開敞式碼頭系靠泊網絡化實時監控系統數據傳輸方法

隋 多，邱占芝，王偉健

(大連交通大學 軟件學院，遼寧 大連 116000)*

0 引言

進入21世紀以來，海上運輸業的蓬勃發展導致港口海岸線資源日益緊張，建設開敞式碼頭已經成為解決港口海岸線資源消耗殆盡的必然趨勢.然而，開敞式碼頭直面海洋，系靠泊作業環境惡劣，風、海浪、潮流等環境動力要素，對系靠作業安全構成極大的威脅.在過大的風浪流作用下，船舶運動幅度將加劇，極易造成系泊纜力超限，造成斷纜事故發生.2006年7月15日，發生在大連30萬噸級進口原油碼頭的原油船“偉大聯盟”的斷纜漂流擱淺事故險些造成27萬噸進口原油的泄漏［1］.為此，亟待建立大型開敞式碼頭系靠泊網絡化實時監控系統，以便保證系靠泊作業安全，提高系靠泊作業效率.本文針對開敞式碼頭系靠泊網絡化監控系統的運行需求，研究系統不同監測對象的數據傳輸方法，給出系統組網模式、網絡系統體系結構，以及數據傳輸技術與處理流程，并通過系統模擬驗證提出方法的有效性.

1 需求與監控目標分析

船舶大型化與碼頭深水化的發展使得碼頭越來越多的建設在外海開敞區域，合理的布纜方式與恰當的護舷保護有助于系泊船舶對外海自然條件的抵御與適應.開敞式碼頭的平面布局方式一般分為四種:常規的開敞式泊位、“蝶”形的開敞式泊位、浮筒系泊的開敞式泊位、多方位的開敞式泊位［2］.在我國一般多采用“蝶”形開敞式泊位(如圖1所示為蝶形碼頭泊位系纜示意圖).

圖1 蝶形碼頭泊位系纜示意圖

由于受到自然因素包括海風、海浪、海流的共同作用，系泊船舶會產生不可抗拒的六自由度復合運動，這六個自由度分別是橫移(sway)、縱移(surge)、升沉(heave)、橫搖(roll)、縱搖(pitch)、回轉(yaw)［3］.強復合運動會導致纜繩張力過大而發生崩斷，之后纜力重新分配作用于剩余纜繩而使其悉數斷裂，因此監控系統要保證對上述六自由度進行實時監測.監控系統還要能準確地獲取系泊船舶的基本信息(如船舶名稱、船舶編號、排水量、泊位編號、國籍、進離港日期等).實時視頻監測模塊也是船舶監控系統的重要組成部分，它采用數字化和網絡化的多角度進行動態實時視頻監測，更直觀更快捷地掌握船舶系泊情況.

經上述分析并結合用戶實際需求，監控系統主要傳輸數據分為以下四大類:

(1)船舶靜態屬性(船舶名稱、船舶編號、排水量、泊位編號、國籍等);

(2)船舶動態屬性(纜繩張力、護舷壓力、橫移、縱移、升沉、橫搖、縱搖、回轉等);

(3)海洋環境信息(風向、風速、流向、流速、浪高等);

(4)視頻監測信息.

基于上述監測對象的傳輸需求，整個開敞式碼頭系靠泊網絡化實時監控系統被分成三層結構:監控層、網關層、網絡層.其監控層由CAN總線和CDMA2000 1X網絡擔當，網關層則由對應的CAN/Ethernet網關和PDSN網關組成，而上位機網絡層由以太網Ethernet來搭建.纜繩張力與護舷壓力的底層采集模塊通過CAN總線網絡的數據傳輸與CAN/Ethernet網關的轉換功能，將采集數據實時傳輸至基于以太網的上位機網絡中;船舶靜態屬性、部分船舶動態屬性、海洋環境信息、視頻監測信息則利用目前流行的移動通信網下的3G網絡CDMA2000 1X與PDSN網關進行數據的傳輸.據此，開敞式碼頭系靠泊網絡化實時監控系統的數據傳輸網絡體系結構如下圖2所示.

圖2 數據傳輸網絡體系結構

2 數據傳輸方法

開敞式碼頭系靠泊網絡化實時監控系統采用兩種數據傳輸方法:CAN總線——以太網Ethernet傳輸和CDMA2000 1X——以太網 Ethernet傳輸.其中，前者主要涉及纜力與護舷壓力的數據傳輸，而其余監控對象的數據傳輸均采用后者.

2.1 纜力與護舷壓力的數據傳輸

纜力與護舷壓力的數據傳輸方案:電阻應變式傳感器［4］采集的實時數據，通過 CAN發送模塊，將數據以CAN數據幀格式進行總線傳輸，使之到達CAN/Ethernet網關，CAN數據幀利用網關，轉換成為以太網幀，最終通過以太網傳輸到達上位機系統.纜力與護舷壓力的數據傳輸，應具有高實時性、高可靠性，因此系統采用當今主流CAN總線(ControllerAreaNetwork)作為監控底層網絡.CAN現場總線技術廣泛應用于工業生產、航海工程等領域，它作為智能設備的聯系紐帶，把掛接在總線上、作為網絡節點的智能設備連接成為一種全分布網絡控制系統［5］.而基于以太網Ethernet的上位機網絡，具有低成本、易組網、高速率等特點，滿足開敞式碼頭全方位的信息傳遞、共享和集成功能.CAN總線與以太網的連接紐帶由CAN/Ethernet網關擔當.

CAN總線只包含物理層、數據鏈路層和應用層，采用短幀結構并以多主方式工作.傳感器的采集值，采用CAN技術規范(Version 2.0)中定義的含有29位標識符的擴展幀格式來表示.其中，具體涉及到四種不同類型的幀:數據幀(Data Frame)、遠程幀(Remote Frame)、錯誤幀(Error Frame)、過載幀(Overload Frame).數據幀(Data Frame)是由7個不同的位域(Bit Field)組成，包括幀起始(Start of Frame)、仲裁域(Arbitration Field)、控制域(Control Field)、數據域(Data Field)、CRC 域(CRC Field)、應答域(ACK Field)和幀結尾(End of Frame)［6］.具體的 CAN 報文格式如表1所示，標識符中的ID28到ID18為基本ID，它定義了擴展幀的基本優先權;而ID17到ID0為擴展ID，表示纜繩或護舷設備編號(如艏纜、艉纜、1JHJ護舷等);數據域由4個字節組成，表示纜力和護舷壓力的數值.Can/Ethernet網關是以微處理器+TCP/IP協議棧芯片+以太網物理層接口芯片的形式來組建［7］，CAN數據幀經過Can/Ethernet網關中的TCP/IP協議棧各層協議的處理變成以太網幀，即在CAN數據前添加相應的協議頭，如鏈路層的以太網幀頭，網絡層的IP包頭以及傳輸層的TCP或UDP頭.封包好的以太網幀，通過幀上的目的地址，到達目的MAC地址的物理層和數據鏈路層，在網絡層中需要處理相應的IP包和ARP包，ARP包用以實現IP地址與MAC地址的映射，而IP包經過IP協議解析變成了ICMP包、TCP包或UDP包，ICMP包經過ICMP協議處理后，發送錯誤報告或信息，TCP或UDP包經過TCP或UDP協議解析后，將數據傳輸到應用層中的上位機系統.上位機與Can/Ethernet網關的傳輸采用SOCKET套接字連接，其中網關工作在服務器端，上位機工作在客戶端.傳輸時雙方首先建立SOCKET套接字，服務器端(網關)綁定套接字，監聽指定端口，等待連接.客戶端(上位機)發送建立連接命令Connect()，等待服務器端回應.連接建立后，纜力與護舷壓力數據開始進行上傳，上傳結束后關閉套接字連接.

表1 CAN報文格式定義

2.2 其余監控對象的數據傳輸

其余監控對象的數據傳輸方案:現場采集的實時數據，通過CDMA 2000 1X發送模塊的空中接口，將數據幀傳輸到PDSN網關，網關將數據幀封裝成以太網幀進入上位機網絡，最終到達目的上位機系統.船舶靜態屬性、部分船舶動態屬性、海洋環境信息及視頻監測信息的采集監測節點分布廣闊，海況復雜惡劣，有線傳輸方案存在布線、傳輸距離及擴展性方面的限制，而采用衛星通信又價格不菲，因此移動通信網就成為首選數據傳輸方式.同時，采用CDMA2000 1X的3G網絡相比于GSM和GPRS，在傳輸速率和傳輸帶寬具有明顯優勢，例如在視頻監測信息中，CDMA2000 1X可以達到384 kbps的速率，以碼頭現場24位攝像機拍攝的CIF(分辨率為352 dpi×288 dpi)格式視頻畫面為基礎，算出每幀的原始數據量為352×288×24÷1 024=2 376 kbit，系統同時采用圖像壓縮比為250∶1的H.264標準進行壓縮編碼，則CDMA2000 1X每秒可傳幀數為384÷(2 376÷250)=40幀，由于24幀/s就能使人眼觀察到順暢畫面，因此CDMA2000 1X滿足視頻監測信息的帶寬要求［8］.

CDMA2000 1X的技術基礎是CDMA(Code Division Multiple Access)碼分多址技術，它是在分支-擴頻通信技術上發展起來的一種擴頻技術，其原理是將被傳送信號用一個帶寬遠大于被傳信號的高速偽隨機碼(PN碼)進行調制，導致了原信號帶寬的擴展，然后經載波調制(二進制相移鍵控BPSK)發送，接收端采用完全相同的高速偽隨機碼，對接收信號進行相應的處理，把擴展寬帶信號還原回了原被傳送信號［9］.CDMA2000 1X——以太網Ethernet網絡結構如圖3所示，包括傳感器采集終端、CDMA數據傳輸單元(CDMA DTU)、基站收發機 BTS(Base Transceiver Station)、基站控制器 BSC(Base Station Controller)、分組控制功能 PCF(Packet Control Function)、分組業務數據節點PDSN(Packet Data Serving Node)、AAA Server(Authentication，Authorization，Accounting)、歸屬地代理HA(Home Agent)、上位機.數據鏈路通道建立后，CDMA數據傳輸單元(CDMA DTU)利用BTS，將采集到的分組數據發送到BSC上，BSC中的PCF提供到PDSN的PPP幀傳輸，用來實現監測設備與PDSN的 PPP協議連接，PPP協議包含鏈路控制協議LCP(Link Control Protocol)、網絡控制協議NCP(Network Control Protocol)、認證協議:PAP(Password Authentication Protocol，口令驗證協議)、CHAP(Challenge-Handshake Authentication Protocol，挑戰握手驗證協議)，當一個 NCP處于 Opened狀態時，PPP傳輸相應的網絡層協議數據包，而PDSN作為接入網關，根據上位機的IP地址，最終將數據封包發送到上位機監控中心.PDSN提供了簡單IP和移動IP兩種接入方式，簡單IP就是從PDSN的地址池中分配一個動態IP地址給某一監測設備，使監測設備可以和外界進行通信;而移動IP是PDSN周期性的向監測設備發送代理廣播消息，代理廣播中含有地址池中的一系列地址.特別指出，視頻監測信息在傳輸層采用了RTP/RTCP協議，采集壓縮后的視頻數據首先進行了RTP封裝，RTP提供端到端的實時數據傳輸服務，還需使用UDP協議作為下一層協議，對RTP包進行UDP封裝和IP封裝，共同完成視頻分組數據的傳輸［10］.

圖3 CDMA2000 1X——以太網Ethernet網絡結構

3 模擬仿真

上位機系統是整個監控系統的核心，控制著整個系統的正常運轉，完成對監控終端設備的數據、狀態、故障等信息的解析處理，并以圖形方式顯示給管理員或用戶.KingView組態王開發監控系統軟件，是新型的工業自動控制系統，它以標準的工業計算機軟、硬件平臺構成的集成系統取代傳統的封閉式系統，具有適應性強、開放性好、易于擴展、經濟、開發周期短等優點.使用組態王開發的基本過程為圖形界面的設計、構造數據庫、建立動畫連接、運行和調試.圖4為組態王KingView 6.55進行的開敞式碼頭系靠泊網絡化實時監控系統的仿真界面.

圖4 實時監控系統仿真界面

4 結論

本文通過分析開敞式碼頭系靠泊網絡化實時監控系統中的監控對象，確定了由監控層、網關層和網絡層構成的三層數據傳輸網絡體系結構.纜力與護舷壓力采用CAN總線作為監控層網絡，其他監控對象則采用CDMA2000 1X作為監控層網絡，二者通過對應Can/Ethernet網關和PDSN網關的處理，將數據上傳至以太網中的上位機系統.最后，通過組態王KingView 6.55模擬仿真了上位機系統的監控界面，驗證了提出方法的有效性.

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