沿海小型船舶態(tài)勢感知與事故預(yù)警平臺研究

趙思重陽 周超杰 王捷

摘要：沿海小型船舶由于船舶航行設(shè)備缺乏標(biāo)準(zhǔn)化配置、駕駛?cè)藛T缺乏專業(yè)航行技術(shù)和航行中進(jìn)行其他業(yè)務(wù)等原因，航行中發(fā)生海上交通事故較多，造成了巨大的人命和財(cái)產(chǎn)損失。沿海小型船舶態(tài)勢感知與事故預(yù)警平臺通過構(gòu)建船舶網(wǎng)絡(luò)覆蓋、信息采集及信息和數(shù)據(jù)集成系統(tǒng)，使得船舶航行數(shù)據(jù)應(yīng)用功能更加全面、信息通道更加暢通、船岸一體化協(xié)同程度更高，以保障海上安全航行的需求，有效地保護(hù)海上人命和財(cái)產(chǎn)安全。

關(guān)鍵詞：沿海小型船舶;信息采集;北斗衛(wèi)星通信;風(fēng)險預(yù)警平臺

中圖分類號：TP391文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1006—7973（2022）05-0058-02

1前言

近年來，隨著海上旅游消費(fèi)市場、沿海島嶼間商業(yè)活動和海洋經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，沿海小型船舶、漁船等交通流量大幅增加，促進(jìn)我國的海洋經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展。

沿海小型船舶泛指沿海水域航行和作業(yè)的各類船舶，如漁船、游艇、加油船和平臺運(yùn)輸船等。隨著基于大數(shù)據(jù)、智能化技術(shù)的海上信息系統(tǒng)逐步成熟及應(yīng)用，沿海小型船舶需要裝備數(shù)據(jù)應(yīng)用功能更加全面、信息通道更加暢通、船岸一體化協(xié)同程度更高的信息系統(tǒng)，以滿足現(xiàn)代海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求[1]。目前，特別是針對沿海小型船舶運(yùn)行需求的船岸一體化信息系統(tǒng)發(fā)展相對滯后，一旦遇到大風(fēng)、大浪、大霧等惡劣天氣，沿海小型船舶及船員都將承受較大的風(fēng)險。

2研究設(shè)計(jì)

2.1研究思路

針對沿海小型船舶的運(yùn)行特點(diǎn)，航行和作業(yè)安全保障等需求，需要研究沿海小型船舶態(tài)勢感知與事故預(yù)警平臺，通過該平臺，采集沿海小型船舶搭載的推進(jìn)器、計(jì)程儀、GPS、羅經(jīng)等設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的信息，風(fēng)速、風(fēng)向、海浪等氣象數(shù)據(jù)信息及船艙進(jìn)水、火災(zāi)、貨倉二氧化硫氣體濃度等安全應(yīng)急信息，并將數(shù)據(jù)信息通過衛(wèi)星鏈路實(shí)時回傳至岸基指揮中心并進(jìn)行展示。通過大數(shù)據(jù)分析，給沿海小型船舶提供狀態(tài)監(jiān)測與風(fēng)險預(yù)警等管理服務(wù)。

2.2平臺架構(gòu)設(shè)計(jì)

為滿足沿海小型船舶狀態(tài)監(jiān)測與風(fēng)險預(yù)警等管理服務(wù)需求，需要在沿海小型船舶上安裝氣象傳感器、火災(zāi)傳感器、水位傳感器等傳感器后，通過船內(nèi)通信把傳感器采集到的數(shù)據(jù)信息匯總至遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)適配終端。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)適配終端收集到數(shù)據(jù)信息后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，通過沿海小型船舶上的衛(wèi)星通信天線與衛(wèi)星進(jìn)行通信，回傳數(shù)據(jù)至岸基中心后存儲在數(shù)據(jù)庫中。同時，岸基中心通過沿海小型船舶態(tài)勢感知與事故預(yù)警平臺實(shí)時展示，監(jiān)視捕獲信息的實(shí)時變化，對收集到的信息進(jìn)行大數(shù)據(jù)的處理，判斷沿海小型船舶的風(fēng)險狀態(tài)，對風(fēng)險等級較高的沿海小型船舶進(jìn)行預(yù)警信息下發(fā)，提醒沿海小型船舶采取應(yīng)急預(yù)防措施，避免事故發(fā)生。平臺架構(gòu)如圖1所示。

3核心研究技術(shù)

技術(shù)內(nèi)容方面主要包括：沿海小型船舶網(wǎng)絡(luò)覆蓋技術(shù)、信息采集技術(shù)及信息和數(shù)據(jù)集成技術(shù)。

3.1網(wǎng)絡(luò)覆蓋技術(shù)

沿海小型船舶出海后，由于遠(yuǎn)離移動手機(jī)地面基站，有時無法收到任何通信信號，將無法通過網(wǎng)絡(luò)與外界聯(lián)系。北斗衛(wèi)星通信是實(shí)現(xiàn)沿海小型船舶通信的解決途徑，沿海小型船舶處于航行、漂泊的狀態(tài)時，只有使用移動船載衛(wèi)星天線，才能夠自動搜索、自動跟蹤衛(wèi)星信號，實(shí)現(xiàn)沿海小型船舶與岸基指揮中心的通信[2]。

研究的船載北斗衛(wèi)星設(shè)備由船載衛(wèi)星通信天線、衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器、路由器等部分組成[3]。沿海小型船舶在海上航行時，通信終端接收到北斗衛(wèi)星發(fā)射的信號，通過研究的船載北斗衛(wèi)星設(shè)備將其轉(zhuǎn)化為WiFi信號，并覆蓋整艘船舶，供船員和其他設(shè)備使用，得到船舶網(wǎng)絡(luò)覆蓋的需求。

3.2信息采集方案

遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)適配終端是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)適配器，它可以快速提供工業(yè)設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)解決方案，并通過配置快速形成所需應(yīng)用模式的專業(yè)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)適配器。

研究的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)適配終端可以通過船上的WiFi信號與公網(wǎng)相連接[4]。其本身不產(chǎn)生數(shù)據(jù)，它通過串口、網(wǎng)口等通信接口和沿海小型船舶上的傳感器、控制器、PLC等控制模塊對接，獲取模塊上的數(shù)據(jù)（運(yùn)行狀態(tài)、事件、報警等）。適配終端獲取到這些數(shù)據(jù)后，經(jīng)過加工整理、格式化，梳理成遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺規(guī)范的數(shù)據(jù)方式，并發(fā)給數(shù)據(jù)庫。

3.3信息和數(shù)據(jù)集成方案

研究的沿海小型船舶信息和數(shù)據(jù)集成服務(wù)作為應(yīng)用層，承擔(dān)著與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的作用，并提供前端界面，供終端用戶進(jìn)行交互操作。通過此界面，用戶和遠(yuǎn)程監(jiān)控人員可以很方便地看到沿海小型船舶的實(shí)時數(shù)據(jù)信息，方便船員和遠(yuǎn)程監(jiān)控人員實(shí)時掌握沿海小型船舶態(tài)勢，及時采取應(yīng)急預(yù)防措施。

信息和數(shù)據(jù)集成其主要作用是靈活地展示和運(yùn)用數(shù)據(jù)。例如：宏觀展現(xiàn)所有設(shè)備的分布、船舶所在環(huán)境天氣狀況、船舶整體設(shè)備運(yùn)行完好率、船舶設(shè)備實(shí)時運(yùn)行狀態(tài)等;并用曲線展示某個設(shè)備某個時間段核心參數(shù)的變化;也可將根據(jù)所采集到的數(shù)據(jù)信息，通過合適的算法，預(yù)測未來一段時間內(nèi)船舶的運(yùn)行狀態(tài)。所有信息均可在指揮中心和沿海小型船舶本地通過PC端或手機(jī)APP進(jìn)行展示。給沿海小型船舶提供智能化工具，變事后處置為事前預(yù)警，及時提醒船舶采取應(yīng)急預(yù)防措施。

3.4面臨的問題及解決方案

3.4.1問題一：海上網(wǎng)絡(luò)通信帶寬小

目前，通信衛(wèi)星都是使用的距地面36000KM靜止軌道衛(wèi)星，通信距離遠(yuǎn)，通信帶來的帶寬限制和延時問題難以克服。考慮問題的具體情況，解決方案采用優(yōu)化的快速衛(wèi)星寬帶，提升海上信息數(shù)據(jù)傳送效率。同時，對遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)適配終端采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理，自動識別有變化的數(shù)據(jù)，并且，靈活配置每個數(shù)據(jù)的上傳周期，有針對性地上傳數(shù)據(jù)，最大限度降低通信壓力，減小通信延時。

3.4.2問題二：沿海小型船舶運(yùn)行狀態(tài)預(yù)測困難

目前，如何及時掌握沿海小型船舶是否會發(fā)生異常和故障及發(fā)生異常和故障的概率，以便提前做好預(yù)防措施仍存在困難?？紤]問題的具體情況，解決方案針對收集上來的采集數(shù)據(jù)，系統(tǒng)軟件平臺提供工業(yè)大數(shù)據(jù)解決方案，通過對采集數(shù)據(jù)的深入計(jì)算和分析，找出數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，從而分析出規(guī)律。例如通過對最近一段時期（如幾個小時、一天、一周或幾個月）之內(nèi)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析，對設(shè)備當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)做出客觀評估，并對設(shè)備在未來一段時間的運(yùn)行情況進(jìn)行預(yù)測。同時加入人工智能服務(wù)，可以對沿海小型船舶狀態(tài)進(jìn)行風(fēng)險識別（穩(wěn)定性風(fēng)險、故障風(fēng)險、突變風(fēng)險等）和故障診斷，并根據(jù)大數(shù)據(jù)，進(jìn)行持續(xù)的深度學(xué)習(xí)，最終實(shí)現(xiàn)沿海小型船舶的狀態(tài)預(yù)測。FA9D78CC-5E56-4DBE-A8DF-A6243D635F1E

4平臺實(shí)現(xiàn)和創(chuàng)新

4.1研究目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)

通過研究，沿海小型船舶態(tài)勢感知與事故預(yù)警平臺將實(shí)現(xiàn)沿海小型船舶輕量化衛(wèi)星通信系統(tǒng)搭建，為沿海小型船舶提供低價格、高性能的衛(wèi)星通信服務(wù);實(shí)現(xiàn)沿海小型船舶感知終端能收集船舶態(tài)勢數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、安全數(shù)據(jù)并格式化傳送;實(shí)現(xiàn)船岸協(xié)同監(jiān)控平臺可以實(shí)時顯示沿海小型船舶態(tài)勢感知數(shù)據(jù)與安全動態(tài);最后，利用大數(shù)據(jù)處理技術(shù)分析回傳信息，對異常數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，向沿海小型船舶終端發(fā)出預(yù)警信息，并自動給船東和漁業(yè)管理部門予以實(shí)時共享。

4.2研究內(nèi)容的創(chuàng)新

首先，通過對沿海小型船舶監(jiān)測到的氣象信息進(jìn)行及時回傳，并根據(jù)眾多沿海小型船舶的信息協(xié)同融合，通過岸基大數(shù)據(jù)平臺，可以構(gòu)建海上氣候信息網(wǎng)絡(luò)矩陣，提升對海上氣候信息監(jiān)測及預(yù)警的及時性、準(zhǔn)確度;其次，通過岸基大數(shù)據(jù)平臺的智能化自適應(yīng)算法，實(shí)現(xiàn)對沿海小型船舶大量信息數(shù)據(jù)的自學(xué)習(xí)和模型自矯正，不斷提升系統(tǒng)的智能化及可用性。

5總結(jié)

沿海小型船舶態(tài)勢感知與預(yù)警方面目前還是空白，課題的研究將有效解決沿海小型船舶各種搭載設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息（如海風(fēng)、海浪、大霧等氣象實(shí)時信息及機(jī)艙進(jìn)水監(jiān)控、火災(zāi)、有害氣體濃度等信息）的態(tài)勢感知與數(shù)據(jù)實(shí)時回傳問題，并根據(jù)岸基指揮中心的大數(shù)據(jù)處理結(jié)果將預(yù)警信息實(shí)時向沿海小型船舶進(jìn)行反饋，給沿海小型船舶提供智能化工具，變事后處置為事前預(yù)警，及時提醒區(qū)域內(nèi)漁船采取應(yīng)急預(yù)防措施。平臺可以實(shí)現(xiàn)對沿海小型船舶進(jìn)行高效、一體化管理，為突發(fā)事故及遠(yuǎn)程救助提供數(shù)據(jù)支持，大幅減少沿海小型船舶因碰撞、人命事故、救援等產(chǎn)生的社會經(jīng)濟(jì)成本。同時，在節(jié)約管理成本的同時提高管理質(zhì)量，收集到的數(shù)據(jù)也可以為政府決策及科研服務(wù)。

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