南海海區航標遙測遙控系統完善與優化

桑凌志， 洪四雄

(1.中國交通通信信息中心， 北京 100011；2.交通運輸部南海航海保障中心， 廣州 510235)

航標是重要的航運基礎設施，對保障船舶航行安全、宣誓國家海域主權有著極其重要的意義。遙測遙控系統是利用航標通信實現遠距離測量、控制和監視的系統，由監控中心、數據采集終端和通信系統組成。[1]遙測遙控系統可使航標主管部門遠程、快捷地確定航標故障，發布航標信息[2]，進而提高航標工作的穩定性，提高航標管理的效率和效能，降低維護成本，為船舶航行安全提供可靠的保障。

航標遙測監控系統在美國、日本和加拿大等國均已得到成功應用，國際航標協會(The International Association of Marine Aids to Navigation and Lighthouse Authorities, IALA)曾就數據標準和通信鏈路推薦過技術討論意見。[3]我國的航標遙測監控系統開發建設在20世紀90年代中期得到了快速發展，經過前期探索和全面應用之后，2010年交通運輸行業標準《航標遙測遙控系統技術規范》[1]對該系統的組成、功能、技術要求、試驗方法和檢驗規則作出了規定，航標遙測遙控開始規范化發展，系統品質得到進一步提升。

在航標遙測遙控系統的功能、組成和技術實現等規范化建設方面，很多學者對數據采集、數據控制、數據傳輸和數據處理等方面進行深入分析，并在上海[4]、煙臺[5]、大連[6]、長江航道[7]和黑龍江[8]等水域進行系統開發與應用。例如：李國祥等[9]結合長江航道數字化建設情況，提出系統應實現基礎數據庫互通，進行標準化建設；陳宏等[10]、高巖松等[11]和李子富等[12]認為需豐富系統功能，通過數據統計與分析，面向需求輸出相關結果，為實際工作提供支持；劉均輝[13]根據廈門的情況，將無線視頻引入遙測遙控系統；宋成果等[14]等設計集成溢油、水文和氣象傳感器的多功能航標系統，以提高船舶的安全性。對于航標終端本身的可靠性和終端多核系統軟件的遠程升級也有學者[15-16]進行了研究。例如：文獻[17]和文獻[18]針對終端定位精度、浮標位置漂移和撞擊分析等關鍵問題開展研究，取得了相應成果。在經歷建設期之后，航標遙測遙控系統建設在2010年得到規范，但各水域系統因通信和數據等標準不同,體現出的問題逐步顯現，系統發展進入瓶頸，亟需面向業務進一步完善和優化。

南中國海是我國與世界各地聯系的重要海上通道，在政治、軍事安全和經濟發展等領域具有極其重要的戰略價值。有效監測南海海域航標的運行狀態，面向業務需求開發南海海域航標遙測遙控系統，可有效保障南海海域船舶的安全航行，更好地服務國家南海戰略，促進中國和東盟的發展，助力交通強國建設，踐行“一帶一路”倡議。本文面向南海海域區航標遙測遙控系統，對數據準確、終端在線、監測預警、資產管理和系統平臺等5個方面的問題進行分析，完善系統功能，經完善優化的系統已經在南海海域全面使用并發揮重要作用。

1 南海海域航標遙測遙控系統存在問題

1.1 航標運行環境

將南海海域的航標運行環境分為工作環境、電器環境和無線電通信環境，對航標正常工作的適應性需求進行分析。

1.1.1工作環境

由于南海海域緯度相對較低，航標燈器的工作溫度較高，夏天甚至可達70 ℃；同時，由于燈器工作環境的相對濕度較高，燈器內的相對濕度過大，燈器會出現短路等故障；陽光的光照強弱決定著燈器在夜晚自動開啟光照工作，在白天自動關閉光照工作。因此，需準確監測環境溫度、燈器內相對濕度和光照強度等外部工作環境信息。

1.1.2電器環境

為保證燈器正常工作，需要太陽能板、蓄電池和發光控制模塊等設備的支持。因此，航標燈器在電器環境方面，需實現對燈器工作電壓、電流，太陽能充電電壓、電流，蓄電池放點電壓、電流等參數的有效監測，以幫助判斷燈器、蓄電池和太陽能板等設備的工作狀態。

1.1.3無線電通信環境

南海海域航標的布設水域可分為港區水域、近岸偏遠水域、遠海島礁水域等3種典型水域。絕大部分航標分布在港區水域，公共網絡覆蓋較好，但信號不穩定的趨勢日益突顯；部分航標布設在離城區和港區偏遠的近岸水域，這類水域的電信基礎投入不足，基礎公共網絡覆蓋效果較差。我國近年在南海海域的遠海島礁水域建設了必要的燈塔等基礎性航海保障設施，但其沒有基礎公共網絡條件。因此，需通過航標遙測遙控系統建設，解決全水域航標的實時監測問題；需對必要的監測數據進行準確、實時的監測，實現準確預警，保證航標能正常發揮其助導航功能，進而保障航行安全。

1.2 系統主要問題

現階段南海海域的航標遙測遙控系統使用廣泛，各管理部門都建立有應用系統，但對業務的支撐能力嚴重不足，主要存在以下5個問題。[19-20]

1) 數據準確方面，終端的傳輸數據欠缺有效規范，數據的準確性得不到保證，導致航標遙測數據難以被進一步準確利用。

2) 終端在線方面，部分航標所在水域無基礎公共網絡覆蓋，缺乏有效的無線電通信方式，覆蓋范圍有限。為保證時效，終端往往選擇與服務器的長連接通信，但通信數據較少，通信基站會關閉這些閑置連接以優化網絡，進而導致終端掉線。終端會頻繁擠占連接，形成掉線的惡劣循環。

3) 監測預警方面，現階段的報警信息是終端通過自主判斷得到的，但終端的計算能力嚴重不足，報警有效性低，導致基層人員難以有效使用系統。

4) 資產管理方面，由于缺少有效的管理方式，維護人員無法準確記錄航標與終端、終端與SIM(Subscriber Identity Module)卡之間的關系，不清楚航標、終端和SIM卡的具體使用情況。同時，為保證通信，大量混亂的SIM卡持續繳費，嚴重浪費資源。

5) 系統平臺方面，南海海域開發了統一的遙測遙控系統，但系統功能單一，且終端接入數量不足；部分終端廠家提供的系統仍在使用，數據無法互聯互通，信息孤島嚴重；廠家提供的系統平臺是終端硬件產品的免費配套，系統簡單，無法滿足工作需要。因此，系統平臺使用效率極低。

2 系統完善與優化

2.1 系統功能完善

2.1.1海圖平臺功能完善

(1) 海圖平臺展示。在基礎電子海圖平臺上對各類物標進行直觀展示，包括航標展示、管理機構展示、船舶自動識別系統(Automatic Identification System,AIS)和差分定位系統(Differential Global Positioning System,DGPS)等各類基站的展示。

(2) 海圖標繪。需在海圖上對各類航標、管理機構和基站進行自定義的標繪。

2.1.2航標運行監測功能完善

(1) 航標、終端和通信號碼綁定。針對使用中的航標遙測遙控終端，需實現航標編號、終端編號和通信號碼三者之間的兩兩自動綁定，準確記錄航標、終端和通信號碼的具體使用情況。

(2) 航標運行狀態數據顯示。系統能讀取航標終端上報的最新航標遙測數據，并能通過數字、圖形等形式展示。

(3) 遙測遙控指令發送和記錄查詢。平臺發送相應遙測或遙控指令，終端及時應答并上報相應數據，指令發送和接收記錄可顯示并查詢。

(4) 后臺監測門限設置。設置相應的報警門限，包括航標后臺監測門限和系統后臺監測門限兩部分。

(5) 故障展示與處理。按轄區顯示記錄存在的航標故障情況，通過數字記錄航標未處理故障數量;提供故障處理通道，便于現場維護。

(6) 歷史數據查詢。按時間、類別等查詢系統各類數據的歷史信息。

(7) 航標報表。利用航標狀態的歷史數據生成轄區內航標的24 h報表。

(8) 航標碰撞追蹤。根據航標碰撞報警時間，利用AIS數據搜索途經船舶，協助鎖定肇事船舶。

(9) 廠商準入管理。只有經過測試予以準入的航標廠商燈器才能接入平臺并顯示。

2.1.3業務統計報表功能完善

(1) 航標運行歷史狀態。根據時間段查詢航標電流、電壓等數據，通過圖表顯示航標的運行狀態。

(2) 遙測遙控終端統計。對航標遙測遙控終端的生產廠家、類型和通信方式等進行統計，生成相應的統計數據表和對比表。

(3) 航標運行故障統計。既可按照不同的故障名稱進行統計并生成報表，也可按航標故障種類、等級和區域等屬性進行熱力圖顯示，幫助分析險情規律。

(4) 航標故障處置統計。根據不同的故障類型對不同部門的故障處理信息進行統計并生成報表，形成故障分析報告。

2.2 前端通信方案優化

優化設計南海海域航標遙測遙控系統與終端的通信方案，滿足系統在數據準確、終端在線方面的需求。

2.2.1通信信道

在原通用分組無線服務技術(General Packet Radio Service,GPRS)的基礎上，增加各類適用的移動公共網絡(如GPRS、CDMA、3G和4G等)和移動衛星網絡，以及AIS、北斗衛星無線電定位系統(Radio Determination Satelite System, RDSS)等專用網絡，實際使用時需根據各網絡的應用特點選擇相應的終端，保證遙測遙控系統對航標監測的全面覆蓋。

2.2.2標-岸交互方式

原方案的交互方式包括終端主動上報、服務器指令下發兩種，交互簡單，不能滿足實際需求。新方案將服務器與終端之間的交互模式重新分為服務器查詢終端運行狀態信息、服務器設置終端運行狀態信息、終端主動上報運行狀態報警信息和終端上傳狀態參數數據等4類。由于狀態參數又進行4個分級處理，終端上傳狀態參數數據有4個分級，因此實際交互方式有7種。

2.2.3數據分類分級

新方案將交互數據分為基礎報文信息、工作狀態信息、燈器設備信息、能源設備信息、雷達應答器信息、終端報警信息和工作參數信息等7類。基礎報文信息包括報文交互模式、終端信息、數據采集時間和報文屬性等。其他6類信息按回傳頻次需求，從高到低分為4個級別，其中：第一級狀態參數是需要頻繁上報的數據；第四級狀態參數是靜態信息，僅根據遙測指令回傳。

2.2.4報文長度控制

新方案在數據分類分級的基礎上對報文進行積木式處理，最大程度地精簡報文。保證在任何通信方式下，一級狀態參數的數據都能用一條報文傳輸；在回傳全部一級、二級和三級非靜態參數信息時，都能用兩條連續報文傳輸。

2.2.5數據準確性

新方案在對每個數據項的單位、值域、誤差和比特數進行規定，保證數據傳輸的準確性。例如：規定經緯度單位“度”的值域為0～89，單位為(°)；“分”的值域為0～599 999，單位為1/600 000°；“電壓”的值域為0～6 500，單位為0.1 V，數據誤差為±0.1 V。解決第1.2節中的問題1。

2.2.6網絡通信連接

原方案為保證時效，選擇TCP(Transmission Control Protocol)長連接通信，實際上網絡連接上的通信數據不多，通信基站在必要時會關閉這些連接，以提高網絡利用率，終端會頻繁占用連接，以提高在線率，造成惡劣循環。新方案在采用移動公共網絡通信時，優先選擇TCP短連接，充分保障每次標—岸通信過程中，信道連接穩定有效。解決第1.2節中的問題2。

2.3 后端終端運行故障判斷方法優化

將系統后端中終端運行故障來源分為終端主動上報和系統后臺運算判斷兩類，分別解決監測預警方面的需求，即解決第1.2節中的問題3。

1) 由終端主動上報運行狀態報警信息，主要負責時效性要求高的故障，如航標碰撞和簡單邏輯判斷可得到的故障，包括燈質錯誤、白天燈亮、晚上燈滅、發電機油位不足和市電停電等。

2) 系統根據終端狀態數據，通過系統的后臺運算判斷得到故障，如航標移位、終端數據丟失、工作環境異常、各類電壓和電流異常、終端在線率低、終端老化和終端鏈路可靠度低等。

2.3.1基于力學分析的航標位移判斷

對于現階段的航標位置判斷，首先設定航標漂移距離閾值l0，然后根據終端定位芯片位置與航標設計位置的距離計算漂移距離l，最后通過比較l0與l的大小進行判斷。但是，航標漂移距離閾值l0的設定主要以經驗為主，水流速大的區域取150～200 m，水流速小的區域取50～100 m，沒有準確的取值依據。因此，需采用力學分析的方法準確估算航標的理論最大漂移距離L，將航標漂移距離閾值l0的設定控制在L以內，以更好地判斷航標的位移情況。

設浮筒重量為m浮，浮筒半徑為r浮。設有N節重量為m0的單環錨鏈，鏈頭外徑為r2，內徑為r1，連接部分長為l，其中不沉底錨鏈有n節。

單環錨鏈的浮力力F單為

(1)

浮筒浮力F浮為

(2)

將浮筒與不沉底錨鏈作為一個整體進行分析，則縱向上的浮力與重力相等,即

F浮+nF單=(m浮+n·m0)g

(3)

將式(1)和式(2)代入式(3)，可得到浮筒沉沒深度h浮為

(4)

第n節錨鏈需滿足

n=min[(F浮-m浮g)-(i-1)(m浮g-F單)]

i=1,2,…,n

(5)

(F浮-m浮g)-(i-1)(m浮g-F單)≥0，

i=1,2,…,n

(6)

利用式(6)可求得不沉底錨鏈數量n的值。

設水流速度為v，則在時間t內水流移動距離為vt。設第i節不沉底錨鏈的水平夾角為θi，浮筒受水流作用的縱向投影面積為S=2r浮·h浮，錨鏈受水流作用的縱向投影面積S0為

S0=2l·(r2-r1)·sinθi+π·2r2·2r2sinθi-

π·2r1·2r1sinθi)=2l·(r2-r1)·sinθi+

(7)

根據動量定理mv=Ft，浮筒與錨鏈所受海水推力F推浮和F推鏈分別為

(8)

(9)

分別對浮筒和第1節錨鏈進行力學分析，結果見圖1。

a) 浮筒受力分析

b) 第1節錨鏈受力分析

(10)

由式(10)可得到第1節錨鏈的水平方向夾角為

(11)

(12)

由式(11)得到第2節錨鏈的水平方向夾角θ2為

(13)

由式(13)可得第i節不沉底錨鏈的水平夾角θi為

(14)

最大漂移距離L為N-n節沉底錨鏈的總長，加上不沉底錨鏈的橫向投影距離之后，可得

(15)

設定的漂移距離閾值l0應滿足l0≤L。

在航標的設計位置P的基礎上，利用終端實時上報位置Pt，則可計算得到實際漂移距離l。通過將實際漂移距離l與設定的漂移距離閾值l0相比對，可對航標移位進行判斷。航標移位的后臺判斷流程見圖2。

2.3.2航標、終端、卡號的自動識別與綁定

利用終端上報的位置和航標的設計位置進行距離比對，實現航標與終端的自動識別和綁定；在通信方案中設計卡號不匹配報警，實現終端與卡號之間的自動識別和綁定，以滿足資產管理方面的需求，即解決第1.2節中的問題4)。

2.3.2.1 航標與終端的自動識別與綁定

終端上報位置后，根據未綁定航標設計位置得到終端與設計位置的距離，根據距離實現后臺對航標與終端的自動識別和綁定。具體流程見圖3。

2.3.2.2 終端與卡號自動識別與綁定

利用終端讀取SIM卡號的國際移動用戶識別碼(International Mobile Subscriber Identification Number, IMSI)，若與記錄不一致，則利用短消息發送卡號不匹配報警至系統短信平臺，利用短消息識別SIM卡號，實現終端與卡號自動識別和綁定。具體流程見圖4。

圖4 終端與卡號綁定流程

2.4 系統后端數據處理模塊

系統后端數據由數據接入模塊、數據分析模塊和數據決策模塊分別處理(見圖5)。

圖5 系統數據處理模塊

1) 數據接入模塊根據外部的航標靜態信息基礎數據庫和航標遙測信息獲得航標各類基礎數據。

2) 根據實際數據情況，數據分析模塊對航標終端運行情況進行分析。

3) 根據數據分析結果，結合航標上報的預警信息，數據決策模塊對各類狀態報警情況進行判斷，對外提供航標資產管理和動態維護方面的決策支持，提供航海保障服務支持。同時，數據接入模塊和數據決策模塊的數據構成航標運行狀態基礎數據庫。通過進一步優化數據處理模塊，解決第1.2節中的問題5。

南海海域航標遙測遙控系統經優化與完善后，在南海海域全面使用。優化之前南海海域內最少有6套不同的航標遙測遙控系統對約1 200座航標進行監測，使用效率低下。優化完善后，實現了利用1套系統對南海海域89.1%航標進行有效監測，全面覆蓋了中越邊境水域航標和西、南沙水域航標。

3 結束語

遙測遙控系統在船舶航行安全保障方面具有重要作用，在《航標遙測遙控系統技術規范》實施后得到了快速發展，但因通信、數據等標準不同，進入了瓶頸期。南海海域的航標遙測遙控在數據準確、終端在線、監測預警、資產管理和系統平臺方面存在一定的問題。

本文根據這些問題和需求，對南海海域航標遙測遙控系統的功能進行了分析完善。對系統與終端的通信方案進行優化設計，滿足系統在數據準確和終端在線方面的需求。利用力學分析的方法，準確估算航標的理論最大漂移距離，幫助控制航標漂移距離閾值的設定值，以更好地判斷航標的位移情況。實現航標與終端的自動識別與綁定和終端與卡號之間的自動識別與綁定，以解決資產管理方面的需求。對系統后端數據處理模塊進行優化，解決數據孤島問題，實現功能的豐富和統一。優化完善后的系統已在南海海域全面使用，建設覆蓋率達到89.1%，實現了對中越邊境水域和西、南沙水域航標的全覆蓋，為南海海區船舶航行提供了可靠的保障。