一种基于北斗卫星定位的船舶智能报警系统设计

来源:用户上传      作者:林英狮 施志鸿

　　摘   要：船舶報警系统完善程度直接关系到船舶安全，为了使船员能有效进行航线调整，减少事故的发生，保证船舶安全，文章设计了一种船舶智能报警系统，应用于基于北斗卫星定位的船舶智能避碰报警终端。该系统通过北斗卫星定位单元来确认其他船舶的位置、航向及航速等信息，并通过数据采集单元采集本船舶的位置、航向及航速等信息，控制处理单元根据两种信息进行计算，在本船舶处于不同的航速时，采用不同的预警条件，在其他船舶的航行状态达到预警条件时，控制报警单元进行报警，以使本船能对其他船舶进行有效避让。在船舶进入港口区域时，因港口船舶密度过大，系统自动关闭报警避免不必要的扰乱，在船舶进入特定水域时，通过报警单元进行语音提示。这是一种智能化、使用方便的船舶报警系统，具有很大的实用价值，应用前景广阔。
　　关键词：船舶;船舶智能报警系统;报警;北斗定位
　　我国是世界渔业大国，2018年全国渔业人口1 878.68万人，其中，渔业从业人员1 325.72万人;拥有渔船86.39万艘，占世界渔船总数1/4以上;水产品总产量占世界水产品产量比重超过1/3;渔业经济总产值2.59万亿元，其中渔业产值1.28万亿元，占农业产值比重为9.3%。发展渔业生产对保障国家食物安全、增加农渔民收入、促进生态文明、维护海洋权益等均具有重要意义[1]。渔船生产作业具有流动性、随机性，因天气、海况、渔讯、作业习惯而各不相同。渔船在海上航行作业时，由于与商船航线互为交叉，频频发生碰撞事故，海上作业渔船基本属于群众渔船，生产组织化程度低。
　　与此同时，我国渔业渔船在航行作业生产过程中的安全问题也不容忽视。目前，渔业船舶一般采用雷达探测目标、人工瞭望、船舶自动识别系统进行助航，即船舶自动识别系统（Automatic Identification System，AIS），实现过往船舶的有效避让，以避免船舶碰撞事故的发生。雷达探测与人工瞭望对人的依赖非常强，一定要有专人值班，AIS的避让又只对船只航行姿态无区分的报警[2]。
　　基于AIS系统新型的数据交互，时常有无法显示船名信息的情况，导致问题出现的因素有以下两种：（1）由于传输数据丢包导致的超时刷新，接收的所有信息被刷新清除，需重新进行信息接收，导致船名不显示。（2）由于AIS不同的信息类型有不同的更新间隔，静态信息更新间隔为6 min，动态信息取决于航速和船向的变化，有2 s，3 s，6 s，10 s，30 s 5种报告间隔，一般情况下收到动态信息立即显示，而船名信息只在接收到静态信息时才会显示，导致船名时常无法显示[3]。
　　本文根据前人研发经验以及深入分析现有船舶报警系统存在的问题，设计了一种智能化的船舶智能报警系统，具有很强的可靠性，有助于保障船舶航行中的安全。
　　1    船舶智能报警系统总体结构设计
　　本文提出的船舶智能报警系统主要包括：控制处理单元、北斗定位单元、通信单元、数据采集单元、电源单元及报警单元，系统总体结构如图1所示。
　　其中，控制处理单元与通信单元、数据采集单元、北斗定位单元、电源单元和报警单元电性连接。通信单元用于建立与其他船舶之间的数据通信;北斗定位单元用于定位信息的处理和生成，数据通信的内容包括其他船舶的航行状态信息;数据采集单元用于采集船舶的航行状态信息;电源单元用于为控制处理单元单元提供电能;控制处理单元用于将通信单元获得的其他船舶航行状态信息与所在船舶航行状态信息进行比对，在比对结果达到预设预警条件时，控制报警单元进行报警。
　　2    船舶智能报警系统组成单元结构设计
　　2.1  通信单元设计
　　系统的每个单元都由若干个子单元组成。具体地，通信单元由发送子单元、接收子单元、转换子单元及通信天线组成，如图2中A部分所示。发送子单元用于将所在船舶的航行状态信息通过转换子单元发送到通信天线，再通过通信天线发送出去。相反地，通信天线将接收到的其他船舶的航行状态信息传输至转换子单元进行信息转换，转换后的信息将传输至控制处理单元。通过通信单元的数据传输，实现与其他船舶之间的数据通信。
　　船舶之间数据通信是基于AlS系统来实现的，而AIS设备的船名和识别码之间的关系是相互对应且唯一的，并且经过相关部门登记备案[4]。通过收集相关部门登记的AIS设备信息，制作水上移动通信业务标识码（Maritime Mobi1e Service Identify，MMSI）与船名一一对应的数据库，在AIS系统软件中嵌入船名的数据库，通过接收到的AIS动态信息，系统将自动采集识别码查找数据库中对应的船名并显示[5]。由于数据库中储存的船名数量高达几百万，为了实现快速索引，本文设计的系统将MMSI进行有序排列，采用二分法进行查询，提高查找速度。
　　在AIS系统软件中嵌入船舶名数据库的优点是显示速度快，并且不影响AIS系统正常运行。例如在数据量为1×106的数据库查找，查找次数最多的情况是在最后一次二分才找到目标。二分法时间复杂度为O（N），根据公式（1）：
　　O（N）=log21×106（1）
　　可以算出大概需要查找20次即可索引到对应的船名，相对于按序查找速度更快。通过该方案，解决了现有技术中，AIS时常无法显示船名信息的问题。
　　2.2  数据采集单元设计
　　数据采集单元包括定位子单元和航向航速采集子单元，如图2中B部分所示，定位子单元用于采集系统所在船舶的位置信息发送至控制处理单元，航向航速采集子单元用于采集所在船舶的航向和航速信息，传输至控制处理单元。通过比对采集到的其他船舶信息，可以避免碰撞的发生，保证航行安全。
　　2.3  控制处理单元设计
　　控制处理单元，如图2中C部分所示，使用收集到的本船与其他船舶的各项数据，判断是否符合报警条件，如果符合，则控制报警单元进行报警。在本船的航速超过预设航速时，根据本船和其他船舶的航行状态信息计算出最小会遇距离和最小会遇时间，当最小会遇距离小于预设会遇距离或最小会遇时间小于预设会遇时间时，控制报警单元进行报警。 　　2.4  電源与显示单元设计
　　电源单元包括充电管理子单元、电池及供电接口，如图2中D部分所示，电池和供电接口通过充电管理子单元与控制处理单元电性连接，供电接口与显示单元电性连接。在供电接口连接有外部电源时，外部电源通过供电接口对系统进行供电和对电池进行充电，在供电接口未连接外部电源时，电池对系统进行供电。这种设计确保了在外部电源出现故障的情况下船舶智能报警系统的续航，保证了航行的安全。
　　系统还包括显示单元与控制处理单元电性连接，用于显示本船的航行状态信息及通信单元接收范围内其他船舶的航行状态信息。通过在海图中显示本船和其他船舶的信息，使得船员能够直观地了解本船舶与其他船舶之间位置及航线关系。
　　2.5  报警单元设计
　　报警单元通过语音和灯光两种方式进行报警。针对达到报警条件的报警，报警单元根据预先存储的、针对特定报警条件的报警需求进行报警。可以采用红色闪烁指示灯进行灯光报警提示，在远处各种角度可以轻松被船员发现，以达到报警提示的效果。本文提出的船舶智能报警系统报警单元设计有多种报警功能，针对不同的航行状况，报警单元采用相应的报警模式，系统具有很高的易用性与可靠性，可以保障船舶航行的安全。
　　系统的报警模式分为会遇报警模式、区域报警模式及进港模式3种，能根据本船航速及位置进行自动切换，自动适应不同位置、不同航速下的航行。
　　当航行速度超过预设值时，船舶智能报警系统进入会遇报警模式，控制处理单元根据本船与其他船舶的当前位置、航向及航速计算得到本船舶与其他船舶的最小会遇距离和最小会遇时间，若最小会遇距离小于预设值或最小会遇时间小于预设值，控制报警单元进行报警，提示船员及时处理，避免与其他船舶碰撞。
　　当航行速度低于预设值并且持续时间超过预设航行时间后，系统将进入区域报警模式，控制处理单元将以本船为中心，设定预设范围的预警圈，根据本船与其他船舶的当前位置、航向及航速进行计算，当其他船舶在预设时间内将要进入本船的预警圈时，控制报警单元进行报警。其中，当其他船舶的航速低于预设航速时，报警单元不进行报警。
　　当船舶位于港囗位置时，系统进入进港模式，因港口内船舶密度较大，控制处理单元关闭报警单元，以免造成不必要的扰乱。需要注意的是，如果通信单元接收到的其他船舶船号为控制处理单元设置的友好船舶时，不管对方船舶的航行是否满足报警条件，都不报警。
　　此外，当船舶位于一些特定水域时，针对不同的水域，控制处理单元控制报警单元进行不同的报警提示，以使船员作出相应的举措。例如，本船舶进入了商船国内海域的习惯航道、商船国内海域的主要锚地、中韩（日）渔业协定暂定措施水域（韩日水域过线报警）、钓鱼岛等时，控制报警单元进行特定的报警提示。
　　3    结语
　　通过分析现有船舶报警系统的不足，本文设计了一种船舶智能报警系统，该系统主要包括控制处理单元、通信单元、数据采集单元、电源单元及报警单元4个部分，可以根据航行状况改变报警条件，保障船舶的航行安全。该系统结构简单、使用方便、性能可靠，具有很高的实用价值。
　　[参考文献]
　　[1]曹英志，翟伟康，张建辉，等.我国海洋渔业发展现状及问题研究[J].中国渔业经济，2015（5）：44-49.
　　[2]殷宇波.长江海事局AIS系统应用分析[J].中国水运，2013（9）：68-69，223.
　　[3]黄玉学，叶坤.船舶遇险报警通信设备使用策略[J].无线电通信技术，2009（4）：50-51.
　　[4]王捷，汪益兵，王举升.基于AIS数据处理的船舶失联报警系统设计[J].船海工程，2017（1）：13-16.
　　[5]刘政训，张海博.AIS在海事智能信息化监管中的应用及存在问题探讨[J].中国海事，2019（8）：45-48.
　　Design of an intelligent ship alarm system based on Beidou satellite positioning
　　Lin Yingshi， Shi Zhihong
　　（Fujian Feitong Communication Technology Co.， Ltd.， Shishi 362711， China）
　　Abstract：The perfection of the ship alarm system is directly related to the ship safety. In order to enable the crew to effectively adjust the route， reduce the occurrence of accidents and ensure the ship safety， this paper designs a ship intelligent alarm system， which is applied to the ship intelligent collision avoidance alarm terminal based on Beidou satellite positioning developed by the company. In this system， Beidou satellite positioning unit is used to confirm the position， course and speed of other ships， and data acquisition unit is used to collect the position， course and speed of the ship. The control processing unit calculates according to the two kinds of information. When the ship is at different speed， different early warning conditions are used to reach the early warning conditions in the navigation state of other ships When the ship enters the port area， due to the excessive density of the ship in the port， the system will automatically turn off the alarm to avoid unnecessary disturbance. When the ship enters the specific water area， the alarm unit will give voice prompt. This is an intelligent and convenient ship alarm system， which has great practical value and wide application prospect.
　　Key words：ship; ship intelligent alarm system; alarm; Beidou positioning
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