李国栋, 陈 军, 汤涛林, 谌志新, 许明昌, 吴陈波
(中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所,农业部渔业装备与工程技术重点实验室,上海 200092)
随着信息技术的发展和移动终端的普及,现代社会正在逐步进入“物联网时代”。物联网技术已经成为推动现代社会发展的重要工具,渗入到各行各业,带来产业技术革命与产业结构升级,并将创造更多的社会价值[1-2]。渔业船联网是物联网技术在海洋渔业中的拓展应用,即以海洋渔业船舶为网络基本节点,以船舶、船载仪器和设备、航道、陆岸设施、浮标、潜标、海洋生物等为信息源,通过船载数据处理和交换设备进行信息处理、预处理、应用和交换,综合利用海上无线通信、卫星通信、近海无线宽带通信和船舶自组网等技术,实现船—岸、船—船、船—仪信息的传输,在岸基数据中心实现节点各类动、静态信息的汇聚、提取、监管与应用,使其具有导航、通信、助渔、渔政管理和信息服务等功能的网络系统[3]。渔业船联网采用信息化和智能化技术,促进海洋渔业整体技术升级,逐步实现智能化生产与智慧管理;并可以通过广泛分布的渔船兼顾开展海洋科学观测活动,必将成为服务于国家海洋强国战略的有力抓手。
渔业船联网(FIoV)是作为一个具有一定探索性的新兴概念,建设过程是一个庞大的系统性工程。渔业船联网应用场景呈现多样化[3]。这些多样化的应用场景对整个系统信息采集和处理、通信、数据存储和处理、信息安全等提出了不同的需求,涉及多项关键技术。在网络基本节点端,涉及多源异构渔业信息采集及智能化渔船构建技术,来实现对渔业船舶的全方位感知和智能化控制;在信息传输方面涉及海上无线通信、海洋卫星通信、近海宽带无线和基于无线网格(MESH)的宽带自组网等海洋渔业相关的通信技术,实现集成式船联网通信方案,以满足系统不同应用对通信性能的需要;在岸基数据中心侧涉及大数据处理技术,实现对规模庞大、异构化数据进行分类、加工、管理、挖掘、分析等操作;对于整个网络还涉及信息安全技术,来实现系统平稳、安全的运行。本文对各关键技术发展现状和趋势进行分析研究,为渔业船联网系统的方案设计提供技术支撑。
信息感知及采集是实现“物物相联,人物互动”的基础。基于渔船的信息感知和采集系统已经成为渔业船舶发展的一个重要方向[4-6],针对某一类信息的感知、采集、处理和应用系统也经常有所报道[7-9]。根据渔业船联网的需求[3],渔业船联网对信息的感知和采集不是单一类型的,需要通过不同传感器实现对多源渔业相关信息全面、实时的采集。数据类型异构化包括数字、文字、图像、音频和视频等大量结构化数据和非结构化数据。如图1所示,多源异构渔业信息采集技术能够通过多种方式实时获取各种航运信息,也能动态采集水质、水文、气象、生物[10-12]及渔船生产信息(包括船位、气象、渔具、渔获物、物资、人员以及重要设备运行参数等)、渔船进出港动态信息、渔业渔政管理信息等[13-15]。多源异构渔业信息的实时、精准采集,可以全面了解渔船运行设备、生产装备和助渔仪器等的工作状态信息和数据。船载数据中心和陆基大数据中心获取渔船各种设备和仪器状态信息和数据,可以为渔业船舶的应急救灾、远程故障检测、自动化捕捞和无人驾驶等应用提供数据源,通过基于精准数据的决策,产生各种针对场景的自动控制流程,逐步提升海洋渔业船舶的信息化、智能化水平。
渔业船舶信息采集种类多样,对应的采集数据内容和类型也存在较大差异。表1给出渔业船舶信息采集系统涉及的项目。
图1 多源异构渔业船舶信息采集系统示意图
分类数据内容数据类型海洋气象风向、风速、气压、空气温度、相对湿度、海面有效能见度、降水量、雾数字水文数据潮汐、海浪、表层海水温度、表层海水盐度、海发光、海冰数字、图像机舱监测燃油、滑油、蒸汽、压缩空气、冷却水等项目的压力和温度、主机转速、电站及用电设备的电压和功率数字主动力监测冷却水进水温度、冷却水出水温度、润滑油温度、进排气温度、增压压力、气缸压力、燃油压力、主机转速、迸气空气流量、冷却水消耗量、燃油消耗量数字甲板机械监测液压设备压力和转速、放钓数量监测、舵机压力、低液位报警数字助渔设备渔探仪数据、测深仪数据、潮流信息、罗经数据图像、数字渔政管理信息船位、渔具渔法、渔获物、进出港信息文字、数字、图像视频监控机舱视频监控、驾驶室频监控、甲板作业区域视频监控视频通导设备各种通信数据、GPS数据、北斗数据文字、语音、数字
信息化和智能化是现代海洋渔业发展的重要方向,智能渔船构建技术是信息化、智能化在现代渔业中实施的主要手段,目前船舶行业已陆续提出和出台“智能船舶”、“智能机舱”等概念和相关法规。渔业船联网存在大量异构化传感器、通信设备、导航设备及视频监控等仪器和设备,相关仪器和设备产生大量结构化数据和非结构化数据,仅对单艘船来说,船载数据处理和交换中心获取的数据量已经很庞大且内容多样化。如对于一个船队或整个船联网系统,实时获取的数据量将是数十、上百Gbps,就目前海上通信技术发展现状来说,其通信带宽尤其是远海通信需要依靠卫星中继,还是满足不了船载设备采集的全部数据实时传输需要。由于对应数据类型和应用需求的不同,系统对数据传输实时性、可靠性和保密性等要求也存在较大的差异。因此,必须构建智能化渔船,使其配备较大存储和处理能力的船载智能化处理中心,能根据数据应用场景的需求并结合岸—船通信环境情况选择无线移动、卫星或有线方式,具有针对不同通信方式下进行数据提炼、清洗、分类、缓存等处理能力。智能化渔船也应具备对部分数据通过船载智能化处理完成本船或船队级应用,以及非结构数据先结构再回传的操作,来降低船岸通信的压力。
由于海上无线通信网络构建的复杂性,近几十年来,海上通信技术的发展远远延迟于陆上通信技术的发展。在中国,海洋渔船的无线通信主要依靠海岸中频/高频和甚高频无线网络以及传统的海洋卫星通信,在近岸场景,岸基无线通信也发挥着极大的作用(表2)。20世纪90年代初,为满足“全球海上遇险与安全系统(GMDSS)”对通信业务的需要,中国建设了奈伏泰斯系统(NAVTEX)、中频/高频系统(MF/HF)等海岸电台系统[16-17],这些电台系统虽然可以覆盖较远的海域,但仅能提供很窄的通信带宽,以满足海上船舶安全信息发布和遇险救助的基本需要。如:NAVTEX系统工作频率在518 kHz,传输距离250~400 n mile,速率50 bps[18];PACTOR高频电台系统的数据传输系统覆盖范围4 000~40 000 km,传输速率9.6 kbps和14.4 kbps[16],由于主要利用电离层进行无线传输,难以满足实时语音通信的需求。在中国海洋渔业领域,远洋渔业船舶通常配有NAVTEX终端,用于接收气象预报信息、紧急海试通知和导航数据等。为了提高海洋渔业生产安全保障能力,2005年农业部开展建设基于中频/高频系统的全国海洋渔业短波安全通信网,目前,全国已建立了14座渔业短波岸台,有6万多艘海洋渔船配备了短波电台[16,20],岸台都实行24 h不间断守听值班,提供渔业生产气象信息发布、安全救助、渔政执法调度、渔民日常通信等服务。
为了确保海上航行安全,查找海难事故原因,国际海事组织(IMO)决定增补配置通用船载自动识别系统AIS[16]。AIS是工作在甚高频(VHF)(156.0~174.0 MHz,其中AIS工作在156.025~162.025 MHz)海上频段的船舶和岸基广播系统,是集现代通信、网络技术和信息技术于一体的助航、海上安全系统,最大传输距离可达30 n mile,传输速率9.6 kbps,增强了船舶航行安全,提高了船舶交通管理效率,得到了大范围的应用[16,18]。中国目前已有30座渔业AIS基站,近6万艘渔船配备AIS船载终端设备[22]。随着对AIS系统在海洋船舶中的大量使用,VHF频段通信需求的增加,在AIS系统可使用频段内已经非常拥挤,在许多繁忙港口已经达到对频段50%以上的占用率,导致信息阻塞等严重问题的发生,影响航行安全。针对上述问题,2013年由国际航标协会(IALA)首次提出了AIS的升级版—VDES系统的构想,相比于AIS系统,VDES系统的通信链路更加丰富,且在原来广播信道基础上增加了VDE的通信信道[21,23-24]。不仅如此,VDES系统还在设计之初就考虑了地面与卫星两大系统,在系统设计和兼容性分析等多个角度做了大量技术研究工作。
针对中国近海渔业通信的需要,渔业船用调频无线电话机系统在沿海也有一定规模的建设和应用[25-26],其工作频段为27.5~39.5 MHz,通话带宽25 kHz,最大作用距离可达50~100 n mile[27],提供自动遇险报警、气象、海况、渔业信息预报、话音通信、船位监测等服务,但由于没有建立相应的渔业通信网络管理规定,网内设备制式混乱,设备利用率不高,影响了系统应发挥的作用。
上述海上无线通信系统具有应用成本低、使用便捷、满足近海覆盖要求的特点。但是,通信系统受气候条件和海洋环境影响较大,通信可靠性不高,而且系统采用窄带通信方式,导致无法提供高速数据业务,极大地限制了其在渔业船联网中的使用。
表2 海上渔业船舶通信技术比较
中国陆基蜂窝移动通信技术发展日益迅速,跟随国际无线移动通信发展过程,经历了以频分多址技术的1G和以时分多址和码分多址为主要技术的2G,之后的3G提供了相比于前两代通信技术更宽的带宽,常用的通信标准有WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA等。在第三代陆基移动通信在中国的陆域覆盖过程中,2005年10月,中国渔政指挥中心与中国联通公司签署了建设海洋渔业CDMA移动通信系统建设协议,建设适用渔业的通信系统[22,28]。系统采用CDMA 1X广域覆盖解决方案,宏基站覆盖半径达到120 km,超远覆盖微基站在近海面的实测覆盖半径达到的82 km,可以非常经济有效地解决近海面的无线信号广域覆盖问题,通话质量也完全适应海上恶劣的渔业作业环境[29-30]。4G通信技术在陆地通信系统正蓬勃发展,日益显示出在数据带宽方面的优势。利用沿海4G网络不仅能够实现基本的语音通信、数据传输、远程监控等功能,还能够提供髙效的海面增值服务。通过采用多天线增强技术、加大发射功率、合适的基站选址等方案,4G信号海面覆盖范围可以达到70 km[31-34],而中继技术在4G通信中的大量使用,为实现海上借助岛、礁石、浮标等地形和设施进行更大范围的海上覆盖提供了可能[35-37]。相比现今广为使用的4G移动通信,5G在大规模天线阵使用、资源利用率、传输速率以及频谱利用率等各方面都有明显的优势, 而且在用户体验、传输时延、网络的覆盖性能等方面也会得到很大程度的提高[38]。在5G通信标准制定过程中已经在考虑与卫星之间的无缝接入[39],实现永远在线、全球无死角覆盖,这也必将为当前面临发展困境的海洋通信网络建设提供良好的发展契机。
随着无线通信技术的高速发展,种类繁多的无线自组网技术出现并应用在生产和生活当中。其中无线MESH自组网由于其能够整合异构网络、提高网络资源利用率、成本低、易于维护而且能够提供可靠的服务而成了下一代无线通信网络的关键技术。无线MESH网络与蜂窝无线网络是不同的网络,采用点到点或者点到多点的拓扑结构,具有节点快速移动、多跳通信、拓扑在不断变化等优点,能够用来解决海上通信“无缝覆盖”的问题。MESH路由器的数据链路层和物理层采用的国际协议标准通常是IEEE802.11[40-41]和IEEE802.16[42]。
图2给出了基于MESH网络的船联网自组网通信方案,其在海洋渔业中应用具有较大的优势[43]。1)灵活节点接入能力:网络具有智能控制和管理功能,可实现突发情况下快速组网和任意点的快速接入和退出,同时对其他节点和正常通信不会造成影响。渔船在海上航行和作业时,多数是在不停地移动位置,船与船之间的距离在不停地变化,MESH的灵活节点接入能力满足了时时移动的渔船作为自组网络接入点的需求,更符合渔业船联网实际的接入条件。2)高度的网络自组织能力:在网络中不存在中心节点,支持16节点同频组网,并具有路径选择、路由自动管理等功能,保证信息通信以最短路径进行传输,并根据节点间的实际连接状态,选择是否接力中继传输和最优接力中继路径。MESH自组网的高度网络自组织能力、无中心化符合渔业船舶航行和作业的实际场景,特别是在近海沿岸渔船较多,渔船与渔船之间多数是无任何协作关系的,高度的网络自组织能力为这些渔船在无约定下实现对岸基无线通信在海上扩展带来便利。3)广泛的网络覆盖:节点之间可实现视距40~50 km的单点传输距离,这样的覆盖能力在各种无线宽带网络中处于较高的水平,通过多跳点中继可以大幅提高岸基无线通信的通信距离,提升系统的传输速率和容量。4)强大的带宽传输能力:网络系统可实现最高6 MHz载波带宽,并实现节点之间最高8.9 Mbps的数据速率,可以充分满足多路视频与音频、数据等信息的同时传输,或最低2.5 MHz的载波带宽,带宽在节点之间实现按需实时动态分配共享,满足多路音、视频和其他数据实时传输需要。船联网中船载设备加装了大量感知器件和设备,采集到包括视频、图片、音频之内的大数据量内容,需要网络传输带宽尽可能宽,这样才能为渔业船联网后续的多样化应用提供可能。
图2 基于MESH网络的渔业船联网自组网通信方案
在海上移动通信领域,尽管基础设施完备的4G移动通信网络为中国近海海上用户的高速数据业务提供便利,但远离海岸的区域覆盖永远是岸基移动通信亟待克服的困难。卫星通信以通信距离远、覆盖范围广、组网灵活,基本不受气候变化和其他自然条件的影响,成为远海通信的理想选择。海事卫星系统(INMARSAT),铱星系统(Iridium)、Thuraya、Skyterra、全球星(Globalstar)、北斗卫星导航系统(BeiDou)和“天通一号”卫星移动通信系统等是在中国海洋渔业卫星通信中使用较多的卫星通信系统。
基于同步卫星的INMARSAT海事卫星系统覆盖全球范围,为处于不同地形、高度的终端提供双向通信服务的通信卫星,随着INMARSAT海事卫星系统业务的发展,它已成为了世界上能为海陆空各种环境提供服务的重要卫星系统。INMARSAT卫星系统陆续演进了五代,目前主要在用的卫星系统是第三代L波段语音通信系统、第四代L波段数据通信系统以及第五代Ka宽带通信系统。第五代海事卫星通信系统定位于宽带通信系统,采用点波束方式,提供72个固定波束和6个移动波束,单颗卫星容量4.5G,可以为宽带卫星终端用户提供下行50 Mbps、上行5 Mbps的速率[44]。2017年5月INMARSA第五代第4颗卫星发射成功[45],这颗卫星覆盖中国及“一带一路”沿线国家,基本完成了第五代海事卫星系统的全球覆盖和针对中国地区的容量增强。
低轨移动卫星通信系统Iridium,与INMARSAT相比,因其轨道面距地很近,信号传输损耗较小,无线电波能集中传至地表,确保信号的品质,同对还可减少回波杂讯,从而促使终端设备复杂性大大降低,终端的体积可大大缩小。第二代Iridium系统Iridium NEXT于2017年完成两批20颗卫星发射,预计整个星座将于2018年完成部署[46]。Iridium NEXT星座支持包括海事、航空、陆地移动、M2M以及政府服务等多个应用领域,提供从上/下行22 kbps,到下行1.4 Mbps上行512 kbps等不同等级速率组合的数据服务,服务性能相比上一代系统有了大幅提升[47]。
北斗卫星导航系统可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务,并具短报文通信能力。截至2018年4月,已经完成31颗卫星发射组网,具备向亚太地区提供服务的能力[48]。计划在2020年前后完成35颗卫星发射组网[49],建成北斗全球系统,向全球提供服务。北斗系统用户终端具有双向报文通信功能,用户可以一次传送40~60个汉字的短报文信息。中国海洋渔业是北斗短报文特色服务普及较早、应用广泛的领域之一,截至2016年底,全国有6万多艘渔船配备了北斗星载终端设备[22],开展主要包括渔船出海导航、渔政监管、渔船出入港管理、海洋灾害预警、渔民短报文通信等应用。
中国启动了多个自主通信卫星计划,如自主研制建设的卫星移动通信系统“天通一号”,2016年8月6日在西昌成功发射,目前卫星开展在轨测试,地面应用、运控系统正集成联试[50-51],拥有超过100个点波束,实现了中国领土、领海、第一岛链以内区域覆盖。用户链路为S频段,可以同时支持超过100万用户使用,并且采用多模方式,与陆基4G移动通信无缝连接,功能包括:拨打全球任意地面固定和移动电话;支持网内和出网短消息以及与地面公网移动终端互联互通;宽带数据业务传输速率最高可达384 kbps。中国其他的通信卫星计划包括:全球低轨卫星星座通信系统“鸿雁星座”[52]、打造天基物联网的“行云工程”[53]、全球覆盖的卫星宽带互联接入“虹云工程”[53]等,均计划在最近几年开展卫星发射和组网工作。未来中国自主全球覆盖通信卫星系统的组网完成及投入服务,将极大地促进中国海洋通信技术的发展,为渔业船联网提供更多的通信技术手段。
综上,卫星通信广域覆盖,几乎不受天气和地理条件的影响,可全天时全天候工作;系统抗毁性强,自然灾害、突发事件等紧急情况下依旧能够正常工作。传统卫星通信设备和资费价格昂贵限制了其在海洋渔业中的应用。基于VSAT卫星通信的卫星VSAT集群通信通过TDMA技术进行多用户信道资源共享,无需单一用户租用宽带专线,设备费用和通信资费大幅下降,为卫星通信在海洋渔业中广泛使用提供了可能。据不完全统计,截至2017年底,至少有2万艘渔船安装和使用该设备。
目前,对于大数据的定义还没有明确的规定。美国Gartner公司认为大数据是需要高效和创新的信息处理方式,以增强洞察力和决策能力来适应大量、高速和多样化的信息资产[54]。麦肯锡全球研究所提出,大数据是指其大小超出了典型数据库软件工具捕获、存储、管理和分析能力的数据集[55]。一般情况下,人们认为大数据有四大特征[56-57],分别是容量性(Volume)、多样性(Variety)、高速性(Velocity)以及价值性(Value)。基于渔业船联网系统的海洋渔业大数据,就是利用大数据的理念、技术和方法,解决海洋渔业或相关领域数据的采集、存储、计算与应用等一系列问题,是大数据的理论和技术在海洋渔业上的应用与实践[58-59]。渔业船联网感知信息和中间处理的数据包含捕捞、供销、科研、管理等各个环节以及影响这些环节的各类因素所产生的所有数据的集合,其规模庞大,存在文本、图像、视频、音频等结构化和非结构化数据,特定时间内不能通过常规方法对其处理和分析,必须进行基于大数据的方法进行数据获取、分类、加工、管理、挖掘、分析等操作。基于渔业船联网的海洋渔业大数据的特征主要表现在:
容量性:随着渔业船联网的建设,在感知系统获取的水质、水文、气象、生物、渔船生产信息(船位、气象、渔具、渔获物、物资、人员以及重要设备运行参数等)、渔船进出港动态信息、渔业渔政管理信息等直接数据及渔业生产状态监测、生产调度、管理运营、用户服务和消费应用等方面产生的数据规模庞大。
多样性:在渔业船联网系统中,拥有结构化、半结构化以及非结构化等多样化数据,各种探测和监测数据种类包括文本、图像、视频、音频等。
高速性:在渔业船联网中,渔业船舶设备的运行状态、渔政监管信息、应急减灾信息等问题要求快速对数据进行处理。因此在整个网络中时效性要求较强的数据以数据流的方式生成,具有动态、快速、及时等特点。
价值性:海洋渔业大数据中隐藏着巨大的经济和社会价值,这些数据不仅反映渔业资源、渔业生产、渔业监管等渔业内部的信息,而且关系到相关海洋环境的情况,对国家的海洋科考、海洋资源的合理利用、减少污染等方面具有重大意义。
基于船联网的海洋渔业大数据处理架构共分为三层[59-60]:数据层、支撑层和服务层(图3)。层与层之间、层内部均遵照数据流传输规范以及数据处理规范,同时,为了保证系统的可靠安全运行,需要设计安全保障体系,确保系统的安全性和可靠性。数据层主要是系统采集和运行生成的各类数据,包括系统运行基础数据库,采集信息组成的感知数据库和业务系统产生的业务数据库。数据层采取标准化存储,为支撑层提供基础数据保证,数据层重点解决异构数据存储、大规模数据存储以及支持高并发等关键技术问题。支撑层是整个系统的中间层,具有承上启下的作用,提供数据维护手段,以及集合上层业务系统所需的各种算法以及基础组件,方便服务层快速开发业务系统,同时也增强了系统的复用和扩展性。服务层直接面向用户和管理维护人员的操作界面,用户可通过移动终端设备APP、对外服务网站门户,以及数据中心的监控指挥大屏幕参与到系统的使用与维护当中,并根据数据中心搜集的各类数据,结合业务内容,研发出直接面向各类用户的应用系统。
图3 渔业船联网大数据处理架构
渔业船联网的构建目的是实现船与仪、船与人、船与船、船与岸、船与数据中心之间的信息通信[3]。主要涉及船内网络、船船网络和船岸移动互联网络。渔业船联网存在于多网融合环境中,由多重不同的网络组成,其中,船内网络包括以太网、CAN总线、RS485/3232等总线通信,以及WIFI、RFID、蓝牙、红外线、NFC等无线通信方式。船船网络主要涉及WIFI、MESH及渔业专用通信等通信方式。船岸移动互联网络包括2G/3G/4G/5G、专网通信、卫星通信等无线通信方式。这种网络融合的特性是导致船联网系统安全新问题的最主要原因。如图4所示,渔业船联网从安全防护对象角度来看[61-62],应从船联网的“端”、“网”、“云”三个相对独立的部分进行安全设计,并在整个过程中贯穿考虑数据安全问题。
图4 渔业船联网安全体制架构
由于渔船运动轨迹和组网方式不断变化,其网络拓扑结构呈现出动态性、暂时性网络;同时节点之间互连关系维持短暂,在有效通信范围内,节点之间保持连接状态,一旦超出节点之间的有效通信范围,它们的连接马上会断开[6]。这就使得船联网与传统互联网相比面临更多的安全风险和隐患。由于船—船自组织网络自身的无中心、自组织等特点,传统有线网络中成熟的安全保障机制无法得到直接应用。另外,船联网中的传感节点通常需要部署在无人值守、不可控制的环境中,使得船联网更容易受到网络攻击,面临安全隐患。除了受到一般无线网络所面临的信息泄露、信息篡改、重放攻击、泛洪攻击、拥塞攻击、丢弃与贪婪攻击、拒绝服务等多种威胁外,还面临传感节点容易被攻击者获取,通过物理手段获取存储在节点中的所有信息,从而侵入网络、控制网络的威胁。目前,船联网的安全需求及目标信息安全问题还尚未得到很好的解决,也是阻碍船联网技术得到广泛应用的关键问题。
在明确了船联网的应用场景和需求的基础上[3],对渔业船联网系统构建中涉及到的智能渔船数据采集及处理、海上无线通信、海洋卫星通信、近海宽带无线、基于MESH的宽带自组网和渔业大数据处理等关键技术的发展现状和趋势进行了综述研究。明确了智能渔船的构建作为渔业船联网智能终端的必要性,及多元集成的海上通信来解决渔业船联网船—岸、船—船通信的可行性和优缺点,并通过对现有各种海上通信技术的分析,厘清了各种场景下通信网络对数据传输保障的能力,为系统传输内容、频次、速率等网络性能评估做好准备工作。通过本文对渔业船联网关键技术等的系统性分析,为后续渔业船联网系统方案的设计奠定基础。
□