一种基于卫星宽带网络的船舶疏浚数据远程传输系统

于长亮，张启亮，孙奉阁，马大付，魏今朝，朱雪美

（1. 神华上航疏浚有限公司，河北沧州 061113；2. 中交疏浚技术装备国家工程研究中心有限公司，上海 201208）

0 引言

随着疏浚行业的不断发展，目前疏浚船舶正朝着大型化、自动化和信息化的方向发展。施工船舶疏浚过程中产生的大量数据有助于企业监控船舶状态、提高施工效率，但同时也造成了数据管理和数据处理方面的诸多困难。目前，海上船舶一般通过海事卫星、C站来进行与岸基网络设备的数据交换，海事卫星通信系统只可以提供低速率（4.8 k或3.1 kHz）语音和数据服务。

目前，已有许多学者和专家对船舶数据传输及相关系统展开了研究。吉诚[1]对卫星宽带在疏浚作业中的应用做了初步阐述，给出了海上宽带系统使用的优势。孙富民[2]对船舶信息化技术在救助船舶中的应用进行了研究。基于PLC引入二次编程，徐绍衡[3]研发了一套监控船舶整体数据的系统。王宏智[4]采用两层C/S软件体系开发方法，提出了机舱控制信息化的方案。田兆波[5]开发了船舶机舱数据采集与显示系统。

本系统充分利用卫星宽带系统带宽较大的优势，同时尽可能压低对带宽的要求，实现了最低限度利用带宽实时传输图像和动画数据，实时监控船舶运行动态。

1 系统简介

本船舶疏浚数据远程传输系统由船端数据采集与发送软件、船端网络设备、岸端数据接收处理软件和岸端网络设备组成，软件采用 C/S架构，船端软件作为客户端，岸端软件作为服务端，通过TCP/IP协议进行数据远程传输，其结构如图1所示。

该系统搭建在公司“神华浚1”及“神华浚2”两艘大型自航耙吸挖泥船上。搭建新系统的前提是：1）不改变现有船舶疏浚系统的结构；2）数据的采集过程不对原系统产生影响；3）部署或维护系统软硬件时，不影响船舶的正常疏浚作业。因此，在搭建系统时主要考虑以下几个原则。

1）先进性。为保证整个系统结构和技术的先进性，选择了当前主流的数据传输技术，以达到高质量的传输效果。系统的先进性体现在传输实时性、传输稳定性、传输中断自动重连接等多个方面，宽带速率达到512 kbps以上时，应确保实现实时、稳定的传输。

2）可靠性和稳定性。在项目建设过程中，除考虑所选择设备的性能指标外，还需确保软件系统能够满足7×24小时连续不间断工作的要求。

3）适应性。设备必须具备良好的网络适应能力，以保证数据传输的流畅性和稳定性。采用心跳监测技术来监测网络的连续性，当监测不到心跳信号时，船岸两端进入不断尝试重新建立连接的过程，确保系统能够在无人为干预的情况下连续工作。

4）可管理性。本项目必须考虑系统操控的灵活性和可管理性。在技术设计上要实现打开软件即可正常运行，无需用户进行复杂的软硬件操作。

5）可扩展性。考虑到本项目长远发展的需要，系统应能够进行平滑、无缝的升级，从而保障用户的投资。

图1 系统建设结构

2 实施方案

2.1 数据采集

2.1.1 “神华浚1”

“神华浚1”的SCADA疏浚系统采用Wincc组态软件，配置了1台服务器和2台客户端，2台客户端分别为DLM客户端和STPM客户端。利用Wincc组态自带的DataMonitor组件，可将SCADA软件中的画面转换成超文本标记语言（html）格式，并将其发布在网页（web）上。将DataMonitor服务器安装在原船DLM客户端上，该客户端配置两张以太网网卡，一张网卡接入船舶SCADA系统，以客户端的形式从服务器中采集数据，另一张网卡接入无线网络路由器，如图2所示。

2.1.2 “神华浚2”

“神华浚2”的疏浚系统是基于IFIX平台的系统，船上配置了3台服务器，1#服务器和2#服务器分别为主服务器和备用服务器，3#服务器用于数据记录。

图2 数据采集传输模式

船上系统的实时工况数据需要被传输到岸端，使用户可以通过浏览器监视施工状况。该系统需要满足以下几个条件：1）需要开发一个船端程序，用于采集IFIX 4.5平台下的实时工况数据；2）船端需要具备上网条件；3）需要开发一个岸端程序，用于接收船端程序发送过来的数据；4）岸端需要配置与船上施工画面一致的IFIX工程项目（岸端IFIX项目数据来源于岸端数据接收程序），并配置webspace组件，实现在浏览器上浏览画面的功能。

经过实地考查和试验，发现目前船上主要使用卫星宽带上网，但卫星宽带的带宽较小（下载速度约200 K/s），且时常有中断的可能。因此，需要分别为船、岸两端开发一个用于收发数据的程序，程序须具备自动重连功能，当网络中断并且恢复后，程序应能够自动重新建立连接，并将数据续传到岸端。

2.2 数据传输

采集得到的数据由采集计算机上运行的程序通过网络发送到岸上接收端。岸上接收程序需要固定的外网IP和端口，并开启SOCKET监听。如岸上接收程序的IP地址是内网IP，则需要做端口映射，令船上的发送程序与岸上的接收程序建立连接。

考虑到卫星宽带带宽较小的问题，在数据传输前需要对数据进行压缩。1000个模拟量经压缩后只需要占用2 K带宽，而实际需要传输的模拟量远小于1000个，而且有许多模拟量是开关量（1个开关量仅占用1 bit）。因此，数据压缩后，卫星宽带的带宽完全能够满足传输要求。

2.3 岸端数据接收

岸端数据接收程序负责接收来自船端的数据，并将数据传递给岸端项目。

3 结论

船舶疏浚数据远程传输系统可以实时传输疏浚船舶挖泥动态、主机参数、进舱浓度及装载质量等图形界面，工程及设备管理人员可以通过这些图形界面实时监测船舶的施工运行情况，并及时对船舶施工、设备运行做出指导反馈。在此系统的帮助下，疏浚工程师可以实时看到船舶施工的各项参数数据，使远程指导达到与“在船指导”一致的效果，从而有效节省了时间和交通船费用，提升了管理水平。此系统对国内疏浚业数据远程传输系统的开发和运行具有一定的参考意义。

[1] 吉诚. 海上卫星宽带系统在疏浚作业中的应用[C]//旭日华夏（北京）国际科学技术研究院. 2016智能城市与信息化建设国际学术交流研讨会.2017: 328-329.

[2] 孙富民, 蒋文辉. 救助船舶信息化管理系统的开发[J]. 中国航海, 2011, 34(2): 50-56.

[3] 徐绍衡. 具有全功能 PLC的单层网络信息安全监控指挥管理平台[C]//中国科学技术协会学会学术部. 第十六届中国科协年会——分 8绿色造船与安全航运论坛. 2014: 16-22.

[4] 王宏智, 张均东. 船舶机舱综合监控系统的设计研究[C]//中国航海学会. 中国航海学会 2006年度学术交流会优秀论文集. 2007: 134-137.

[5] 田兆波. 轮机数据采集与显示系统研究[D]. 辽宁大连: 大连海事大学, 2005.