基于北斗的船舶防污染监控系统

陈新恩，毕齐林，方 欣，施玲玲，闫奕樸

(广州航海学院，广东 广州 510725)

0 引 言

随着经济全球化和世界贸易的蓬勃发展，全球85%的贸易通过船舶运输，由船舶运行造成的海洋污染日益凸显。在船舶环保方面，国际海事组织IMO 已颁发了全球限硫令，2020 年始要减少全球硫排放到0.5%，船舶的燃油硫含量将从3.5%降到0.5%[1]，因此加强对船舶日常运营的监管，对于防止全球的航运污染海洋环境尤为重要[2 –3]。鉴于此，采用性能优越的北斗短报文通信功能，构建基于北斗的船舶环保监测系统，同时与现有的海洋防污染规则措施相结合，来提升远洋船舶的航行监管水平，已成为工程技术人员的研究热点[4]。

目前，北斗系统在海上的应用主要包括船舶遇险报警业务[5]，定位导航[6]，以及船舶港口调度指挥和监控[7]等方面。林金海[8]提出一种基于北斗的海事安全管理系统，通过北斗对船舶实时监控，实现了北斗在船舶航行安全的动态全过程监控。申翔等[9]则利用北斗系统的短报文通信功能，高效开展了海上搜救工作。但是，相关科研团队采用北斗系统在海洋环境保护方面的研究还不够深入。陈新恩等[10]提出了基于北斗系统的船用焚烧炉进行船岸一体化监控方案，创新设计出几种判断船员是否违规向海洋倾倒垃圾和污油的方法，成为了船舶在海洋环境保护方面利用北斗系统的创新案例。然而该系统只是针对船用焚烧炉的船岸一体化监控，船上其他的防污染设备如油水分离器，船舶尾气排放检测等还未涉及到，并且对于采集的信息数据传输还未深入研究。

针对上述问题，本文构建一种基于北斗系统短报文通信功能的远洋船舶环保船岸一体化监测系统，对各种传感器进行数据采集，将数据信息进行调制和加密处理，船员可实时查看采集的数据信息，了解防污染设备运行状况。通过船岸通信系统将收集的船舶防污染数据信息反馈到船舶管理公司和海事监管部门，分析数据可以判断是否有违规排放的发生，实现船舶，特别是远洋船舶上的日常运营监管，弥补航运监管方面的缺陷。

1 基于北斗的船舶防污染监控系统原理

基于北斗的船舶防污染监控系统工作过程如下：

1）在船载终端的数据采集单元将船舶焚烧炉、油水分离器等防污染设备运行工况参数通过各种传感器进行数据采集，传输到船舶控制中心进行数据统计和存储；

2）将生成的数据信息进行调制和加密；

3）通过船岸通信系统，将信息传输到地面控制中心，船舶管理公司和海事监管部门可及时了解船舶防污染设备的状况，从而构成船岸一体化监控系统，可大大提升船舶防污染的监控水平及海事监管部门的执法力度。船舶防污染监控系统组成如图1 所示，包括船载终端系统、船岸通信系统和岸基数据监管系统。

图1 船舶防污染监控系统构成Fig.1 The composition of ship anti-pollution monitoring system

在船舶防污染船岸一体化监控系统工作过程中，数据采集单元采集焚烧炉2 个以上工作数据信号，主要以风机启动信号和燃烧器启动信号作为开关量信号，确保数据的有效性。系统将数据信息通过串口传输到船载数据处理器进行分析、计算和存储，并加密后通过船载北斗终端发送到陆地终端解密并存储。船舶管理公司和海事管理部门可以通过访问实时了解到船舶防污染设备的实际运行状况。船舶管理公司和海事管理部门也可以通过北斗，向远洋船舶发送相关的指令。一定程度上，整个系统可以进行双向互通。与此同时，考虑到通常情况下的北斗民用通信每条短报文的最大信息容量为78 bit 数据，使用频度1 min 可使用一次[11]。因此，本系统初步设计采用定时发送数据方式，频度为间隔60 s 1 次，并且为紧急通信和自定义消息发送预留频度。

2 防污染船岸一体化监控系统设计

以北斗短报文通信功能位为载体，将北斗卫星通信和远洋船舶防污染设备的实际应用相结合，对于提高远洋船舶防污染监控能力以及保护海洋环境具有重要意义。如图2 所示，考虑到系统应用的实际情况，防污染船岸一体化监控系统主要功能应包括：数据历史查询、数据信息报表、异常报警、应急通信和可扩充功能。

图2 船岸一体化监控系统Fig.2 The ship-shore integrated monitoring system

2.1 硬件设计

硬件设计包括船载终端硬件系统和岸基硬件系统两部分，如图3 所示。船载终端硬件系统包括船载数据处理器、船载数据存储器和火焰探测器、油份浓度传感器、液位传感器、流量传感器、时间计数器等数据采集模块。其中，考虑到本系统所需处理的数据集信息量大、实时性要求高的特点，选用宏晶公司的STC89C52RC 单片机作为处理器，该处理器具有高性能、低功耗和实时信号处理的优点。

图3 船载终端硬件系统框架图Fig.3 The framework of shipboard terminal hardware system

火焰探测器安装在焚烧炉的炉膛内，用来检测焚烧炉是否处于燃烧状态，并通过现场总线将采集的数据传送到船载数据存储器中；质量传感器用来检测船用焚烧炉处理的固体垃圾质量；液位传感器安装在污油水柜中，用于计算船舶产生的污水量和污油量；油份浓度传感器和流量传感器主要安装在污油水管路中，用于测量污油水的油份浓度和污油水的排放量；人机交换模块采用显示屏显示界面，可以通过登录访问存储器中的数据。此外，对于尾气排放含硫量等也可以通过相应的传感器记录并存储在船载数据存储器中。

岸基硬件系统主要包括数据服务器，用于船端数据的接收，海事监管部门和船舶管理公司可以通过登录访问服务器，了解该船的防污染设备运行状况等信息。此外，当前适用于北斗短报文数据传输的终端设备有TS8512 一体机、NIV-201 北斗多模一体机和BZ280 系列北斗一体机。其中TS8512 一体机凭借其精度高、体积小、连接简单、操作方便、集成度高的特点适用于船舰导航、位置上报和船舶短报文通信等大规模应用。

TS8512 一体机主要的性能指标如下：

1）发射功率 5 W（端口功率），2）发射信号频率准确度 ≤5*10−7，3）接收灵敏度 −157.6 dBW，4）载波抑制 ≥30 dB，5）首次捕获时间 ≤2 s，6）数据更新频率 1 Hz，7）失锁重捕时间 ≤1 s，8）时差测量误差 ≤10 ns，9）捕获灵敏度 −133 dBm，10）直流供电 +9～36 V，11）接口为1 个标准RS232 串口。

船载数据处理与存储系统的数据信息通过转换，利用RS232 串口与TS8512 一体机进行连接通信，岸基远程信息管理系统与陆地北斗接收设备通信，进行数据的接收。

2.2 软件设计

基于北斗的船舶防污染船岸一体化监控系统所有的数据采集发送和接收都是一个动态过程。因此，该系统实际上是一个动态的网络系统。软件设计包括船载数据处理与存储系统和岸基远程信息管理系统，其功能设计如图4 所示。

图4 软件系统框架图Fig.4 The framework of software system

考虑到本系统的实时数据传输是一个动态信息采集和存储过程。鉴于此，本系统选用安全性高，支持大多数通用Web 服务器的JSP（Java Sever pages）作为动态网络系统的开发工具，满足动态数据更新要求。

设计的系统主界面，包括当前时间显示、船舶选择确认、参数设定、船岸信息处理、报警设置、运行控制6 个子菜单。点击参数设定子菜单可对船用油水分离器、尾气排放监测等设备的工作参数进行设定；点击船岸信息处理子菜单可对船舶管理公司和海事监管部门发送的信息进行显示和查询；点击报警设置按钮可依据不同的工况要求，对一些传感器的上下限报警量进行自主设置；点击运行控制可对船用油水分离器等设备的工作模式进行选择，并对一些船用辅助设备进行手动启停控制。

船载数据处理与存储系统如图5 所示，可以实现数据实时采集、处理和存储。通过交互界面，船上工作人员可以进行访问、查询等功能。点击防污染设备的工作参数界面，可了解设备运行状况，对污水处理量、污油处理量、尾气含硫量等参数确认。同时，信息查看子菜单也可以对船舶管理公司和监管部门发来的信息进行查看、显示等。

图5 船载数据处理与存储系统界面Fig.5 Shipboard data processing and storage system interface

岸基远程信息管理系统如图6 所示，有船舶信息和状态显示、数据报表生成、报警控制与处理、环保数据查询等功能。系统使用前，需点击船舶信息显示子菜单查询所监测船舶的船名、所属公司，以及以往各类检查的违规记录；实时监控可显示设备的运行画面；报警控制与处理能够查询历史报警记录数据报表生成；环保数据查询功能可对各设备的每日使用情况和历史数据记录进行实时查看；数据报表生成功能可对监测数据进行记录，从而船舶管理公司和海事监管部门可以分析和判断船舶是否有污染产生。

图6 岸基远程管理系统界面Fig.6 Shore-based remote management system interface

3 数据采集通信传输方法研究

3.1 数据采集计算

数据采集过程中，需要实时把采集到的船舶处理的污水、污油量等通过北斗短报文通信功能传输到陆地端的海事监管部门和船舶管理公司。因此，需要计算出相应的数据传输容量，统一采集处理存储。数据信息以字节为单位计算，每个字符对应1 个字节，每个汉字对应2 个字节[12]，转化采集到的数据为可以存储的二进制数，船岸一体化模拟系统数据采集如表1所示。

表1 船岸一体化模拟系统数据采集表Tab.1 Ship-shore integrated simulation system data collection table

由计算数据可知，现有的数据满足北斗通信容量，并且还可以进行通信容量的拓展。

3.2 北斗终端数据接口通信协议

北斗数据通信包括发送和接收，传输指令语句也就包括请求指令和应答指令两部分。在北斗船岸一体化监控系统通信过程中，通信终端采用标准为RS232的串口通信协议与外部设备建立连接，其参数定义如下：传输速率9600 bps；开始位1 位；停止位1 位；数据位8 位；无奇偶校验位。船岸一体化监控系统需要用到的请求指令是通信申请$TXSQ，相应指令是通信信息$TXXX，只有满足相应的协议要求才能建立联系。因此，为保证北斗短报文通信满足协议的相关要求，本文制定的报文格式依次为指令、长度、用户地址、信息内容和校验和5 个方面，传输要求如下：

1）指令

传输时用长度为1 个字节的ASCII 码表示，以起始符“$”开始；

2）长度

即数据总字节数，表示从“$”到校验和（含校验和）为止；

3）用户地扯

用户机3 个字符长度的ID 号；

4）信息内容

各参数按格式要求进行填充，使用二进制原码；

5）校验和

是指从“指令”起始符起到“校验和”为止，按字节异或统计的字符总数。

发送报文格式如表2 所示。

表2 发送报文格式Tab.2 Send message format

通信过程中，发送报文电文内容包括远洋船舶防污染设备焚烧炉运行形状况参数，油水分离器水中油含量等参数、尾气排放硫含量等数据信息。

接收报文格式如表3 所示。

表3 接受报文格式Tab.3 Accept message format

其中，CRC 检验是循环冗余检验，根据除法及余数原理作错误帧测，确保传输数据准确无误，“00H”为正确信息，“01H”即为错误信息。接收报文主要是岸基的北斗地面控制中心，使得船舶管理公司和海事监管部门能够获得远洋船舶防污染设备的参数。

4 结 语

针对远洋船舶难以监管的弊端，基于北斗系统的短报文通信功能，研究了一种基于北斗的远洋船舶环保船岸一体化监测系统，得到以下结论：

1）北斗通信系统适合于大范围的船舶动态监管，以及船舶相关数据资料的获取；

2）基于北斗的远洋船舶环保船岸一体化监测系统统可对船舶上的防污染设备运行状态实时监测，为远程监控提供了技术支持和信息支撑；

3）该系统满足了远洋船舶上的日常运营监管，弥补航运监管方面的缺陷，同时成为北斗系统依托船舶在海洋环境保护方面实现应用的创新型案例。