北斗系統在航運安全管理中的應用研究

邢天任 朱偉

摘 要：在航運安全管理中，需要綜合考慮氣象、水文、船舶、航標等復雜因素對航運安全的影響，而要掌握這些信息的最佳方案就是采用航運安全管理系統。考慮到傳統航運監控系統誤差大、有盲區等缺點。本文將我國自主研發的北斗衛星定位系統應用到航運安全管理工作中，設計了一套基于北斗系統的航運安全管理系統，實現了對航道海域的高精度、全天候、自動化監測和安全分析。希望本文的研究能為我國航運信息化管理模式的構建提供有益的借鑒。

關鍵詞：北斗系統 航運 安全管理

1.前言

目前國際上各大港口一般都配備了較先進的GPS航運安全管理系統，但由于我國不具有GPS的知識產權，這對我國航運事業的長遠發展是十分不利的。因此，通過本國自主研發的衛星定位系統來設計一套適合國情的航運安全管理系統，成為許多發展中國家亟待解決的問題。我國擁有自主知識產權的北斗衛星導航系統為我國航運安全管理提供了新的思路。

2.航運安全管理現狀分析

航標的狀態、航道的水文和氣象條件、船舶的通行流量等因素是航運安全管理和決策的重要依據，但這些參數往往是動態的，傳統的依靠人工測量的管理模式已無法滿足當前的航運管理需求，這給航運安全埋下了重大隱患。當前我國的航標監測系統正處于初期應用階段，航運安全管理系統尚未成熟，尚存在許多技術瓶頸。雖然采用美國的GPS系統可以在一定程度上緩解我國的需求，但從國家安全考慮也非長久之計。隨著我國自主研發的北斗衛星定位系統逐步成型，基于北斗系統的航運安全管理系統開始受到人們的廣泛關注。

3.基于北斗系統的航運安全管理系統

3.1系統總體結構與功能

本文設計的航運安全管理系統以北斗系統為技術核心，可以實現對航標、航道、船舶、環境等各方面的綜合管理，通過該系統，航運管理部門可以隨時進行信息查詢、狀態監控、航標遙控、航線跟蹤等功能。系統主要由數據采集、數據處理與存儲、無線通訊、用戶終端等模塊組成，是一個融合了多種技術的航運安全綜合性管理平臺。

（1）數據采集

數據采集由采集客戶端完成，可以采集與航道安全相關的所有重要參數，包括溫濕度、能見度、風速風向等氣象參數，流速、流向、水質等水文水質參數，船舶流量、航標位置等交通參數。這些參數將統一發送至數據服務器進行處理與存儲。

（2）數據處理

數據的處理與存儲由數據中心統一完成，由于匯集了所有關鍵參數，能否有效利用這些數據來為航道管理服務就成為了整套系統的關鍵，因此數據處理中心是航道安全管理系統的核心組成部分。數據處理中心首先可以完成數據的解析和存儲，其次可以通過存儲的大數據建立航道安全預測模型，再次可以將實時數據和安全分析結果實時推送給管理部門，最后還能通過接收值班人員的控制指令實現對航道現場設備的實時控制。

（3）無線通訊

無線通訊功能由北斗衛星導航系統共同完成，負責現場傳感器與遠程數據中心之間的數據傳輸，是整套系統的核心功能。由于海域的特殊性，現場不可能采用傳統的有線通信模式，因此采用無線通訊模式。基于北斗系統的無線通訊方案，避免了傳統GSM通信對基站的苛刻要求，簡單高效。

（4）人機交互

用戶終端主要負責完成用戶與管理系統之間的人機交互，一方面將實時數據和分析結果回傳給用戶，另一方面將用戶的控制指令發送至現場傳感器實現設備控制。

3.2系統硬件設計

（1）氣象與海況數據采集模塊

該模塊主要由大量的傳感器和模擬采集設備組成，不同的數據采用不同的傳感器，氣象數據采集選用溫濕度計、風速風向儀、能見度儀等設備，海域參數采用水位計、流速計、位移計等設備，航標狀態參數則由GPS終端來采集。以上采集參數均為模塊信號，經過模數轉換后成為數字信號，并作為基礎數據發送到北斗通訊模塊中。

（2）北斗通訊定位模塊

北斗通訊定位模塊是實現遠程監控的關鍵模塊，集成了包括RDSS芯片、復位電路、GNSS芯片、時鐘電路以及存儲器等一系列電路單元。為了實現雙向通信，模塊采用了GNSS定位芯片與RDSS通信芯片相結合的設計。考慮到現場設備眾多，模塊的處理器核心選用了STC12C5A60S2單片機，不但可以滿足數據的快速處理要求，同時還具有多功能、低功耗、抗干擾等優點。北斗RDSS采用了GYM2003B芯片，以滿足基帶與射頻的設計。GNSS定位芯片則采用了我國自主研發的UM220芯片，該芯片同時支持雙定位和差分定位功能，滿足本系統的設計要求。

（3）電源模塊

用于數據采集設備輸出數據的RS485串口模塊，用于串行數據入網的串口服務器模塊，主控單元STC12C5A60S2單片機以及北斗定位通訊模塊都需要相應電壓的電源供電，考慮到航標等設備長期漂浮于海上，采用了太陽能供電系統作為總電源，經過分壓后為各模塊供電。

3.3系統軟件設計

（1）通訊報文設計

為了使現場設備與數據中心高效地進行通信，需要設計一套合理的通訊報文格式，所有數據將統一按該報文格式進行打包，然后由北斗通訊模塊發送出去。本系統的報文格式設計如圖1所示。

①數據包頭為“$$”，標志著一條完整報文的開始，通信軟件檢測到該字符組合時開始讀取報文信息。

②“報文長度”是一條完整報文所占用的字節總數，當通信程序檢測到數據包頭后，往后讀取該長度的報文信息。

③“消息類型”表征了該報文所攜帶的數據來源于哪種傳感器，本文共規定了5類基本消息類型，即水文數據、氣象數據、定位數據、航標數據和報警數據，其中報警數據的優先級最高，其余數據類型具有同等優先級。

④“消息內容”是消息的數據主體，代表相應類型的參數，通信程序按照消息類型來對消息內容進行解析，得到不同類型的物理量。

⑤“校驗和”用于對數據包的正確性進行驗證，接收端接收到數據后首先對數據進行校驗，正確了才進入下一步的處理，否則說明數據在傳輸過程中出現錯誤，數據應作丟棄處理。

（2）北斗通信單元設計

北斗通信單元在整套系統軟件中是以一個獨立的應用功能模塊進行開發的，采用了軟件開發中最常用的面向對象的編程思想，通過java語言編程實現。程序中主要包括心跳保持、數據發送、數據接收和報文解析等功能模塊，解析后的數據將傳輸到多源融合數據倉庫作進一步分析。如圖2所示。在程序中，每個任務都是一個獨立的線程，保證了數據處理和事件響應的及時性，同時提高程序執行效率。

（3）數據采集與發送子程序

北斗通信單元的數據發送和接收是由數據采集與發送子程序來控制的，程序總體架構為前后臺程序結構，也就是說，通過外部定時器中斷的方式來采集水文、氣象和航標信息，然后由主程序對數據按規定的報文格式進行組裝和發送。在接收數據中心發來的航標配置指令時，也要先按約定格式對數據進行解析，再傳入航標控制單元中執行。數據接收與解析流程與上述邏輯相反，此處不再贅述。

4.總結與展望

航運安全管理是一項復雜的系統工程，它涉及了氣象、水文、航標、船舶等多種動態因素，因此要保障航運安全并非易事。航運安全管理系統的應用使航運安全管理工作的效率大大提高，而我國自主研發的北斗衛星定位系統在航運安全管理系統的成功應用，更是使我國航運安全管理水平有了顯著的提升，是我國航運管理信息化的重要里程碑。本文設計了一套基于北斗系統的航運安全管理系統，闡明了國產北斗系統在我國航運安全管理中的應用方案，達到了航運安全管理網絡化、自動化、數字化的要求。北斗系統作為剛投運不久的新研發系統，與美國GPS等先進系統還有較大的差距，因此基于北斗系統的航運安全管理系統也有著廣闊的發展空間。

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