南海海区航标遥测遥控通信方案设计

桑凌志,杨有良

(1.中国交通通信信息中心，北京 100011；2.交通运输部南海航海保障中心，广州 510235)

航标是重要的水上交通运输基础设施，对保障航行安全、宣誓国家主权有着极其重要的意义。航标遥测遥控系统由监控中心、数据采集终端和通信系统组成，进而实现对航标的远距离测量、控制和监视[1]。系统可以帮助航标主管部门尽快确定航标故障，及时发布航标信息[2]，提高航标稳定性，提升航标效率和效能，降低维护成本，保障船舶航行安全[3]。

航标遥测监控系统在美国、日本、加拿大等均有成功应用，国际航标协会也曾就数据标准、通信链路等推荐过技术讨论意见[4]。我国的航标遥测监控系统开发建设工作始于20 世纪90 年代中期并快速发展。2010年，交通运输行业标准《航标遥测遥控系统技术规范(JT/T788-2010)》[1]对系统的组成、功能、技术要求、试验方法和检验规则规定后，航标遥测遥控系统开始规范化发展。

南中国海是我国与世界各地联系的重要海上通道，在政治、军事安全、经济发展领域具有重要战略价值。南海海区覆盖范围大，在不同水域有着不同的通信条件，如远海岛礁水域缺少地面通信手段，近岸偏远水域地面网络通信稳定性差。同时海上活动频繁，而通信基建滞后，影响通信稳定。针对南海海区航标遥测遥控的通信问题，本文分析了遥测遥控的通信需求，并考虑应用的特殊需求，对网络通信、报文结构、数据分类分级等进行设计。

1 研究现状分析

1.1 航标遥测遥控系统建设

针对航标遥测遥控系统建设，大量学者[5-8]对系统功能、组成、技术实现等进行了讨论，对数据采集、数据控制、数据传输、数据处理等进行了分析，并在部分水域开展了应用。在系统的具体功能上，彭国均等人[9-11]认为系统应通过数据统计与分析，根据业务需要输出相关结果，服务实际工作与业务。针对航标终端的可靠性及终端多核系统软件的远程升级[12-13]，也有学者开展相关研究。在通信方面，部分学者认为，可利用无线传感网络实现航标终端之间的通信，进而解决通信不稳定的问题，因此各种网络结构陆续被设计[14-15]与实现[16]。有学者针对终端定位精度[17]、浮标位置漂移[18]、撞击分析[18]等关键应用问题展开研究，并取得相应成果。李国祥等[19]结合长江航道数字化建设情况，认为系统应实现基础数据库互通，进行数据平台的标准化建设。

1.2 基于北斗的航标遥测遥控终端

随着我国北斗卫星导航系统的成熟，北斗开始应用到航标遥测遥控领域。针对山区河段较差的通信条件，基于北斗卫星通信方式的逆向差分GPS软件被开发，以解决急流险滩航标离位检测的问题[20]。同时北斗模块存在难以更换、接收信号受阻等问题，因而分体式航标遥测遥控单元也被设计应用[21]。随着北斗遥测终端产品的推广使用，北斗遥测遥控终端的软硬件也得到持续优化[22]。

1.3 基于AIS的航标遥测遥控终端

船舶自动识别系统(Automatic Identification System, AIS)被提出后，AIS技术应用于航标并实现航标无线监控的思路被提出[23]。随着E-航海的提出和AIS技术的成熟，以AIS为通信载体的航标遥测遥控成为E-航海的重要内容[2]。AIS遥测遥控终端[24]可实现航标LED灯、雷达应答器及水文气象传感器的信息采集，并通过AIS电文6、8和21实现航标基本信息、航标状态信息和水文气象信息的传输。

1.4 现状分析

航标遥测遥控系统从2010年开始，逐步得到规范，系统结构相对固定。北斗与AIS具有一定的优势并成为发展趋势，但并未得到实质性推广应用。由于系统前期由厂家推动其发展，因此通信方案由厂家制定且互不兼容。一个厂家一个平台成为系统发展的瓶颈，也制约航海保障的信息化发展。面对发展瓶颈，针对系统通信方案的研究较少。航标遥测遥控系统的通信方案作为连接系统与航标的技术要求，其良好的设计对我国水上交通安全保障的意义重大。

本文综合考虑南海海区的航标分布特征，分析通信问题，从通信方式、网络链接方式、数据分类、数据分级、报文长度控制及特殊设计等方面对南海海区航标遥测遥控的通信方案进行综合设计。方案在南海海区全面应用，并取得了良好的效果。

2 南海海区航标通信需求分析

2.1 南海海区航标分布情况

南海海区航标的布设水域可分为三个类型：

(1)港区水域。绝大部分航标分布在港区水域。该水域的公共网络覆盖较好，但呈现信号不稳定的趋势且日益突出。不同电信运营商的覆盖情况不一，难以保证通信的可靠性。电信运营商曾打造“黄金海岸”工程建设近海通信网络[25]，但随着4G/5G基站的单一覆盖面积进一步缩小，近海网络通信强度不稳定的趋势更加突出。

(2)近岸偏远水域。部分航标布设在距城区、港区较远的近岸水域，与养护基地相隔较远，维护成本相对较高。偏远水域的电信运营商基础硬件投入不足，基础公共网络覆盖效果差；同时部分边境水域的网络信息安全要求也更高。

(3)远海岛礁水域。随着社会经济的发展与基础建设技术的进步，我国在南海海区的远海岛礁水域建设了必要的基础性航海保障设施，大型灯塔的建设为附近船舶提供了航海保障，但远海岛礁水域暂无基础公共网络覆盖。

2.2 存在的问题与原因分析

现阶段南海海区的航标遥测遥控系统在通信方面存在以下主要问题：

(1)部分航标所在水域公共网络覆盖不足，缺乏有效的通信方式，遥测遥控系统的通信覆盖范围受限[26]。这种现象在近岸偏远水域和远海岛礁水域尤其明显。

(2)网络通信掉线率高。为保证时效，在通信方案中往往选择长连接实现终端与服务器的通信，但实际连接上的通信数据少，通信基站在必要时会关闭闲置连接以提高网络利用率，造成长连接中断。为提高在线率，终端会频繁占用连接，造成恶劣循环。

(3)报文设计不精简。系统涉及的数据包括航标位置、灯器工作情况、环境情况、能源情况等达240多项。在设计中，一般都要求所有的数据项一起打包传输，实际大量数据项为空，且大量数据无需回传，报文冗余度高。

(4)遥测数据不准确，报警有效性待提高[26]。一方面终端数据欠缺规范，准确性低，数据难以被进一步利用；另一方面，报警以计算能力不足的终端根据判断为主，准确性低，这也导致系统难以被有效使用。

可见，针对南海海区的航标遥测遥控系统建设，需要从通信的角度重新设计，进一步提高通信的稳定性和数据的准确性，为遥测遥控系统的各项功能实现提供基础。

2.3 需求分析

南海海区航标遥测遥控的通信方案应满足以下基本需求：

(1)覆盖全面。要能综合利用多种通信方式，对南海海区航标实现通信全覆盖，使航标遥测遥控系统能够监测对海区内全部航标；(2)通信稳定。终端与服务器之间要有稳定的通信方式，利用通信的稳定保证监测数据的不断更新，保障遥测、遥控两个基本指令的顺畅实施；(3)报文精简。要尽可能缩减报文长度，对部分无用数据项进行适当处理，使终端与服务器之间的通信更加敏捷；(4)数据准确。要提高报文中各类数据的准确性，保证通信交互中的每一个数据项都准确可用。

3 南海海区航标通信方案设计

针对问题与需求，对南海海区航标遥测遥控，从通信信道、公共网络通信链接方式、遥测遥控数据分级分类、通信报文控制及特殊设计等角度，进行通信方案设计。

3.1 通信信道

在通信信道方面，同时利用移动公共网络(如GPRS、CDMA、3G、4G等)和移动卫星网络，及AIS、北斗RDSS等专用网络，实际使用时须根据应用特点选择相应终端，保证遥测遥控系统对航标监测的全面覆盖。使用移动公共网络和移动卫星网络时，终端通过服务器所在的固定IP地址进行通信交互；实现服务器与AIS数据库的互联互通，服务器与AIS终端之间通过AIS专用网络实现通信交互；部署北斗指挥机并连接系统服务器，利用北斗指挥机与终端北斗模块实现北斗RDSS通信。

在公共网络覆盖较好的港区水域，优先选择移动公共网络，如果船舶交通流量不大，AIS信道使用率不高，可选择AIS作为通信信道。在公共网络覆盖较差的近岸偏远水域，可选择AIS作为通信信道，在边境水域，因网络信息安全问题，优先选择利用北斗短报文进行通信。在远海岛礁水域，优先选择北斗短报文进行通信。

3.2 网络通信连接

采用移动公共网络进行通信时，为保障每次通信中连接的稳定有效，优先选择TCP短连接模式。使用TCP短连接时服务器与航标终端断开，因此服务器发送遥测遥控指令时，需要先行使用非移动网络如短消息向终端通信，然后由终端发起连接。

少量情况下采用卫星通信时，由于连接建立的时间长，卫星通信的通道宝贵，因此优先由终端选择TCP长连接模式与服务器主动建立连接。

使用AIS信道时，采用固定时隙FATDMA方式，按照AIS相关标准用6号电文进行寻址传输。

3.3 通信交互方式

服务器与终端之间的交互模式分7大类：(1)服务器查询终端运行状态信息；(2)服务器设置终端运行状态参数；(3)终端主动上报运行状态报警信息；及终端上传状态参数数据，由于状态参数又进行了4个分级处理(具体论述见后)，因此交互方式又有(4)终端上传一级状态参数；(5)终端上传二级状态参数；(6)终端上传三级状态参数；(7)终端上传四级状态参数。

3.4 数据分类分级

将需要交互的数据进行分类处理，初步分为7类：基础报文信息、工作状态信息、灯器设备信息、能源设备信息、雷达应答器信息、终端报警信息、工作参数信息。

基础报文信息包括报文交互模式、对应终端信息、数据采集时间、报文属性等。

将剩余6类信息按照数据回传需求，从高到低分为4个级别的状态参数，前三级为动态参数信息，第一级状态参数需要频繁回传，随后频次依次降低；第四级状态参数是静态参数信息，仅根据遥测指令被动回传。

具体分类分级情况如表1。

表1 状态参数分类与分级Tab.1 Categories and classes of state parameters

3.5 数据准确性

为保证数据的准确性，对每一个数据项的单位、值域、误差、比特数进行规定，如规定经纬度单位“度”的值域为0～89，单位为°；“分”的值域为0～599 999，单位为1/600 000°；再如“电压”的值域为0～6 500，单位为0.1 V，数据误差为±0.1 V。

3.6 报文长度控制

在分类分级的基础上，可实现对报文的积木式处理，最大化精简报文。终端在上传状态信息时，必须首先上传基础报文信息，然后根据情况选择4个级别状态参数中的一个或多个进行回传。在基础报文信息中对结构进行标识，方便服务器识别报文的状态参数组合情况。

在设计中要保证：(1)对于回传频次高的一级状态参数数据，在任何通信方式下，如SMS短消息、AIS短报文、北斗短消息，都能仅用一条报文传输。(2)在回传全部一级、二级和三级动态参数信息时，在任何通信方式下都能用两条报文传输。

3.7 特殊设计

对通信方案中进行特殊设计以满足实际的业务需要：

增加通信号码匹配报警功能，实现SIM卡自动识别，帮助通信卡、终端的有序管理。现阶段SIM卡与终端管理混乱，无法准确记录终端与SIM卡的关系，不清楚哪些使用哪些闲置，资源大量浪费。要求在终端中增加识别IMSI码并存储，启动后首先识别IMSI码是否变化，若不一致说明通信卡更换，则利用短消息发送报警，服务器根据短信号码识别SIM卡号并报文中的终端号码自动匹配，实现SIM卡的自动识别和自动匹配。

部分通信方式不应答。由于AIS电文、北斗短消息的数据发送与接收受各方面影响较大，容易出现数据丢失，因此设计AIS电文、北斗短消息直接发送报文，无须应答。

北斗短报文周期通信。由于航标电源珍贵，北斗天线发射时的电流达到平均120 mA，而使用普通移动公共网络只有10 mA，为延长终端工作时间，将北斗短报文通信设定为周期通信，在每60 min周期性唤醒一段时间，如每个整点前5 min为通信时间，其他时间静默，此时耗电量基本一致。

取消强制关闭遥控指令。灯器可能会发生白天灯亮、夜晚灯灭故障，白天灯亮则需强制关闭灯器，夜晚灯灭则需强制打开灯器。考虑网络信息安全问题，在遥控指令中取消强制关闭功能，白天灯亮后不予强制关闭，实际工作中也不影响助导航功能。

4 南海海区航标通信方案实现

以本研究为基础，进一步开发了南海海区遥测遥控系统。系统实现了与南海海区现有航标静态基础信息管理系统的数据互联互通，主要功能包括：

(1)GIS平台。在电子海图平台上对各类物标进行展示，包括航标展示、管理机构展示、AIS与DGPS等各类基站展示。

(2)航标基础信息。包括查询并调用航标基础数据库的基础信息，并根据需要显示航标基础信息。

(3)航标运行状态监测。实现航标、终端、通信卡自动绑定；航标运行监测数据的接收与存储；航标监测数据显示；航标遥测指令发送与相关指令显示；航标碰撞报警的肇事船舶追踪。

(4)航标运行状态遥控。实现对相关航标运行状态的遥控指令发送，并显示相关的遥控信息。

(5)航标故障判断与显示。包括终端报警故障显示和终端运行状况判断与显示两部分。

(6)历史信息查询。对航标运政状态、遥测、遥控、航标运行故障灯历史信息的查询与显示。

(7)统计报表。根据历史信息，按照需要生成航标运行状态曲线，实现不同维度的遥测遥控终端统计、航标运行故障统计和航标故障处置情况统计。

南海海区遥测遥控系统通信成功率达到100%，通信稳定性好，可靠性高。准确的数据也为相应的系统开发提供了良好基础。按照通信方案的设计，系统实现了对各级别数据的区别监控，航标通信可靠性高，数据实现了连续回传。现阶段南海海区航标遥测遥控系统实现了对海区航标的有效监测。

5 研究结论

针对南海海区航标遥测遥控系统存在的有效通信方式缺乏、网络通信掉线率高、报文设计不精简、遥测数据不准确等问题，对南海海区航标遥测遥控的通信方案进行重新设计，将南海海区的航标分布水域分为港区水域、近岸偏远水域、远海岛礁水域三类。这三类典型水域的通信条件与需求各不相同。接合实际应用需求、现存问题，对南海海区航标遥测遥控从通信信道、公共网络通信链接方式、遥测遥控数据分级分类、通信报文控制及特殊设计的角度进行通信方案设计。研究成果进一步形成了《南海海区航标遥测遥控通信技术要求》，并在南海海区应用，遥测遥控通信成功率达到100%，通信稳定性好，可靠性高，准确的数据为相应的航标遥测遥控系统开发提供了良好的基础。