基于北斗的船舶防污染監(jiān)控系統(tǒng)

陳新恩，畢齊林，方 欣，施玲玲，閆奕樸

(廣州航海學(xué)院，廣東 廣州 510725)

0 引 言

隨著經(jīng)濟全球化和世界貿(mào)易的蓬勃發(fā)展，全球85%的貿(mào)易通過船舶運輸，由船舶運行造成的海洋污染日益凸顯。在船舶環(huán)保方面，國際海事組織IMO 已頒發(fā)了全球限硫令，2020 年始要減少全球硫排放到0.5%，船舶的燃油硫含量將從3.5%降到0.5%[1]，因此加強對船舶日常運營的監(jiān)管，對于防止全球的航運污染海洋環(huán)境尤為重要[2 –3]。鑒于此，采用性能優(yōu)越的北斗短報文通信功能，構(gòu)建基于北斗的船舶環(huán)保監(jiān)測系統(tǒng)，同時與現(xiàn)有的海洋防污染規(guī)則措施相結(jié)合，來提升遠洋船舶的航行監(jiān)管水平，已成為工程技術(shù)人員的研究熱點[4]。

目前，北斗系統(tǒng)在海上的應(yīng)用主要包括船舶遇險報警業(yè)務(wù)[5]，定位導(dǎo)航[6]，以及船舶港口調(diào)度指揮和監(jiān)控[7]等方面。林金海[8]提出一種基于北斗的海事安全管理系統(tǒng)，通過北斗對船舶實時監(jiān)控，實現(xiàn)了北斗在船舶航行安全的動態(tài)全過程監(jiān)控。申翔等[9]則利用北斗系統(tǒng)的短報文通信功能，高效開展了海上搜救工作。但是，相關(guān)科研團隊采用北斗系統(tǒng)在海洋環(huán)境保護方面的研究還不夠深入。陳新恩等[10]提出了基于北斗系統(tǒng)的船用焚燒爐進行船岸一體化監(jiān)控方案，創(chuàng)新設(shè)計出幾種判斷船員是否違規(guī)向海洋傾倒垃圾和污油的方法，成為了船舶在海洋環(huán)境保護方面利用北斗系統(tǒng)的創(chuàng)新案例。然而該系統(tǒng)只是針對船用焚燒爐的船岸一體化監(jiān)控，船上其他的防污染設(shè)備如油水分離器，船舶尾氣排放檢測等還未涉及到，并且對于采集的信息數(shù)據(jù)傳輸還未深入研究。

針對上述問題，本文構(gòu)建一種基于北斗系統(tǒng)短報文通信功能的遠洋船舶環(huán)保船岸一體化監(jiān)測系統(tǒng)，對各種傳感器進行數(shù)據(jù)采集，將數(shù)據(jù)信息進行調(diào)制和加密處理，船員可實時查看采集的數(shù)據(jù)信息，了解防污染設(shè)備運行狀況。通過船岸通信系統(tǒng)將收集的船舶防污染數(shù)據(jù)信息反饋到船舶管理公司和海事監(jiān)管部門，分析數(shù)據(jù)可以判斷是否有違規(guī)排放的發(fā)生，實現(xiàn)船舶，特別是遠洋船舶上的日常運營監(jiān)管，彌補航運監(jiān)管方面的缺陷。

1 基于北斗的船舶防污染監(jiān)控系統(tǒng)原理

基于北斗的船舶防污染監(jiān)控系統(tǒng)工作過程如下：

1）在船載終端的數(shù)據(jù)采集單元將船舶焚燒爐、油水分離器等防污染設(shè)備運行工況參數(shù)通過各種傳感器進行數(shù)據(jù)采集，傳輸?shù)酱翱刂浦行倪M行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和存儲；

2）將生成的數(shù)據(jù)信息進行調(diào)制和加密；

3）通過船岸通信系統(tǒng)，將信息傳輸?shù)降孛婵刂浦行模肮芾砉竞秃Ｊ卤O(jiān)管部門可及時了解船舶防污染設(shè)備的狀況，從而構(gòu)成船岸一體化監(jiān)控系統(tǒng)，可大大提升船舶防污染的監(jiān)控水平及海事監(jiān)管部門的執(zhí)法力度。船舶防污染監(jiān)控系統(tǒng)組成如圖1 所示，包括船載終端系統(tǒng)、船岸通信系統(tǒng)和岸基數(shù)據(jù)監(jiān)管系統(tǒng)。

圖1 船舶防污染監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成Fig.1 The composition of ship anti-pollution monitoring system

在船舶防污染船岸一體化監(jiān)控系統(tǒng)工作過程中，數(shù)據(jù)采集單元采集焚燒爐2 個以上工作數(shù)據(jù)信號，主要以風機啟動信號和燃燒器啟動信號作為開關(guān)量信號，確保數(shù)據(jù)的有效性。系統(tǒng)將數(shù)據(jù)信息通過串口傳輸?shù)酱d數(shù)據(jù)處理器進行分析、計算和存儲，并加密后通過船載北斗終端發(fā)送到陸地終端解密并存儲。船舶管理公司和海事管理部門可以通過訪問實時了解到船舶防污染設(shè)備的實際運行狀況。船舶管理公司和海事管理部門也可以通過北斗，向遠洋船舶發(fā)送相關(guān)的指令。一定程度上，整個系統(tǒng)可以進行雙向互通。與此同時，考慮到通常情況下的北斗民用通信每條短報文的最大信息容量為78 bit 數(shù)據(jù)，使用頻度1 min 可使用一次[11]。因此，本系統(tǒng)初步設(shè)計采用定時發(fā)送數(shù)據(jù)方式，頻度為間隔60 s 1 次，并且為緊急通信和自定義消息發(fā)送預(yù)留頻度。

2 防污染船岸一體化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

以北斗短報文通信功能位為載體，將北斗衛(wèi)星通信和遠洋船舶防污染設(shè)備的實際應(yīng)用相結(jié)合，對于提高遠洋船舶防污染監(jiān)控能力以及保護海洋環(huán)境具有重要意義。如圖2 所示，考慮到系統(tǒng)應(yīng)用的實際情況，防污染船岸一體化監(jiān)控系統(tǒng)主要功能應(yīng)包括：數(shù)據(jù)歷史查詢、數(shù)據(jù)信息報表、異常報警、應(yīng)急通信和可擴充功能。

圖2 船岸一體化監(jiān)控系統(tǒng)Fig.2 The ship-shore integrated monitoring system

2.1 硬件設(shè)計

硬件設(shè)計包括船載終端硬件系統(tǒng)和岸基硬件系統(tǒng)兩部分，如圖3 所示。船載終端硬件系統(tǒng)包括船載數(shù)據(jù)處理器、船載數(shù)據(jù)存儲器和火焰探測器、油份濃度傳感器、液位傳感器、流量傳感器、時間計數(shù)器等數(shù)據(jù)采集模塊。其中，考慮到本系統(tǒng)所需處理的數(shù)據(jù)集信息量大、實時性要求高的特點，選用宏晶公司的STC89C52RC 單片機作為處理器，該處理器具有高性能、低功耗和實時信號處理的優(yōu)點。

圖3 船載終端硬件系統(tǒng)框架圖Fig.3 The framework of shipboard terminal hardware system

火焰探測器安裝在焚燒爐的爐膛內(nèi)，用來檢測焚燒爐是否處于燃燒狀態(tài)，并通過現(xiàn)場總線將采集的數(shù)據(jù)傳送到船載數(shù)據(jù)存儲器中；質(zhì)量傳感器用來檢測船用焚燒爐處理的固體垃圾質(zhì)量；液位傳感器安裝在污油水柜中，用于計算船舶產(chǎn)生的污水量和污油量；油份濃度傳感器和流量傳感器主要安裝在污油水管路中，用于測量污油水的油份濃度和污油水的排放量；人機交換模塊采用顯示屏顯示界面，可以通過登錄訪問存儲器中的數(shù)據(jù)。此外，對于尾氣排放含硫量等也可以通過相應(yīng)的傳感器記錄并存儲在船載數(shù)據(jù)存儲器中。

岸基硬件系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)服務(wù)器，用于船端數(shù)據(jù)的接收，海事監(jiān)管部門和船舶管理公司可以通過登錄訪問服務(wù)器，了解該船的防污染設(shè)備運行狀況等信息。此外，當前適用于北斗短報文數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕K端設(shè)備有TS8512 一體機、NIV-201 北斗多模一體機和BZ280 系列北斗一體機。其中TS8512 一體機憑借其精度高、體積小、連接簡單、操作方便、集成度高的特點適用于船艦導(dǎo)航、位置上報和船舶短報文通信等大規(guī)模應(yīng)用。

TS8512 一體機主要的性能指標如下：

1）發(fā)射功率 5 W（端口功率），2）發(fā)射信號頻率準確度 ≤5*10?7，3）接收靈敏度 ?157.6 dBW，4）載波抑制 ≥30 dB，5）首次捕獲時間 ≤2 s，6）數(shù)據(jù)更新頻率 1 Hz，7）失鎖重捕時間 ≤1 s，8）時差測量誤差 ≤10 ns，9）捕獲靈敏度 ?133 dBm，10）直流供電 +9～36 V，11）接口為1 個標準RS232 串口。

船載數(shù)據(jù)處理與存儲系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息通過轉(zhuǎn)換，利用RS232 串口與TS8512 一體機進行連接通信，岸基遠程信息管理系統(tǒng)與陸地北斗接收設(shè)備通信，進行數(shù)據(jù)的接收。

2.2 軟件設(shè)計

基于北斗的船舶防污染船岸一體化監(jiān)控系統(tǒng)所有的數(shù)據(jù)采集發(fā)送和接收都是一個動態(tài)過程。因此，該系統(tǒng)實際上是一個動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。軟件設(shè)計包括船載數(shù)據(jù)處理與存儲系統(tǒng)和岸基遠程信息管理系統(tǒng)，其功能設(shè)計如圖4 所示。

圖4 軟件系統(tǒng)框架圖Fig.4 The framework of software system

考慮到本系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)傳輸是一個動態(tài)信息采集和存儲過程。鑒于此，本系統(tǒng)選用安全性高，支持大多數(shù)通用Web 服務(wù)器的JSP（Java Sever pages）作為動態(tài)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的開發(fā)工具，滿足動態(tài)數(shù)據(jù)更新要求。

設(shè)計的系統(tǒng)主界面，包括當前時間顯示、船舶選擇確認、參數(shù)設(shè)定、船岸信息處理、報警設(shè)置、運行控制6 個子菜單。點擊參數(shù)設(shè)定子菜單可對船用油水分離器、尾氣排放監(jiān)測等設(shè)備的工作參數(shù)進行設(shè)定；點擊船岸信息處理子菜單可對船舶管理公司和海事監(jiān)管部門發(fā)送的信息進行顯示和查詢；點擊報警設(shè)置按鈕可依據(jù)不同的工況要求，對一些傳感器的上下限報警量進行自主設(shè)置；點擊運行控制可對船用油水分離器等設(shè)備的工作模式進行選擇，并對一些船用輔助設(shè)備進行手動啟停控制。

船載數(shù)據(jù)處理與存儲系統(tǒng)如圖5 所示，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時采集、處理和存儲。通過交互界面，船上工作人員可以進行訪問、查詢等功能。點擊防污染設(shè)備的工作參數(shù)界面，可了解設(shè)備運行狀況，對污水處理量、污油處理量、尾氣含硫量等參數(shù)確認。同時，信息查看子菜單也可以對船舶管理公司和監(jiān)管部門發(fā)來的信息進行查看、顯示等。

圖5 船載數(shù)據(jù)處理與存儲系統(tǒng)界面Fig.5 Shipboard data processing and storage system interface

岸基遠程信息管理系統(tǒng)如圖6 所示，有船舶信息和狀態(tài)顯示、數(shù)據(jù)報表生成、報警控制與處理、環(huán)保數(shù)據(jù)查詢等功能。系統(tǒng)使用前，需點擊船舶信息顯示子菜單查詢所監(jiān)測船舶的船名、所屬公司，以及以往各類檢查的違規(guī)記錄；實時監(jiān)控可顯示設(shè)備的運行畫面；報警控制與處理能夠查詢歷史報警記錄數(shù)據(jù)報表生成；環(huán)保數(shù)據(jù)查詢功能可對各設(shè)備的每日使用情況和歷史數(shù)據(jù)記錄進行實時查看；數(shù)據(jù)報表生成功能可對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行記錄，從而船舶管理公司和海事監(jiān)管部門可以分析和判斷船舶是否有污染產(chǎn)生。

圖6 岸基遠程管理系統(tǒng)界面Fig.6 Shore-based remote management system interface

3 數(shù)據(jù)采集通信傳輸方法研究

3.1 數(shù)據(jù)采集計算

數(shù)據(jù)采集過程中，需要實時把采集到的船舶處理的污水、污油量等通過北斗短報文通信功能傳輸?shù)疥懙囟说暮Ｊ卤O(jiān)管部門和船舶管理公司。因此，需要計算出相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸容量，統(tǒng)一采集處理存儲。數(shù)據(jù)信息以字節(jié)為單位計算，每個字符對應(yīng)1 個字節(jié)，每個漢字對應(yīng)2 個字節(jié)[12]，轉(zhuǎn)化采集到的數(shù)據(jù)為可以存儲的二進制數(shù)，船岸一體化模擬系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集如表1所示。

表1 船岸一體化模擬系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集表Tab.1 Ship-shore integrated simulation system data collection table

由計算數(shù)據(jù)可知，現(xiàn)有的數(shù)據(jù)滿足北斗通信容量，并且還可以進行通信容量的拓展。

3.2 北斗終端數(shù)據(jù)接口通信協(xié)議

北斗數(shù)據(jù)通信包括發(fā)送和接收，傳輸指令語句也就包括請求指令和應(yīng)答指令兩部分。在北斗船岸一體化監(jiān)控系統(tǒng)通信過程中，通信終端采用標準為RS232的串口通信協(xié)議與外部設(shè)備建立連接，其參數(shù)定義如下：傳輸速率9600 bps；開始位1 位；停止位1 位；數(shù)據(jù)位8 位；無奇偶校驗位。船岸一體化監(jiān)控系統(tǒng)需要用到的請求指令是通信申請$TXSQ，相應(yīng)指令是通信信息$TXXX，只有滿足相應(yīng)的協(xié)議要求才能建立聯(lián)系。因此，為保證北斗短報文通信滿足協(xié)議的相關(guān)要求，本文制定的報文格式依次為指令、長度、用戶地址、信息內(nèi)容和校驗和5 個方面，傳輸要求如下：

1）指令

傳輸時用長度為1 個字節(jié)的ASCII 碼表示，以起始符“$”開始；

2）長度

即數(shù)據(jù)總字節(jié)數(shù)，表示從“$”到校驗和（含校驗和）為止；

3）用戶地扯

用戶機3 個字符長度的ID 號；

4）信息內(nèi)容

各參數(shù)按格式要求進行填充，使用二進制原碼；

5）校驗和

是指從“指令”起始符起到“校驗和”為止，按字節(jié)異或統(tǒng)計的字符總數(shù)。

發(fā)送報文格式如表2 所示。

表2 發(fā)送報文格式Tab.2 Send message format

通信過程中，發(fā)送報文電文內(nèi)容包括遠洋船舶防污染設(shè)備焚燒爐運行形狀況參數(shù)，油水分離器水中油含量等參數(shù)、尾氣排放硫含量等數(shù)據(jù)信息。

接收報文格式如表3 所示。

表3 接受報文格式Tab.3 Accept message format

其中，CRC 檢驗是循環(huán)冗余檢驗，根據(jù)除法及余數(shù)原理作錯誤幀測，確保傳輸數(shù)據(jù)準確無誤，“00H”為正確信息，“01H”即為錯誤信息。接收報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監(jiān)管部門能夠獲得遠洋船舶防污染設(shè)備的參數(shù)。

4 結(jié) 語

針對遠洋船舶難以監(jiān)管的弊端，基于北斗系統(tǒng)的短報文通信功能，研究了一種基于北斗的遠洋船舶環(huán)保船岸一體化監(jiān)測系統(tǒng)，得到以下結(jié)論：

1）北斗通信系統(tǒng)適合于大范圍的船舶動態(tài)監(jiān)管，以及船舶相關(guān)數(shù)據(jù)資料的獲取；

2）基于北斗的遠洋船舶環(huán)保船岸一體化監(jiān)測系統(tǒng)統(tǒng)可對船舶上的防污染設(shè)備運行狀態(tài)實時監(jiān)測，為遠程監(jiān)控提供了技術(shù)支持和信息支撐；

3）該系統(tǒng)滿足了遠洋船舶上的日常運營監(jiān)管，彌補航運監(jiān)管方面的缺陷，同時成為北斗系統(tǒng)依托船舶在海洋環(huán)境保護方面實現(xiàn)應(yīng)用的創(chuàng)新型案例。