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1、 北斗系统在航运安全管理中的应用研究 邢天任 朱伟摘 要：在航运安全管理中，需要综合考虑气象、水文、船舶、航标等复杂因素对航运安全的影响，而要掌握这些信息的最佳方案就是采用航运安全管理系统。考虑到传统航运监控系统误差大、有盲区等缺点。本文将我国自主研发的北斗卫星定位系统应用到航运安全管理工作中，设计了一套基于北斗系统的航运安全管理系统，实现了对航道海域的高精度、全天候、自动化监测和安全分析。希望本文的研究能为我国航运信息化管理模式的构建提供有益的借鉴。关键词：北斗系统 航运 安全管理1.前言目前国际上各大港口一般都配备了较先进的GPS航运安全管理系统，但由于我国不具有GPS的知识产权，这对我国
2、航运事业的长远发展是十分不利的。因此，通过本国自主研发的卫星定位系统来设计一套适合国情的航运安全管理系统，成为许多发展中国家亟待解决的问题。我国拥有自主知识产权的北斗卫星导航系统为我国航运安全管理提供了新的思路。2.航运安全管理现状分析航标的状态、航道的水文和气象条件、船舶的通行流量等因素是航运安全管理和决策的重要依据，但这些参数往往是动态的，传统的依靠人工测量的管理模式已无法满足当前的航运管理需求，这给航运安全埋下了重大隐患。当前我国的航标监测系统正处于初期应用阶段，航运安全管理系统尚未成熟，尚存在许多技术瓶颈。虽然采用美国的GPS系统可以在一定程度上缓解我国的需求，但从国家安全考虑也非长久
3、之计。随着我国自主研发的北斗卫星定位系统逐步成型，基于北斗系统的航运安全管理系统开始受到人们的广泛关注。3.基于北斗系统的航运安全管理系统3.1系统总体结构与功能本文设计的航运安全管理系统以北斗系统为技术核心，可以实现对航标、航道、船舶、环境等各方面的综合管理，通过该系统，航运管理部门可以随时进行信息查询、状态监控、航标遥控、航线跟踪等功能。系统主要由数据采集、数据处理与存储、无线通讯、用户终端等模块组成，是一个融合了多种技术的航运安全综合性管理平台。（1）数据采集数据采集由采集客户端完成，可以采集与航道安全相关的所有重要参数，包括温湿度、能见度、风速风向等气象参数，流速、流向、水质等水文水质
4、参数，船舶流量、航标位置等交通参数。这些参数将统一发送至数据服务器进行处理与存储。（2）数据处理数据的处理与存储由数据中心统一完成，由于汇集了所有关键参数，能否有效利用这些数据来为航道管理服务就成为了整套系统的关键，因此数据处理中心是航道安全管理系统的核心组成部分。数据处理中心首先可以完成数据的解析和存储，其次可以通过存储的大数据建立航道安全预测模型，再次可以将实时数据和安全分析结果实时推送给管理部门，最后还能通过接收值班人员的控制指令实现对航道现场设备的实时控制。（3）无线通讯无线通讯功能由北斗卫星导航系统共同完成，负责现场传感器与远程数据中心之间的数据传输，是整套系统的核心功能。由于海域的
5、特殊性，现场不可能采用传统的有线通信模式，因此采用无线通讯模式。基于北斗系统的无线通讯方案，避免了传统GSM通信对基站的苛刻要求，简单高效。（4）人机交互用户终端主要负责完成用户与管理系统之间的人机交互，一方面将实时数据和分析结果回传给用户，另一方面将用户的控制指令发送至现场传感器实现设备控制。3.2系统硬件设计（1）气象与海况数据采集模块该模块主要由大量的传感器和模拟采集设备组成，不同的数据采用不同的传感器，气象数据采集选用温湿度计、风速风向仪、能见度仪等设备，海域参数采用水位计、流速计、位移计等设备，航标状态参数则由GPS终端来采集。以上采集参数均为模块信号，经过模数转换后成为数字信号，并
6、作为基础数据发送到北斗通讯模块中。（2）北斗通讯定位模块北斗通讯定位模块是实现远程监控的关键模块，集成了包括RDSS芯片、复位电路、GNSS芯片、时钟电路以及存储器等一系列电路单元。为了实现双向通信，模块采用了GNSS定位芯片与RDSS通信芯片相结合的设计。考虑到现场设备众多，模块的处理器核心选用了STC12C5A60S2单片机，不但可以满足数据的快速处理要求，同时还具有多功能、低功耗、抗干扰等优点。北斗RDSS采用了GYM2003B芯片，以满足基带与射频的设计。GNSS定位芯片则采用了我国自主研发的UM220芯片，该芯片同时支持双定位和差分定位功能，满足本系统的设计要求。（3）电源模块用于数
7、据采集设备输出数据的RS485串口模块，用于串行数据入网的串口服务器模块，主控单元STC12C5A60S2单片机以及北斗定位通讯模块都需要相应电压的电源供电，考虑到航标等设备长期漂浮于海上，采用了太阳能供电系统作为总电源，经过分压后为各模块供电。3.3系统软件设计（1）通讯报文设计为了使现场设备与数据中心高效地进行通信，需要设计一套合理的通讯报文格式，所有数据将统一按该报文格式进行打包，然后由北斗通讯模块发送出去。本系统的报文格式设计如图1所示。数据包头为“$”，标志着一条完整报文的开始，通信软件检测到该字符组合时开始读取报文信息。“报文长度”是一条完整报文所占用的字节总数，当通信程序检测到数
8、据包头后，往后读取该长度的报文信息。“消息类型”表征了该报文所携带的数据来源于哪种传感器，本文共规定了5类基本消息类型，即水文数据、气象数据、定位数据、航标数据和报警数据，其中报警数据的优先級最高，其余数据类型具有同等优先级。“消息内容”是消息的数据主体，代表相应类型的参数，通信程序按照消息类型来对消息内容进行解析，得到不同类型的物理量。“校验和”用于对数据包的正确性进行验证，接收端接收到数据后首先对数据进行校验，正确了才进入下一步的处理，否则说明数据在传输过程中出现错误，数据应作丢弃处理。（2）北斗通信单元设计北斗通信单元在整套系统软件中是以一个独立的应用功能模块进行开发的，采用了软件开发中
9、最常用的面向对象的编程思想，通过java语言编程实现。程序中主要包括心跳保持、数据发送、数据接收和报文解析等功能模块，解析后的数据将传输到多源融合数据仓库作进一步分析。如图2所示。在程序中，每个任务都是一个独立的线程，保证了数据处理和事件响应的及时性，同时提高程序执行效率。（3）数据采集与发送子程序北斗通信单元的数据发送和接收是由数据采集与发送子程序来控制的，程序总体架构为前后台程序结构，也就是说，通过外部定时器中断的方式來采集水文、气象和航标信息，然后由主程序对数据按规定的报文格式进行组装和发送。在接收数据中心发来的航标配置指令时，也要先按约定格式对数据进行解析，再传入航标控制单元中执行。数
10、据接收与解析流程与上述逻辑相反，此处不再赘述。4.总结与展望航运安全管理是一项复杂的系统工程，它涉及了气象、水文、航标、船舶等多种动态因素，因此要保障航运安全并非易事。航运安全管理系统的应用使航运安全管理工作的效率大大提高，而我国自主研发的北斗卫星定位系统在航运安全管理系统的成功应用，更是使我国航运安全管理水平有了显著的提升，是我国航运管理信息化的重要里程碑。本文设计了一套基于北斗系统的航运安全管理系统，阐明了国产北斗系统在我国航运安全管理中的应用方案，达到了航运安全管理网络化、自动化、数字化的要求。北斗系统作为刚投运不久的新研发系统，与美国GPS等先进系统还有较大的差距，因此基于北斗系统的航运安全管理系统也有着广阔的发展空间。参考文献：1彭莉娜.简析船舶航运的安全管理J.中国科技博览，2014， （16）： 175.2苏天放.基于北斗二代的港口航标监测系统应用研究D.大连海事大学，2015.3赵加德.浅析北斗卫星导航技术在航标信息化系统中的应用J.航海，2017（05）： 70-72.4冀振宇.浅谈基于北斗卫星通信的航标远程遥测遥控系统J.珠江水运，2015（14）： 35-37. -全文完-
