漁業生產安全保障遠程管理系統

何 偉，柳晨光，石 磊，初秀民

1.閩江學院交通學院，福建 福州350108；2.智能交通研究中心(武漢理工大學)，湖北 武漢430063

0 引 言

根據《2011中國漁業統計年鑒》統計數據，2009～2011年沿海漁業安全事故共計沉船1 892艘，重大傷亡人數高達780人，直接經濟損失高達2.54億元[1].事故險情的三項指標，即沉船數量、重大傷亡人數、直接經濟損失的年變化情況如圖1所示.

圖1 2009至2011年漁船事故安全統計圖

從圖1可以看出，沉船數量從2009年的808艘減少到2011年的598艘，其他指標基本平穩.這說明漁船安全狀況有所好轉，但是每年重大傷亡人數還是沒有大規模減少，漁民生命安全保障現狀值得關注.根據2009～2011年我國農業部漁業安全生產報告統計分析，漁船碰撞占漁業安全事故的40%，觸礁和觸損共占28%，擱淺占5%.為減少漁船安全事故的發生，全國漁業發展“十二五”規劃中提出要加快漁業管理信息化的建設，不斷提高漁業管理信息化水平[2].因此結合漁船身份識別、漁網身份識別以及人員落水應答等漁業生產安全保障成套終端開發漁船安全監控系統以及遠程監控系統軟件，實現漁船、商船、漁網、人員等有效物聯，從而保障漁業生產安全，對加強漁業管理信息化、減少安全事故發生具有重要意義[3-4].

筆者將開展漁業生產安全保障信息遠程管理系統的設計研究，首先分析漁業生產安全保障物聯網技術研究現狀，提出漁業生產安全保障信息遠程管理系統技術需求；其次，分析漁業生產安全保障技術體系，提出系統實現的關鍵技術解決方案；最后設計漁業生產安全保障信息遠程管理軟件系統的架構及其功能，并進行研究展望.

1 漁業生產安全物聯網相關技術

1.1 導航定位技術發展

從國家和福建省漁業相關部門制定的“十二五”規劃可知，北斗導航系統得到了國家的大力扶持，近幾年會加大推廣力度；當前占用絕大部分市場的GPS是由美國控制，遇到突發狀況有隨時停止服務的可能；相比于GPS，北斗導航系統擁有短報文通信功能，在災難救援中能發揮重要作用.基于這些因素，未來北斗導航必將大量運用于導航和救助領域.因此，開發基于北斗導航的設備符合未來漁業導航、救助發展方向.

1.2 漁船救助設備

2007～2008年，國際海事組織(International Maritime Organization，以下簡稱：IMO)修改了GMDSS方面的標準以及SOLAS公約的相關章節，將原來船舶強制配置的“雷達應答器(SART)”修改為“搜救定位裝置”包括了雷達應答器(RADAR-SART)和自動識別搜救應答器(AIS-SART)，從2010年1月1日起，RADAR-SART和AIS-SART可以互換.RADAR-SART是一種被動發射信號的應答裝置，無法主動進行位置報警.AIS-SART是一種船舶救生用定位裝置，它開啟后會自動發射本船(救生艇/筏)的識別碼和位置信息，信號發出后，事故船舶周圍的船舶或搜救飛機會發現特殊信號，并快速確定遇險船舶(救生艇/筏)的位置，縮短搜救時間.AIS-SART與RADAR-SART相比性能更加優越，不僅定位更精準而且搜救距離更遠.經試驗證實，AIS-SART較之RADAR-SART更有利于在惡劣的海上環境時，能夠精確快速地對遇險船舶、救生艇及幸存者進行定位，贏得寶貴的救援時間，與RADAR-SART不同的是，AIS-SART是主動發射信號的報警裝置[5].

1.3 船聯網

船聯網的提出就是寄望于將物聯網研究的理念、方法和成果應用于水上交通，將物聯網研究領域中區域成熟的技術引入航運，對航運中的船舶、貨物、航道、橋梁、船閘等對象的相關屬性進行感知，構建水上智能交通物聯網.水上交通系統中的信息技術在過去發展中已經在船岸通信、交通組織和管控等方面取得了長足進步，以船舶自動識別系統(Automatic Identification System，以下簡稱AIS)、船舶交通服務(Vessel Traffic Services，以下簡稱VTS)、電子海圖顯示與信息系統(Electronic Chart Display and Information System，以下簡稱：ECDIS)為代表的各種專門技術均得到廣泛應用[6-7].在漁業管理方面，也應用到了船聯網的相關理念和技術，目前已經建立了中國漁政管理指揮系統和全國海洋漁業安全通信網，對于漁業管理、救助等方面發揮了較好的作用.隨著船聯網的興起和發展，在漁業生產中也逐步在漁船、漁網、漁民、其他船只、航道、監管部門之間組建互聯網絡，并開發漁船安全監控船載系統以及遠程監控系統軟件，實現漁船身份識別、漁網身份識別、人員落水應答、船舶避碰等功能.該系統可與當前正在運行的中國漁政管理指揮系統和海洋漁業安全通信網絡進行數據和網絡資源共享，建立一套標準、完善的漁業信息管理和服務系統.

2 漁業生產安全保障研究技術體系

為了保障漁業生產安全目標，有必要基于北斗導航、AIS-SART、AIS通訊技術，利用VHF、3G網絡，開發漁船安全監控船載系統和漁業安全生產遠程管理系統，筆者提出了基于船聯網的漁船安全生產技術體系，如圖2所示.

2.1 基于北斗的漁船AIS系統

隨著北斗衛星導航在亞太地區正式投入運行，北斗導航已在我國森林防火、水利防汛、交通運輸、安全保衛等領域獲得了廣泛應用.當前AIS設備使用的衛星定位技術主要是美國開發的GPS導航，而美國出于某種目的(戰爭時期)可隨時關閉導航服務.因此，開發基于北斗導航的AIS系統是十分必要的.相比于GPS，北斗導航在AIS設備應用中具有以下優勢：北斗定位系統與AIS在電路和協議上是相互兼容的； 它同時具備定位與通信功能，可拓展AIS功能； 安全、可靠，保密性強，適合關鍵部門使用.

基于北斗的漁船AIS系統是采用AIS技術，內嵌北斗衛星接收模塊，在AIS標準基礎上，將北斗衛星接收模塊作為定位源替代AIS原有GPS定位，同時增加短報文通信功能的系統.為實現短報文通信，需增加北斗短報文通信模塊，并配套輸入、顯示單元.基于北斗定位的AIS系統結構如圖3所示.

圖2 漁業生產安全保障技術體系

圖3 基于北斗定位的AIS系統結構

2.2 基于北斗的漁網定位器

漁網漁船出海通常會攜帶多條漁網，為充分發揮捕魚效率，相鄰漁網之間可能相距較遠，漁網在船舶、海流或者海風等作用下有時會丟失.大部分漁民屬于低收入人群，而一條漁網可能會有將近萬元的價值.

由于漁網安放不規范、漁網漂移、過往船舶行駛偏航等原因，漁網礙航現象時有發生，一旦發生漁網被船舶螺旋槳纏住，對船舶安全航行造成很大影響.因此，沿海海事相關部門定期會啟動清理礙航漁網的行動.

針對上述漁網丟失和漁網礙航現象，基于北斗的漁網定位識別器的研發是十分必要的.漁網定位識別器是在漁網上安裝一套基于VHF的通信設備，其可周期性主動的廣播自身位置信息，使漁網所屬漁船和周邊船舶能實時監控漁網位置，保障漁網和漁船航行安全.

根據IMO規定，漁船不需強制安裝A類AIS船臺，從目前推廣情況來看，絕大部分漁船配備的是B類AIS船臺，為保持兼容性，漁網和人員定位器也應采用B類AIS船臺標準.對應于A類AIS發射功率為12.5 W，B類AIS發射功率為2 W.漁網、人員定位器只需廣播位置信息，無需接收AIS信息，在產品設計時可屏蔽發送功能，以降低功耗.在正常情況下，人員定位器應處于關閉狀態，完全不耗電，當發生危險時就人為可觸發開關，以10 min間隔對外廣播信息.漁網定位器是在漁網下水后就需打開，以10 min間隔對外廣播信息.定位器系統組成框圖如圖4所示.

圖4 定位器系統組成框圖

2.3 基于北斗的人員定位器的研發

漁業一直都是高危行業，據聯合國國際勞工職業安全與健康分部估算，全世界每年漁民平均死亡率約為80人/10萬人，漁船失事、漁民落水現象時有發生.據統計，福建省2013年上半年共發生漁業船舶水上安全事故11起，其中生產安全事故共造成4人死亡(含失蹤).漁船失事后，漁船船員應沉著冷靜，按序登上救生筏，及時發送求救信號.情況特別緊急而沒有時間登上救生筏，船員就需要配備一套求救裝置，能不間斷發送求救信息.基于北斗的人員定位器是基于北斗導航系統定位，通過VHF網絡廣播自身求救信息的設備，具有防水、使用時間長等特點.

一艘漁船如果為所有的漁網和人員配備定位器，對于漁民來說也是一筆不菲的費用.本文提出以一種基于AIS基帶信號的快速調制算法，其利用高斯濾波最小移頻鍵控(Gaussianfiltered Minimum Shift Keying，以下簡稱：GMSK)調制后基帶信號波形的特點，不需要數字信號處理器(Digital Signal Processor，以下簡稱：DSP)或者現場可編程門陣列(Field-Programmable Gate Array，以下簡稱：FPGA)就能調制出滿足要求的GMSK信號，降低了設備生產成本，但該算法只適用于發送不接收AIS報文的場合.該算法的程序實現流程如圖5所示.

圖5 算法的程序實現流程

2.4 基于AIS的漁船、漁網、商船、人員定位交互協議規范研究

漁船AIS、漁網定位識別器、人員定位識別器和其他船舶AIS都是基于VHF網絡傳輸信息，它們之間通信是通過AIS報文實現的，由于AIS標準并沒有針對漁網和人員作特殊規定，因此需要規范它們之間的交互協議.漁網、人員定位器是可以通過AIS標準的18號、19號報文廣播自身位置、速度等信息.

2.5 漁船安全監控船載系統

借助船聯網的概念，可將漁船看作為一個封閉系統，其包括漁船、船員和漁網，它們之間通過VHF網絡實現“物物相連”.在漁船上開發一套安全監控船載軟件，就可實時監控漁船與漁網的位置關系、漁船上船員的位置和漁船本身的狀態，同時該軟件還可以與周圍船舶、漁船管理部門進行數據交換.

漁船安全監控船載軟件是集成電子海圖，面向漁船、商船、漁網和遇險人員等多個對象的顯示與管理終端.其主要功能有：① 漁船與周邊船舶狀態信息顯示，包括位置、航速、航跡；② 漁網位置顯示和報警提示；③ 遇險人員位置顯示；④ 船舶歷史軌跡回放；⑤ 設定漁網安全位置范圍，超過安全位置即報警；⑥ 集成北斗短報文通信功能.

漁業生產遠程管理系統是通過遠程監控漁船、漁網、船員(漁民)、氣象、搜救設施等對象的實時狀態，來保障漁業生產的安全和提高漁業生產效率的管理系統.該系統主要功能有：① 監控每條漁船及附屬物品和人員的狀態；② 監控氣象信息，保證漁業安全；③ 監控搜救設施的狀態，出事故后作出應急決策，將損失控制到最小；④ 開放數據接口，可與其他授權系統共享數據；⑤ 集成北斗短報文通信功能.

3 漁業生產安全保障信息遠程管理系統架構與功能設計

利用漁業生產安全保障終端，并整合已有漁業、海事資源，設計漁業生產安全遠程管理系統如圖6所示，系統共分為5層，分別為信息感知與接入層、基礎網絡層、數據中心層、業務邏輯層和信息服務層.

圖6 漁業生產安全保障信息遠程管理系統架構

a.信息感知與接入層.信息感知與接入是指通過構建漁船船聯網，以對漁船、漁網、人員狀態進行監控，通過AIS網絡實現漁船船聯網與周圍商船的互聯.船聯網的建設需要依靠人員定位器、漁網定位器、AIS的輔助，它們通過AIS網絡聯接起來，構成漁船安全監控管理系統.其中，漁船AIS、人員定位器和漁網定位器是基于北斗導航系統定位.

b.基礎網絡層.基礎網絡層主要是用于數據通信，漁船安全監控管理系統采集的數據可通過3G網絡傳輸到上一級數據庫保存和調用.由于漁船出行安全受到天氣影響較大，因此有必要提供氣象數據給遠程管理系統.

c.數據中心層.數據中心層主要是用于數據存儲和管理，主要包括漁船、人員、漁網、商船和氣象數據.根據信息采集的要求，應事先制定好數據庫存儲格式.

d.業務邏輯層.業務邏輯層主要是實現數據添加、修改和查詢業務，驗證數據格式是否正確，用戶權限判斷等功能，保證程序運行的健壯性.

e.信息服務層.信息服務層是基于漁業生產遠程管理系統為漁業管理部門、漁民提供信息服務，主要包括漁船監控、風險預警、數據共享、北斗短報文通信、船舶軌跡顯示與回放、突發應急事件決策等.

4 結 語

基于北斗定位的漁業生產安全保障信息管理技術有助于促進北斗導航、搜救設備在漁業領域的推廣，漁船船聯網的建設也符合當前發展趨勢.筆者開展基于北斗定位的漁業生產安全保障信息遠程管理系統的技術研究，取得主要研究結果如下：

a.在漁業領域提出船聯網概念，通過VHF網絡將漁船、漁網、船員(漁民)、商船互連，并在漁船上安裝漁船安全監控船載軟件系統，保證漁船作業安全.

b.提出基于北斗導航的漁網、人員定位器設計方案，集成北斗導航短報文功能，在漁網丟失、人員遇險時發揮重要作用.

c.提出基于AIS基帶信號的快速調制算法技術方案，可有效降低漁網、人員定位器成本.

d.設計了漁業生產遠程管理系統框架，遠程監控漁船、漁網、船員(漁民)、氣象、搜救設施等對象的實時狀態，同時開放數據分享接口.

筆者的研究為漁業生產安全遠程管理系統開發提供完整的技術思路，將有助于加強漁業生產安全研究，提高了漁業生產信息化水平.在未來研究中將開展漁業生產安全遠程管理系統開發與安全預警管理、漁船安全風險控制等研究.

致 謝

閩江學院提供了資金資助，在此致以衷心的感謝！

[1] 農業部漁業局.2011中國漁業統計年鑒[M].北京:中國農業出版社,2011.

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