ISPS 規則下船舶人員智能安保系統研究與實踐

張俊雄，丁賢根

(1. 中船黃埔文沖船舶有限公司，廣東 廣州 510715；2. 深圳艾迪寶智能系統有限公司，廣東 深圳 518183)

ISPS 規則下船舶人員智能安保系統研究與實踐

張俊雄1，丁賢根2

(1. 中船黃埔文沖船舶有限公司，廣東 廣州 510715；2. 深圳艾迪寶智能系統有限公司，廣東 深圳 518183)

根據 ISPS 規則中船舶人員安保的條款，研究、設計并且實施了人員安保的智能管理系統，包含總體方案、BR 基站、藍牙網絡、IB-FSBA 算法、智能手環、系統可靠性和系統編碼。在藍牙網絡方面，采用微微網和散射網結合的方式組網，對于網絡中的手環，采用模糊的和人工智能的貝葉斯算法查找各個手環，采用定位算法確定各個手環的位置坐標；在可靠性和智能手環方面，設計并且采用一種新的發明專利方案。該整體解決方案最終在ST-246 海洋工程船上予以具體實施。

ISPS 規則；Bluetooth 通信；散射網；人員管理

0 引 言

ISPS[1-2]是《國際船舶和港口設施保安規則》（International Ship and Port Facility Security Code），簡稱ISPS Code 或 ISPS 規則。它是由 1974 年《國際海上人命安全公約》締約國政府會議，在 2002 年 12 月 12 日倫敦國際海事組織海上保安外交大會以第 2 號決議通過的，也是對于《1978 年國際海上人命安全公約》針對船舶、港口及港口國政府機構對于最低安全一項的修正案。它規定港口國政府、船東、船上人員以及港口/設施人員察覺安全威脅并且采取相應預防措施的責任，以防止安全事件影響從事國際貿易的船舶或港口設施。在文獻[2]中規定：“ 進入船舶通道控制方式和措施；登船人員及其物品包括行李和無人照管的行李上船的控制；限制區域的監視和監控，以確保只有經過授權的人員才能進入”。

目前，在 ISPS 中人員管理部分，國內尚未發現有廠商研發生產，國際以挪威某公司為代表的“ISPS Gangway Control System”在國內海工船上較為流行。“海洋石油 289”和“海洋石油 291”上安裝的系統，只是簡單地采用 RFID 卡對在船人員進行管理，功能包含 RFID 卡定義、人員信息關聯、人員上下船登記、船員宿舍門禁。

這種基于 RFID 人員考勤系統是屬于 20 世紀 90 年代的 IT 技術產物，在信息技術發展日新月異的今天，已經跟不上形勢發展的需求。具體原因有以下幾個方面：

1）不支持全船甲板無線覆蓋、不支持船上人員定位；2）不支持區域人員管理；3）不支持人員動態調度、不支持雙向通信；4）不支持實時云網絡模式；5）全船停電時不可用；6）售后服務是效率低下的洲際服務，與國內的快速響應需求不吻合。

因此，研發一種填補國內空白的、創新的、能夠解決上述問題的 ISPS 系統非常有必要。本文以 ST-246飽和潛水支持船為例，研究并設計實施 ISPS 規格下的船舶人智能安保系統。

1 ISPS 總體設計

圖1 是本系統在船舶上的網絡結構圖，它由 BR基站、ISPS 手環、網絡和軟件構成。

BR 基站是分布于船舶相關甲板上及警戒區域的雙模式無線通信基站，用以解決最基本的在船人員的查找和定位功能，從而帶來符合 ISPS 船舶人員安保管理的各項要求的功能。各個 BR 基站有各自的通信范圍，完成蜂窩通信，并且與船舶數據中心機房構成覆蓋全船甲板的無線通信網絡。

在船人員均戴有 ISPS 智能手環，該手環與BR基站通信，完成查找、身份識別、無線定位、上下船記錄、信息收發、動態管理等功能，ISPS 智能手環與BR 基站之間完成雙向通信。

在圖 1 中，基站BR1，BR2，BR3是分布在各個甲板上的出入口，例如舷梯、救生艇、救生筏、直升機平臺等位置。基站 BR4是船舶警戒區域的艙室，在警戒區域中，根據 ISPS 安保管理的要求，不允許進入的人員一旦闖入，將立即報警。在 BR4中，RFID 部分用于控制門禁，Bluetooth 用于識別進入的人員是否允許進入該區域。

依據 ST-246 飽和潛水支持船的實際狀況，我們設計的個基站的位置如表 1 所描述，全船有左右 2 個舷梯，左右 2 個救生艇，左右 2 個救生筏和直升機平臺，此外，還有數據中心機房、駕駛室和集中室。

2 BR 基站設計

2.1 藍牙網絡設計

圖2 是 BR 基站的硬件結構圖，它由 Bluetooth LE，IB-FSBA T，RDIF/NFC，MCU System，Power 等構成，藍牙網絡是由 BE 藍牙基站組網而成。

該設計能夠支持 IB-FSBA 模糊智能算法，支持“多對多”通信，理論通信距離超過 300 m。

標準的 Bluetooth 的通信方式，主設備和從設備之間通信通常僅支持“一對一”模式，最多也就是一對七[4,9]，并且通信距離較短，通常在 10 m 左右，例如手機和藍牙耳機之間的一一對應，無法做到“多對多”通信。本系統采用一種 IB-FSBA 模糊智能算法是一種發明專利技術，它不僅能夠實現“多對多”通信，通信距離即便在船舶的鋼鐵世界中，也能夠達到 50 m，更能夠實現 ISPS 手環在船舶上的查找和定位。

藍牙技術的組網包含微微網和散射網[3-4]，如圖 3所示。

微微網是藍牙最基本的組網模式，它由主節點和從節點組成，主從節點設備采用調頻通信，并且每個微微網都有著自己獨立的調頻序列和狀態。雖然同一個微微網中，可以有 256 個設備，但是只能有1個主節點設備和 7 個活躍的從節點設備，其他的從節點設備只能處于與主節點設備保持同步，但是只能是處于休眠狀態的從節點設備。1個主節點設備智能工作在1個微微網中，但是1個從節點設備就可以就可以憑借“分時復用”機制，連接到多個微微網中。

散射網也稱為微微互聯網，是多個微微網的聯網模式，1個微微網中的主節點設備可以在另外1個微微網中充當從節點設備，如圖 3 中的M1，一個微微網中的從節點設備可以同時存在于多個無線覆蓋的微微網中。微微網之間可以通過M/S模式和S/S模式橋接連通，如圖 3 中的M1，在微微網P1中，它是主節點設備，但是在微微網P2中，它設置成為從節點設備。

2.2 IB-FSBA 模糊智能算法設計

本系統設計的 IB-FSBA 模糊智能算法（IdeaBank Fuzzy Super Bluetooth Algorithm）能夠查找船舶甲板上的 ISPS 手環以及它們的位置坐標，它分為 IB-FSBA 模糊查找部分和 IB-FSBA 定位部分。

圖4 是 IB-FSBA 模糊智能算法中模糊查找部分的設計示意圖。

圖4 中BR1，BR2是船舶甲板上的 2 個 BR基站（BR基站個數為M，編號標記為m），虛線分別是這2 個BR基站的共同無線覆蓋區域，R1～R10是分布在甲板上的在船人員的 ISPS 手環編號（全船手環個數為N，編號標記為n），每個 BR 基站中包含一個 Bluetooth LE，它具備對于 ISPS 手環中 Bluetooth 發射信號具有測量其強度的功能。基站BRm對于其無線覆蓋區域中的手環Rn都測出各自的型號強度V（m，n），對于這些型號強度，做線性處理，處理成 0～1 的值，以此作為模糊隸屬度[6,7]μ（m，n）。此外，再根據V（m，n），求出基站到手環的距離γ（m，n）。

設U為全體手環R（總數為N）在全體BR基站（總數為M）中所測量到的信號強度μ（m，n）構成的集合，A為某個BRm基站對于全體手環R所測量到的信號強度μ（m，n），此外，將系統所包含的，但是該BRm基站測量不到的 ISPS 手環信號強度置 0，則由下列公式：

所確定的集合A為U上的模糊集合[5-6]，其中：μ（m，n）A為模糊集合A的隸屬度函數；μx（m，n）A（u）為元素u對于A的隸屬度。論域U記錄為：

以 ISPS 手環R的個數為M，并且以μ（m，n）→V（m，n）大為優化目標條件，采用電壓V（m，n）優先的人工智能貝葉斯算法[7-8]進行遍歷、回歸、優化和迭代，最終求解出最優結果的置信水平λ及其λ截集：

對于Aλ中的全部元素，在U中置對應地全部置1，其余全部置 0，得集合Fλ。

取出Fλ中數據為 1 的單元坐標（m，n）所對應的 ISPS 手環的 ID 號，以完成全部 ISPS 手環的查詢和定位，其中全部BR基站均查找不到（也就是列坐標均為 0 的 ISPS 手環）的 ISPS 手環確定為不在船舶甲板區域的 ISPS 手環。

圖5 為 IB-FSBA 模糊智能算法中 IB-FSBA 定位部分的設計示意圖。

圖5 中BRa，BRb是分布在船舶甲板上的BR基站，Rc是船舶上人員的 ISPS 手環，其（x，y）坐標均為船舶基準坐標。

根據式（2）計算出 ISPS 手環與BR基站的距離矩陣Γ如下：

根據BR基站安裝后的坐標信息，整理出各個BR基站的坐標矩陣Ω如下：

對于上述矩陣，對每個列從大到小排序，取出排列在前2位的數據，依據圖 4 中的三角形原理，已知三角形的 3 個邊長和 2 個基站坐標（例如BRa、BRb、Rc三角形），設計矩陣函數f3，求解出每個 ISPS 手環的（x，y）坐標值R，從而實現 ISPS 手環定位。

其中n為手環的 ID 號，對應于人員編號；x，y為其坐標。

3 ISPS 手環設計

ISPS 是集成 Bluetooth，RFID/NFC 和無線充電于一體的一種可穿戴設備，支持 IP67 防護。

圖6 為 ISPS 手環原理圖，具體包含 Bluetooth LE模塊、Fuzzy AI T 模塊、RFID 模塊、Sensor 模塊、顯示模塊和 Qi 無線充電接收和充電電池模塊。其中，Bluetooth LE 模塊是支持 BLE4.0 以上協議的 SoC 系統；Fuzzy AI T 模塊是配合 IB-FSBA 設計的協議軟件模塊，以支持本系統的 IB-FSBA 算法實施；RFID 模塊是一個獨立的無源近距無線傳感模塊，頻率標準是13.56 MHz；Sensor 模塊中包含 6 軸傳感器、心率傳感器，還可以加裝其他傳感器；顯示模塊是一個用于顯示 ISPS 手環及系統信息的 OLED 顯示器模塊；Qi 無線充電接收和充電電池模塊是為了解決 ISPS 手環電源問題設計的。

圖7 為 ISPS 手環的 PCB 設計圖[9]，它將整個手環用一個 PCB 來完成解決，其中，為了進行無線充電、RFID 傳輸和藍牙的無線電隔離，采用了一種發明專利申請的 PCB 設計，其最大創新點在于將磁隔離片[5]夾在 PCB 中。如圖 7 中所示，左邊是無線充電的天線線圈所在的一邊，由于無線充電是一種頻率在 100 KHz左右的強交變磁場，如果對其不予隔離，它將極大地破壞 ISPS 手環的 EMI/EMC 指標[5]，造成手環失靈及系統崩潰。于是，在充電天線線圈和 PCB 信號層之間，夾入了磁隔離層，并且把 PCB 的接地層緊靠在磁隔離層之間，用磁隔離層隔離強交變磁場，用接地層隔離交變電場，以此解決無線充電的強電磁干擾問題，提高手環的 EMI/EMC 性能。此外，在圖 7 的右邊，是RFID 的天線線圈所在的邊，由于 RFID 的工作實際上也是一個強電磁場互感過程，在這里，在最右邊，是RFID 天線線圈的銅層，它的左邊用磁隔離層進行隔離，以避免信號銅層受到 RFID 的強電磁場干擾。最后，在電路焊接完成之后，在電子元件的表面，再涂上電絕緣的磁隔離膠，以進一步改善手環的 EMI/EMC性能[5]。

4 可靠性設計

可靠性是本系統的設計重點，主要考慮如下幾個方面：

1）在系統電源可靠性方面，當船舶發生不可挽救的災難時，可能全船發生停電，在本系統中，對于數據中心機房，采用的是大功率長延時的 UPS 供電，全部信息點均采用該 UPS 統一供電。

2）在系統信號傳輸可靠性方面，在網絡傳輸線路上，數據中心機房與各個信息點之全部采用高抗干擾的室外鎧裝光纖線路。

3）在手環可靠性方面，首先是采用無線充電的聚合物電池或者石墨烯電池供電，電池可支撐手環工作一周以上的時間。其次，盡管大多數 Bluetooth LE 芯片都支持 NFC，即 13.56 MHz 頻率的近場無線傳感，但是本系統還是采用獨立的無源 RFID 而非采用有源的 NFC 來完成近場無線傳感，以免萬一手環電池耗盡時無法完成近場無線傳感。

4）在 IP 防護方面，本系統中的室外設備，如 BR基站和 ISPS 手環，全部采用 IP67 防護。

5）在冗余設計方面，主要是指數據庫的冗余。這里采用船舶數據庫與船舶岸基總部數據庫同步備份的方式解決，即便船舶數據中心機房設備被毀，其損毀之前的數據庫內容，在船舶岸基總部的數據庫中均由實時的備份。

6）在安全加密方面，船舶內部通信是針對每個ISPS 手環所擁有的 ID 號加密，系統采用 AES 或 MD5加解密。

5 ISPS 系統編碼設計

ISPS 系統編碼設計是本系統標準化的一個重要組成部分。如圖 8 所示。

系統的編碼用于標識船舶人員、物資和設備的編碼。可以借用中船總的標準化 9 位物資代碼，這里簡便起見，設計由 6 個字節 10 進制數構成，其中從高位到地位，第 6，5 位為系統的大類編碼，描述系統的大類信息，第 4 位為系統的小類編碼，第 3，2，1 位為流水編號。在人員編碼中，例如 111001 為船長的人員編號。

記錄 1 編碼包含手環 ID、人員編碼、人員固有屬性內容。這是一種靜態內容，每個在船人員都有 1 條這樣的編碼。

記錄 2 編碼包含手環 ID、上下船動作、上下船發生時間、閘口編碼、原因編碼。這是一種動態的記錄，每個人每上下船 1 次，或者到達某個區域 1 次，都會產生 1 條記錄。

記錄 1 和記錄 2 之間，通過手環 ID 號關聯，記錄1 和編碼之間，通過人員編碼關聯。

6 結 語

通過上述設計，ISPS 系統達到了以下設計要求：

1）支持全船甲板無線電覆蓋、支持船上人員定位；2）支持區域人員管理；3）支持人員動態調度、支持雙向通信；4）支持實時云網絡模式；5）全船停電時可用；6）售后服務是國內的快速模式。

當然，由于本系統是首次設計，還有一些后續完善工作，例如加入“北斗”衛星導航和救援功能，進一步降低成本，完善系統的軟硬件功能和性能等。

[ 1 ]船舶保安體系認證規范. 中國船級社. 2014版.

[ 2 ]國際船舶和港口設施保安規則. 百度文庫.

[ 3 ]李振榮. 基于藍牙的無線通信芯片關鍵技術研究[D]. 西安:西安電子科技大學, 1010.

[ 4 ]丁賢根. 帶磁隔離和電隔離及天線的抗 EMI 線路板, 發明專利申請號 201611003437.6 中國知識產權局.

[ 5 ]何新貴. 模糊數據庫系統[D]. 北京: 清華大學出版社, 1994.

[ 6 ]陽愛民. 模糊分類模型的研究[D]. 上海: 復旦大學, 2005.

[ 7 ]張超. 藍牙個域網改型及芯片化實現技術研究[D]. 西安: 西安電子科技大學, 2011.

[ 8 ]藍牙 BLE 權威教程http://wenku.baidu.com/view/447271 aeba0d4a7302763af3.html.

[ 9 ]汪金菊. 貝葉斯模型及其在混沌序列分析中的應用研究[D].合肥: 合肥工業大學, 2008.

[10]丁賢根. 基于 CMS 文件分組保密管理系統的實現方法. 發明專利申請號 2016100225512.7 中國知識產權局.

[11]華海亮. 基于 WiFi 和藍牙的室內定位技術研究[D]. 錦州: 遼寧工業大學, 2016.

[12]丁賢根. CMS 面向對象的人工智能信息保密系統 發明專利申請號 201610315591.0 中國知識產權局.

[13]丁賢根. 基于 CMS 技術的即時通信保密系統的實現方法.發明專利申請號 201610037365.0 中國知識產權局.

The study and practice of an intelligent management system for personnel security under ISPS Code

ZHANG Jun-xiong1, DING Xian-gen2
(1. CSSC Huangpu Wenchong Shipbuilding Company Limited, Guangzhou 510715, China; 2. Shenzhen Ideabank Intelligent System Co., Ltd, Shengzhen 518183, China)

Following the provisions of ISPS Code, we studied, designed and implemented a novel intelligent management system for personnel security, which includes the general guideline, BR base station, Bluetooth network, IB-FSBA algorithm, intelligent wristband, reliability system and systematic coding scheme. For the Bluetooth network, we used a combination of Piconet and Scatternet. For the wristbands, we located them based on fuzzy set and artificial intelligent Bayesian algorithm and then determined their coordinates based on a positioning algorithm. For the reliability system and wristband, we designed and adopted a new invention patent. The complete system was implemented on the ST-246 Offshore Engineering Ship.

ISPS code；bluetooth；scatemet；personnel management

U665.261；TN967.2

A

1672 - 7619(2017)04 - 0144 - 05

10.3404/j.issn.1672 - 7619.2017.04.029

2016 - 12 - 12

張俊雄(1964 - )，男，高級工程師，研究方向為船舶制造。