沿海小型船舶態勢感知與事故預警平臺研究

趙思重陽 周超杰 王捷

摘要：沿海小型船舶由于船舶航行設備缺乏標準化配置、駕駛人員缺乏專業航行技術和航行中進行其他業務等原因，航行中發生海上交通事故較多，造成了巨大的人命和財產損失。沿海小型船舶態勢感知與事故預警平臺通過構建船舶網絡覆蓋、信息采集及信息和數據集成系統，使得船舶航行數據應用功能更加全面、信息通道更加暢通、船岸一體化協同程度更高，以保障海上安全航行的需求，有效地保護海上人命和財產安全。

關鍵詞：沿海小型船舶;信息采集;北斗衛星通信;風險預警平臺

中圖分類號：TP391文獻標識碼：A文章編號：1006—7973（2022）05-0058-02

1前言

近年來，隨著海上旅游消費市場、沿海島嶼間商業活動和海洋經濟的發展，沿海小型船舶、漁船等交通流量大幅增加，促進我國的海洋經濟迅速發展。

沿海小型船舶泛指沿海水域航行和作業的各類船舶，如漁船、游艇、加油船和平臺運輸船等。隨著基于大數據、智能化技術的海上信息系統逐步成熟及應用，沿海小型船舶需要裝備數據應用功能更加全面、信息通道更加暢通、船岸一體化協同程度更高的信息系統，以滿足現代海洋經濟發展的需求[1]。目前，特別是針對沿海小型船舶運行需求的船岸一體化信息系統發展相對滯后，一旦遇到大風、大浪、大霧等惡劣天氣，沿海小型船舶及船員都將承受較大的風險。

2研究設計

2.1研究思路

針對沿海小型船舶的運行特點，航行和作業安全保障等需求，需要研究沿海小型船舶態勢感知與事故預警平臺，通過該平臺，采集沿海小型船舶搭載的推進器、計程儀、GPS、羅經等設備運行狀態的信息，風速、風向、海浪等氣象數據信息及船艙進水、火災、貨倉二氧化硫氣體濃度等安全應急信息，并將數據信息通過衛星鏈路實時回傳至岸基指揮中心并進行展示。通過大數據分析，給沿海小型船舶提供狀態監測與風險預警等管理服務。

2.2平臺架構設計

為滿足沿海小型船舶狀態監測與風險預警等管理服務需求，需要在沿海小型船舶上安裝氣象傳感器、火災傳感器、水位傳感器等傳感器后，通過船內通信把傳感器采集到的數據信息匯總至遠程數據適配終端。遠程數據適配終端收集到數據信息后進行標準化處理，通過沿海小型船舶上的衛星通信天線與衛星進行通信，回傳數據至岸基中心后存儲在數據庫中。同時，岸基中心通過沿海小型船舶態勢感知與事故預警平臺實時展示，監視捕獲信息的實時變化，對收集到的信息進行大數據的處理，判斷沿海小型船舶的風險狀態，對風險等級較高的沿海小型船舶進行預警信息下發，提醒沿海小型船舶采取應急預防措施，避免事故發生。平臺架構如圖1所示。

3核心研究技術

技術內容方面主要包括：沿海小型船舶網絡覆蓋技術、信息采集技術及信息和數據集成技術。

3.1網絡覆蓋技術

沿海小型船舶出海后，由于遠離移動手機地面基站，有時無法收到任何通信信號，將無法通過網絡與外界聯系。北斗衛星通信是實現沿海小型船舶通信的解決途徑，沿海小型船舶處于航行、漂泊的狀態時，只有使用移動船載衛星天線，才能夠自動搜索、自動跟蹤衛星信號，實現沿海小型船舶與岸基指揮中心的通信[2]。

研究的船載北斗衛星設備由船載衛星通信天線、衛星調制解調器、路由器等部分組成[3]。沿海小型船舶在海上航行時，通信終端接收到北斗衛星發射的信號，通過研究的船載北斗衛星設備將其轉化為WiFi信號，并覆蓋整艘船舶，供船員和其他設備使用，得到船舶網絡覆蓋的需求。

3.2信息采集方案

遠程數據適配終端是工業物聯網適配器，它可以快速提供工業設備物聯網解決方案，并通過配置快速形成所需應用模式的專業工業物聯網適配器。

研究的遠程數據適配終端可以通過船上的WiFi信號與公網相連接[4]。其本身不產生數據，它通過串口、網口等通信接口和沿海小型船舶上的傳感器、控制器、PLC等控制模塊對接，獲取模塊上的數據（運行狀態、事件、報警等）。適配終端獲取到這些數據后，經過加工整理、格式化，梳理成遠程監控平臺規范的數據方式，并發給數據庫。

3.3信息和數據集成方案

研究的沿海小型船舶信息和數據集成服務作為應用層，承擔著與數據庫進行數據交互的作用，并提供前端界面，供終端用戶進行交互操作。通過此界面，用戶和遠程監控人員可以很方便地看到沿海小型船舶的實時數據信息，方便船員和遠程監控人員實時掌握沿海小型船舶態勢，及時采取應急預防措施。

信息和數據集成其主要作用是靈活地展示和運用數據。例如：宏觀展現所有設備的分布、船舶所在環境天氣狀況、船舶整體設備運行完好率、船舶設備實時運行狀態等;并用曲線展示某個設備某個時間段核心參數的變化;也可將根據所采集到的數據信息，通過合適的算法，預測未來一段時間內船舶的運行狀態。所有信息均可在指揮中心和沿海小型船舶本地通過PC端或手機APP進行展示。給沿海小型船舶提供智能化工具，變事后處置為事前預警，及時提醒船舶采取應急預防措施。

3.4面臨的問題及解決方案

3.4.1問題一：海上網絡通信帶寬小

目前，通信衛星都是使用的距地面36000KM靜止軌道衛星，通信距離遠，通信帶來的帶寬限制和延時問題難以克服。考慮問題的具體情況，解決方案采用優化的快速衛星寬帶，提升海上信息數據傳送效率。同時，對遠程數據適配終端采集的數據進行壓縮處理，自動識別有變化的數據，并且，靈活配置每個數據的上傳周期，有針對性地上傳數據，最大限度降低通信壓力，減小通信延時。

3.4.2問題二：沿海小型船舶運行狀態預測困難

目前，如何及時掌握沿海小型船舶是否會發生異常和故障及發生異常和故障的概率，以便提前做好預防措施仍存在困難。考慮問題的具體情況，解決方案針對收集上來的采集數據，系統軟件平臺提供工業大數據解決方案，通過對采集數據的深入計算和分析，找出數據的變化規律，從而分析出規律。例如通過對最近一段時期（如幾個小時、一天、一周或幾個月）之內設備運行數據的分析，對設備當前的運行狀態做出客觀評估，并對設備在未來一段時間的運行情況進行預測。同時加入人工智能服務，可以對沿海小型船舶狀態進行風險識別（穩定性風險、故障風險、突變風險等）和故障診斷，并根據大數據，進行持續的深度學習，最終實現沿海小型船舶的狀態預測。FA9D78CC-5E56-4DBE-A8DF-A6243D635F1E

4平臺實現和創新

4.1研究目標的實現

通過研究，沿海小型船舶態勢感知與事故預警平臺將實現沿海小型船舶輕量化衛星通信系統搭建，為沿海小型船舶提供低價格、高性能的衛星通信服務;實現沿海小型船舶感知終端能收集船舶態勢數據、氣象數據、安全數據并格式化傳送;實現船岸協同監控平臺可以實時顯示沿海小型船舶態勢感知數據與安全動態;最后，利用大數據處理技術分析回傳信息，對異常數據進行提取，向沿海小型船舶終端發出預警信息，并自動給船東和漁業管理部門予以實時共享。

4.2研究內容的創新

首先，通過對沿海小型船舶監測到的氣象信息進行及時回傳，并根據眾多沿海小型船舶的信息協同融合，通過岸基大數據平臺，可以構建海上氣候信息網絡矩陣，提升對海上氣候信息監測及預警的及時性、準確度;其次，通過岸基大數據平臺的智能化自適應算法，實現對沿海小型船舶大量信息數據的自學習和模型自矯正，不斷提升系統的智能化及可用性。

5總結

沿海小型船舶態勢感知與預警方面目前還是空白，課題的研究將有效解決沿海小型船舶各種搭載設備運行狀態信息（如海風、海浪、大霧等氣象實時信息及機艙進水監控、火災、有害氣體濃度等信息）的態勢感知與數據實時回傳問題，并根據岸基指揮中心的大數據處理結果將預警信息實時向沿海小型船舶進行反饋，給沿海小型船舶提供智能化工具，變事后處置為事前預警，及時提醒區域內漁船采取應急預防措施。平臺可以實現對沿海小型船舶進行高效、一體化管理，為突發事故及遠程救助提供數據支持，大幅減少沿海小型船舶因碰撞、人命事故、救援等產生的社會經濟成本。同時，在節約管理成本的同時提高管理質量，收集到的數據也可以為政府決策及科研服務。

參考文獻：

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[2]趙杰超，金浩，陳健，潘長城，張英香，王吉武，翁大濤.水上應急救援關鍵裝備技術現狀與發展[J].中國機械工程，2022，33（04）：432-451+458.

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