南海海區(qū)航標遙測遙控通信方案設(shè)計

桑凌志,楊有良

(1.中國交通通信信息中心，北京 100011；2.交通運輸部南海航海保障中心，廣州 510235)

航標是重要的水上交通運輸基礎(chǔ)設(shè)施，對保障航行安全、宣誓國家主權(quán)有著極其重要的意義。航標遙測遙控系統(tǒng)由監(jiān)控中心、數(shù)據(jù)采集終端和通信系統(tǒng)組成，進而實現(xiàn)對航標的遠距離測量、控制和監(jiān)視[1]。系統(tǒng)可以幫助航標主管部門盡快確定航標故障，及時發(fā)布航標信息[2]，提高航標穩(wěn)定性，提升航標效率和效能，降低維護成本，保障船舶航行安全[3]。

航標遙測監(jiān)控系統(tǒng)在美國、日本、加拿大等均有成功應用，國際航標協(xié)會也曾就數(shù)據(jù)標準、通信鏈路等推薦過技術(shù)討論意見[4]。我國的航標遙測監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)建設(shè)工作始于20 世紀90 年代中期并快速發(fā)展。2010年，交通運輸行業(yè)標準《航標遙測遙控系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范(JT/T788-2010)》[1]對系統(tǒng)的組成、功能、技術(shù)要求、試驗方法和檢驗規(guī)則規(guī)定后，航標遙測遙控系統(tǒng)開始規(guī)范化發(fā)展。

南中國海是我國與世界各地聯(lián)系的重要海上通道，在政治、軍事安全、經(jīng)濟發(fā)展領(lǐng)域具有重要戰(zhàn)略價值。南海海區(qū)覆蓋范圍大，在不同水域有著不同的通信條件，如遠海島礁水域缺少地面通信手段，近岸偏遠水域地面網(wǎng)絡(luò)通信穩(wěn)定性差。同時海上活動頻繁，而通信基建滯后，影響通信穩(wěn)定。針對南海海區(qū)航標遙測遙控的通信問題，本文分析了遙測遙控的通信需求，并考慮應用的特殊需求，對網(wǎng)絡(luò)通信、報文結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)分類分級等進行設(shè)計。

1 研究現(xiàn)狀分析

1.1 航標遙測遙控系統(tǒng)建設(shè)

針對航標遙測遙控系統(tǒng)建設(shè)，大量學者[5-8]對系統(tǒng)功能、組成、技術(shù)實現(xiàn)等進行了討論，對數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)控制、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理等進行了分析，并在部分水域開展了應用。在系統(tǒng)的具體功能上，彭國均等人[9-11]認為系統(tǒng)應通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析，根據(jù)業(yè)務(wù)需要輸出相關(guān)結(jié)果，服務(wù)實際工作與業(yè)務(wù)。針對航標終端的可靠性及終端多核系統(tǒng)軟件的遠程升級[12-13]，也有學者開展相關(guān)研究。在通信方面，部分學者認為，可利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)航標終端之間的通信，進而解決通信不穩(wěn)定的問題，因此各種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)陸續(xù)被設(shè)計[14-15]與實現(xiàn)[16]。有學者針對終端定位精度[17]、浮標位置漂移[18]、撞擊分析[18]等關(guān)鍵應用問題展開研究，并取得相應成果。李國祥等[19]結(jié)合長江航道數(shù)字化建設(shè)情況，認為系統(tǒng)應實現(xiàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫互通，進行數(shù)據(jù)平臺的標準化建設(shè)。

1.2 基于北斗的航標遙測遙控終端

隨著我國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的成熟，北斗開始應用到航標遙測遙控領(lǐng)域。針對山區(qū)河段較差的通信條件，基于北斗衛(wèi)星通信方式的逆向差分GPS軟件被開發(fā)，以解決急流險灘航標離位檢測的問題[20]。同時北斗模塊存在難以更換、接收信號受阻等問題，因而分體式航標遙測遙控單元也被設(shè)計應用[21]。隨著北斗遙測終端產(chǎn)品的推廣使用，北斗遙測遙控終端的軟硬件也得到持續(xù)優(yōu)化[22]。

1.3 基于AIS的航標遙測遙控終端

船舶自動識別系統(tǒng)(Automatic Identification System, AIS)被提出后，AIS技術(shù)應用于航標并實現(xiàn)航標無線監(jiān)控的思路被提出[23]。隨著E-航海的提出和AIS技術(shù)的成熟，以AIS為通信載體的航標遙測遙控成為E-航海的重要內(nèi)容[2]。AIS遙測遙控終端[24]可實現(xiàn)航標LED燈、雷達應答器及水文氣象傳感器的信息采集，并通過AIS電文6、8和21實現(xiàn)航標基本信息、航標狀態(tài)信息和水文氣象信息的傳輸。

1.4 現(xiàn)狀分析

航標遙測遙控系統(tǒng)從2010年開始，逐步得到規(guī)范，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對固定。北斗與AIS具有一定的優(yōu)勢并成為發(fā)展趨勢，但并未得到實質(zhì)性推廣應用。由于系統(tǒng)前期由廠家推動其發(fā)展，因此通信方案由廠家制定且互不兼容。一個廠家一個平臺成為系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸，也制約航海保障的信息化發(fā)展。面對發(fā)展瓶頸，針對系統(tǒng)通信方案的研究較少。航標遙測遙控系統(tǒng)的通信方案作為連接系統(tǒng)與航標的技術(shù)要求，其良好的設(shè)計對我國水上交通安全保障的意義重大。

本文綜合考慮南海海區(qū)的航標分布特征，分析通信問題，從通信方式、網(wǎng)絡(luò)鏈接方式、數(shù)據(jù)分類、數(shù)據(jù)分級、報文長度控制及特殊設(shè)計等方面對南海海區(qū)航標遙測遙控的通信方案進行綜合設(shè)計。方案在南海海區(qū)全面應用，并取得了良好的效果。

2 南海海區(qū)航標通信需求分析

2.1 南海海區(qū)航標分布情況

南海海區(qū)航標的布設(shè)水域可分為三個類型：

(1)港區(qū)水域。絕大部分航標分布在港區(qū)水域。該水域的公共網(wǎng)絡(luò)覆蓋較好，但呈現(xiàn)信號不穩(wěn)定的趨勢且日益突出。不同電信運營商的覆蓋情況不一，難以保證通信的可靠性。電信運營商曾打造“黃金海岸”工程建設(shè)近海通信網(wǎng)絡(luò)[25]，但隨著4G/5G基站的單一覆蓋面積進一步縮小，近海網(wǎng)絡(luò)通信強度不穩(wěn)定的趨勢更加突出。

(2)近岸偏遠水域。部分航標布設(shè)在距城區(qū)、港區(qū)較遠的近岸水域，與養(yǎng)護基地相隔較遠，維護成本相對較高。偏遠水域的電信運營商基礎(chǔ)硬件投入不足，基礎(chǔ)公共網(wǎng)絡(luò)覆蓋效果差；同時部分邊境水域的網(wǎng)絡(luò)信息安全要求也更高。

(3)遠海島礁水域。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展與基礎(chǔ)建設(shè)技術(shù)的進步，我國在南海海區(qū)的遠海島礁水域建設(shè)了必要的基礎(chǔ)性航海保障設(shè)施，大型燈塔的建設(shè)為附近船舶提供了航海保障，但遠海島礁水域暫無基礎(chǔ)公共網(wǎng)絡(luò)覆蓋。

2.2 存在的問題與原因分析

現(xiàn)階段南海海區(qū)的航標遙測遙控系統(tǒng)在通信方面存在以下主要問題：

(1)部分航標所在水域公共網(wǎng)絡(luò)覆蓋不足，缺乏有效的通信方式，遙測遙控系統(tǒng)的通信覆蓋范圍受限[26]。這種現(xiàn)象在近岸偏遠水域和遠海島礁水域尤其明顯。

(2)網(wǎng)絡(luò)通信掉線率高。為保證時效，在通信方案中往往選擇長連接實現(xiàn)終端與服務(wù)器的通信，但實際連接上的通信數(shù)據(jù)少，通信基站在必要時會關(guān)閉閑置連接以提高網(wǎng)絡(luò)利用率，造成長連接中斷。為提高在線率，終端會頻繁占用連接，造成惡劣循環(huán)。

(3)報文設(shè)計不精簡。系統(tǒng)涉及的數(shù)據(jù)包括航標位置、燈器工作情況、環(huán)境情況、能源情況等達240多項。在設(shè)計中，一般都要求所有的數(shù)據(jù)項一起打包傳輸，實際大量數(shù)據(jù)項為空，且大量數(shù)據(jù)無需回傳，報文冗余度高。

(4)遙測數(shù)據(jù)不準確，報警有效性待提高[26]。一方面終端數(shù)據(jù)欠缺規(guī)范，準確性低，數(shù)據(jù)難以被進一步利用；另一方面，報警以計算能力不足的終端根據(jù)判斷為主，準確性低，這也導致系統(tǒng)難以被有效使用。

可見，針對南海海區(qū)的航標遙測遙控系統(tǒng)建設(shè)，需要從通信的角度重新設(shè)計，進一步提高通信的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)的準確性，為遙測遙控系統(tǒng)的各項功能實現(xiàn)提供基礎(chǔ)。

2.3 需求分析

南海海區(qū)航標遙測遙控的通信方案應滿足以下基本需求：

(1)覆蓋全面。要能綜合利用多種通信方式，對南海海區(qū)航標實現(xiàn)通信全覆蓋，使航標遙測遙控系統(tǒng)能夠監(jiān)測對海區(qū)內(nèi)全部航標；(2)通信穩(wěn)定。終端與服務(wù)器之間要有穩(wěn)定的通信方式，利用通信的穩(wěn)定保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的不斷更新，保障遙測、遙控兩個基本指令的順暢實施；(3)報文精簡。要盡可能縮減報文長度，對部分無用數(shù)據(jù)項進行適當處理，使終端與服務(wù)器之間的通信更加敏捷；(4)數(shù)據(jù)準確。要提高報文中各類數(shù)據(jù)的準確性，保證通信交互中的每一個數(shù)據(jù)項都準確可用。

3 南海海區(qū)航標通信方案設(shè)計

針對問題與需求，對南海海區(qū)航標遙測遙控，從通信信道、公共網(wǎng)絡(luò)通信鏈接方式、遙測遙控數(shù)據(jù)分級分類、通信報文控制及特殊設(shè)計等角度，進行通信方案設(shè)計。

3.1 通信信道

在通信信道方面，同時利用移動公共網(wǎng)絡(luò)(如GPRS、CDMA、3G、4G等)和移動衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，及AIS、北斗RDSS等專用網(wǎng)絡(luò)，實際使用時須根據(jù)應用特點選擇相應終端，保證遙測遙控系統(tǒng)對航標監(jiān)測的全面覆蓋。使用移動公共網(wǎng)絡(luò)和移動衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)時，終端通過服務(wù)器所在的固定IP地址進行通信交互；實現(xiàn)服務(wù)器與AIS數(shù)據(jù)庫的互聯(lián)互通，服務(wù)器與AIS終端之間通過AIS專用網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)通信交互；部署北斗指揮機并連接系統(tǒng)服務(wù)器，利用北斗指揮機與終端北斗模塊實現(xiàn)北斗RDSS通信。

在公共網(wǎng)絡(luò)覆蓋較好的港區(qū)水域，優(yōu)先選擇移動公共網(wǎng)絡(luò)，如果船舶交通流量不大，AIS信道使用率不高，可選擇AIS作為通信信道。在公共網(wǎng)絡(luò)覆蓋較差的近岸偏遠水域，可選擇AIS作為通信信道，在邊境水域，因網(wǎng)絡(luò)信息安全問題，優(yōu)先選擇利用北斗短報文進行通信。在遠海島礁水域，優(yōu)先選擇北斗短報文進行通信。

3.2 網(wǎng)絡(luò)通信連接

采用移動公共網(wǎng)絡(luò)進行通信時，為保障每次通信中連接的穩(wěn)定有效，優(yōu)先選擇TCP短連接模式。使用TCP短連接時服務(wù)器與航標終端斷開，因此服務(wù)器發(fā)送遙測遙控指令時，需要先行使用非移動網(wǎng)絡(luò)如短消息向終端通信，然后由終端發(fā)起連接。

少量情況下采用衛(wèi)星通信時，由于連接建立的時間長，衛(wèi)星通信的通道寶貴，因此優(yōu)先由終端選擇TCP長連接模式與服務(wù)器主動建立連接。

使用AIS信道時，采用固定時隙FATDMA方式，按照AIS相關(guān)標準用6號電文進行尋址傳輸。

3.3 通信交互方式

服務(wù)器與終端之間的交互模式分7大類：(1)服務(wù)器查詢終端運行狀態(tài)信息；(2)服務(wù)器設(shè)置終端運行狀態(tài)參數(shù)；(3)終端主動上報運行狀態(tài)報警信息；及終端上傳狀態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)，由于狀態(tài)參數(shù)又進行了4個分級處理(具體論述見后)，因此交互方式又有(4)終端上傳一級狀態(tài)參數(shù)；(5)終端上傳二級狀態(tài)參數(shù)；(6)終端上傳三級狀態(tài)參數(shù)；(7)終端上傳四級狀態(tài)參數(shù)。

3.4 數(shù)據(jù)分類分級

將需要交互的數(shù)據(jù)進行分類處理，初步分為7類：基礎(chǔ)報文信息、工作狀態(tài)信息、燈器設(shè)備信息、能源設(shè)備信息、雷達應答器信息、終端報警信息、工作參數(shù)信息。

基礎(chǔ)報文信息包括報文交互模式、對應終端信息、數(shù)據(jù)采集時間、報文屬性等。

將剩余6類信息按照數(shù)據(jù)回傳需求，從高到低分為4個級別的狀態(tài)參數(shù)，前三級為動態(tài)參數(shù)信息，第一級狀態(tài)參數(shù)需要頻繁回傳，隨后頻次依次降低；第四級狀態(tài)參數(shù)是靜態(tài)參數(shù)信息，僅根據(jù)遙測指令被動回傳。

具體分類分級情況如表1。

表1 狀態(tài)參數(shù)分類與分級Tab.1 Categories and classes of state parameters

3.5 數(shù)據(jù)準確性

為保證數(shù)據(jù)的準確性，對每一個數(shù)據(jù)項的單位、值域、誤差、比特數(shù)進行規(guī)定，如規(guī)定經(jīng)緯度單位“度”的值域為0～89，單位為°；“分”的值域為0～599 999，單位為1/600 000°；再如“電壓”的值域為0～6 500，單位為0.1 V，數(shù)據(jù)誤差為±0.1 V。

3.6 報文長度控制

在分類分級的基礎(chǔ)上，可實現(xiàn)對報文的積木式處理，最大化精簡報文。終端在上傳狀態(tài)信息時，必須首先上傳基礎(chǔ)報文信息，然后根據(jù)情況選擇4個級別狀態(tài)參數(shù)中的一個或多個進行回傳。在基礎(chǔ)報文信息中對結(jié)構(gòu)進行標識，方便服務(wù)器識別報文的狀態(tài)參數(shù)組合情況。

在設(shè)計中要保證：(1)對于回傳頻次高的一級狀態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)，在任何通信方式下，如SMS短消息、AIS短報文、北斗短消息，都能僅用一條報文傳輸。(2)在回傳全部一級、二級和三級動態(tài)參數(shù)信息時，在任何通信方式下都能用兩條報文傳輸。

3.7 特殊設(shè)計

對通信方案中進行特殊設(shè)計以滿足實際的業(yè)務(wù)需要：

增加通信號碼匹配報警功能，實現(xiàn)SIM卡自動識別，幫助通信卡、終端的有序管理?，F(xiàn)階段SIM卡與終端管理混亂，無法準確記錄終端與SIM卡的關(guān)系，不清楚哪些使用哪些閑置，資源大量浪費。要求在終端中增加識別IMSI碼并存儲，啟動后首先識別IMSI碼是否變化，若不一致說明通信卡更換，則利用短消息發(fā)送報警，服務(wù)器根據(jù)短信號碼識別SIM卡號并報文中的終端號碼自動匹配，實現(xiàn)SIM卡的自動識別和自動匹配。

部分通信方式不應答。由于AIS電文、北斗短消息的數(shù)據(jù)發(fā)送與接收受各方面影響較大，容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失，因此設(shè)計AIS電文、北斗短消息直接發(fā)送報文，無須應答。

北斗短報文周期通信。由于航標電源珍貴，北斗天線發(fā)射時的電流達到平均120 mA，而使用普通移動公共網(wǎng)絡(luò)只有10 mA，為延長終端工作時間，將北斗短報文通信設(shè)定為周期通信，在每60 min周期性喚醒一段時間，如每個整點前5 min為通信時間，其他時間靜默，此時耗電量基本一致。

取消強制關(guān)閉遙控指令。燈器可能會發(fā)生白天燈亮、夜晚燈滅故障，白天燈亮則需強制關(guān)閉燈器，夜晚燈滅則需強制打開燈器?？紤]網(wǎng)絡(luò)信息安全問題，在遙控指令中取消強制關(guān)閉功能，白天燈亮后不予強制關(guān)閉，實際工作中也不影響助導航功能。

4 南海海區(qū)航標通信方案實現(xiàn)

以本研究為基礎(chǔ)，進一步開發(fā)了南海海區(qū)遙測遙控系統(tǒng)。系統(tǒng)實現(xiàn)了與南海海區(qū)現(xiàn)有航標靜態(tài)基礎(chǔ)信息管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，主要功能包括：

(1)GIS平臺。在電子海圖平臺上對各類物標進行展示，包括航標展示、管理機構(gòu)展示、AIS與DGPS等各類基站展示。

(2)航標基礎(chǔ)信息。包括查詢并調(diào)用航標基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)信息，并根據(jù)需要顯示航標基礎(chǔ)信息。

(3)航標運行狀態(tài)監(jiān)測。實現(xiàn)航標、終端、通信卡自動綁定；航標運行監(jiān)測數(shù)據(jù)的接收與存儲；航標監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示；航標遙測指令發(fā)送與相關(guān)指令顯示；航標碰撞報警的肇事船舶追蹤。

(4)航標運行狀態(tài)遙控。實現(xiàn)對相關(guān)航標運行狀態(tài)的遙控指令發(fā)送，并顯示相關(guān)的遙控信息。

(5)航標故障判斷與顯示。包括終端報警故障顯示和終端運行狀況判斷與顯示兩部分。

(6)歷史信息查詢。對航標運政狀態(tài)、遙測、遙控、航標運行故障燈歷史信息的查詢與顯示。

(7)統(tǒng)計報表。根據(jù)歷史信息，按照需要生成航標運行狀態(tài)曲線，實現(xiàn)不同維度的遙測遙控終端統(tǒng)計、航標運行故障統(tǒng)計和航標故障處置情況統(tǒng)計。

南海海區(qū)遙測遙控系統(tǒng)通信成功率達到100%，通信穩(wěn)定性好，可靠性高。準確的數(shù)據(jù)也為相應的系統(tǒng)開發(fā)提供了良好基礎(chǔ)。按照通信方案的設(shè)計，系統(tǒng)實現(xiàn)了對各級別數(shù)據(jù)的區(qū)別監(jiān)控，航標通信可靠性高，數(shù)據(jù)實現(xiàn)了連續(xù)回傳?，F(xiàn)階段南海海區(qū)航標遙測遙控系統(tǒng)實現(xiàn)了對海區(qū)航標的有效監(jiān)測。

5 研究結(jié)論

針對南海海區(qū)航標遙測遙控系統(tǒng)存在的有效通信方式缺乏、網(wǎng)絡(luò)通信掉線率高、報文設(shè)計不精簡、遙測數(shù)據(jù)不準確等問題，對南海海區(qū)航標遙測遙控的通信方案進行重新設(shè)計，將南海海區(qū)的航標分布水域分為港區(qū)水域、近岸偏遠水域、遠海島礁水域三類。這三類典型水域的通信條件與需求各不相同。接合實際應用需求、現(xiàn)存問題，對南海海區(qū)航標遙測遙控從通信信道、公共網(wǎng)絡(luò)通信鏈接方式、遙測遙控數(shù)據(jù)分級分類、通信報文控制及特殊設(shè)計的角度進行通信方案設(shè)計。研究成果進一步形成了《南海海區(qū)航標遙測遙控通信技術(shù)要求》，并在南海海區(qū)應用，遙測遙控通信成功率達到100%，通信穩(wěn)定性好，可靠性高，準確的數(shù)據(jù)為相應的航標遙測遙控系統(tǒng)開發(fā)提供了良好的基礎(chǔ)。