船載氣象自動觀測站的智能融合通信網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)

顧紅兵 謝揚(yáng)戈★

（中國氣象局公共氣象服務(wù)中心，北京 100081）

0 引言

中國海洋遼闊，但海洋氣象信息覆蓋面不廣，傳統(tǒng)通信方式的信息覆蓋無法滿足“一帶一路”服務(wù)的需求[1]，因?yàn)闅庀笮畔l(fā)布手段比較單一，難以滿足近海遠(yuǎn)海不同場景的需求。且預(yù)警信息快速發(fā)布的及時(shí)性不足，而對海上強(qiáng)對流天氣、海嘯等預(yù)報(bào)時(shí)效短、災(zāi)害后果嚴(yán)重的預(yù)警信息、海上緊急突發(fā)事件信息，都需要通過有效發(fā)布手段實(shí)現(xiàn)預(yù)警信息快速發(fā)布。為此，氣象、漁業(yè)和海事等部門，分別建立了基于北斗衛(wèi)星、天通衛(wèi)星、風(fēng)云四號衛(wèi)星及短波通信等方式的通信系統(tǒng)，來拓展對海洋船只的預(yù)警信息發(fā)布覆蓋面。

目前海上沒有一種通信方式，可以同時(shí)滿足穩(wěn)定的全海洋覆蓋、傳輸不受限、確保流暢的寬帶資源、較低的設(shè)備成本和使用資費(fèi)要求。而且，現(xiàn)有的各種通信系統(tǒng)之間相互孤立，缺乏統(tǒng)一的協(xié)調(diào)管理機(jī)制，不能保障整個(gè)海洋通信系統(tǒng)合理、高效地運(yùn)行。對海上作業(yè)船只來說，每新添加一種通信方式，就需要在船上新增一個(gè)設(shè)備，對用戶來說是重復(fù)建設(shè)，帶來極大不便。為此，本文設(shè)計(jì)船載智能通信網(wǎng)關(guān)，下行能匯集接收所有通信渠道的數(shù)據(jù)，上行能夠?qū)⒋系男畔⒄埱蟆⒉杉瘮?shù)據(jù)和求救信號等通過智能選擇通信方式，上傳反饋到陸地控制中心。智能通信網(wǎng)關(guān)綜合了多種通信渠道的優(yōu)勢，取長補(bǔ)短，能滿足全天候、全域覆蓋的海上通信要求。

船載氣象自動觀測站，正是建立在海上作業(yè)船只上，定時(shí)將采集的數(shù)據(jù)通過船載通信網(wǎng)關(guān)，利用最優(yōu)的通信方式傳輸回?cái)?shù)據(jù)中心。海上自動觀測站點(diǎn)數(shù)量的增加，能幫助氣象部門更迅速地掌握海上氣象條件，不僅可以根據(jù)天氣氣候的特點(diǎn)，充分利用氣候資源，提高海洋漁業(yè)、旅游、工程作業(yè)的生產(chǎn)能力和經(jīng)濟(jì)利益，而且在海上發(fā)生氣象災(zāi)害時(shí)，能迅速聯(lián)動多部門及時(shí)做出決策響應(yīng)和指揮調(diào)度工作；另外船載氣象自動觀測站采集數(shù)據(jù)上傳的定時(shí)性，能方便及時(shí)地發(fā)現(xiàn)通信系統(tǒng)的故障，減少系統(tǒng)運(yùn)維成本，保障整個(gè)海上通信系統(tǒng)的正常運(yùn)行。通信能力的優(yōu)化，降低了海上建站的難度，也促進(jìn)船載氣象自動觀測站的推廣建設(shè)。

1 船載氣象自動觀測站

從海上作業(yè)平臺、貨船到普通漁船，都可以利用合適的空間增加采集設(shè)備，建造氣象自動觀測站。船上可用空間越大，可增加的自動觀測設(shè)備越多，觀測的要素種類就會越多；而對于普通漁船，在不影響其捕撈作業(yè)的前提下，可增加最小化的船載氣象自動觀測設(shè)備，即可對風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓、氣溫和相對濕度等基礎(chǔ)要素采集。氣象部門通過獲取的數(shù)據(jù)，為海上船只反向提供氣象和應(yīng)急服務(wù)，這是一個(gè)相輔相成的過程。

船載氣象自動觀測站一般由測量傳感器、數(shù)據(jù)采集器和通信設(shè)備構(gòu)成。測量傳感器包括風(fēng)速風(fēng)向傳感器、氣溫相對濕度傳感器、氣壓傳感器和GPS定位定向儀。數(shù)據(jù)采集器用來采集傳感器信息，接收GPS和電羅經(jīng)信號，并可由人工輸入觀測數(shù)據(jù)，規(guī)范地處理、存儲和傳輸數(shù)據(jù)。船載氣象自動觀測設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)通過北斗終端通信傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心。

按照GB/T 12763-2007《海洋調(diào)查規(guī)范》[2]、GB/T 17838-2017《船舶海洋水文氣象輔助測報(bào)規(guī)范》[3]的規(guī)定，船載氣象自動觀測設(shè)備能自動處理真風(fēng)速、真風(fēng)向、氣溫、相對濕度、海平面氣壓、海水表溫等觀測數(shù)據(jù)，并可輸入和存儲人工觀測數(shù)據(jù)，如云狀、云量、云高、能見度、天氣現(xiàn)象、波浪、涌浪和海發(fā)光體等的功能。

2 海上多渠道融合的通信系統(tǒng)

目前在海上可以使用多種通信方式，近海可使用蜂窩移動通信、短波通信，遠(yuǎn)海可使用風(fēng)云四號氣象衛(wèi)星、北斗衛(wèi)星和天通一號通信衛(wèi)星等[4]。每種通信方式的穩(wěn)定率、覆蓋率、單雙向、運(yùn)行成本等都不一致（表1）。結(jié)合多種手段的優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)，把各種通信方式融合起來[5]，能夠揚(yáng)長避短，提高通信效率，降低成本。在不同的海域范圍內(nèi)，都能實(shí)現(xiàn)全天候、全覆蓋的通信。

表1 各通信方式的參數(shù)

傳播控制平臺通過統(tǒng)一的CAP（common alerting protocol,通用協(xié)議）對接，將數(shù)據(jù)送到各種衛(wèi)星的主站、短波發(fā)射塔、移動通信基站等，融合衛(wèi)星、短波資源，多通道并發(fā)發(fā)布（圖1）。接收端從各個(gè)通道獲取信息后，將所有數(shù)據(jù)匯集到智能融合通信網(wǎng)關(guān)上，再由網(wǎng)關(guān)分發(fā)到終端控制顯示屏、手機(jī)、大喇叭等，實(shí)現(xiàn)快速下發(fā)的通信方式。

圖1 衛(wèi)星、短波等多渠道融合通信體系

在融合通信體系中，我們同時(shí)研究基于探測數(shù)據(jù)、點(diǎn)播、查詢請求、SOS等上行數(shù)據(jù)的通信方式，通過智能通信網(wǎng)關(guān)進(jìn)行渠道優(yōu)選策略，匹配最合適的通信渠道，提高了數(shù)據(jù)的反饋效率。 由預(yù)警信息傳播控制平臺對所有上行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集后，分析業(yè)務(wù)類別和需求，再將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綄?yīng)的業(yè)務(wù)平臺，實(shí)現(xiàn)了多渠道融合通信體系的閉環(huán)設(shè)計(jì)。

海上多渠道融合通信系統(tǒng)的建立，有效地減少了海上通信的障礙。氣象、漁業(yè)和海事等部門可將相關(guān)業(yè)務(wù)平臺分別對接傳播控制平臺，更好地?cái)U(kuò)展了海上業(yè)務(wù)的種類和范圍，且共用一套渠道發(fā)布資源，提高系統(tǒng)的利用率，減少重復(fù)建設(shè)的成本。上下行信息順暢的流通也減少了陸地和海洋的距離，便利了各部門的業(yè)務(wù)開展及與海上作業(yè)人員的通信。

3 船載智能融合通信網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)

3.1 星地動態(tài)協(xié)同組網(wǎng)的研究

建立多渠道融合體系已解決了海上通信覆蓋問題，但星、地兩張通信網(wǎng)在時(shí)延、速率等方面差異很大，例如GEO衛(wèi)星的往返傳輸時(shí)延為幾百毫秒，是地面系統(tǒng)的上百倍。當(dāng)兩張網(wǎng)融合，設(shè)計(jì)智能融合通信網(wǎng)關(guān)，借助海上用戶位置可追溯、可預(yù)測的特點(diǎn)，進(jìn)而按需編排星地單元，實(shí)現(xiàn)動態(tài)動網(wǎng)是目前條件下最可行路徑。此外，依托智能通信網(wǎng)關(guān)上的本地存儲和計(jì)算能力，可以很大地彌補(bǔ)海上通信的不確定性，提供相對穩(wěn)定的信息服務(wù)，使得星地單元在不同尺度上構(gòu)建多層次協(xié)同關(guān)系。

綜合利用各類衛(wèi)星、短波、岸基/島基/船基基站等實(shí)現(xiàn)動態(tài)智能傳輸，依靠融合通信網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)多平臺信息的協(xié)同處理。將預(yù)警信息、海上自動觀測數(shù)據(jù)、用戶移動軌跡及通信需求特性等方面的信息通過窄帶衛(wèi)星、窄帶廣域覆蓋岸基網(wǎng)絡(luò)等收集，并上傳至中央處理器進(jìn)行分析處理。繼而利用中央處理器和具有邊緣處理能力的融合通信網(wǎng)關(guān)分布式、協(xié)同地優(yōu)化調(diào)整星地協(xié)同策略、資源編排方式、傳輸參數(shù)等，實(shí)現(xiàn)海上環(huán)境感知智能傳輸，與常規(guī)通信方法相比，顯著提升服務(wù)消費(fèi)比。

海域信道受海上氣象、海面波動等影響顯著，通過引入精細(xì)化海況、天氣條件等外信息，可估計(jì)或預(yù)測海洋通信的信道條件，進(jìn)而相應(yīng)地調(diào)整天線配置、載波選擇、分集方案等，匹配信道條件，實(shí)現(xiàn)傳輸效率的最大化。這與常規(guī)通信方法相比，省去了信道估計(jì)環(huán)節(jié)，可極大地降低系統(tǒng)開銷，提高海上通信消費(fèi)比。

3.2 智能融合通信網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

船載智能融合通信網(wǎng)關(guān)[6]是建立在海上多融合通信系統(tǒng)的終端部分，是連接衛(wèi)星、短波通信單元和船上應(yīng)用終端設(shè)備、船載氣象自動觀測站的橋梁（圖2）。

圖2 船載融合通信網(wǎng)關(guān)的工作模式

船載智能融合通信網(wǎng)關(guān)，下行可以從多種衛(wèi)星、短波和移動蜂窩信道獲取信息內(nèi)容，按照數(shù)據(jù)規(guī)范協(xié)議對信息進(jìn)行解碼還原，并且將信息分發(fā)到船上的信息管理系統(tǒng)、手機(jī)、喇叭等終端進(jìn)行展示和應(yīng)用。當(dāng)加入一種新的通信方式，只需按照指定的數(shù)據(jù)協(xié)議，接入到船載智能通信網(wǎng)關(guān)，即可快速建立對接。相較于傳統(tǒng)通信建設(shè)中每種通信方式都需要采購對應(yīng)的接收和解碼終端，船載通信網(wǎng)關(guān)能大大減少船上通信終端的建設(shè)花費(fèi)。

上行以船載氣象自動觀測的風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓、氣溫和相對濕度等為基礎(chǔ)，以及對云狀、云量、云高、能見度、天氣現(xiàn)象等人工觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲并處理，輸出符合國際數(shù)據(jù)規(guī)范的數(shù)據(jù)格式后，通過船上建立的局域網(wǎng)，送到船載通信網(wǎng)關(guān)。船載通信網(wǎng)關(guān)對數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝和編碼，并針對目前海域位置、信道的情況，智能選擇最優(yōu)的傳輸方式，回傳到陸地上的數(shù)據(jù)中心。船載智能通信網(wǎng)關(guān)還可以處理用戶其他的點(diǎn)播互動、即時(shí)信息通信、求救等請求數(shù)據(jù)。

根據(jù)網(wǎng)關(guān)的工作模式，除了對接衛(wèi)星、短波和移動蜂窩通信的天線及模塊外，融合通信網(wǎng)關(guān)還內(nèi)置了ZigBee和wifi的船上分發(fā)和接收模塊，具有邊緣數(shù)據(jù)處理能力需要的工業(yè)級處理器、內(nèi)存和存儲、可擴(kuò)展式的USB和RJ45等線路接口（圖3）。

圖3 船載融合通信網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)

船載智能融合通信網(wǎng)關(guān)提高了海陸間的通信能力，降低了船上建立氣象自動觀測站的難度水平，同時(shí)也減少了通信設(shè)備的重復(fù)建設(shè)，更便于向漁民和貨船等推廣建設(shè)。當(dāng)海上氣象自動觀測站的密度增加后，氣象部門對海上的氣象條件掌握得更多，做出的氣象預(yù)報(bào)分析結(jié)論也更加準(zhǔn)確，對海洋漁業(yè)、旅游、工程作業(yè)以及海上預(yù)警業(yè)務(wù)都產(chǎn)生了巨大的作用。

由于海陸間距離遠(yuǎn)，且以使用衛(wèi)星通信為主，通信成本會比陸地上的成本更高，充分利用通信資源能降低對系統(tǒng)的運(yùn)維成本。船載氣象自動觀測站采集數(shù)據(jù)后，定時(shí)通過船載通信網(wǎng)關(guān)上傳數(shù)據(jù)，這可作為一種心跳連接的方式，讓陸地上的控制中心定時(shí)更新船上設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，使整條通信鏈路處于順暢狀況。一旦觀測數(shù)據(jù)停止了上報(bào)，便可立即獲知設(shè)備或者通信出現(xiàn)了故障，人們便可及時(shí)對設(shè)備和通信進(jìn)行搶救。作為海上預(yù)警業(yè)務(wù)的一個(gè)重要附加業(yè)務(wù)功能，其提高了對整套海上通信系統(tǒng)的運(yùn)維能力，降低了運(yùn)維成本，能保障重要應(yīng)急預(yù)警業(yè)務(wù)的正常運(yùn)行，創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益。

3.3 應(yīng)用前景

當(dāng)前船載設(shè)備存在兩大痛點(diǎn)：數(shù)字化程度低，不利于商業(yè)服務(wù)。而且每使用一種通信方式，需要采購一個(gè)對應(yīng)的通信終端，擴(kuò)展性差。因此，融合通信網(wǎng)關(guān)以應(yīng)用場景和服務(wù)需求為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)，可提高船載設(shè)備的可用性。

據(jù)2019年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，全球商船船隊(duì)100GT以上的總共有95402艘海船[其中1000GT以上51684艘，中國（不含港臺）6125艘，占比11.8%]；中國漁船70多萬艘，海洋捕撈機(jī)動漁船數(shù)量為14.70萬艘（12m以上45%左右，6.65萬艘），廣東省為3.40萬艘；其他包括海洋工程船舶、海洋開發(fā)船舶、游艇（近年來增長迅速）。前期應(yīng)用以漁業(yè)安全生產(chǎn)為抓手，以漁港改造為落腳點(diǎn)推進(jìn)，服務(wù)用戶初期定位為休閑漁船/漁船。

結(jié)合漁業(yè)政策方面的兩個(gè)重點(diǎn)：“漁港經(jīng)濟(jì)區(qū)，漁業(yè)產(chǎn)業(yè)升級，漁港振興”，“漁港港長制，依港管人、管船、管漁獲”；按農(nóng)業(yè)農(nóng)村部的部署，以漁港為重點(diǎn)，加強(qiáng)全省漁港建設(shè)與管理，推進(jìn)漁港經(jīng)濟(jì)區(qū)發(fā)展。以漁港為落腳點(diǎn)，圍繞部門關(guān)注的“安全管理”，增值服務(wù)方面考慮漁港提供的“漁船服務(wù)，港船聯(lián)動”需求。

中后期以氣象導(dǎo)航、海上氣象觀測數(shù)據(jù)采集、氣象傳真和船舶監(jiān)測業(yè)務(wù)進(jìn)行推廣，逐步接入當(dāng)前的海洋專業(yè)服務(wù)。同時(shí)融合通信網(wǎng)關(guān)在陸地上也具有通用性，通過修改配置可進(jìn)行偏遠(yuǎn)山區(qū)的預(yù)警信息發(fā)布、山水林草湖信息采集、重點(diǎn)行業(yè)使用等。

圖4 海洋服務(wù)覆蓋范圍

4 結(jié)論

本文介紹了船載智能融合通信網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)原理、功能和推廣前景。在以衛(wèi)星、短波、移動蜂窩為主的多渠道融合通信體系下，利用船載智能通信網(wǎng)關(guān)可擴(kuò)展式對接通信資源，使其性能優(yōu)勢相互補(bǔ)充，擴(kuò)大海洋通信的覆蓋范圍，提升了星、地間通信效率。這不僅有效地推動了海上應(yīng)急預(yù)警業(yè)務(wù)的發(fā)展，船載氣象自動觀測站也可利用這個(gè)良好的通信環(huán)境推廣建設(shè)在更多的海上作業(yè)的船只上，減少了硬件設(shè)備的重復(fù)采購以及系統(tǒng)的運(yùn)維成本。海上觀測數(shù)據(jù)的豐富完善，有助于氣象部門充分分析和及時(shí)發(fā)布?xì)庀箢A(yù)報(bào)、氣象預(yù)警等信息，讓海洋漁業(yè)、旅游、工程作業(yè)能結(jié)合氣候條件更充分地挖掘海洋資源，也讓各部門迅速聯(lián)動，針對海上惡劣天氣，及時(shí)通知海上作業(yè)人員，提前做好防護(hù)工作，減少人員和經(jīng)濟(jì)的損失，創(chuàng)造巨大的社會效益。