船舶運輸環境觀測與數據傳輸系統的構建

徐鴻志 山東海運股份有限公司

劉軼華 上海海事大學

鮑獻文 中國海洋大學

張建民 山東海運股份有限公司

船舶運輸環境要素主要包括海浪（風浪和涌浪）、海冰、洋流、風、氣壓、氣溫、水溫、濕度、能見度及天氣現象等。海運航線要實現智能決策，就需要對船舶運輸環境要素進行監測，采集數據并實時傳輸，構建運輸環境觀測與數據傳輸系統。

運輸環境觀測與數據傳輸系統包括運輸環境數據觀測、數據采集和傳輸等三個子系統，其構建分為三個方面：大氣和海洋觀測與數據傳輸系統研發，觀測系統實船安裝、調試、試運行和示范運行，觀測數據落地（接收）、存儲（數據庫管理）、分發（反饋）。

1.現有條件分析

目前，目標航線上運行的遠洋船舶其對運輸環境觀測能力相對較弱——觀測設備主要為分離式的早期產品，有些要素為人工觀測（或讀數）；觀測數據主要記錄在航海日志上（通常4小時一次記錄），但不能無線發送。器測自動測量的運輸環境要素有：經緯度、氣溫、風速風向、GPS速度、船舶對水的速度；目測的運輸環境要素有：海浪（風浪和涌浪）、洋流、海況、天氣現象；人工觀測的運輸環境要素有：濕度（干濕溫度表）、氣壓（空盒氣壓表）、水溫（讀數）。這些運輸環境要素基本涵蓋了系統要求的觀測要素。

圖1 系統組成示意圖

Email發送已經成為了遠洋運輸船舶主要通訊方式，每天的“船位報”均通過Email發送，具備了自動觀測數據的發送條件。

2.技術解決方案概述

首先，是將除目測項目（海況、能見度、天氣現象）外的其他觀測要素變為自動器測，即通過傳感器和模數轉換技術，實現氣溫、氣壓、濕度、風速風向、降水、GPS速度、船舶對水的速度（模數轉換）、水溫（模數轉換）的自動采集和記錄。然后，通過程序將自動采集的觀測數據與每日“船位報”合并，經Email發送回陸地。對于目測要素數據采用觸屏選擇的方式，形成數據記錄，并與自動觀測數據一并發回陸地端。

陸地端，在接收到Email后，通過程序自動將觀測數據與“船位報”分離，“船位報”仍按原有方式處置，而觀測數據則自動記入數據庫。通過數據庫管理觀測數據，并按不同用戶或單位的實際需求，通過SQL的組合實現數據庫的檢索查詢，實現不同文件格式（Excel、TXT、CSV等）的導出，或可通過網絡進行“數據分發”為不同用戶提供數據服務。

3.觀測要素和系統組成

3.1 觀測要素

觀測要素包括：水溫、氣溫、濕度、氣壓、風速風向、海浪（海況）、能見度、天氣現象等，參照原有觀測要素，包括GPS速度和船舶對水的速度，共計為10個觀測要素。其中，目測為4個要素：海況、洋流、能見度、天氣現象。其余的均可為器測，由綜合氣象傳感器觀測要素：氣溫、濕度、氣壓、風速風向、降水（可作為天氣現象的補充）。表層海水溫度可在原有溫度傳感器的基礎上，通過加裝模數轉換模塊轉變為數字信號。船舶對水的運動速度也可采用相同的方法。而GPS速度則可通過導航GPS的輸出或通過程序采集位置信息，通過計算得到對地速度。

3.2 系統組成

系統包括2大部分，一是船舶方面的軟硬件總成；二是陸地端接收Email和北斗發送的信息，并通過數據庫存儲和管理（檢索、導出、分發），參見圖1。

上圖中，左側為船端的數據/信息輸入，數據采集和控制將定時采集傳感器數據（如每小時一次），并記錄采集數據。每日，結合定時發送的船位報信息，進行發送前的編碼。編碼包括兩部分，一是通過Email發送，既將船位報信息與數據打包形成一個郵件；二是按照北斗衛星發送規則編制的短報文。然后，分別通過Email通訊鏈路和北斗通訊鏈路發送。

在陸地端，分別通過Email通訊鏈路和北斗通訊鏈路接收。北斗衛星的接收信息，通過串口直接進入服務器，由程序解析并輸入數據庫。

4.系統建設

系統建設分為2部分：一是涉及船舶方面的觀測、數據采集、數據發送等“采集發送系統”的建設內容；二是涉及陸地方面的數據接收落地、信息分解、解析存儲、檢索處理、分發共享等“陸地接收系統”的建設內容。

4.1 船舶需要加裝的器件及對船舶的要求

涉及船舶方面系統建設的基本原則是，充分利用現有的電纜線路，杜絕或最大限度地減少船舶改造工程。需要加裝的器件包括：（1）氣象傳感器；（2）數據采集、控制和顯示單元；（3）北斗收發一體機；（4）模數轉換模塊（水溫、船對水速度）；（5）無線接力傳輸模塊；（6）船舶航行GPS輸出信號隔離模塊；（7）系統供電來自船電（交流220V或直流12V，系統總功率小于50w）。

4.2 數據采集匯總和控制

主要功能包括：（1）承擔氣象傳感器、北斗一體機的直流供電；（2）通過觸摸屏選擇方式完成目測項目的人工輸入（盡量簡化操作）；（3）實時顯示觀測數據，為航海日志記錄提供信息；（4）需要與Email發送發生連接關系，以便將觀測數據記錄編碼附加到定時船位報（Email）后部一并發出，這些工作需要了解定時船位報（Email）的生成和發送過程。

4.3 數據發送和傳輸

數據發送和傳輸分別通過現有的Email通訊鏈路和北斗衛星通訊鏈路來實現。

在通過現有的Email通訊鏈路時，需要與船位報合并后發送，落地時再將觀測數據從郵件中分離出來，形成2部分內容。分離出的船位報文，將保留原格式，不改變原報文處置方式。而觀測數據則寫入數據庫，這個過程由程序自動完成。

4.4 陸地接收端建設

在陸地接收端，主要涉及到數據接收和數據共享兩個方面的問題。由于現有網絡和服務器等環境條件不明，因此需要根據陸地接收端的實際情況討論、補充和修改這部分內容。

4.5 陸地數據接收

如上所述，觀測數據接收（落地）分為兩個部分，一是接收船舶發送的Email；二是接收北斗衛星通訊數據，因此在陸地端將涉及到以下幾個方面。

（1）服務器和局域網。收到的Email后，首先經部署在服務器上的“郵件分離”程序自動處理，分成船舶報文郵件和觀測數據2部分。

（2）程序的安裝和部署。“郵件分離”程序、數據庫和數據庫管理備份軟件、數據庫檢索和數據共享程序（內部共享和外部共享）、北斗衛星數據接收入庫和指令發送程序，都需要在服務器上進行安裝和部署。

（3）北斗異地接收。北斗數據接收與Email接收可以為異地接收方式。這樣帶來的問題是需要通過網絡使兩個接收，滾筒使用同一個數據庫，在技術上是可以實現的。

4.6 數據分發

考慮到項目評估、評價、預報改進的目標，示范船的觀測數據必將涉及到數據共享的問題，需要通過網絡實現觀測數據的分發共享，在技術上是可以實現的。

5.硬軟件研發

5.1 主要硬件研發

按照上述描述，在硬件方面主要研發的是“數據采集、控制和顯示單元”，主要包括：（1）數采和控制單元；（2）系統供電；（3）其他模塊和器件。

5.2 主要軟件研發內容

軟件方面，船端軟件由于缺少維護條件，需要運行穩定并具備一鍵重裝，或遠程重裝功能。陸地軟件盡管維護方便，但同樣應運行穩定可靠，通過充分測試，盡量減少Bug。僅從數量上講，軟件研發要多于硬件，主要軟件如下：（1）數據循環采集和控制程序；（2）郵件自動分離程序；（3）北斗衛星數據接收程序；（4）數據庫數據檢索程序；（5）數據內外部共享（分發）程序；（6）服務器安裝部署程序；（7）數據庫。

6.結束語

船舶運輸環境觀測與數據傳輸系統的構建，需要明確陸地環境條件（網絡、服務器情況等），確定觀測數據共享的規則，編制開發技術文檔的設計輸入，安裝、測試、系統調試，最后系統進入實船運行。