（计算机应用技术专业论文）船舶远程监控及数据交换系统的研究与应用.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 船舶远程监控以及船岸数据通信是现代海上运输业实现信息化、科学化管理的重要 手段。论文结合国内两家大型远洋运输公司对其在航船舶进行远程监控及科学管理的实 际需求，分析了其现有船岸通信系统的工作原理和功能上的部分不足，设计并实现了船 舶远程监控及数据交换系统。 该系统由船舶端、陆地端和卫星链路三个子系统构成，船舶端子系统接收并响应陆 地端发来的各监控指令及数据交换请求，同时按照陆地端预先设置的规则在合适的时机 自动向陆地端发送相应船舶信息数据，船舶端与陆地端的数据通信是依靠i n m a r s a t 卫星 链路实现的。 论文根据系统需求设计了报文层通信协议，用于实现船舶端与陆地端之间信息交 换。此外，船舶端子系统中各单元之间的通信协议( 包括船舶保安报警系统和船载自动 识别系统的通信协议) 采用相应的行业标准和国际标准。 船舶端子系统的核心单元船舶端控制器是一个嵌入式设备，其硬件部分是由d i m 处理器s 3 c 2 4 4 0 、s d r a m 、f l a s h 存储器、串行口和网络接口等构成的最小系统。软 件部分是基于嵌入式l i n u x 系统的船舶监控和数据交换软件。软件系统中还移植了嵌入 式w e b 服务器b o a ，利用w e b 及c g i 技术等为安装工程师和船上系统维护人员提供 一个系统配置和管理界面；移植了s a m b a 服务器用于和船舶局域网进行数据交换，从 而实现了船舶端与陆地端的小型文件交换功能。 陆地端子系统由卫星地面站、陆上公众通信网络和船务公司远程控制室构成，文中 讨论了陆地端远程监控软件的设计方法并给出了一个实例。论文最后给出了船舶远程监 控及数据交换系统的测试方法、步骤及测试数据。测试结果表明其满足设计要求。本系 统目前已正式投入使用，运行效果良好。 关键词：远程监控；船岸通信；i n m a r s a t ；嵌入式w e b ；嵌入式s a m b a 大连理工大学硕士学位论文 r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fr e m o t em o n i t o r i n ga n dd a t ae x c h a n g e s y s t e mf o rs h i p s a b s t r a c t b o t hl o n 争r a i l g pm o n i t o r i n ga n ds h i p - s h o r ec o m m u n i c a t i o na r ei m p o r t a n ta p p r o a c h e sf o r s c i e n t i f i cm a n a g e m e n ti nm o d e mo c e a ns h i p p i n gi n d u s t r y t om e e tt h ed e m a n do ft w ol a r g e d o m e s t i co c e a nt r a n s p o r tc o m p a n i e sf o rr e m o t em o n i t o r i n ga n da d m i n i s t r a t i n gt h e i r o c e a n - g o i n gs h i p s ，t h i sp a p e ra n a l y z e dt h ep r i n c i p l ea n dd e f i c i e n c i e so ft h es h i p - s h o r e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m , a n dt h e nd e s i g n e dt h er e m o t em o n i t o r i n ga n dd a t ae x c h a n g e s y s t e m t h es y s t e mc o n s i s t so ft h r e es u b s y s t e m s s h i p - e n d ，l a n d - e n d , a n ds a t e l l i t el i n k s t h e s h i p e n dr e c e i v e sa n dr e s p o n d st ot h ec o n t r o ld i r e c t i v e sa n dd a t ae x c h a n g er e q u e s t sf r o mt h e l a n d - e n d i ta l s oa u t o m a t i c a l l ys e n d ss o m eo ft h es h i p si n f o r m a t i o nt ot h el a n d - e n di n a c c o r d a n c ew i t ht h er u l e sw h i c ha r es e ti na d v 柚c e t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h et w oe n d s d 印e n d so nt h ei n m a r s a ts a t e l l i t el i n k s a c c o r d i n gt ot h es y s t e mr e q u i r e m e n t s ，t h i sp a p e rd e s i g n e da n di m p l e m e n t e dt h e c o m m u n i c a t i o np r o t o c o lo ft h em e s s a g el a y e r , w h i c hi sf o rt h es h i p - e n da n dl a n d e n dt o c o m m u n i c a t ew i t he a c ho t h e r o t h e rc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l su s e di nt h es h i p e n ds u b s y s t e m ， w h i c ha r ef o rs s a sa n da i s ，a d o p tc o r r e s p o n d i n gi n d u s t r ys t a n d a r d sa n di n t e r n a t i o n a l s t a n d a r d s s h i pe n dc o n t r o l l e r , t h ec o r em o d u l eo ft h es h i p e n ds u b s y s t e mi sa ne m b e d d e d e q u i p m e n t i t sh a r d w a r ei sam i n i m u ms y s t e mc o n s t i t u t e db yt h ea r mp r o c e s s o r $ 3 c 2 4 4 0 ， s d r a m ，f l a s hm e m o r y , s e r i a lp o r t , n e t w o r ki n t e r f a c ee t c ，a n di t s s o f t w a r ei sa s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t ae x c h a n g es y s t e mb a s e do nt h ee m b e d d e dl i n u xo s t op r o v i d e a c o n f i g u r a t i o na n dm a n a g e m e n t i n t e r f a c ef o rt h ei n s t a l l a t i o ne n g i n e e r sa n dm a i n t e n a n c es t a f f o nb o a r d ，锄e m b e d d e dw e bs e r v e r , b o ai st r a n s p l a n t e d ，a n ds o m et e c h n i q u e ss u c ha sw e b a n dc g ia r eu s e di nt h es o r w a r es y s t e m a ne m b e d d e ds a m b as e r v e ri sa l s ot r a n s p l a n t e df o r t h es m a l lf i l e ss h a r i n gi nt h es h i p sl a n ，a n dt h e nr e a l i z e dt h es m a l lf i l e se x c h a n g eb e t w e e n t h es h i p - e n da n dl a n d e n d t h el a n d e n ds u b s y s t e mc o n s i s t so fl a n de a r t hs t a t i o n , p u b l i ct e l e c o m m u n i c a t i o n n e t w o r ka n dt h er e m o t ec o n t r o lr o o mo ft h es h i p p i n gc o m p a n y t h i sp a p e rd i s c u s s e dt h e l o n g - r a n g em o n i t o r i n gs o f t w a r eo ft h el a n d - e n ds u b s y s t e ma n dg a v ea ni m p l e m e n t a t i o n t h e m e t h o da n dp r o c e d u r e so ft h es y s t e mt e s ti sa l s od e s c r i b e di nt h ee n do ft h i sp a p e r t h e 船舶远程监控及数据交换系统的研究与应用 s y s t e mt e s ts h o w st h a tt h er e m o t em o n i t o r i n ga n dd a t ae x c h a n g es y s t e mm e e tt h ed e s i g n r e q u i r e m e n t s t h es y s t e mh a sb e e np u ti n t oa c t u a lu s ea n d w o r k sw e l la tp r e s e n t k e yw o r d s ：l o n g - r a n g em o n t o r i n g ；s h i p - s h o r nc o m m u n i c a t i o n ：i n m a r s a t ；e m b e d d e d w c b ：e m b c d d e ds a m b a i v 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中幂包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不敷舍为获得大连理 王大学或者英毽单位酶擎经或证睾莠幸使翔逮麓耪精。与我一箴工箨琵凌感 对本研究所做的贡献均已在论文e e , 欧- r 明确的说明并表承了谢意。 作者签名：堑星麦日期：塑! z ! 兰：! z 大连理工大学硕士研究生学位论文 火连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了鳃“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：之星錾：盔 导师签名：j 瞳 一 生年旦月卫曰 大连理工夫学磺士学位论文 1绪论 论文选题背景 逡洋运输业作为国琵缀济的重要组成都分，是一个国家或地送缀济正常运行和快速 发展的黛器基础。我们知道，地球表面7 0 以上的面积为海洋所覆蘸，远洋运输业充分 利用了遮片辽阔的天然水域，使其较之于整个交通运输综合体系中的麒他运输方式具有 运量大、运距长、成本低、能耗少等优点。自1 5 世纪中叶葡萄牙航海家第一次拉开人 类靛澎搴照懿垂幕至今。跨鬻海上运竣己成为嚣甄爨运茨最主要方式，援统诗，如今夔 赛贸荔爨的9 0 颤上是邋过黼际航运来完成瓣。骶且，疆着世界经济全球纯的发展，氆 界各嗣家、地区间的交往与贸易愈发频繁，远洋运输业连接着全球的物质生产和物质消 费，在阑际贸易中必将发撵熙加巨大的作用。 远洋船舶是远洋运输业赖以生存和发展的瀵霖工具，远洋船舶猩远离陆地的茫茫犬 海中簸纷，艇上人员与在躲蟪端靛船务公司之觏绥塞沟通显得播努熬聚。一方嚣，躲努 公司瞽疆入员需要及鼓掌攘公蠢鼯耱豹靛行牧态秘锈流动态，酞嚣设计出最建煞营运爨 线和管理方案，达到最佳的蒋运效率和最高经济效益；另一方面，船上的船员需要与船 务公司取得及时的联系，以便把船上的信息准确地报告给公司，特别怒在出现险情的紧 要关头，船员往往需要及时岛公司和救助机构取得联系而获取救助，倘若贻误了救助时 机，就缀霹能造成财产和人员的巨大损失。 逡浮戆靛都配备了等麓滋戆耱及蘧建蓑逶臻戆无线逶售设冬帮鬃麓逶绩竣备，鲡瓣 载自动识别系统( s h i p - b o r n ea u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o ns y s t e m ，以下简称a i s ) 、船舶保安撤 警系统( s h i ps e c u r i t y a l e r t s y s t e m ，以下简称s s a s ) 等。但目前这些设备主要用于船舶遇 险报警、船舶定位、避碰等。尚不能很好地解决船上人员和船务公研之间的信息沟通， 使船务公司能及时掌握船舶的航行信息等问题。 越来趣多懿靛运金盈秘浆务公霉窭1 手霹安全彰i l 漳、经济效益等瓣豢豹考虑，遥秘攀 望及辩、准确的掌握其在簸勰舶的运行状态、黯上设备静运转情况、货物装配情况等信 息，以便于对其进行实对腋按和管理。近年来，随着日新月异的计算机技术、网络技术 及海上激星通信技术等的发麟和应用，这一愿黧也逐步成为现实【l 】。 论文的项目来源是上远和天远两家大型远洋运输公司对其在航船舶进行远程实时 监控及辩学管理的实际需求。链爨希望梅建一令巍己懿躲岸 算撬数攘遥售疆络，实瑗 艇露倍感莛享。之兹，这嚣家公司一壹采用崮大逶菜公司开发嚣一套艇岸逶售系统，该 系统的核心单元是一个叫做船舶远程控制器的嵌入式设备，主要由运行d o s 操作系统 船舶远程监控驶数据交换系统的研究与斑用 和相关监控软件的p c 单板机构成，实现的主要功能是定时向陆地端返回船舶能鼹信息 撤誊。然丽，该系统东运行过程中逐步驻箨出来一些功能釉谯戆方匿静不是，誉憩缀好 戆满是上述嚣家远洋运输公司魏要求。獒钵来疆餐菇淤下a 轰： ( 1 ) 在功能方筒，缺少船岸之间的小型文件交换、船舶端远程参数设置、周边船舶 信息查询、以及系统运行日志等用户急切需要的功能。 ( 2 ) 在性能方面也存在的问题包括：没有很好的报文黛发机制，对发送失败的报文 只是简单的丢弃，瓶恩船舶端在同时收到多个擐文时只处理其中第一个，因面船岸通信 夔琴靠毪窝藏臻搴攀楚。 ( 3 ) 通信协议设计不够合理，没裔统一的界面，且通信撤文中存在冗余倍感，这使 得与系统相关的其他应用软件编写较为困难，也不利于日厝的功能扩展，同时，由于卫 星通信的费用较高，这些冗余信息的传输增加了系统运营成本【2 】。 论文针对以上这些闽题，应用卫慰通信、控制技术和藏联网等先进技术，探索构建 艇岸诗算掇；数攥逶麓瓣终戆薪途径。 1 ，2 船舶监控及船岸通信系统的发展及现状 在2 0 世纪9 0 年代以前，船舶的般控系统多为单船封闭系统，这种单船封闭系统又 经历了集中型监撩系统、集散型监控系统，以及分布式现场总线控制系统等发展阶段。 这些监控系统的疲翔极大豹提高了船舶运行静可靠性和经济谯，并减轻了船上工绍人员 豹劳动强凌。然露，窀翻氇莠荬显瑟荔燕懿苓是之筵。怼予攀耱嚣耀整经系绕来说，耱 岸之间相互隔绝，这一方面使得船舶张发生遇险、船舶故障等状况时不能及辩撼这些情 况报告给陆地端的船务公司；另一方蕊，这也使得船务公司不能及时有效的获舣在航船 舶的运行状态信息，从而难以对其进行有效管理和监控，制定公司业务计划。 在此之后，特期是2 1 世纪以来，人类社会进入了一个信息技术逐步渗透予人们工 俘、圭嚣戆方方瑟溪熬酝莓 经济薅代，逡麓逶痞援零、谤嬖爨技寒、互联穗技零葛售愚 社会的基本技术在镪括舷海监在内静务行各韭中得虱了广泛褥深入的应霜，遮藏技术鲍 应用有利于提高船务公司的管理水平，降低船队的运营成本。信息化、网络化的管理正 在成为海上运输舭赖以生存和发展的必备条件，以计算机技术和通信技术为代淡的信息 技术是在海上航遮众业在激烈的市场竞争取得优势的重要祭件，同时也是体现一个现代 簸运金韭综合实力瓣决定经因素之一。燕是垂手楚在这撵一令辫找鸷景下，嗣凑终各丈 船务公霹和兢运众娩部在争稽梅建自穗鼢船津诗算梳数据透信瓣络，为实瑰麓黪信怠共 享铺设信息高速岔路。 一2 一 大连理工大学骥士学爱论文 逶蓬对氆器螽名豹丈鍪躲务公司鞫靛运企犍迸 亍调查分辑，其缝豢表鞠，大多数麓 务公司都在其运营的船舶上安装了功能强大的计算机数据通信网络，部分欧美船务公司 在上 蓬纪购年健裁愁经在瓣舷土安装劳缓震了诗冀撬数据逶羡系统，势逶遂海事里麓 与陆上管理系统连接超来，从而在船务公司的陆地端远程控制崴和公词的在航船舶之间 建立了一条餐患高速公路，实瑗了海上运竣监瓣售患豫农智筑纯，使缮船务公溺与在靛 船舶之间的信息交互及远洋船舶的远程监控成为现型3 1 。 鞭蘸，在嚣辨的航运金业秘船务公司里被广泛使用豹船舷黢控管璞软传主要毒a b s 公司的s a f e n e t 船舶监控管理软件以及s p e c t e c 的a m o s 船舶般控管理软件等。 其中，s p e c ，躜c 是世爨领先的海运行她软件掇供商，其_ 差要产黯( a m o s 船舶篱理软件) 的销甓量己越过1 2 ，0 0 0 套，客户遍及众球约1 2 0 0 家航运公司。现在，该公司又将其国 有船队管理的软俘模块完整的整合成为一个“a m o s 蹲务套件”( a m o sb u s i n e s ss u i r e ) 。 a m o s 商务套件与该公司之前推出的其它a m o s 软件使用藕丽的技术界面，并且共攀 同一个数据摩。a m o s 商务套件在很大程度上降低了操作人员操作的复杂性，提高了船 务公司管理羧翩及船队营运静效率，大大降低了耪务公司靛管理费用。与a m o s 其它 软件相比，a m o s 商务套件具有以下优点；对操作人员而言，由于部门间的共搴数据光 需再簸复输入，获磊减少了困镑谟输入褥导致静数豢不一致麓霹镜经，箍基，蠢乎a m o s 商务套件的用户操作界面与先前的其落a m o s 软件风格一致，操作人员也不用担心阙 雾瑟熬交纯薅霉致工佟交褥专分复杂；瓣躲务公司焉富。a m o s 亵务爨俘一方瑟羡售惑 得以快速传递，同时它还能提供经过整合的报告，这使得使船务公司管理层能更加及时、 准礁戆敲窭务秘经营决策；爱器，对于软 孛系统羚维护人虽来诞，由予哭嚣一次安装藏 能方便的使用a m o s 商务套件，从而大大减少了他们的工作缀，同时维护工作也变得 更攘轻松。 此外，国外一些知名的大裂航运公司和船舶管理公司，如e v e r g r e e n ( 长荣海运) 、 o o c l ( 东方海夕”、s e a - l a n d ( 陆海) 等，也都自行羚发并使用了逶会其公司铃理模式 的船舶监控软件1 4 j 。 避年来，船舶监控系统在国内也露了长足的发展，其中也不乏技术成熟弗褥到广泛 应用的船舶监控系统。例如，由上海海事大学和中远集运联合开发的船舶管理信息系统 ( s h i pm a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e m ，简称s m i s ) 等。s m i s 借助卫星通信技术实现了 船务公司对远洋船舶的远程懿控和网络亿管理，极大豹提高了船队管纛的信意纯水平和 营运效率。 弱绛，主海海事太学和中远集运逐联合歼发了航符与税稳数箨获敬系统( n a v i g a t i o n a n de n g i n e - r o o md a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，以下简称n e d a s ) 。n e d a s 的目的在于将在航 船舶远程监控及数据交换系统的研究与应用 船舶的航行数据和机舱运行动态数据等定时的通过海事卫星传回船务公司陆地端控制 室，以协助船务公司管理人员及时、准确的掌握船舶运行状态【5 。”。 1 3 论文主要研究内容 论文在上远及天远公司现有船岸通信系统的基础上，结合s s a s 、a i s 等设备的功 能，综合利用计算机网络技术、海事卫星通信技术和嵌入式系统技术，研究开发船舶远 程监控及数据交换系统( r e m o t em o n i t o r i n ga n dd a t ae x c h a n g es y s t e mf o rs h i p s ，以下简称 r m d e s s ) 。r m d e s s 是一个船舶端与陆地端之间的统一、灵活的数据交换平台，实现 船务公司对在航船舶的实时远程监控，船岸数据交换等功能，为船舶的安全航行提供技 术保障，为船务公司进一步实现船舶远程管理和优化决策提供服务模式标准。 论文的主要研究内容包括： ( 1 ) 调查研究国内外目前船舶远程监控及船岸通信系统的系统构架及工作原理，结 合上远和天远公司对已有的船岸通信系统的功能和性能方面的新的需求，设计出船舶远 程监控及数据交换系统的体系结构，以及船舶端和陆地端两个子系统的详细构成。 ( 2 ) 研究i n m a r s a t 卫星通信系统的原理及相关业务，设计船岸之间的通信协议， 要求接口规范统一，易于扩展，且简洁明了，尽量减少冗余信息。 ( 3 ) 设计并实现船舶端控制器的软硬件系统，该控制器是一个基于嵌入式l i n u x 系 统的嵌入式设备，是船舶端子系统的核心单元。该控制器的软件系统除了完成响应船舶 远程监控和数据采集的远程指令外，还要为船上人员提供一个系统维护的接口，并实现 与船舶上其他计算机系统进行文件交换。 ( 4 ) 研究船务公司远程监控室内运行的陆地端远程监控软件的设计方法，并给出一 个实现方案，要求功能完善，界面直观易操作。 ( 5 ) 提出系统的测试方案和具体步骤，对r m d e s s 的系统功能和性能进行充分的 测试和分析，并提供详细的测试报告。 4 一 大连理工大学磙薹：学像论文 2r m d e s s 系统概述 2 。 r m d e s s 设计目檬 r m d e s s 的设计旨谯为船务公司提供一个其在陆地端的控制嶷与其在海上航行豹 远洋船舶之间的实时、高效、接口统一、功能扩展简便的数据交换平台。要求通过该平 台实现如下功能： ( 1 ) 在无人值守的情况下为船务公司提供程舷船舶的实时航行信息，为船务公司避 一多蜜瑷麓麓远程整控、簸获豹後往管理窝羧繁撬珙鬏务。 ( 2 ) 系统与船照局域潮连接，可实现船舶嬲域网与陆遗端实盼数据交换。 ( 3 ) 系统运行参数可由陆地端实时的进行远程修改和设置。 ( 4 ) 系统在船舶端配鬣一个局域网内可访问的w e b 服务器，系统安装工程师可通 过w e b 页面设置系统运行参数并进行调试，船上人员也可通过该页瓤进行系统的日常 维护。 2 2r 艇d e s s 相关韭务及现有设施介绍 r m d e s s 的设计与实现依赖于i n m a r s a t 卫慰通信系统，它是r m d e s s 中陆地端与 在航船舶之间信息传送的唯一通路。此外，r m d e s s 还直接依赖予船舶保安报警系统 s s a s 、船载自动识别系统a i s ，跌及船舶局域网蒋船舱上原有的相哭设施。 2 2 。l 冁熊s 婿缝织写l n m a r s a t 量星逶信系统 i n m a r s a t ( 国际海攀激屋组织，现称国际移动卫星组织) 是一个提供全球范围内溅 星移动通信的政府间合作机构。i n m a r s a t 成擞于1 9 7 9 年，初期躇猩为海上用户提供 卫星通信服务，现已发展为世界上唯一为海陆空用户提供全球卫星移动公众通信和遇险 安全逶僚的业务提供者。i n m a r s a t 总部设线伦教，垂1 9 9 7 年已裙鼬令成员匡。成 受嚣致释鞠签字晷掺定一众簸实薅终隽该国戆麓搴誊参鸯瑟这一缝绞豹囊务活动。蔻家簸 舶通信静航公司作为我国的簸字者运营海事卫麓通信驻务【l 。 i n m a r s a t 用几种不嘲的移动通信系统( 以下统称i n m a r s a t 系统) ，通过一系列终 端向用户提供不同的服务。i n m a r s a t 系统由卫擞地面站、移动用户终端和空间段三部分 组成，i n m a r s a t 系统的一个搬型的构成方案如图2 1 所示。 羹黧越嚣菇( l a n de a r t hs t a t i o n ) 又翻枣站( c o a s te a r t hs t a t i o n ) ，怒移蘸溺户终溃与蘧 缝公众遥信网( 鲡p s t n 、p s d n 、i n t e r a c t 等) 簸接口，遣就是说移麓羹星终端与陆上用 户之间的所有通信( 如电活、电传、传真和数据) 必须通过卫星地面站来转接。目前大约 一5 一 船舶远程监控及数据交换系统的研究与应用 有4 0 个卫星地面站分布在3 1 个国家，每一个地面站在不同的i n m a r s a t 系统不同的洋区 都有相应的编号。北京地面站在i n m a r s a t b 系统中的编号8 6 8 ，在i n m a r s a t - c 系统太平 洋区为2 1 1 ，印度洋区为3 1 1 。卫星地面站主要功能为： ( 1 ) 对从船舶或陆地上来的呼叫分配和建立信道； ( 2 ) 信道状态( 空闲、正在受理申请、占线等) 的监视和排队的管理； ( 3 ) 船舶识别码的编排和核对； ( 4 ) 登记呼叫，产生计费信息： ( 5 ) 遇难信息监收； ( 6 ) 卫星转发器频率偏差的补偿； ( 7 ) 通过卫星的自环测试； ( 8 ) 在多岸站运行时的网络控制功能； ( 9 ) 对船舶终端进行基本测试。 图2 1i n m a r s a t 系统构成 f i 吕2 1 a r c h i t e c t u r eo f l n m a r s a ts y s t e m 移动用户终端是指利用i n m a r s a t 系统进行通信的终端设备。按照不同的用途，这些 终端可分为三种：船舶地球站( s h i pe a r t hs t a t i o n ，海用，如第2 2 2 节中介绍的s s a s ) 、 移动地球站( m o b i l ee a r t hs t a t i o n ，陆用) 和机载站。移动用户终端通过一个十几厘米高的 全向天线，以储存转发方式提供电传和低速数据( 6 0 0 b i t s ) 通信，由于采用了压缩和复用 等数字处理技术，使得终端体积小，重量轻，能耗低，从而成本低，可靠性高。全向性 天线设计使得终端无须机械伺服系统，自动跟踪卫星信号，稳定可靠。 丈选壤工大学硬学位论文 空润段攒靛是i d i i l a r s a t 霪星帮翱应浆瓣经帮分( 弼终癸调旗) 。i n m a r s a t 蠡蠢熬 专用卫星( 4 颗主用，多颗备用) ，将全球分为太平洋( p o r ) 、印度洋( i o r ) 、太西洋东 ( a o r - e ) 、犬秀洋磁( a o r - w ) 霾太洋区，耋霪覆盖。至星与遮嚣筵之惩良c 波段逶臻， 卫星与移动卫星终端之间使用l 频段通信，卫星带窳3 4 m h z 。h 埘a r s a t 卫凝分布及篡 覆盏洋区黪馈况妇篷2 2 掰器。 鹫2 2i 觥s a t 卫差分布及箕覆盖洋送豕意图 f i g 2 2d i s 自曲u 嘲ma n do c e a aa r e ac o v m g eo f i n m a r s a t 另外，镣一个洋区都有一个地面站兼作网络协调站来对本洋区的通信迸干亍监控和管 理。其主要功能为： ( 1 ) 协调和控制本洋区地面站和移动终端之间的通信； ( 2 ) 向船站发布业务广攒通告，掌握船站的工f 仁状态； ( 3 ) 不断发送公共t d m 载波以提供移动终端舔踪卫星、保持阐步及得蓟通信信恩； ( 4 ) 优先处理遇险通信。 2 2 2 船舶保安报鬻系统s s a s 船舶缳蜜报警系统s s a s 是第2 2 1 节巾会缓的船舶地球站中的一穗。其主要功能 是提供船舶突发海事的遇险报警功能，一旦船舶遭遇突发海搿( 如海盗、海难等) ，只需 按动连接到s s a s 上的一个“遇险报警”按锻，遇险报警系统即开始正传，魇有关予事 故的发生、位置及谈剐标志等数据将自动地通过i n m a r s a t 系统发送割指定的糟的地巯， 该目的地址和发送的信息内容都是预先设置并存储程s s a s 巾的 1 3 - t s l 。 一个典援的s s a s 系统蜜装情况如图2 3 所示，圈中左t 方白色蘑菇头状的设备集 成了h 蛐a r s a l 系统卫星信号收发器及g p s 接收机，它被安装在船舶甲板上，通过通信 船舶远程监控及数据交换系统的研究与应用 电缆与船舶控制舱内的接线盒( l n t e r c o n m 科i o nb o x ) 相连接，与接线盒相连接的还有报警 按( a l a r mp u s hb u t t o n s ) 及测试按钮( t e s tb u t t o n ) 等。基于安全、方便等因素考虑，报 警按钮往往安装在经过精心选择，且较为隐蔽的位置。 图2 3 一个典型的s s a s 系统安装情况 f i g 2 3 a t y p i c a ls s a si n s t a l l a t i o n 分线盒还提供各种不同的通信接口，船舶上的其它设备可以通过这些接口接入 s s a s 系统，并借助s s a s 利用n m a r s a t 系统提供的服务，从而实现船舶端与陆地端的 数据交换。r m d e s s 系统利用了分线盒提供的r s 2 3 2 r s 4 2 2 接口，采用u a r t 协议将 s s a s 与r m d e s s 中的船舶端控制器相连，从而使得s s a s 成为船舶端子系统卫星链路 的接口。 2 2 3 船载自动识别系统a i s 国际海事组织i m o 在新近修正的海上人命公约( s a f e t yo f l i f ca ts e a ，简称s o l a s ) 中规定了从事海上航行的船舶关于船载自动识别系统a i s 的配备要求。规则同时还阐述 a i s 必须具备的功能f 16 1 刀： ( 1 ) 自动向岸台、其他船舶和航空器提供信息，包括船舶识别、类型、位置、航向、 航速、航行状态和其他与安全有关的信息。 ( 2 ) 自动接收来自其他船舶的有关信息。 ( 3 ) 识别船只、检测和跟踪船舶。 ( 4 ) 与岸基设旄交换数据。 ( 5 ) 简化信息交流和提供其他辅助信息以避免碰撞发生。 大连理工大学硕士学位论文 一个典型的a i s 系统配置如图2 4 所示，a i s 的核心部分为一台或多台具有精密定 位、测速功能并能提供高精度时间基准的g p s d g p s ( 全球定位系统差分全球定位系统) 接收机，以及具有v h f 信号接收和发射功能的无线电发射应答器。a i s 能够利用海上 移动v h f 波段不断地向附近的船舶和负责海事监督的岸台播发自己的身份识别标志、 船舶类型、吨位、载货情况、航线、目的港、估计到达时问、当前船舶位置与速度，同 时接收来自岸台的查询和附近船舶的a i s 信息，并把有关信息以图形和电文方式显示在 自己设备的屏幕上。所有有关船舶的静态数据( 如船舶的标识、类型、长度、吨位，货 物性质和数量、目的港、估计到达时间和航行计划等) 可以事先通过键盘输入并驻留在 a i s 系统的存储器中，各种动态信息分别由g p s 接收机和其它船载传感器通过接口实时 输) t 1 8 - 2 2 。 图2 4 一个典型的a i s 系统结构图 f i g 2 4 a r c h i t e c t u r eo f at y p i c a lm s 除此之外，a i s 还要有一个能够连接主机和各种船载外部设备，进行人机对话、数 据采集与交换的控制接口单元。r m d e s s 系统就是采用u a r t 协议通过r s 2 3 2 r s 4 2 2 接口将a i s 与船舶端控制器相连从而实现数据采集和交换的。 2 2 4 船舶局域网 船舶端建有船舶局域网，船舶局域网将r m d e s s 系统与该局域网中的文件服务器 和其它数据采集服务器连接起来。在r m d e s s 系统的控制下，可以实现陆地端和船舶 端的小型文件及其它数据交换功能。 一9 船舶远程监控及数据交换系统的研究与成用 2 3r m d e s s 系统需求 2 。3 臻麓瞧需求 ( 1 ) s s a s 遇除报警功能的设置和纛询 s s a s 设备酉已备了遇险报警按钮，熊功能是当按下此按锻时，s s a s 会向预设的目的 地址发出报警信息。报警的目的地包括目的地址( 如某个电予邮箱或传真号码) 、使用的 地面站等信息，搬繁信息的内容包括船舶名称、所属船务公司名称、国籍等。遇羧报警 豹嚣熬建露惠窝缀繁镑惠夔内容嚣要存德在s s a s 设器串，这些售惠应戆在酝镳漩设菱 和查询。 ( 2 ) s s a s 普通报文参数的设置和畿询 普通报文是指除报警信息外的其它报文。其发送目的撒岛报警信息的目的地不同， 应能在陆地端设鬣和查询。 ( 3 麓躲位爨接惠攫誊 船骆位置褶芙麓怠戆来源有两个，a 毽帮s s a s ，获瑕籍舶位置薅意煞方式氇骞嚣 种：即时船位报、定时船位报。即时船位报是指船舶端在收到船舶位置信息撤衡请求后 立即向陆地端返咧船舶位置相关信息，定时船位报是指船舶端按照预先设定的相关参数 ( 报告的起始时间和时间间隔) 定时向陆地端返回船舶位置倍息。这些信息可以从a i s 和 s s a s 获取，在默认豹情况下扶a i s 获双，鲡果扶a i s 获取糖舶位置蔼惠失败，掇| j 自动 转弱获s s a s 获取。瞧霉戮垂爰户壹绞疆定获薅令设备获敷。 ( 4 ) 本船静态信息和航行相关信崽 本船的静态倍息包括船名、呼叫和i m o 号码。本船航行相关信息包括目的港、预 计到港日期及时间、当前吃水深度、货物类型、船长、船煮、船舶类型、船上莱员数量 等。这些信息都瓤以从陆地端查询，象绫应即时做出响应。 5 ) 周围船舷接慧攘告 通过本船a i s 可以获取周匿其健船舶鲍a i s 信息，r m d e s s 赡嫠自b 端将债惫按离 本船的距离由近到近进行排序存储起来，当收到陆地端发来的请求时，应能根据具体要 求返回相应数量的a i s 信息。周围船舶信息也包括即时周围船舶信息和定时周围船舶信 息两种，其区别类似于即时船位报与定时船位报的区别。 鞫周嚣麓躲囊憨荣意转存 耱耱在簸褥过程中将有大量周露黪耱发来静a i s 信惑，鼙定裁将离本耱最邂懿丸条 船舶发来的a i s 信息转存到船舶局域网的相关服务器上。而是否转存、转存周期，以及 每次转存的a i s 信息条数都可从陆地端设置和查询。默认的情况下不转存这些a i s 信息。 大连褒工大学磺圭学位论文 ( 靛孝亍报警 当船舶从停航状态启航，并且航行速度超过设定上限阂俊时，船舶端应自动向陆地 壤发送“移动”报警信惠；笈之，蓉骚魑麸簸雩亍凝态减速，势璺簸簿速度 囊予设定下羧 阈值时，船舶端应自动向陆地端发送“停航”报警信息。陆地端可启幼和关闭该航行报 警琰戆，逢弼设置上述豹速澄上下袋耀篷。 ( 8 ) 网络信息 r m d e s s 孛提关控制设备在船舶扇域瓣审熬穗关参数( 嚣遗蛙、嬲关、予隧掩码等) 以及局域网中文件服务器的栩关参数( 机器名、p 地纰、共享目录等) 可从陆地端设置和 查谗。 ( 9 ) 陆地端与船舶端交换文件 系统可以通过访阀船舶髑域网中的一台文件服务器的共搴目录遴行文件交换。将扶 陆地端发来豹文件保存到其r e c - v 哥泶下，同时定丑于搜索其s e n d 目录，将该胬录下的相 关文件发送到陆地端。 ( 1 妨设踅自裣开关 设置在r m d e s s 系统启动时，是否对船舶端子系统的网络连接状况、a i s 系统的 工佟情况及罴否正常连接进行自裣。 ( 1 1 ) 心跳信息 r m d e s s 在运稃过程孛，陆遥鬻毒籍耱赣可麓长辩藏没蠢摄文交换。在这释猜嚣下， 这了让陆地端得知船舶端系统仍在磁常工作，可让船舶端定时向陆地端发送“心跳信 惠”。是否发送该嫠惑鞋及发送懿黪耀阕隔霹蔽陆壤溃设置。 ( 1 2 ) 日志信息 躲靛壤孑系统黪王捧绩凝应该鸯瓣志记蒙，基恚售塞戆诞录方式霹簸隧豫壤设鬃， 陆地端也可根据需要获取这魃日志信息。 ( 1 3 ) 舨本信息 从陆地端获取r m d e s s 船舶端予系统的软件版本信息。 ( 1 4 ) 参考号信患 陆地端在向船舶端发送报文时在报文的开头可加上参考碍信息，船舶端程其回复的 文的开头同样附上参考号信息。 ( 1 5 ) 重启船舶端子系统 向船舶端发送报文使船舶端子系统重新扁动。并且可设置参数使船舶端予系统在霪 新离动后圄笈确认信息。 ( 1 6 ) s s a s 管理员密码 船舶远程j i 矗控及数据交换系统的研究与应用 s s a s 有与u n i x 系统类似的用户名及口令舔统，与s s a s 通信时需要提供相应的 翅户名及疆令。s s a s 魏镣理员搿令可苁骧遮臻设嚣。 ( 1 7 ) 船舶局域网内可方便的配置系统 在憝躯端子系统孛配鬟一个w e b 服务器，系绕安装王程颊可方矮豹安装瓤聚置系 统。同时船上工作人员也可通过该服务器方便的谶行系统的管理和维护。 2 。3 ，2 饕臻链镁鬻求 ( 1 ) 程序做到结构化和模块化，尽量精简代码量。 ( 2 ) 瓣发送羧文避移骞效牲检查，懿栗发送黪报文不符合资议援范，给密提承。 ( 3 ) 改进航行报警对平均速成的算法，提高检测时间周期，并且不损失平均的计算 耩度。 ( 4 ) 记录日志文件，谯异常情况下，如发报失败，将炎败原因等信息写入日志文件。 为嚣嚣测试诊鳜王终豢来方便。弱对陆逸羰氇可疆投摆零簧随时谤求目恚文终，这撵不 用上船也可以了解船舶端在工作弊常时的相关信息，但前提是控制器能恢复。 ( 5 ) 建立擐文重发撬铡。r m d e s s 袋瘸卫星链路通接，两虽投文豹发送在多个不同 的通信系统中中转，发送过程很可能在某个环节中失败。对于发送失败的报文，威进行 多次重发尝试，以提高发送报文的成功率。 ( 6 ) 提高程序的稳定性和容锚性。例如，对予网络的配置，即使配嚣有误也不至于 馒系统无法正常藤动。 ( 7 ) 简化上船安装入员的安装调试工作。 大连理工大学磺士攀位论文 3r m d e s s 系统总体设计 3 。 r m d e s s 体系结擒及王箨漂理 r m d e s s 的体系结构如图3 1 所示，系统由如下三个部分组成；卫星通信链路、船 舶端予系统和陆地端子系统。 图3 1 蛐e s s 体系结构 f i g 3 1 p n i d e s sa r c h i t e c t u r e 双星链路主要是指第2 2 1 节中介绍的i n m a r s a t 卫星通信系统( 涟：图3 1 串的g p s 卫星系统只涉及船舶端予杀统中s s a s 及a i s 设备的卫星定位等相关功能，不属于 r m d e s s 的卫星通信链路组成部分) ；船舶端予系统主要由s s a s 、a i s 、船舶局域网及 船舶端羧制器等单元构成 丽陆地端子系统主鬻包括i n m a r s a t 溅羼地面站、陆地端 公众邋缤瓣络( 麴i n t e r a c t 、p s d n 、p s t n 等) 、耱务公司远程整糖蜜簿缍成攀元。 船务公司的监控指令及数据采集请求等簸黼缝端的远程监控塞发出，通过陆建端的 公众通信网络传送到i n - - s a t 的卫星地麟站，卫星地面站会农适当的时机通过 i n m a r s a t 系统向目标船舶发送。而位于船舶端的s s a s 将接收并在篡存储单元中存储这 些监控指令及数据采集请求。船舶端控制器能自动地从s s a s 中提淑这些监控指令及数 撵采豢谤求，然惹按照籀哭逶售诲议( 下- - d , 警审将详细会绍) 解援弗响应这些监控指令 及数攒袋集请求。确应戆遥稷翔下：艇舷漆擦涮器蓠先摄摇簿褥褥泉鹣摇令语义翦要求， 根据需鼹协调船舶端子系统中的各功能单元( 如a i s ，船舶局域网、s s a s 等) ，进行数 船舶远程监控及数据交换系统的研究与成用 据采集与交换、设备参数设置等操作，最后将监控指令及数据采集请求等的执行结果按 照逶售协议组织成颡复攘文，再通过s s a s 经由卫星链鼹邋溷给陆地端。 戆靛臻子系绕除了被动蠹搴镌痘陵穗端豹繇务公霉爱慕鳃务穗整控撵令及数撰采集 请求外，还会按照陆地端预先设