工程船舶生產管理信息無線傳輸系統設計

朱榮，侯曉明，戴文伯

（中交上海航道局有限公司，上海 200000）

1 設計目標

中交上航局擁有百余艘各類工程船舶，其中大部分在中國境內各沿海城市碼頭、航道、近海區域施工。這些船舶大多安裝了集成控制系統，在本船可實現對船舶各類疏浚機具的集中控制[1]。通過北斗衛星系統的短報文通信技術、移動通信網絡的國際互聯網接入技術，實現對各工程施工船舶實時或準實時施工信息的采集，并將這些數據傳輸到岸上服務器，實現數據的存儲、分析、可視化再現，是工程船舶生產信息管理系統的設計目標。

根據這個目標，將系統劃分為兩個大的分系統，下設數個子系統：

1） 通信系統

包括移動通信網絡、北斗通信系統、負載平衡系統、傳輸控制軟件、壓縮傳輸軟件、控制系統接口軟件、文件系統接口軟件。

2）生產信息管理應用程序

包括數據接入和數據庫系統、應用系統門戶網站、海況信息播報系統、潮位信息服務系統、施工船舶施工狀態遠程監視系統、船舶位置顯示系統。

根據水上工程施工項目管理的特點和船岸通信的特點，本系統在設計時需考慮以下制約條件：

①結合移動通信網絡和北斗衛星短報文通信兩種通信技術，實現優勢互補；

②為適應多種疏浚船舶控制系統和多種通信網絡的需要，船端數據采集和數據傳輸軟件各自獨立，通過標準接口交換數據；

③信息數據集中存放在岸上服務系統，通過web服務的方式發布，用戶訪問數據和界面只需通過瀏覽器登陸即可，無需安裝客戶端軟件；

④不同的用戶設置不同的訪問權限，便于實現子公司或項目一級的信息管理。

2 系統架構設計

工程船舶信息管理系統由通信系統和應用程序組成。基本通信系統完成通信任務，包括傳輸控制、地址控制、壓縮解壓縮、分包與組裝、負載平衡等功能。應用程序利用基礎通信的數據實現數據的存儲、遠程訪問、數據分析、可視化、功能界面等。

2.1 系統功能架構圖

系統功能架構圖反映了系統的功能劃分和其層級關系，見圖1。

圖1 系統功能架構圖Fig.1 The system functional framework

2.2 系統邏輯架構

系統邏輯架構反映了系統內部各分系統、子系統之間的層級關系、時序關系和依賴關系。

1）控制系統接口和文件傳輸接口。分別接受控制系統計算和報表計算（自動或人工）的監控信息數據和各類文件，并向上層傳輸，或反之；

2） 壓縮和解壓縮軟件。負責數據壓縮解壓縮，以提高信道利用率；

3）傳輸控制軟件。實現糾錯協議、拆包和組裝信息包；

4）負載平衡軟件。收到信息包后，根據當前網絡狀況選擇通過何種網絡傳輸信息包；

5）信息傳輸鏈路。信息包經由海事衛星船舶地球站、移動終端或北斗船站通過無線信號傳輸到指定接收端；

6）岸端拼裝。接收到信息包后經相反的過程獲取拼裝后的、完整的信息或文件；

7）數據持久化。信息被轉發到標準OPC接口，并記錄到實時數據庫和歷史數據庫；文件被記錄到歷史數據庫或文件系統；

8）WEB發布。在實時數據庫和歷史數據庫的基礎上，通過ASP.NET技術、IIS技術實現數據的Web發布和可視化。

3 通信系統

3.1 概要

因移動通信網絡和海事衛星通信系統均基于TCP/IP網絡，且帶寬較寬，屬于正常通信范圍，無需多討論，下文主要論述北斗通信系統。

傳統的移動網絡系統基于TCP/IP網絡服務，數據傳送速率高，但覆蓋范圍一般不超過沿海27 n mile；北斗可覆蓋全國，但數據傳輸速率較低；基于海事衛星地面站的網絡覆蓋范圍和速率都能滿足要求，但通信費用高昂。

本設計中包括通信傳輸控制和負載平衡軟件，在不同的通信要求下選用不同的通信系統。

3.2 待傳輸信息的大小

船位信息，經度40 bit，緯度40 bit，艏向8 bit，船速8 bit，合約96 bit；時間信息，48 bit；絞吸單船數字量1 300個，合約1 300 bit；絞吸單船模擬量650個，合約650×12 bit=7 800 bit；單點潮位數據，模擬量一個，合約16 bit。

3.3 北斗通信系統通信特點

3.3.1 北斗短報文覆蓋范圍

東經 70°—140°，北緯 5°—55°，基本覆蓋我國本土及外海全區域。

3.3.2 北斗短報文容量

北斗短報文通信，每次服務能完成60個漢字長度的電文通信，本信息系統需要傳輸的數據基本都超過60個漢字的長度，需要拆分成多個數據包發送。

3.3.3 北斗短報文傳輸質量

假設一條信息需要拆成5個包，以單包99%的成功率計算，信息的傳輸成功率是95.1%。單包99%的成功率是系統的固有性能，是無法突破的，需要在信息的重傳和糾錯上下功夫[2]。

3.4 負載平衡

3.4.1 優先級定義

定義各類傳輸信號的優先級。在帶寬受限的情況下，安全報警、緊急指令、關鍵機具狀態參數等高優先級的信息將優先傳輸。

優先級定義由優先級定義配置工具和基于XML的優先級定義文件組成，用戶可以在獲得權限的情況下自行定義各信號的優先級，具有通用靈活的特點。

3.4.2 網絡調度和負載平衡

系統檢測當前網絡和網絡通信健康狀況，擇優選擇通信網絡。優先使用移動網絡，其次為北斗通信機，再次為船舶衛星站。

系統提供斷點續傳和緩存功能，由于帶寬等原因阻塞的信息將在網絡良好時通過特定的調度算法補發到岸上服務器。此時，實時信號具有較高優先級。

3.5 傳輸控制

傳輸控制軟件主要針對北斗短報文通信系統，包括糾錯協議設計和拆包與組裝。

移動通信網絡和海事衛星通信網絡基于TCP/IP協議，是一種面向連接的，有糾錯的協議，本文不再討論。

北斗衛星系統通信鏈路層的傳輸控制由北斗通信機和衛星協同完成，這里不再討論相關細節。本節主要討論如何控制北斗通信機，實現短報文通信的糾錯和控制。

3.5.1 糾錯協議

北斗通信受到通信頻度的限制，采用請求重發的方式不能保證傳輸信號的實時性。本設計利用前向糾錯方式：在發送的信息中加入校驗碼，在接收端根據校驗碼對原始信息進行查錯和糾錯。糾錯編碼有許多種，具體使用哪種需根據實測結果分析比較后選擇。

3.5.2 拆包與組裝

由于北斗衛星通信系統的短報文通信有固定長度的限制（TCP/IP網絡也有報文長度的限制），所以有必要對較長的通信包進行拆分。拆分的原則是保持每個通信數據的獨立性，即單個通信元數據不會被拆分到多個通信包中，這樣有利于進行通信糾錯[3]。

拆包的方式有一個預先定義的偏移量表決定，這個偏移量表基于XML文件，系統提供適當的可視化工具編輯偏移量表。通過這種方式，可以大大降低系統的數據傳輸量：只需傳輸數據值而無需傳輸數據標簽名。

一般情況下，數據包可以通過前向糾錯功能恢復原始數據。如果發現錯誤且不能恢復則丟棄該數據包或請求重發。由于采用了預先定義的偏移量表，丟失的報數據不影響其他報數據的正常接收和復原[4]。

3.6 壓縮與解壓縮

壓縮率取決于文件的特性和使用的壓縮算法。傳輸信息很短時，由于要添加相關的壓縮編碼字節，壓縮效果為零，甚至要比原文件大；傳輸文件較大時，壓縮效果較好，但不能出現丟包，否則整個文件傳輸失敗。

本系統傳輸的文件都是普通的文本或二進制文件，壓縮率為85%左右。針對模擬量和數字量信號，采用改進的旋轉門壓縮算法，該算法運用了信號隨時間漸變的特性，壓縮率可達10%，同時能保證信號再現精度。

但是，為了保證傳輸的有效進行，必須再添加控制字、包編號、校驗碼等輔助字節，預計24 bit/包[5]。

3.7 控制系統接口軟件

控制系統是指船上已安裝的集成控制系統。由于歷史、市場和技術的原因，中交上航局的疏浚船舶自動控制系統由多個供應商供應，這些系統沒有規范統一的接口。本項目設計了控制系統接口軟件，輸入根據每條船的具體情況編寫數據采集接口，輸出采用統一規范的工業標準OPC接口，從而掃除接口障礙，真正做到數據互通互聯。控制系統接口軟件具有以下功能：1）定義信號表（基于XML）；2） 定義接口方式（OPC）；3） 定義數據格式和精度。

3.8 文件系統接口軟件

文件系統接口軟件的功能有：1）提供文件傳輸界面；2）定義文件傳輸接口；3） 定義潮位數據等大文件數據分時、分割傳輸，遠程查詢傳輸的方法；4）支持斷點續傳。

4 生產信息管理應用程序

4.1 數據接入

包括負載平衡軟件、傳輸控制軟件、壓縮解壓縮軟件，基本功能和前節相同。

4.2 數據庫

數據庫包括歷史數據庫和實時數據庫。實時數據庫在內存中建立，具有更新快、查詢效率高的特點，用于支持當前畫面數據的更新。歷史數據庫在硬盤上建立，生產信息監控系統的歷史數據庫與傳統的關系型數據庫系統有很大不同，具有并發數高，數據量大的特點。除了支持普通關系型數據庫的關系表功能外，還支持增量存儲、數據壓縮、高速隨機訪問、高并發數讀寫。

數據庫系統的功能有：定義數據庫、表；提供數據庫訪問接口；提供查詢、排序、計算等數據訪問服務。

4.3 應用系統門戶網站

應用系統門戶網站是所有子系統的入口，基于IIS、asp.net技術，其功能定義為：提供各系統的統一入口頁面；鏈接到各web應用軟件；提供各用戶單位登陸入口、權限管理、系統管理界面。

4.4 船位信息服務

基于GIS技術；顯示船位、航向、艏向、航跡線；提供良好的交互界面。

4.5 船舶施工狀態遠程監視服務

4.5.1 耙吸挖泥船發布內容

1）推進系統的主要相關數據，包括主機、泥泵和高壓沖水泵等；

2）疏浚系統的主要相關數據，包括耙臂、產量、裝艙和吃水裝載等；

3）主要的施工界面，包括裝艙曲線、耙臂姿態顯示、文本顯示等[6]。

4.5.2 絞吸挖泥船發布內容

1）推進系統的主要相關數據，包括主機、泥泵等；

2） 疏浚系統的主要相關數據，包括泵機狀態，轉速負荷等、疏浚閘閥狀態、絞刀狀態、濃度流速信息等；

3）主要的施工界面，包括鋼樁臺車、液壓系統、柴油機、封水系統等；

4）查看濃度流速等產量相關信息及拋錨桿、真空釋放閥狀態等。

4.5.3 抓斗船發布內容

船位；主要施工畫面和信息，吊機傾角、回轉角度、方向、斗位、開口度；主要產量數據，單位時間內挖掘次數等。

4.5.4 鋪排船發布內容

船位、艏向；鋪排施工畫面，排位、出排速度等。

5 結語

現代工程船舶大多裝有完備的施工監控系統，但這些監控系統相互獨立、接口封閉，只能通過U盤拷貝等傳統手段進行數據交換，開發數據接口軟件，運用工業標準的OPC接口可以實現數據的在線實時交換，同時便于對系統進行二次開發。由于船舶一般處于近海施工，通信不便，形成了典型的信息孤島，充分利用現有的移動通信、海事衛星通信和北斗短報文通信系統，可以實現優勢互補，打造質優價廉的多網絡通信系統，將各工程船舶的數據集中傳輸到岸上信息管理中心。信息管理中心的各應用程序運用WEB SERVICE技術，用戶可以使用瀏覽器直接訪問，無需安裝各種應用程序客戶端即可實現各種豐富的功能，既方便了用戶的使用，也有利于開發和部署應用程序。該系統的部分功能已經開發完成并投入使用，測試運行良好。

[1] 戴文伯.絞吸挖泥船自動控制系統實現[C]//第十九屆世界疏浚大會論文集.北京：2010.DAIWen-bo.Automatic control system implementation of cutter suction dredger[C]//Proceedingsof the 19th international dredging conference.Beijing:2010.

[2]賈勝輝.北斗衛星在氣象數據傳輸方面的應用：經濟發展方式轉變與自主創新[C]//第十二屆中國科學技術協會年會論文集.福州：2010.JIA Sheng-hui.Application of Beidou Satellite Navigation System inmeteorologicaldata transmission:the transformation ofeconomic developmentmode and independent innovation[C]//Proceedingsof the12th China Association for Science and Technology conference.Fuzhou:2010.

[3] 成方林，張翼飛，劉佳佳.基于“北斗”衛星導航系統的長報文通信協議[J].海洋技術，2008（1）：26-28.CHENG Fang-lin,ZHANG Yi-fei,LIU Jia-jia.Long message communication protocal based on the Beidou Satellite Navigation System[J].Ocean Technology,2008(1):26-28.

[4] 鄧玉芬，張博，沈明，等.基于北斗衛星的海洋測量數據傳輸系統[J].海洋測繪，2009（4）：67-69.DENGYu-fen,ZHANG Bo,SHENMing,et al.Transfer system of the survey databased on the Beidou Satellite Navigation System[J].Hydrographic Surveyingand Charting,2009(4):67-69.

[5] 胡光明，馬民，蘇冉冉，等.RDSS短報文通信編碼壓縮技術研究[C]//第二屆中國衛星導航學術年會論文集.上海：2011.HU Guang-ming,MA Min,SU Ran-ran,et al.Coding and compressing techniques of RDSS short-message communication[C]//Proceedings of the 2nd China satellite navigation conference.Shanghai:2011.

[6]Q/ZJGFSJ001—2009，耙吸挖泥船疏浚監控系統技術標準[S].Q/ZJGFSJ001—2009,Technical standard for dredging supervisoryand controlsystem of trailingsuction hopperdredger[S].