送监测数据到岸基远程决策中心；在特殊情况下，出现疑难问题时，还需要船舶传送图像信息，尽管这种情况较少发生，但也应该考虑；另外在远程支持修理过程中还要进行语音交流通信。因此，远程通信内容的种类包括数据传输、图像传输和语音传输等。

1.3 对传输速率的需求

数据传输的需求需要根据传输内容和船舶的既定任务灵活调整。以大型船舶动力为例，通常一个大型船舶动力的每日监测数据量≤100MB（Byte=8bit），如果按每天24h不停机进行监测数据的远程发送，平均发送的速度是 9.26kbit/s。由2.1节可知，短波通信的带宽一般是几kHz到几十kHz，卫星通信的带宽是几十MHz，因此短波通信和卫星通信都可以满足船舶动力远程决策系统对远程通信的要求。然而，如果要用船舶已有的短波通信和卫星通信设备进行通信，必须要考虑到船舶的既定任务，故船舶动力远程决策系统对远程通信的数据传输只能是插空进行，此时需要通信带宽就会明显增大。

2 船舶动力远程决策系统远程通信方案

目前远程通信主要有两种方案，一种是依托大型船舶已有通信系统的方案，另一种是不依托船舶已有通信系统的专用通信方案。本文根据当前船舶动力远程决策系统的通信需求，基于现有两种方案，分别提出了两种总体构想，具体设计思路如下所示：

2.1 依托船舶已有通信系统方案的总体构想

由于建造时间的不同，船舶种类的不同，目前现役船舶上通信系统的种类也不同，有的现代化程度高，已有完善的数字通信网，有的还比较落后，依托现有通信系统的方案应根据船舶的实际条件分别进行统筹考虑。

现代化程度高的大型船舶的综合通信系统不仅包括卫星、超短波、短波等通信设备组成的外部通信分系统，而且还包括数据通信、综合业务处理、通信综合管理、舰内通信保障、应急机动与遇险救生通信、综合信息传输等分系统。综合通信系统的主要功能是利用多种通信手段，保障本船与其它船舶和岸基指挥中心之间的指挥通信、协同通信、警报和报知通信，保障本船各战位间通信联络畅通。现代化的综合通信系统总体设计采用开放式体系结构,可提供完善的保障手段支持船舶动力远程决策系统数据、语音、图像传输功能的实现。只需将船舶动力现场采集的数据、语音、图像数字信号接入综合通信系统的综合信息传输网，再通过本船通信综合管控分系统将信息送到卫星、短波等外部通信设备发送出去即可。

对现代化程度不高的船舶，船舶的综合通信系统内部的网络建设的不完善、没有高度综合，一般同时存在不同种类的完成不同任务的几个局域网。在这种情况下，船舶动力监测系统远程通信在以船内综合信息传输网为核心构建的船内通信保障系统基础上构建,依托船内通信保障系统下属的船内综合信息系统、视频监视系统、视频会议系统、指挥电话系统、自动电话系统、岸基接入系统所提供的话音、文电、数据、视频图像等业务传输能力,通过本船通信综合管控系统和外部通信系统实现与岸基远程决策支持技术网的接入,完成远程决策所需的信息传输。总体构架如图2所示。

图2 海上动力监测系统远程通信总体构架

舰载综合信息网依托舰内综合信息传输网构建。下属各计算机终端和服务器以及其它办公设备通过综合布线系统接入舰载综合信息网,实现舰载综合信息系统各终端的灵活布署。进港、靠岸时舰载综合信息系统可通过岸基通信网络接入系统实现与岸基综合信息网互通。在海上执行任务时,舰载综合信息系统通过舰岸无线通信网络接入岸基综合信息网。

海上船舶动力监测系统可依托舰载综合信息系统各计算机终端和舰载综合信息网所提供环境,完成动力监测数据、视频数据以及语音数据的远程通信。

（1）海上船舶动力监测系统与远程决策支持系统岸基局域网接入

海上航行时，本船通信综合管理系统根据动力监测系统应用终端的业务请求，选择合适的无线通信链路，通过岸基通信台站接入岸基局域网。

进港、靠岸时，海上动力监测系统通过岸基通信网络接入系统，通过码头光纤接入岸基局域网。

通过船载综合信息网与岸基局域网互通，可实现海上船舶动力监测系统与岸基远程决策支持系统局域网的“远程决策中心”与“远程决策支援节点”之间数据、语音、图像信息的交互。

（2）远程监测功能实现

海上船舶动力监测系统可借助视频监视系统这项功能，实现对故障设备的视频监视。视频监视系统的视频点采集的图像在视频监视网上传输，所以海上船舶动力监测系统应用终端可依托与岸基局域网的接入手段，直接将该故障设备的图像信息发给岸基决策中心。

（3）话音支援功能实现

海上航行时，依托船内综合布线系统可方便地在本船动力系统相关战位上布置指挥电话终端，实现海上船舶向岸基决策中心发出支持请求，并接收岸基决策中心反馈的支持信息。

进港、靠岸时，自动电话系统通过岸基接入系统，通过码头光纤，接入岸基电话网，本船动力系统的用户可通过布署在相关战位的自动电话终端实现与岸基决策中心的联系。

（4）多方实时交互功能实现

可利用视频会议系统提供的会议功能，实现多方实时交互功能。

2.2 基于北斗卫星的专用远程通信方案

为满足船舶动力远程决策系统远程通信的需求，采用北斗卫星数据传输的专用通信方案也是一种较好的选择。该方案的优点是可以适用于舰载通信系统不够发达的民用船舶，降低民用船舶的通信费用。当然，北斗卫星也用于军用船舶。

北斗卫星导航系统是我国自行研制的全球卫星定位与通信系统，我国正在建立的北斗卫星通信系统，为船舶动力远程决策系统提供了一个非常好的远程通信途径。北斗卫星通信不仅具有与GPS相媲美的定位功能，还具备短报文双向通信功能，民用用户一次可以传送 75个汉字的短报文信息，系统容纳的最大用户数是540000户/小时。北斗卫星的短报文通信与国际海事卫星通信相比，无论是寻址方式、信道畅通率、用户容量、通信实时性和价格等方面都优于国际海事卫星通信。目前，在民用方面，北斗数据传输的传输量已经完全满足民用传输量是75个汉字，数据率是13秒（每13秒内传送1次数据）的需求。然而，对于日益增长的船舶动力远程决策系统的通信数据，北斗卫星通信需要进行统筹设计。

基于北斗卫星的船舶动力远程决策系统就是利用北斗卫星通信代替短波通信和卫星通信，完成监测数据的传送和船舶和岸基之间的语音通信。北斗卫星海上船舶与岸基远程通信系统主要由船载和岸基的北斗用户机组成，为船岸双方提供数据通信服务。在每一艘船上需要装配一台北斗用户机，在岸基的远程决策支持中心也需要一台北斗用户机，船与岸之间进行点对点通信，由于岸基的远程决策支持中心需要与海上管理的多艘船舶进行通信，如果船上的数据量大，在岸基的远程决策支持中心需要一台北斗收/发机用于接收指定的某艘船舶上的监测数据，如果船上的数据量小，则在岸基的远程决策支持中心的一台北斗用户机可同时用于接收几艘船舶上的监测数据，在实际方案实施中，可根据数据量的大小决定岸基远程决策支持中心北斗用户机的数量，在岸基的远程决策中心，也可以选用指挥型北斗用户机，可以指挥在海上的所有管控的船舶以及岸上的远程决策支援节点。

为了克服利用北斗卫星导航系统短报文通信进行大数据量的数据通信时存在数据丢包的现象，制定长报文通信协议可以借鉴卫星 TCP/IP数据传输技术中对数据通信控制的方法：对大的数据包进行拆包并加相应的包头，接收端对接收的数据包拆除包头，并对数据合并，如果有数据包丢失，则要求发送端重新发送丢失的数据包，直到所有的数据接收完毕为止，从而保证了利用北斗短报文通信进行信息传输的可靠性。

北斗用户机的成本低，北斗用户机的通信还是保密通信，北斗用户机还具有定位功能，岸基的远程决策支持技术中心随时可以掌握保障的所有船舶所在的位置。所以选择基于北斗卫星的船舶动力远程决策系统的方案是一个经济实惠的方案。