一種基于衛星寬帶網絡的船舶疏浚數據遠程傳輸系統

于長亮，張啟亮，孫奉閣，馬大付，魏今朝，朱雪美

（1. 神華上航疏浚有限公司，河北滄州 061113；2. 中交疏浚技術裝備國家工程研究中心有限公司，上海 201208）

0 引言

隨著疏浚行業的不斷發展，目前疏浚船舶正朝著大型化、自動化和信息化的方向發展。施工船舶疏浚過程中產生的大量數據有助于企業監控船舶狀態、提高施工效率，但同時也造成了數據管理和數據處理方面的諸多困難。目前，海上船舶一般通過海事衛星、C站來進行與岸基網絡設備的數據交換，海事衛星通信系統只可以提供低速率（4.8 k或3.1 kHz）語音和數據服務。

目前，已有許多學者和專家對船舶數據傳輸及相關系統展開了研究。吉誠[1]對衛星寬帶在疏浚作業中的應用做了初步闡述，給出了海上寬帶系統使用的優勢。孫富民[2]對船舶信息化技術在救助船舶中的應用進行了研究。基于PLC引入二次編程，徐紹衡[3]研發了一套監控船舶整體數據的系統。王宏智[4]采用兩層C/S軟件體系開發方法，提出了機艙控制信息化的方案。田兆波[5]開發了船舶機艙數據采集與顯示系統。

本系統充分利用衛星寬帶系統帶寬較大的優勢，同時盡可能壓低對帶寬的要求，實現了最低限度利用帶寬實時傳輸圖像和動畫數據，實時監控船舶運行動態。

1 系統簡介

本船舶疏浚數據遠程傳輸系統由船端數據采集與發送軟件、船端網絡設備、岸端數據接收處理軟件和岸端網絡設備組成，軟件采用 C/S架構，船端軟件作為客戶端，岸端軟件作為服務端，通過TCP/IP協議進行數據遠程傳輸，其結構如圖1所示。

該系統搭建在公司“神華浚1”及“神華浚2”兩艘大型自航耙吸挖泥船上。搭建新系統的前提是：1）不改變現有船舶疏浚系統的結構；2）數據的采集過程不對原系統產生影響；3）部署或維護系統軟硬件時，不影響船舶的正常疏浚作業。因此，在搭建系統時主要考慮以下幾個原則。

1）先進性。為保證整個系統結構和技術的先進性，選擇了當前主流的數據傳輸技術，以達到高質量的傳輸效果。系統的先進性體現在傳輸實時性、傳輸穩定性、傳輸中斷自動重連接等多個方面，寬帶速率達到512 kbps以上時，應確保實現實時、穩定的傳輸。

2）可靠性和穩定性。在項目建設過程中，除考慮所選擇設備的性能指標外，還需確保軟件系統能夠滿足7×24小時連續不間斷工作的要求。

3）適應性。設備必須具備良好的網絡適應能力，以保證數據傳輸的流暢性和穩定性。采用心跳監測技術來監測網絡的連續性，當監測不到心跳信號時，船岸兩端進入不斷嘗試重新建立連接的過程，確保系統能夠在無人為干預的情況下連續工作。

4）可管理性。本項目必須考慮系統操控的靈活性和可管理性。在技術設計上要實現打開軟件即可正常運行，無需用戶進行復雜的軟硬件操作。

5）可擴展性?？紤]到本項目長遠發展的需要，系統應能夠進行平滑、無縫的升級，從而保障用戶的投資。

圖1 系統建設結構

2 實施方案

2.1 數據采集

2.1.1 “神華浚1”

“神華浚1”的SCADA疏浚系統采用Wincc組態軟件，配置了1臺服務器和2臺客戶端，2臺客戶端分別為DLM客戶端和STPM客戶端。利用Wincc組態自帶的DataMonitor組件，可將SCADA軟件中的畫面轉換成超文本標記語言（html）格式，并將其發布在網頁（web）上。將DataMonitor服務器安裝在原船DLM客戶端上，該客戶端配置兩張以太網網卡，一張網卡接入船舶SCADA系統，以客戶端的形式從服務器中采集數據，另一張網卡接入無線網絡路由器，如圖2所示。

2.1.2 “神華浚2”

“神華浚2”的疏浚系統是基于IFIX平臺的系統，船上配置了3臺服務器，1#服務器和2#服務器分別為主服務器和備用服務器，3#服務器用于數據記錄。

圖2 數據采集傳輸模式

船上系統的實時工況數據需要被傳輸到岸端，使用戶可以通過瀏覽器監視施工狀況。該系統需要滿足以下幾個條件：1）需要開發一個船端程序，用于采集IFIX 4.5平臺下的實時工況數據；2）船端需要具備上網條件；3）需要開發一個岸端程序，用于接收船端程序發送過來的數據；4）岸端需要配置與船上施工畫面一致的IFIX工程項目（岸端IFIX項目數據來源于岸端數據接收程序），并配置webspace組件，實現在瀏覽器上瀏覽畫面的功能。

經過實地考查和試驗，發現目前船上主要使用衛星寬帶上網，但衛星寬帶的帶寬較?。ㄏ螺d速度約200 K/s），且時常有中斷的可能。因此，需要分別為船、岸兩端開發一個用于收發數據的程序，程序須具備自動重連功能，當網絡中斷并且恢復后，程序應能夠自動重新建立連接，并將數據續傳到岸端。

2.2 數據傳輸

采集得到的數據由采集計算機上運行的程序通過網絡發送到岸上接收端。岸上接收程序需要固定的外網IP和端口，并開啟SOCKET監聽。如岸上接收程序的IP地址是內網IP，則需要做端口映射，令船上的發送程序與岸上的接收程序建立連接。

考慮到衛星寬帶帶寬較小的問題，在數據傳輸前需要對數據進行壓縮。1000個模擬量經壓縮后只需要占用2 K帶寬，而實際需要傳輸的模擬量遠小于1000個，而且有許多模擬量是開關量（1個開關量僅占用1 bit）。因此，數據壓縮后，衛星寬帶的帶寬完全能夠滿足傳輸要求。

2.3 岸端數據接收

岸端數據接收程序負責接收來自船端的數據，并將數據傳遞給岸端項目。

3 結論

船舶疏浚數據遠程傳輸系統可以實時傳輸疏浚船舶挖泥動態、主機參數、進艙濃度及裝載質量等圖形界面，工程及設備管理人員可以通過這些圖形界面實時監測船舶的施工運行情況，并及時對船舶施工、設備運行做出指導反饋。在此系統的幫助下，疏浚工程師可以實時看到船舶施工的各項參數數據，使遠程指導達到與“在船指導”一致的效果，從而有效節省了時間和交通船費用，提升了管理水平。此系統對國內疏浚業數據遠程傳輸系統的開發和運行具有一定的參考意義。

[1] 吉誠. 海上衛星寬帶系統在疏浚作業中的應用[C]//旭日華夏（北京）國際科學技術研究院. 2016智能城市與信息化建設國際學術交流研討會.2017: 328-329.

[2] 孫富民, 蔣文輝. 救助船舶信息化管理系統的開發[J]. 中國航海, 2011, 34(2): 50-56.

[3] 徐紹衡. 具有全功能 PLC的單層網絡信息安全監控指揮管理平臺[C]//中國科學技術協會學會學術部. 第十六屆中國科協年會——分 8綠色造船與安全航運論壇. 2014: 16-22.

[4] 王宏智, 張均東. 船舶機艙綜合監控系統的設計研究[C]//中國航海學會. 中國航海學會 2006年度學術交流會優秀論文集. 2007: 134-137.

[5] 田兆波. 輪機數據采集與顯示系統研究[D]. 遼寧大連: 大連海事大學, 2005.