應急通信系統在海事船舶遠程安檢執法中的應用

中圖分類號：U692 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）18-0181-04

Abstract：Asanimportantpartofinteligenttransportationconstructionanddevelopment，intelligentmaritimeaffirsarean inevitabletrendtoutilizemodeminformationtodevelopintellgentmaritimesupervisionmodeintime.Inordertoimprovethe fciencyofsafetyinspectionofshipsinShenzhenseaareaandrealizetherequirementsofremoteshipinspection，aninovatie modeofcontactlessremoteshipinspectionnamely\"5GplusAd-HocNetwork\"，isproposedtoprovideareal-timeremoteship inspectionsolutioninmaritimesupervision，whichsolvestheproblemsofnocommunicationsignalcoverage，largeenvironmental noiseanddiffcultaudiotransmissoninclosedplacessuchasshipengineroomandcargohold.Thishascausedmaritielaw enforcementpersoneltobeunable tocarryoutremoteshipinspections throughReal-TimeCommunication.The\"5GplusAdHocNetwork\"fieldtestshowsthattheship'scabinsignalisstrong，thenetworkcoverageiscomprehensive，audioandvideo transmission is smooth，on-site operation is simple，and the system is scientific and reliable.

Keywords： emergencycommunicationsystem;remote maritime lawenforcement； ship inspection;adhocnetwork；securitylaw enforcement; communication network

在特殊形勢下，如新冠感染疫情會對航運業健康發展和履行靠港船舶登船執法檢查帶來了一定的阻礙和限制。傳統的海事船舶執法檢查主要依靠執法人員現場登輪，逐一檢查，增加了在特殊形勢下，如新冠感染疫情時人員感染概率。為了保障轄區水上安全形勢的穩定，保障船舶安全運營，改變監管模式，采取遠程船舶安全檢查是當前最有效的方式方法之一。一般情況下，遠程檢查的流程為海事執法人員與船東或船員電話溝通確認身份，添加微信好友，使用微信的視頻通話功能進行檢查。然而，海事船舶遠程檢查技術受限于船舶機艙、貨艙等無網絡信號，無法實現音視瀕信息傳輸，加之船艙噪音大，在沒有配置降噪耳機的情況下，無法與船艙內船員正常語音溝通，使得遠程檢查不能達到執法人員登輪檢查的效果[1-2]。同時，當前海洋通信系統主要使用傳統的窄帶海上無線通信（NAVREX、MF/FF、VHF），無法傳輸視頻信號;海洋衛星通信和岸基移動通信傳輸時延大、費用高。其通信制式互不兼容、通信帶寬高低不一、覆蓋范圍存在盲區和缺乏高效統一管理。而公網通信海上覆蓋難、盲區多。

為了應對疫情期間船舶檢驗和保證航運業健康發展，實行‘ 5G+ 自組網\"遠程通信檢查模式是協助海事執法人員船舶監管的重要有效手段，為海事船舶監管工作提供一套成熟的遠程通信檢查執法程序[3-4]。2022年1月，中國船級社發布了《船舶遠程檢驗指南（2022）》，旨在規范船舶遠程檢驗的具體要求，為新檢驗技術的推廣提供技術支持，同時也為海事執法人員提供了便捷，保證了在不能親臨港口船舶檢驗現場的情況下，通過與船員的積極配合，應用 5G+ 自組網\"以及監控中心調度軟件平臺，實現執法人員遠程清晰查看船舶結構、設備狀況以及相關電子文件等，掌握靠港船舶總體情況[5-。如此一來，遠程通信系統給海事執法人員和船東均帶來了安全可靠的非接觸通信模式，大大提高了檢查效率。因此，未來船舶遠程檢查檢驗將越來越普及和常態化，

1系統總體架構

1.1 系統介紹

自組網是一種多節點、無中心、自組織的無線多跳通信網絡，由2個或2個以上節點組成，是一種帶有無線收發裝置的移動終端組成的移動計算機通信網絡，網絡中的任何無線設備節點都可以作為路由器發送和接收信號。每個設備都有多個傳輸路徑可用，網絡可以根據每個節點的通信負載情況動態分配通信路由，從而有效避免節點的通信擁塞。此外，無線自組網可以與其他網絡協同通信，無須增加通信節點以外的設備，以解決有線網絡覆蓋不到絕大部分區域的通信問題。

自組網通信示意圖如圖1所示。

1.1.1 自組網通信核心技術

該套自組網系統主要是通信大板集成，使用Qualnet+Matlab + Verilog +C 語言全流程開發，以及底層波形、組網協議、應用調度的全棧自主代碼開發，包括基帶 + 中頻 +AD+ 射頻 + 功放的全要素的優化升級。同時，使用MIMO智能天線，即多天線的發射、接收分集。

自組網設計圖如圖2所示。

1.1.2 自組網設備參數

1）整機發射功率大于等于 10W 。

2）支持無線鏈狀、星型、網狀網及混合組網，支持無線多跳技術，跳數大于等于9跳。

3）在通視條件下，單跳通信距離大于等于 70km 并且速率支持至少一路高清視頻傳輸。

4）支持在 150km/h 快速移動場景中穩定傳輸視

頻圖像及業務數據。

5）后期按照應急管理部應急指揮無線寬帶自組網標準規范免費升級設備。

1.2 系統設計原理

為了實現無網絡信號的封閉船艙“ 5G+ 自組網”系統設計，分析了系統總體結構設計要點。該系統功能主要包括集群語音、視頻會議、數據傳輸和GIS等多種功能。

船端組網方式如圖3所示，可分為鏈式組網、星形組網和網狀組網3種方式，通過組網協議支持船舶內部多跳式的動態組網，網絡拓撲隨船員背負臺的移動變化可快速切換。每個節點都具有信號收發功能，可以動態計算每兩個節點之間的距離。通過此距離可以自動計算出信號受限距離，以此可以動態調整組網方式，以及每個節點的布設位置。

1.3通信系統硬件設計

1.3.1 硬件組成

通過將“自組網 + 智能手機 + 防抖云臺 + 降噪耳機 + 5G信號\"等連接組合，其中自組網主要由調度臺、中繼臺和背負臺組成，中繼臺可根據船舶大小現場勘查進行具體數量與位置布設，并且均可靈活移動。其中調度臺主要用于連接路由器連接公網通信，主要布設在船舶信號非常好的甲板處，通過5G網絡與海事監控指揮中心聯通；中繼臺主要用于連接調度臺和背負臺之間的通信；背負臺主要用于船員或執法員背負，移動于需檢查的船艙，實現視頻回傳。

1.3.2 硬件核心算法

為了穿透船舶金屬障礙物，獲得更大的輸出信號功率，硬件部分使用了高效功放與射頻算法，包括數字預失真DPD（DigitalPre-Distortion）技術和波峰系數削減CFR（CrestFactorReduction）。其中DPD在通過數學建模提前補償PA的非線性和記憶效應，在PA與輸入信號之間添加一個非線性單元，預先給信號加入非線性失真，由于非線性單元具有與PA相反的非線性特性，因此信號經過非線性單元和PA后，非線性失真互相抵消，從而達到了線性化的目的。如圖4所示。

其次，該系統應用的波峰系數削減CFR是目前無線通信系統中最基本的構建模塊之一，也是非常重要的核心功能。通過削峰，使得信號盡可能地工作在功率放大器接近非線性的區域，提高功率放大器的效率。CFR可用于縮小一個傳輸信號的動態范圍，以便用于傳輸該信號的放大器能夠盡可能地工作在其線性區間。

1.4監控軟件系統設計

岸端主要在海事指揮監控中心部署遠程監控系統軟件，將船端采集的數據主要通過5G網絡信號進行回傳，可以實時接收船端音視頻數據信息，達到遠程監控的目的。

其后臺可以實時呈現船端兩通信節點之間的距離，其節點之間距離計算公式如下

式中： D 代表 i，j 兩節點之間的距離； X 代表 i，j 兩節點 x 軸坐標； Y 代表 i，j 兩節點 y 軸坐標； Z 代表 i，j 兩節點 z 軸坐標。

同時，通過自組網之間的組網協議實現了動態組網，組網流程如圖5所示。

1.5 網絡連接

現船舶全網覆蓋。利用無線自組網作為LTE便攜式基站之間的傳輸鏈路，將公網從岸端延伸至船舶各機艙、甲板等。

2.1 目標船舶篩選

2 實際場景測試

提前與海事執法部門進行溝通，對即將到達港口停泊的貨輪進行篩選，盡量篩選噸位比較大的船舶作為測試對象。選定目標船舶后，由監管部門對其說明情況，即采取遠程執法方式對船舶實施船舶安全檢查，選定船方主要溝通聯絡人，約定檢查時間，說明檢查類型，規定通信軟件，并指導船方使用方法。

2.2 測試前登船勘查

由圖6可知，測試船舶為一艘遠洋貨輪，即運煤海船，船長約 200m ，上下約10層。船舶基本為鋼鐵結構，進入機艙內部，手機信號為無服務狀態，無法實現任何通信，并且機艙環境復雜。由于各類機械設備運轉，產生噪音較大，并且無法進行人員正常溝通。

2.3 測試方法

第一步，一般船舶甲板信號較強，因此選擇寬敞的船舶甲板放好調度臺并連接好5G路由器（圖7），路由器需插上電源并開機，等待路由器連接完成即可。

第二步，選擇機艙合適位置放置中繼臺1號，并開啟電源，必要的時候可以進行挪動，保持通信有效。

第三步，選擇船舶甲板中間位置放置中繼臺2號，并開啟電源，必要的時候可以進行挪動，保持通信有效。

第四步，船員背上連接好智能手機與降噪耳機的背負臺，打開電源以及打開專屬手機指定軟件APP，等待指揮中心指揮檢查。

第五步，打開指揮中心監控界面，進行遠程視頻通話。

實船現場通信測試示意圖如圖8所示。

2.4 實施檢查

根據海事監管部門船舶安全檢查要求，由船方負責人打開船舶終端通信軟件，按照海事現場執法業務流程開展基礎檢查。檢查結束后，執法人員將音頻視頻進行保存記錄，必要時出具檢查報告。

3 監控數據與處理

由圖9可知，岸端監控系統主要布局在相關監督部門，主要收集船端傳輸回來的數據信息，通過解析后實時呈現并同步存儲記錄到本地數據庫，包括船舶基礎信息、視頻、語音和位置等。為海事執法人員提供數據查詢、日期與船舶信息檢索、統計以及分析處理的簡單數據，是輔助執法人員快速決策的重要手段。

4優勢

相比傳統的基礎設施模式，無線自組網具有較強的擴展性、靈活性和自組織性。其在沒有中心控制節點的情況下，通過節點之間的協作和路由選擇，實現了船舶機艙內全范圍網絡覆蓋，并且容量大、魯棒性更強，攻克了遠程船舶安全監督檢查的通信回傳問題。遠程檢查模式不光是疫情下應對社交隔離政策所需，也將會是今后很長一段時間航運業實施安全管理和監管的發展趨勢，為海事執法人員提供靠港船舶遠程視頻執法檢查的解決方案，解決靠港船舶船艙內部無信號狀態下的視頻、語音通信回傳，實現遠程指揮和巡檢調度或執法檢查。總結優勢如下。

4.1 自組網系統優勢

第一，架設簡單。不用鋪設船端光纜，不受周邊環境影響，組網便捷。第二，組網靈活。支持船隊海上航行時的動態組網，網絡拓撲隨船隊變化可快速切換。第三，高機動性。船只高速行駛時，不影響無線自組網絡通信質量。第四，大帶寬。節點數量多，經多個短跳傳輸數據時，干擾較小，數據丟失少，總帶寬大。第五，穩定性高。節點出現故障或者受到干擾，數據包將自動無縫路由到更優路徑繼續進行傳輸，并且跨路由時不掉線，整個網絡的運行不會受到影響

4.2 節約執法資源

檢查方便快捷，縮短現場登輪時間和檢查時間，尤其是碼頭與海事執法部門距離較遠的地方。此外，采取遠程檢查還避免了影響船舶日常工作和正常營運。同時，也減少了執法車輛和執法船出行成本，有效緩解了執法資源緊張的問題。對于特殊情形，如在新冠感染疫情下，也避免了執法人員與船員直接接觸的感染風險。

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