海洋科考船即時(shí)通信技術(shù)支持能力及應(yīng)用研究

蘭麗茜，尹聰，路曉磊

(1.國家海洋局北海海洋技術(shù)保障中心 青島 266033；2.山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 青島 266033)

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海洋科考船即時(shí)通信技術(shù)支持能力及應(yīng)用研究

蘭麗茜1，2，尹聰1，2，路曉磊1，2

(1.國家海洋局北海海洋技術(shù)保障中心 青島 266033；2.山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 青島 266033)

當(dāng)今通信技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用已滲透到人類社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，對社會(huì)發(fā)展產(chǎn)生巨大影響。在海洋領(lǐng)域，通信技術(shù)經(jīng)歷多次重大跨越，從最原始的旗語到現(xiàn)在的衛(wèi)星移動(dòng)通信，海陸之間的聯(lián)系已經(jīng)變得較為便利。但目前我國海陸即時(shí)通信技術(shù)還不夠完善，給科考船的深遠(yuǎn)海作業(yè)帶來諸多不便，輕則影響作業(yè)進(jìn)度，重則造成巨額經(jīng)濟(jì)損失甚至人員傷亡。在衛(wèi)星電話、電子郵件等通信方式存在信號不穩(wěn)定、直觀性差、即時(shí)性低等弊端的情況下，研究和開發(fā)較為成熟的海陸即時(shí)通信技術(shù)極為必要。文章探討科考船在海上作業(yè)期間與陸地進(jìn)行即時(shí)通信的方法和可行性，為今后這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展提供參考。

即時(shí)通信技術(shù)；海陸通信；通信模式；海洋科考

1 引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來，通信技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用對社會(huì)產(chǎn)生巨大影響，網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)經(jīng)飛速發(fā)展日漸成熟且已滲透到人類社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域。海洋和陸地之間的通信從最原始的旗語、燈光信號階段，經(jīng)過無線電報(bào)、無線電話、無線電傳真時(shí)期，發(fā)展到現(xiàn)在的衛(wèi)星移動(dòng)通信時(shí)代，海陸之間的聯(lián)系已經(jīng)變得較為便利。但由于受海洋環(huán)境具有特殊性、通信技術(shù)研究起步較晚等多種因素的限制，目前我國海陸即時(shí)通信技術(shù)還不夠完善，給科考船的深遠(yuǎn)海作業(yè)帶來諸多不便——如果信息得不到及時(shí)交流，不僅會(huì)嚴(yán)重影響作業(yè)進(jìn)度，還會(huì)造成巨額經(jīng)濟(jì)損失甚至人員傷亡。

在目前常用的即時(shí)通信技術(shù)中，衛(wèi)星電話成本較高，信號也不是很穩(wěn)定，在船艙中經(jīng)常出現(xiàn)難以接通的情況，且信息直觀性不強(qiáng)；電子郵件存在傳輸信息公開、接收信息偶有亂碼的問題，而且溝通效率不高，必須利用電腦登錄郵箱系統(tǒng)才可以收發(fā)郵件，接收和反饋信息時(shí)間比較滯后。因此，研究和開發(fā)較為成熟的海陸即時(shí)通信技術(shù)很有必要，既可以實(shí)現(xiàn)船陸間高效的信息傳輸和遠(yuǎn)程協(xié)助；又可以為船舶在海上遇到緊急情況或突發(fā)事件時(shí)提供順暢的溝通渠道，最大限度地保證人員和財(cái)產(chǎn)安全；還可以使科考人員在漫長航次中保持與家人、朋友的聯(lián)系，體現(xiàn)人文關(guān)懷，為海洋科考的順利進(jìn)行提供有力保障。

2 即時(shí)通信技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式和工作流程

海洋科考船與陸地之間的即時(shí)通信技術(shù)是依靠目前最為普遍和高效的通信媒介——手機(jī)來實(shí)現(xiàn)的。在深遠(yuǎn)海借助VSAT衛(wèi)星構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò)，并在科考船上建立一套即時(shí)信息交流系統(tǒng)，船上和陸上人員在各自手機(jī)上安裝客戶端應(yīng)用程序，通過手機(jī)之間的信息傳遞完成海陸即時(shí)通信；這種程序支持即時(shí)文字、圖片、語音傳輸以及遠(yuǎn)程協(xié)助、資源共享等，對即時(shí)信息(Instant Message，IM)進(jìn)行傳遞。即時(shí)信息既具有電話和電子郵件等通信方式的優(yōu)點(diǎn)，又解決這些通信方式產(chǎn)生的信息失真、不對稱和時(shí)效性不強(qiáng)等問題，收發(fā)信息更加準(zhǔn)確及時(shí)，極大地?cái)U(kuò)展工作空間、提高工作效率[1-2]，是對傳統(tǒng)通信方式的有益補(bǔ)充。

該程序的工作流程采用當(dāng)下技術(shù)比較成熟的手機(jī)客戶端模式。程序暫定名稱為“船陸即時(shí)通”，可在智能手機(jī)自帶的軟件商店或APP平臺中下載，下載后打開運(yùn)行界面，根據(jù)界面提示注冊用戶名、設(shè)置登錄密碼完成注冊；注冊后登錄進(jìn)入主界面，添加聯(lián)系人(對方手機(jī)上也應(yīng)下載“船陸即時(shí)通”才能被成功添加)，建立雙方聯(lián)系；添加聯(lián)系人后就可以進(jìn)入自由使用階段，雙方可以互發(fā)文字、語音、圖片等信息，信息即時(shí)可到，達(dá)到船陸之間緊密聯(lián)系的目的；隨著該項(xiàng)技術(shù)發(fā)展日臻成熟，客戶端軟件通過升級不斷更新和完善，使船陸之間的交流更加順暢和便利。

3 即時(shí)通信技術(shù)的工作原理

3.1 通信模式

“船陸即時(shí)通”通信系統(tǒng)是一種依靠網(wǎng)絡(luò)連接的即時(shí)通信技術(shù)，涉及IP/TCP、P2P、C/S、多媒體音視頻的解碼和傳送等多種技術(shù)手段，主要使用客戶/服務(wù)器(Client/Server，C/S)通信模式和對等(Peer to Peer，P2P)通信模式。C/S通信模式即服務(wù)器可同時(shí)處理多個(gè)不同客戶的請求，一個(gè)服務(wù)器可以運(yùn)行多個(gè)服務(wù)器的計(jì)劃、與客戶分享他們的資源，客戶享有服務(wù)器的內(nèi)容和服務(wù)功能，屬于“一對多”的形式，但每個(gè)客戶端是獨(dú)立的，客戶之間不共享任何資源；在C/S模式中，通過服務(wù)器可以互發(fā)電子郵件、訪問網(wǎng)站和數(shù)據(jù)庫等。P2P通信模式與C/S模式截然不同，該模式中每個(gè)主機(jī)或程序既是客戶端又是服務(wù)器且之間互相關(guān)聯(lián)，都有同等責(zé)任和地位；在對等協(xié)議下，信息在兩兩對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)客戶之間傳輸，即通過互聯(lián)點(diǎn)的信息起始于其中一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的客戶、終止于另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的客戶，兩臺主機(jī)在通信時(shí)也不必區(qū)分服務(wù)器請求方和服務(wù)提供方，只要其都運(yùn)行對等連接軟件就可以平等通信。

3.2 通信模式的應(yīng)用

目前大多數(shù)的即時(shí)通信系統(tǒng)都能夠進(jìn)行文件和文字傳輸，有的還支持語音傳輸、視頻會(huì)議等，一般同時(shí)采用C/S和P2P兩種工作模式。文本信息通過服務(wù)器進(jìn)行傳遞，即使對方用戶離線也可以向其發(fā)送信息，離線信息暫時(shí)儲存在服務(wù)器上，等對方用戶上線時(shí)服務(wù)器便將離線信息轉(zhuǎn)發(fā)過去；較大文件和多媒體信息如僅通過服務(wù)器中轉(zhuǎn)會(huì)占用大量帶寬導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)塞車，所以一般通過P2P工作模式在客戶端之間直接傳輸。P2P網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的地位都是對等的，每個(gè)節(jié)點(diǎn)既充當(dāng)服務(wù)器為其他節(jié)點(diǎn)提供服務(wù)，同時(shí)也享用其他節(jié)點(diǎn)提供的服務(wù)[3]；服務(wù)器給每對用戶建立一個(gè)TCP/UDP通道，用戶之間利用這一通道直接交流，無需通過服務(wù)器。

“船陸即時(shí)通”結(jié)合C/S模式與P2P模式，客戶端與服務(wù)器之間采用C/S模式通信，包括注冊、登錄、獲取通信成員列表等，此后客戶端之間可以采用P2P模式自由交互信息。每一個(gè)客戶端的使用者都是平等的參與者，扮演服務(wù)使用者和服務(wù)提供者兩個(gè)角色，這種點(diǎn)對點(diǎn)的通信方式減少信息交流過程中的中轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)，從而提高信息流通效率。

3.3 即時(shí)通信系統(tǒng)通信協(xié)議的設(shè)計(jì)

即時(shí)通信的技術(shù)協(xié)議有很多種，其中比較重要的包括:即時(shí)通信通用結(jié)構(gòu)協(xié)議(CPIM)，即時(shí)通信和顯示服務(wù)通過這個(gè)協(xié)議完成即時(shí)信息系統(tǒng)中的協(xié)作；基于XML協(xié)議的Jabber協(xié)議，用于即時(shí)信息的傳輸與表示；基于Jabber協(xié)議的XMPP協(xié)議，用于流式傳輸即時(shí)信息、表示和請求；基于SIP協(xié)議的IMPLE協(xié)議，SIP是一種網(wǎng)際電話協(xié)議，可用于支持即時(shí)信息表示[4-5]。本文主要探討通信協(xié)議中的文字聊天協(xié)議和音視頻協(xié)議的設(shè)計(jì)。

文字聊天協(xié)議(Text Chatting Protocol Family，TCPF)主要支持客戶與客戶端節(jié)點(diǎn)之間的文字聊天和文件傳輸，TCPF建立在UDP協(xié)議之上。TCPF的結(jié)構(gòu)類型有6類，分別是：登錄請求包，是客戶端節(jié)點(diǎn)向服務(wù)器發(fā)出登錄請求的數(shù)據(jù)包；登錄應(yīng)答包，是服務(wù)器響應(yīng)客戶端節(jié)點(diǎn)登錄請求的數(shù)據(jù)包；注銷登錄包，是客戶端向服務(wù)器發(fā)出注銷登錄的數(shù)據(jù)包，但服務(wù)器對這個(gè)數(shù)據(jù)包不作應(yīng)答；即時(shí)消息包，是客戶端節(jié)點(diǎn)之間相互傳遞即時(shí)消息的數(shù)據(jù)包；文件傳輸包，是客戶端節(jié)點(diǎn)之間相互傳送文件的數(shù)據(jù)包；查詢信息包，是客戶端節(jié)點(diǎn)向服務(wù)器查詢好友信息和客戶端節(jié)點(diǎn)在線信息的數(shù)據(jù)包[3]。

網(wǎng)絡(luò)帶寬對音視頻數(shù)據(jù)的傳輸尤為重要，音視頻數(shù)據(jù)傳輸對網(wǎng)絡(luò)帶寬的要求比較高，只有選擇合適的音頻和視頻編碼算法并對之進(jìn)行優(yōu)化，才能保證軟件的實(shí)用性[5]。隨著音頻和視頻等多媒體實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流傳輸技術(shù)的迅速發(fā)展，出現(xiàn)更加優(yōu)化的新協(xié)議，主要有實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議RTP/RTCP、資源預(yù)留協(xié)議RRP、實(shí)時(shí)流化協(xié)議RTSP、IPv6協(xié)議等，這些協(xié)議之間互相配合，完成數(shù)據(jù)傳輸[3]。H.323協(xié)議基于RTP協(xié)議之上建立，是一套在分組網(wǎng)上提供實(shí)時(shí)音頻、視頻和數(shù)據(jù)通信的標(biāo)準(zhǔn)，是國際電信聯(lián)盟遠(yuǎn)程通信標(biāo)準(zhǔn)化組織(ITU-T)制定的在各種網(wǎng)絡(luò)上提供多媒體通信的系列協(xié)議H.32x的一部分[6]，現(xiàn)階段普遍認(rèn)為H.323協(xié)議是目前在分組網(wǎng)上支持音頻、視頻和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)最成熟的協(xié)議。H.323協(xié)議的功能有視頻編碼(完成對視頻碼流的冗余壓縮編碼)、音頻編碼(完成語音信號編碼)、控制單元(提供端與端之間的信令，保證H.323 終端正常通信)和H.225層(將視頻、音頻、控制等數(shù)據(jù)格式化并發(fā)送，同時(shí)從網(wǎng)絡(luò)接收數(shù)據(jù))。

3.4 網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)的應(yīng)用

海洋科考船一般在深遠(yuǎn)海作業(yè)，由于受地理環(huán)境所限，海上不可能像陸上那樣建設(shè)通信基站從而提供寬帶上網(wǎng)和蜂窩移動(dòng)通信服務(wù)。由于“船陸即時(shí)通”需要借助網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行即時(shí)通信，這就要求利用衛(wèi)星進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，VSAT衛(wèi)星通信技術(shù)可以很好地為該系統(tǒng)服務(wù)。和其他海上衛(wèi)星通信技術(shù)相比(如最普及的Inmarsat系統(tǒng))，VSAT系統(tǒng)覆蓋面大、傳輸距離廣、成本較低，便于與岸站進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)點(diǎn)到點(diǎn)、點(diǎn)到面通信，且其Ku頻段波段比銥星系統(tǒng)、蘇亞拉系統(tǒng)工作L頻段寬[7]。VSAT系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸方便，音頻和視頻都可以進(jìn)行編碼壓縮，實(shí)現(xiàn)TCP/IP傳輸；音頻和視頻信號首先被轉(zhuǎn)化為IP信號，通過VSAT設(shè)備傳輸?shù)叫l(wèi)星中央站，從而形成船舶與陸地之間的通信鏈路。另外，衛(wèi)星通信帶寬可按需分配，帶寬較之前的海事衛(wèi)星大很多，最多可達(dá)幾十兆，大大提升數(shù)據(jù)傳輸能力[8]，方便船舶之間和船陸之間任意的數(shù)據(jù)傳輸，也使應(yīng)用依靠網(wǎng)絡(luò)傳輸信息的即時(shí)通信軟件變?yōu)榭赡埽蔀槲覀冊O(shè)想的“船陸即時(shí)通”在海上廣泛使用提供可靠保障。

4 船陸之間即時(shí)通信系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢

利用“船陸即時(shí)通”可以進(jìn)行科考遠(yuǎn)程技術(shù)指導(dǎo)、音視頻傳輸、船岸醫(yī)療協(xié)作、船舶設(shè)備遠(yuǎn)程維護(hù)、人員聯(lián)系交流等。同樣是即時(shí)通信系統(tǒng)，“船陸即時(shí)通”與目前普遍使用的微信和QQ等軟件相比具有自己的特點(diǎn)和優(yōu)勢。

(1)由于地理環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)制約，系統(tǒng)摒棄一些冗長復(fù)雜的功能，僅保留最經(jīng)濟(jì)實(shí)用的項(xiàng)目，以最精簡的模式運(yùn)行，目的是減少運(yùn)行內(nèi)存占用量、提高運(yùn)行速度，使信息傳遞更加高效、流暢。

(2)船舶航行時(shí)海圖和位置信息尤其重要，而傳統(tǒng)紙質(zhì)海圖或有些電子海圖不具備實(shí)時(shí)更新的能力，無法隨時(shí)獲取最新航路信息，系統(tǒng)綁定的地圖軟件具有實(shí)時(shí)定位功能，可以隨時(shí)報(bào)告航線情況，提高航運(yùn)效率。

(3)系統(tǒng)內(nèi)置SOS快捷鍵項(xiàng)，專為海上科考作業(yè)船舶設(shè)計(jì)，在遇到險(xiǎn)情時(shí)使用系統(tǒng)界面中的SOS鍵迅速將位置信息發(fā)出，第一時(shí)間求助于陸地或附近作業(yè)船舶，為緊急救援贏得時(shí)間。

5 小結(jié)

本項(xiàng)目擬開發(fā)的即時(shí)通信系統(tǒng)以當(dāng)今社會(huì)使用頻度最高、最普及的聯(lián)系工具——手機(jī)為載體，是應(yīng)用于海洋領(lǐng)域的即時(shí)通信技術(shù)，目的是改變海上通信不暢、效率較低的現(xiàn)狀。該系統(tǒng)具有通信成本低、信息傳輸流暢、直觀性強(qiáng)、即時(shí)傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，并獨(dú)有實(shí)時(shí)海圖更新及SOS搜救功能，是海陸通信技術(shù)的重要革新。鑒于這是第一代船陸即時(shí)通信系統(tǒng)，需要改進(jìn)和提升的地方還有很多，如信息傳輸安全和質(zhì)量等，但其為海陸即時(shí)通信技術(shù)發(fā)展開拓全新視野，具有廣闊的開發(fā)和應(yīng)用前景。

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The Support Capacity and Application of Real Time Technology for Oceanographic Research Vessel

LAN Liqian1，2，YIN Cong1，2，LU Xiaolei1，2

(1.North China Sea Marine Technical Support Center，State Oceanic Administration ，Qingdao 266033，China；2.Shandong Provincial Key Laboratory of Marine Ecological Environment and Disaster Prevention and Mitigation，Qingdao 266033，China)

Nowadays the Development and Application of communication technology has permeated in nearly every aspect of human society，and has had a strong impact on social development.In the oceanographic field，communication technology has undergone a momentous leap，from the primitive flag signals to the current satellite mobile communication，which has facilitated the connection between land and sea.However，sea-land real time communication technology is not perfect enough in China，which has brought much inconvenience to deep sea survey，ranging from working process delayed to economical loss and even casualty.With the drawbacks such as unstable signal，low intuition and poor real time property，it is very necessary to research and develop more advanced land-sea real time communication technology.This paper discussed the method and feasibility of real-time communication between oceanographic vessel and land，and provided reference for future development of this technology.

Real-time communication technology，Sea-land communication，Communication mode，Marine survey

2016-01-28；

2016-06-05

蘭麗茜，工程師，碩士研究生，研究方向?yàn)楹Ｑ蟾咝录夹g(shù)、海洋項(xiàng)目管理，電子信箱：happy431015@163.com

P7；U66

A

1005-9857(2016)07-0102-04