開敞式碼頭系靠泊網(wǎng)絡(luò)化實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸方法

隋 多，邱占芝，王偉健

(大連交通大學(xué) 軟件學(xué)院，遼寧 大連 116000)*

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來，海上運(yùn)輸業(yè)的蓬勃發(fā)展導(dǎo)致港口海岸線資源日益緊張，建設(shè)開敞式碼頭已經(jīng)成為解決港口海岸線資源消耗殆盡的必然趨勢(shì).然而，開敞式碼頭直面海洋，系靠泊作業(yè)環(huán)境惡劣，風(fēng)、海浪、潮流等環(huán)境動(dòng)力要素，對(duì)系靠作業(yè)安全構(gòu)成極大的威脅.在過大的風(fēng)浪流作用下，船舶運(yùn)動(dòng)幅度將加劇，極易造成系泊纜力超限，造成斷纜事故發(fā)生.2006年7月15日，發(fā)生在大連30萬噸級(jí)進(jìn)口原油碼頭的原油船“偉大聯(lián)盟”的斷纜漂流擱淺事故險(xiǎn)些造成27萬噸進(jìn)口原油的泄漏［1］.為此，亟待建立大型開敞式碼頭系靠泊網(wǎng)絡(luò)化實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，以便保證系靠泊作業(yè)安全，提高系靠泊作業(yè)效率.本文針對(duì)開敞式碼頭系靠泊網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行需求，研究系統(tǒng)不同監(jiān)測(cè)對(duì)象的數(shù)據(jù)傳輸方法，給出系統(tǒng)組網(wǎng)模式、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，以及數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)與處理流程，并通過系統(tǒng)模擬驗(yàn)證提出方法的有效性.

1 需求與監(jiān)控目標(biāo)分析

船舶大型化與碼頭深水化的發(fā)展使得碼頭越來越多的建設(shè)在外海開敞區(qū)域，合理的布纜方式與恰當(dāng)?shù)淖o(hù)舷保護(hù)有助于系泊船舶對(duì)外海自然條件的抵御與適應(yīng).開敞式碼頭的平面布局方式一般分為四種:常規(guī)的開敞式泊位、“蝶”形的開敞式泊位、浮筒系泊的開敞式泊位、多方位的開敞式泊位［2］.在我國(guó)一般多采用“蝶”形開敞式泊位(如圖1所示為蝶形碼頭泊位系纜示意圖).

圖1 蝶形碼頭泊位系纜示意圖

由于受到自然因素包括海風(fēng)、海浪、海流的共同作用，系泊船舶會(huì)產(chǎn)生不可抗拒的六自由度復(fù)合運(yùn)動(dòng)，這六個(gè)自由度分別是橫移(sway)、縱移(surge)、升沉(heave)、橫搖(roll)、縱搖(pitch)、回轉(zhuǎn)(yaw)［3］.強(qiáng)復(fù)合運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致纜繩張力過大而發(fā)生崩斷，之后纜力重新分配作用于剩余纜繩而使其悉數(shù)斷裂，因此監(jiān)控系統(tǒng)要保證對(duì)上述六自由度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè).監(jiān)控系統(tǒng)還要能準(zhǔn)確地獲取系泊船舶的基本信息(如船舶名稱、船舶編號(hào)、排水量、泊位編號(hào)、國(guó)籍、進(jìn)離港日期等).實(shí)時(shí)視頻監(jiān)測(cè)模塊也是船舶監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分，它采用數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化的多角度進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)視頻監(jiān)測(cè)，更直觀更快捷地掌握船舶系泊情況.

經(jīng)上述分析并結(jié)合用戶實(shí)際需求，監(jiān)控系統(tǒng)主要傳輸數(shù)據(jù)分為以下四大類:

(1)船舶靜態(tài)屬性(船舶名稱、船舶編號(hào)、排水量、泊位編號(hào)、國(guó)籍等);

(2)船舶動(dòng)態(tài)屬性(纜繩張力、護(hù)舷壓力、橫移、縱移、升沉、橫搖、縱搖、回轉(zhuǎn)等);

(3)海洋環(huán)境信息(風(fēng)向、風(fēng)速、流向、流速、浪高等);

(4)視頻監(jiān)測(cè)信息.

基于上述監(jiān)測(cè)對(duì)象的傳輸需求，整個(gè)開敞式碼頭系靠泊網(wǎng)絡(luò)化實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)被分成三層結(jié)構(gòu):監(jiān)控層、網(wǎng)關(guān)層、網(wǎng)絡(luò)層.其監(jiān)控層由CAN總線和CDMA2000 1X網(wǎng)絡(luò)擔(dān)當(dāng)，網(wǎng)關(guān)層則由對(duì)應(yīng)的CAN/Ethernet網(wǎng)關(guān)和PDSN網(wǎng)關(guān)組成，而上位機(jī)網(wǎng)絡(luò)層由以太網(wǎng)Ethernet來搭建.纜繩張力與護(hù)舷壓力的底層采集模塊通過CAN總線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸與CAN/Ethernet網(wǎng)關(guān)的轉(zhuǎn)換功能，將采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至基于以太網(wǎng)的上位機(jī)網(wǎng)絡(luò)中;船舶靜態(tài)屬性、部分船舶動(dòng)態(tài)屬性、海洋環(huán)境信息、視頻監(jiān)測(cè)信息則利用目前流行的移動(dòng)通信網(wǎng)下的3G網(wǎng)絡(luò)CDMA2000 1X與PDSN網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸.據(jù)此，開敞式碼頭系靠泊網(wǎng)絡(luò)化實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)如下圖2所示.

圖2 數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

2 數(shù)據(jù)傳輸方法

開敞式碼頭系靠泊網(wǎng)絡(luò)化實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)采用兩種數(shù)據(jù)傳輸方法:CAN總線——以太網(wǎng)Ethernet傳輸和CDMA2000 1X——以太網(wǎng) Ethernet傳輸.其中，前者主要涉及纜力與護(hù)舷壓力的數(shù)據(jù)傳輸，而其余監(jiān)控對(duì)象的數(shù)據(jù)傳輸均采用后者.

2.1 纜力與護(hù)舷壓力的數(shù)據(jù)傳輸

纜力與護(hù)舷壓力的數(shù)據(jù)傳輸方案:電阻應(yīng)變式傳感器［4］采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過 CAN發(fā)送模塊，將數(shù)據(jù)以CAN數(shù)據(jù)幀格式進(jìn)行總線傳輸，使之到達(dá)CAN/Ethernet網(wǎng)關(guān)，CAN數(shù)據(jù)幀利用網(wǎng)關(guān)，轉(zhuǎn)換成為以太網(wǎng)幀，最終通過以太網(wǎng)傳輸?shù)竭_(dá)上位機(jī)系統(tǒng).纜力與護(hù)舷壓力的數(shù)據(jù)傳輸，應(yīng)具有高實(shí)時(shí)性、高可靠性，因此系統(tǒng)采用當(dāng)今主流CAN總線(ControllerAreaNetwork)作為監(jiān)控底層網(wǎng)絡(luò).CAN現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、航海工程等領(lǐng)域，它作為智能設(shè)備的聯(lián)系紐帶，把掛接在總線上、作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的智能設(shè)備連接成為一種全分布網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)［5］.而基于以太網(wǎng)Ethernet的上位機(jī)網(wǎng)絡(luò)，具有低成本、易組網(wǎng)、高速率等特點(diǎn)，滿足開敞式碼頭全方位的信息傳遞、共享和集成功能.CAN總線與以太網(wǎng)的連接紐帶由CAN/Ethernet網(wǎng)關(guān)擔(dān)當(dāng).

CAN總線只包含物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層，采用短幀結(jié)構(gòu)并以多主方式工作.傳感器的采集值，采用CAN技術(shù)規(guī)范(Version 2.0)中定義的含有29位標(biāo)識(shí)符的擴(kuò)展幀格式來表示.其中，具體涉及到四種不同類型的幀:數(shù)據(jù)幀(Data Frame)、遠(yuǎn)程幀(Remote Frame)、錯(cuò)誤幀(Error Frame)、過載幀(Overload Frame).數(shù)據(jù)幀(Data Frame)是由7個(gè)不同的位域(Bit Field)組成，包括幀起始(Start of Frame)、仲裁域(Arbitration Field)、控制域(Control Field)、數(shù)據(jù)域(Data Field)、CRC 域(CRC Field)、應(yīng)答域(ACK Field)和幀結(jié)尾(End of Frame)［6］.具體的 CAN 報(bào)文格式如表1所示，標(biāo)識(shí)符中的ID28到ID18為基本ID，它定義了擴(kuò)展幀的基本優(yōu)先權(quán);而ID17到ID0為擴(kuò)展ID，表示纜繩或護(hù)舷設(shè)備編號(hào)(如艏纜、艉纜、1JHJ護(hù)舷等);數(shù)據(jù)域由4個(gè)字節(jié)組成，表示纜力和護(hù)舷壓力的數(shù)值.Can/Ethernet網(wǎng)關(guān)是以微處理器+TCP/IP協(xié)議棧芯片+以太網(wǎng)物理層接口芯片的形式來組建［7］，CAN數(shù)據(jù)幀經(jīng)過Can/Ethernet網(wǎng)關(guān)中的TCP/IP協(xié)議棧各層協(xié)議的處理變成以太網(wǎng)幀，即在CAN數(shù)據(jù)前添加相應(yīng)的協(xié)議頭，如鏈路層的以太網(wǎng)幀頭，網(wǎng)絡(luò)層的IP包頭以及傳輸層的TCP或UDP頭.封包好的以太網(wǎng)幀，通過幀上的目的地址，到達(dá)目的MAC地址的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，在網(wǎng)絡(luò)層中需要處理相應(yīng)的IP包和ARP包，ARP包用以實(shí)現(xiàn)IP地址與MAC地址的映射，而IP包經(jīng)過IP協(xié)議解析變成了ICMP包、TCP包或UDP包，ICMP包經(jīng)過ICMP協(xié)議處理后，發(fā)送錯(cuò)誤報(bào)告或信息，TCP或UDP包經(jīng)過TCP或UDP協(xié)議解析后，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綉?yīng)用層中的上位機(jī)系統(tǒng).上位機(jī)與Can/Ethernet網(wǎng)關(guān)的傳輸采用SOCKET套接字連接，其中網(wǎng)關(guān)工作在服務(wù)器端，上位機(jī)工作在客戶端.傳輸時(shí)雙方首先建立SOCKET套接字，服務(wù)器端(網(wǎng)關(guān))綁定套接字，監(jiān)聽指定端口，等待連接.客戶端(上位機(jī))發(fā)送建立連接命令Connect()，等待服務(wù)器端回應(yīng).連接建立后，纜力與護(hù)舷壓力數(shù)據(jù)開始進(jìn)行上傳，上傳結(jié)束后關(guān)閉套接字連接.

表1 CAN報(bào)文格式定義

2.2 其余監(jiān)控對(duì)象的數(shù)據(jù)傳輸

其余監(jiān)控對(duì)象的數(shù)據(jù)傳輸方案:現(xiàn)場(chǎng)采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過CDMA 2000 1X發(fā)送模塊的空中接口，將數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)絇DSN網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)幀封裝成以太網(wǎng)幀進(jìn)入上位機(jī)網(wǎng)絡(luò)，最終到達(dá)目的上位機(jī)系統(tǒng).船舶靜態(tài)屬性、部分船舶動(dòng)態(tài)屬性、海洋環(huán)境信息及視頻監(jiān)測(cè)信息的采集監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)分布廣闊，海況復(fù)雜惡劣，有線傳輸方案存在布線、傳輸距離及擴(kuò)展性方面的限制，而采用衛(wèi)星通信又價(jià)格不菲，因此移動(dòng)通信網(wǎng)就成為首選數(shù)據(jù)傳輸方式.同時(shí)，采用CDMA2000 1X的3G網(wǎng)絡(luò)相比于GSM和GPRS，在傳輸速率和傳輸帶寬具有明顯優(yōu)勢(shì)，例如在視頻監(jiān)測(cè)信息中，CDMA2000 1X可以達(dá)到384 kbps的速率，以碼頭現(xiàn)場(chǎng)24位攝像機(jī)拍攝的CIF(分辨率為352 dpi×288 dpi)格式視頻畫面為基礎(chǔ)，算出每幀的原始數(shù)據(jù)量為352×288×24÷1 024=2 376 kbit，系統(tǒng)同時(shí)采用圖像壓縮比為250∶1的H.264標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行壓縮編碼，則CDMA2000 1X每秒可傳幀數(shù)為384÷(2 376÷250)=40幀，由于24幀/s就能使人眼觀察到順暢畫面，因此CDMA2000 1X滿足視頻監(jiān)測(cè)信息的帶寬要求［8］.

CDMA2000 1X的技術(shù)基礎(chǔ)是CDMA(Code Division Multiple Access)碼分多址技術(shù)，它是在分支-擴(kuò)頻通信技術(shù)上發(fā)展起來的一種擴(kuò)頻技術(shù)，其原理是將被傳送信號(hào)用一個(gè)帶寬遠(yuǎn)大于被傳信號(hào)的高速偽隨機(jī)碼(PN碼)進(jìn)行調(diào)制，導(dǎo)致了原信號(hào)帶寬的擴(kuò)展，然后經(jīng)載波調(diào)制(二進(jìn)制相移鍵控BPSK)發(fā)送，接收端采用完全相同的高速偽隨機(jī)碼，對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的處理，把擴(kuò)展寬帶信號(hào)還原回了原被傳送信號(hào)［9］.CDMA2000 1X——以太網(wǎng)Ethernet網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括傳感器采集終端、CDMA數(shù)據(jù)傳輸單元(CDMA DTU)、基站收發(fā)機(jī) BTS(Base Transceiver Station)、基站控制器 BSC(Base Station Controller)、分組控制功能 PCF(Packet Control Function)、分組業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)PDSN(Packet Data Serving Node)、AAA Server(Authentication，Authorization，Accounting)、歸屬地代理HA(Home Agent)、上位機(jī).數(shù)據(jù)鏈路通道建立后，CDMA數(shù)據(jù)傳輸單元(CDMA DTU)利用BTS，將采集到的分組數(shù)據(jù)發(fā)送到BSC上，BSC中的PCF提供到PDSN的PPP幀傳輸，用來實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)設(shè)備與PDSN的 PPP協(xié)議連接，PPP協(xié)議包含鏈路控制協(xié)議LCP(Link Control Protocol)、網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議NCP(Network Control Protocol)、認(rèn)證協(xié)議:PAP(Password Authentication Protocol，口令驗(yàn)證協(xié)議)、CHAP(Challenge-Handshake Authentication Protocol，挑戰(zhàn)握手驗(yàn)證協(xié)議)，當(dāng)一個(gè) NCP處于 Opened狀態(tài)時(shí)，PPP傳輸相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議數(shù)據(jù)包，而PDSN作為接入網(wǎng)關(guān)，根據(jù)上位機(jī)的IP地址，最終將數(shù)據(jù)封包發(fā)送到上位機(jī)監(jiān)控中心.PDSN提供了簡(jiǎn)單IP和移動(dòng)IP兩種接入方式，簡(jiǎn)單IP就是從PDSN的地址池中分配一個(gè)動(dòng)態(tài)IP地址給某一監(jiān)測(cè)設(shè)備，使監(jiān)測(cè)設(shè)備可以和外界進(jìn)行通信;而移動(dòng)IP是PDSN周期性的向監(jiān)測(cè)設(shè)備發(fā)送代理廣播消息，代理廣播中含有地址池中的一系列地址.特別指出，視頻監(jiān)測(cè)信息在傳輸層采用了RTP/RTCP協(xié)議，采集壓縮后的視頻數(shù)據(jù)首先進(jìn)行了RTP封裝，RTP提供端到端的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，還需使用UDP協(xié)議作為下一層協(xié)議，對(duì)RTP包進(jìn)行UDP封裝和IP封裝，共同完成視頻分組數(shù)據(jù)的傳輸［10］.

圖3 CDMA2000 1X——以太網(wǎng)Ethernet網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3 模擬仿真

上位機(jī)系統(tǒng)是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的核心，控制著整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，完成對(duì)監(jiān)控終端設(shè)備的數(shù)據(jù)、狀態(tài)、故障等信息的解析處理，并以圖形方式顯示給管理員或用戶.KingView組態(tài)王開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)軟件，是新型的工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，它以標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)計(jì)算機(jī)軟、硬件平臺(tái)構(gòu)成的集成系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的封閉式系統(tǒng)，具有適應(yīng)性強(qiáng)、開放性好、易于擴(kuò)展、經(jīng)濟(jì)、開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn).使用組態(tài)王開發(fā)的基本過程為圖形界面的設(shè)計(jì)、構(gòu)造數(shù)據(jù)庫(kù)、建立動(dòng)畫連接、運(yùn)行和調(diào)試.圖4為組態(tài)王KingView 6.55進(jìn)行的開敞式碼頭系靠泊網(wǎng)絡(luò)化實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的仿真界面.

圖4 實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)仿真界面

4 結(jié)論

本文通過分析開敞式碼頭系靠泊網(wǎng)絡(luò)化實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)中的監(jiān)控對(duì)象，確定了由監(jiān)控層、網(wǎng)關(guān)層和網(wǎng)絡(luò)層構(gòu)成的三層數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu).纜力與護(hù)舷壓力采用CAN總線作為監(jiān)控層網(wǎng)絡(luò)，其他監(jiān)控對(duì)象則采用CDMA2000 1X作為監(jiān)控層網(wǎng)絡(luò)，二者通過對(duì)應(yīng)Can/Ethernet網(wǎng)關(guān)和PDSN網(wǎng)關(guān)的處理，將數(shù)據(jù)上傳至以太網(wǎng)中的上位機(jī)系統(tǒng).最后，通過組態(tài)王KingView 6.55模擬仿真了上位機(jī)系統(tǒng)的監(jiān)控界面，驗(yàn)證了提出方法的有效性.

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