船舶运输环境观测与数据传输系统的构建

徐鸿志 山东海运股份有限公司

刘轶华 上海海事大学

鲍献文 中国海洋大学

张建民 山东海运股份有限公司

船舶运输环境要素主要包括海浪（风浪和涌浪）、海冰、洋流、风、气压、气温、水温、湿度、能见度及天气现象等。海运航线要实现智能决策，就需要对船舶运输环境要素进行监测，采集数据并实时传输，构建运输环境观测与数据传输系统。

运输环境观测与数据传输系统包括运输环境数据观测、数据采集和传输等三个子系统，其构建分为三个方面：大气和海洋观测与数据传输系统研发，观测系统实船安装、调试、试运行和示范运行，观测数据落地（接收）、存储（数据库管理）、分发（反馈）。

1.现有条件分析

目前，目标航线上运行的远洋船舶其对运输环境观测能力相对较弱——观测设备主要为分离式的早期产品，有些要素为人工观测（或读数）；观测数据主要记录在航海日志上（通常4小时一次记录），但不能无线发送。器测自动测量的运输环境要素有：经纬度、气温、风速风向、GPS速度、船舶对水的速度；目测的运输环境要素有：海浪（风浪和涌浪）、洋流、海况、天气现象；人工观测的运输环境要素有：湿度（干湿温度表）、气压（空盒气压表）、水温（读数）。这些运输环境要素基本涵盖了系统要求的观测要素。

图1 系统组成示意图

Email发送已经成为了远洋运输船舶主要通讯方式，每天的“船位报”均通过Email发送，具备了自动观测数据的发送条件。

2.技术解决方案概述

首先，是将除目测项目（海况、能见度、天气现象）外的其他观测要素变为自动器测，即通过传感器和模数转换技术，实现气温、气压、湿度、风速风向、降水、GPS速度、船舶对水的速度（模数转换）、水温（模数转换）的自动采集和记录。然后，通过程序将自动采集的观测数据与每日“船位报”合并，经Email发送回陆地。对于目测要素数据采用触屏选择的方式，形成数据记录，并与自动观测数据一并发回陆地端。

陆地端，在接收到Email后，通过程序自动将观测数据与“船位报”分离，“船位报”仍按原有方式处置，而观测数据则自动记入数据库。通过数据库管理观测数据，并按不同用户或单位的实际需求，通过SQL的组合实现数据库的检索查询，实现不同文件格式（Excel、TXT、CSV等）的导出，或可通过网络进行“数据分发”为不同用户提供数据服务。

3.观测要素和系统组成

3.1 观测要素

观测要素包括：水温、气温、湿度、气压、风速风向、海浪（海况）、能见度、天气现象等，参照原有观测要素，包括GPS速度和船舶对水的速度，共计为10个观测要素。其中，目测为4个要素：海况、洋流、能见度、天气现象。其余的均可为器测，由综合气象传感器观测要素：气温、湿度、气压、风速风向、降水（可作为天气现象的补充）。表层海水温度可在原有温度传感器的基础上，通过加装模数转换模块转变为数字信号。船舶对水的运动速度也可采用相同的方法。而GPS速度则可通过导航GPS的输出或通过程序采集位置信息，通过计算得到对地速度。

3.2 系统组成

系统包括2大部分，一是船舶方面的软硬件总成；二是陆地端接收Email和北斗发送的信息，并通过数据库存储和管理（检索、导出、分发），参见图1。

上图中，左侧为船端的数据/信息输入，数据采集和控制将定时采集传感器数据（如每小时一次），并记录采集数据。每日，结合定时发送的船位报信息，进行发送前的编码。编码包括两部分，一是通过Email发送，既将船位报信息与数据打包形成一个邮件；二是按照北斗卫星发送规则编制的短报文。然后，分别通过Email通讯链路和北斗通讯链路发送。

在陆地端，分别通过Email通讯链路和北斗通讯链路接收。北斗卫星的接收信息，通过串口直接进入服务器，由程序解析并输入数据库。

4.系统建设

系统建设分为2部分：一是涉及船舶方面的观测、数据采集、数据发送等“采集发送系统”的建设内容；二是涉及陆地方面的数据接收落地、信息分解、解析存储、检索处理、分发共享等“陆地接收系统”的建设内容。

4.1 船舶需要加装的器件及对船舶的要求

涉及船舶方面系统建设的基本原则是，充分利用现有的电缆线路，杜绝或最大限度地减少船舶改造工程。需要加装的器件包括：（1）气象传感器；（2）数据采集、控制和显示单元；（3）北斗收发一体机；（4）模数转换模块（水温、船对水速度）；（5）无线接力传输模块；（6）船舶航行GPS输出信号隔离模块；（7）系统供电来自船电（交流220V或直流12V，系统总功率小于50w）。

4.2 数据采集汇总和控制

主要功能包括：（1）承担气象传感器、北斗一体机的直流供电；（2）通过触摸屏选择方式完成目测项目的人工输入（尽量简化操作）；（3）实时显示观测数据，为航海日志记录提供信息；（4）需要与Email发送发生连接关系，以便将观测数据记录编码附加到定时船位报（Email）后部一并发出，这些工作需要了解定时船位报（Email）的生成和发送过程。

4.3 数据发送和传输

数据发送和传输分别通过现有的Email通讯链路和北斗卫星通讯链路来实现。

在通过现有的Email通讯链路时，需要与船位报合并后发送，落地时再将观测数据从邮件中分离出来，形成2部分内容。分离出的船位报文，将保留原格式，不改变原报文处置方式。而观测数据则写入数据库，这个过程由程序自动完成。

4.4 陆地接收端建设

在陆地接收端，主要涉及到数据接收和数据共享两个方面的问题。由于现有网络和服务器等环境条件不明，因此需要根据陆地接收端的实际情况讨论、补充和修改这部分内容。

4.5 陆地数据接收

如上所述，观测数据接收（落地）分为两个部分，一是接收船舶发送的Email；二是接收北斗卫星通讯数据，因此在陆地端将涉及到以下几个方面。

（1）服务器和局域网。收到的Email后，首先经部署在服务器上的“邮件分离”程序自动处理，分成船舶报文邮件和观测数据2部分。

（2）程序的安装和部署。“邮件分离”程序、数据库和数据库管理备份软件、数据库检索和数据共享程序（内部共享和外部共享）、北斗卫星数据接收入库和指令发送程序，都需要在服务器上进行安装和部署。

（3）北斗异地接收。北斗数据接收与Email接收可以为异地接收方式。这样带来的问题是需要通过网络使两个接收，滚筒使用同一个数据库，在技术上是可以实现的。

4.6 数据分发

考虑到项目评估、评价、预报改进的目标，示范船的观测数据必将涉及到数据共享的问题，需要通过网络实现观测数据的分发共享，在技术上是可以实现的。

5.硬软件研发

5.1 主要硬件研发

按照上述描述，在硬件方面主要研发的是“数据采集、控制和显示单元”，主要包括：（1）数采和控制单元；（2）系统供电；（3）其他模块和器件。

5.2 主要软件研发内容

软件方面，船端软件由于缺少维护条件，需要运行稳定并具备一键重装，或远程重装功能。陆地软件尽管维护方便，但同样应运行稳定可靠，通过充分测试，尽量减少Bug。仅从数量上讲，软件研发要多于硬件，主要软件如下：（1）数据循环采集和控制程序；（2）邮件自动分离程序；（3）北斗卫星数据接收程序；（4）数据库数据检索程序；（5）数据内外部共享（分发）程序；（6）服务器安装部署程序；（7）数据库。

6.结束语

船舶运输环境观测与数据传输系统的构建，需要明确陆地环境条件（网络、服务器情况等），确定观测数据共享的规则，编制开发技术文档的设计输入，安装、测试、系统调试，最后系统进入实船运行。