海上險(xiǎn)情處置可視化通信研究

張凱皓，王高峰，李 徽（北海航海保障中心天津通信中心，天津 300456）

一、研究背景

我國(guó)是世界航運(yùn)大國(guó)、國(guó)際海事組織A類常任理事國(guó)，也是國(guó)際海上人命安全公約（SOLAS公約）的締約國(guó)之一，履行和遵守相關(guān)國(guó)際規(guī)定和決議是締約國(guó)的基本義務(wù)。同時(shí)，按照e航海目標(biāo)定位，未來(lái)岸基系統(tǒng)將為船舶提供全面、及時(shí)和有效的信息保障，為海上安全、應(yīng)急響應(yīng)、環(huán)境保護(hù)和船岸信息交互提供支持。

國(guó)務(wù)院辦公廳于2019年11月8日發(fā)布《關(guān)于加強(qiáng)水上搜救工作的通知》，強(qiáng)調(diào)要注重裝備研發(fā)配備和技術(shù)應(yīng)用，推動(dòng)人工智能、新一代信息技術(shù)、衛(wèi)星通信等在水上搜救工作中的應(yīng)用。近年來(lái)，我國(guó)的海上搜救工作成效明顯。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2021年全年組織協(xié)調(diào)搜救行動(dòng)1 990次，成功搜救中外遇險(xiǎn)船舶1 171艘、中外遇險(xiǎn)人員13 928人，搜救成功率95.5%。

作為衛(wèi)星通信的重要技術(shù)手段，甚小孔徑終端（VSAT）終端站通信設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊牢固、全固態(tài)化、尺寸小、功耗低、安裝方便，主站可方便地接入陸地通信網(wǎng)絡(luò)，支持多種通信方式，組網(wǎng)靈活、通信容量大、傳輸距離遠(yuǎn)、經(jīng)濟(jì)實(shí)用等諸多特點(diǎn)，特別適用于有較大信息量和所轄邊遠(yuǎn)分支機(jī)構(gòu)較多的部門(mén)。基于VSAT、長(zhǎng)期演進(jìn)（LTE）的海上寬帶通信系統(tǒng)可以為海事監(jiān)管、海上搜救等業(yè)務(wù)提供可視化通信方案，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、圖像、視頻等的實(shí)時(shí)傳輸，有助于各海事部門(mén)提高遠(yuǎn)海區(qū)域應(yīng)急通信保障水平。當(dāng)發(fā)生海難事故時(shí)，能夠?qū)崟r(shí)掌握海上搜救現(xiàn)場(chǎng)情況，并可通過(guò)使用LTE CPE客戶前置設(shè)備、MESH自組網(wǎng)（艦隊(duì)網(wǎng)狀連接）等方式，進(jìn)一步擴(kuò)大通信范圍，為海上險(xiǎn)情處置提供更強(qiáng)大的通信支持，為快速、高效的搜救指揮工作提供強(qiáng)有力的保障。

二、海上融合通信系統(tǒng)

海上融合通信系統(tǒng)能夠?qū)⒏黝愅ㄐ耪{(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一接入，如將視頻監(jiān)控、視頻會(huì)議、集群對(duì)講、一鍵報(bào)警終端、基于公共交換電話網(wǎng)絡(luò)（PSTN）的接警系統(tǒng)等進(jìn)行統(tǒng)一接入，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)音視頻媒體及數(shù)據(jù)的統(tǒng)一匯聚，實(shí)現(xiàn)單一操作臺(tái)對(duì)多種音視頻通信終端的統(tǒng)一調(diào)度操作，同時(shí)，視頻監(jiān)控?cái)z像頭、電話、手機(jī)、視頻會(huì)議等各類終端的實(shí)時(shí)音頻和視頻圖像可以匯入同一會(huì)場(chǎng)中實(shí)現(xiàn)多媒體融合會(huì)商。融合調(diào)度平臺(tái)還將提供標(biāo)準(zhǔn)的SDK（Software Development Kit，軟件開(kāi)發(fā)工具包），使信息發(fā)布、應(yīng)急管理、大屏展示等業(yè)務(wù)系統(tǒng)快速獲取各種通信調(diào)度能力，使海事的指揮調(diào)度系統(tǒng)具備“叫得應(yīng)”“看得清”“連得上”“能會(huì)商”“智能化”的特點(diǎn)。

三、海上險(xiǎn)情處置可視化設(shè)計(jì)思路

（一）接入設(shè)計(jì)

根據(jù)船只所處的位置和周邊信號(hào)覆蓋能力，設(shè)計(jì)分為無(wú)線微波信號(hào)、4G LTE專網(wǎng)信號(hào)、4G/5G LTE公網(wǎng)定向回傳信號(hào)和VSAT信號(hào)。多種鏈路根據(jù)可用程度、經(jīng)濟(jì)程度和覆蓋程度自動(dòng)或者手動(dòng)選擇。

根據(jù)不同的場(chǎng)景可以自動(dòng)或者手動(dòng)選擇信號(hào)接入（見(jiàn)表1）：

表1 通信接口一覽表

（二）無(wú)線微波網(wǎng)絡(luò)可視化回傳設(shè)計(jì)

近岸30 n mile內(nèi)實(shí)時(shí)通信是海事、海測(cè)、航標(biāo)等航海保障過(guò)程中實(shí)現(xiàn)船岸信息交互的通信需求，既可以保障船只在海上航行時(shí)不脫離岸端控制中心的管理，同時(shí)在出現(xiàn)緊急狀況時(shí)，岸端指揮中心人員可以依靠通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)船只進(jìn)行視頻監(jiān)控和指令下達(dá)。由此可見(jiàn)，構(gòu)建穩(wěn)定、可靠的通信網(wǎng)絡(luò)是至關(guān)重要的。無(wú)線微波網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展是源于海上通信環(huán)境的局限性，海上無(wú)法建立起可靠的有線設(shè)置，因此作為主流近岸通信技術(shù)的無(wú)線微波通信就成為了可視化回傳網(wǎng)絡(luò)重要的組成部分。

無(wú)線微波通信網(wǎng)絡(luò)一般設(shè)計(jì)為對(duì)等網(wǎng)絡(luò)，分為岸端和船端2個(gè)部分。岸端分為無(wú)線微波設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)部分，船端分為無(wú)線微波設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)選擇設(shè)備（NSD）后端網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。岸端部分和船端部分根據(jù)傳輸空間內(nèi)有無(wú)干擾源或大型障礙物，可以判斷船岸兩端是否能實(shí)現(xiàn)通信。

由于使用對(duì)等網(wǎng)絡(luò)模式，因此岸端和船端均使用配套的天線和控制系統(tǒng)，也同時(shí)需要滿足設(shè)備外殼具有防水、防鹽霧、防腐蝕等功能，主要應(yīng)用于高帶寬遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸場(chǎng)景，有固定點(diǎn)傳輸，也有移動(dòng)點(diǎn)傳輸。采用固定點(diǎn)傳輸時(shí)，具有傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸速率高、繞射能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于海上石油平臺(tái)等超遠(yuǎn)距離主干線大數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)-點(diǎn)平臺(tái)之間的高速遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)。移動(dòng)點(diǎn)傳輸機(jī)動(dòng)性較強(qiáng)，適用于海事監(jiān)管船舶與陸地岸邊或海洋大小平臺(tái)之間的高速移動(dòng)通信。

（三）VSAT網(wǎng)絡(luò)可視化回傳設(shè)計(jì)

VSAT主站系統(tǒng)采用全球領(lǐng)先的衛(wèi)星通信解決方案，可以在保證通信服務(wù)質(zhì)量的基礎(chǔ)上盡可能地提高使用率和業(yè)務(wù)速率，系統(tǒng)使用了動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)，可以根據(jù)全網(wǎng)范圍的業(yè)務(wù)需求統(tǒng)一分配帶寬，自動(dòng)適應(yīng)傳輸環(huán)境的變化，自動(dòng)響應(yīng)實(shí)時(shí)流量需求。同時(shí)還可以按照用戶需求和服務(wù)協(xié)議級(jí)別，為用戶分配所有可用帶寬，以確保隨時(shí)使用所有容量，用來(lái)滿足海上應(yīng)急險(xiǎn)情處置等臨時(shí)場(chǎng)景的使用需求。系統(tǒng)主站可管理多個(gè)遠(yuǎn)端站（船站），充分滿足多船出海協(xié)同作業(yè)、演習(xí)等業(yè)務(wù)需求，主站后端同時(shí)接入海事內(nèi)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)，海上用戶可根據(jù)需要自行切換接入網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)滿足船員工作和生活的需求。

（四）LTE網(wǎng)絡(luò)可視化回傳設(shè)計(jì)

在海上石油平臺(tái)上建設(shè)基于LTE的公網(wǎng)或?qū)＞W(wǎng)基站，實(shí)現(xiàn)對(duì)附近水域的寬帶網(wǎng)絡(luò)覆蓋。TD-LTE系統(tǒng)由基站設(shè)備、終端設(shè)備、核心網(wǎng)設(shè)備組成。其中，基站設(shè)備由基帶處理單元（BBU）和射頻拉遠(yuǎn)單元（RRU）組成，BBU將安裝于平臺(tái)機(jī)房?jī)?nèi)，RRU將安裝基站支架靠近天饋線安裝。用戶終端設(shè)備將采用客戶前置設(shè)備（CPE），其接收來(lái)自TD-LTE系統(tǒng)的無(wú)線信號(hào)，并轉(zhuǎn)換為WIFI及有線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，通過(guò)WIFI或RJ45網(wǎng)口接入終端用戶。用戶端的CPE用于各類視頻回傳和數(shù)據(jù)上傳下載，安裝于船上或固定監(jiān)控點(diǎn)無(wú)線覆蓋范圍內(nèi)。

為配合AIS系統(tǒng)監(jiān)管應(yīng)用，LTE基站覆蓋總體要求能夠滿足基站附近15 km范圍海域，能夠獲得穩(wěn)定、清晰的視頻監(jiān)控圖像（D1格式）以及高帶寬業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)回傳；基站附近30 km范圍海域，能夠與船舶開(kāi)展船岸語(yǔ)音通話。

通過(guò)以上對(duì)VSAT和LTE的技術(shù)分析可以看出，充分融合VSAT和LTE各自的優(yōu)勢(shì)，以衛(wèi)星通信為數(shù)據(jù)傳輸主線路，以LTE為海上區(qū)域性寬帶通信網(wǎng)絡(luò)基站，可以有效拓展寬帶網(wǎng)絡(luò)在海上的覆蓋范圍。LTE基站還可相互聯(lián)網(wǎng)，形成大面積水域的無(wú)縫覆蓋，從而高效地服務(wù)海上寬帶通信需求。

四、應(yīng)用場(chǎng)景

基于VSAT的海上險(xiǎn)情處置可視化系統(tǒng)，可充分利用VSAT全球覆蓋的特點(diǎn)，依托海上基礎(chǔ)設(shè)施，搭建LTE基站，實(shí)現(xiàn)海上網(wǎng)絡(luò)的覆蓋，并有效支撐海上各類信息服務(wù)，為海事、航運(yùn)、搜救、科研等工作提供通信網(wǎng)絡(luò)支持。

（一）音視頻數(shù)據(jù)回傳。通過(guò)VSAT船載站、遠(yuǎn)端站將現(xiàn)場(chǎng)采集的音視頻數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳至控制應(yīng)用中心，通過(guò)內(nèi)網(wǎng)或公網(wǎng)接入，能在海上用戶作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)與所屬部門(mén)之間建立高清視頻會(huì)議。

（二）有無(wú)線語(yǔ)音通信。實(shí)現(xiàn)任意時(shí)間、任意地點(diǎn)VSAT遠(yuǎn)端站與控制應(yīng)用中心（臨時(shí)或固定）間船岸語(yǔ)音數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通；能夠通過(guò)LTE基站或遠(yuǎn)程VHF基站，實(shí)現(xiàn)公網(wǎng)手機(jī)船岸通話以及VHF語(yǔ)音監(jiān)聽(tīng)與電臺(tái)調(diào)度，同時(shí)對(duì)外廣播重要的水上安全信息。

（三）互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。建立海上公網(wǎng)TD-LTE網(wǎng)絡(luò)，用戶利用移動(dòng)通信等方式接入Internet，實(shí)現(xiàn)寬帶上網(wǎng)、收發(fā)郵件和海事業(yè)務(wù)辦理等。

（四）海上業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)交互。利用海事部門(mén)業(yè)務(wù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)岸上管理部門(mén)實(shí)時(shí)掌握和發(fā)送航標(biāo)、水文氣象等動(dòng)態(tài)信息。

（五）視頻監(jiān)控圖像回傳。利用海上CCTV視頻監(jiān)控系統(tǒng)，將所監(jiān)控的目標(biāo)水域交通動(dòng)態(tài)視頻數(shù)據(jù)回傳至控制應(yīng)用中心，再轉(zhuǎn)發(fā)至相關(guān)管理部門(mén)，實(shí)現(xiàn)水上交通動(dòng)態(tài)的監(jiān)控。

（六）海上應(yīng)急通信服務(wù)。針對(duì)海上用戶的突發(fā)事件應(yīng)急處置和調(diào)度指揮需求，系統(tǒng)可提供基于音視頻、文本等多種數(shù)據(jù)類型的船岸通信服務(wù)。根據(jù)事件緊急程度，通過(guò)系統(tǒng)資源調(diào)度，可優(yōu)先保障應(yīng)急處置工作需要。

（七）其他信息服務(wù)。利用LTE或船載終端站設(shè)備開(kāi)展北斗連續(xù)運(yùn)行參考站（CORS）信息與矢量電子海圖（ENC）、電子海圖顯示與信息系統(tǒng)（ECDIS）服務(wù)，根據(jù)服務(wù)需求將上述信息推送至相應(yīng)智能導(dǎo)助航設(shè)備。

五、結(jié)語(yǔ)

本研究能夠?yàn)榻窈蠼⒑Ｉ先轿桓采w、全天候監(jiān)控的水上立體監(jiān)管、綜合信息服務(wù)以及應(yīng)急處置體系提供技術(shù)支撐。海上融合通信系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)公務(wù)船舶船岸視頻通信、重點(diǎn)航路遠(yuǎn)程監(jiān)控以及遇險(xiǎn)船舶應(yīng)急通信；可實(shí)現(xiàn)港區(qū)岸對(duì)船的安全監(jiān)管、調(diào)度指揮和綜合服務(wù)；可實(shí)現(xiàn)船舶智能助航等功能，為相關(guān)海事管理和航海保障業(yè)務(wù)的開(kāi)展提供綜合化、多元化手段。區(qū)別于傳統(tǒng)近岸通信服務(wù)，融合了衛(wèi)星通信的可視化系統(tǒng)能夠?yàn)楹Ｊ卵由旆?wù)范圍、豐富服務(wù)內(nèi)容奠定技術(shù)基礎(chǔ)，為水上安全導(dǎo)助航、立體監(jiān)管、快速應(yīng)急處置等帶來(lái)顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。