船舶航行远程监控技术

船舶航行远程监控技术1．概述1.1船舶航行监控必要性1.2船舶航行监控技术发展2．船舶远程监控的基本原理与实现方法2.1船舶驾驶台设备及其网络系统2.2数据采集2.3数据传输2.4数据重用3．内河船舶监控技术4．港区船舶监控技术5．远洋船舶监控技术1．概述1.1船舶航行监控必要性——自有海难记录以来的200年间，全球有100多万艘大中型船舶沉没；——近20年来，每年沉船事故平均242艘152万吨。——2009年我国海上搜救行动1964次，救助遇险人员18397名，救助遇险船舶1588艘。——2008年，索马里海域发生120多起海上抢劫，超过30艘船只遭劫。2008年2月7日，一艘往返英国与爱尔兰的5000吨级货轮Riverdance号，在英国西海岸遇暴风雨搁浅翻覆。2007年12月23日，挪威一艘邮轮M/SExplorer，搁浅在南极。2007年1月18日，英国一艘集装箱轮MSCNapoli，侧翻在位于大西洋和加勒比海之间的英属维尔京群岛附近。1．概述巴拿马散装船M/VNewFlame，2007年8月12日，在直布罗陀海峡与一艘丹麦油轮相撞。1．概述2006年12月6日，装载着钻井平台AleutianKey号的荷兰半潜船MightyServant3号在安哥拉Luanda港水域作业时意外沉没。2010年4月20日，美国墨西哥湾“深水地平线”钻井平台发生爆炸，造成原油泄漏。2007年2月22日，印尼客运渡轮Levina1，起火造成至少51人丧生。3天后沉没。1．概述1．概述2008年12月17日12时43分左右，“振华4号”从苏丹返航途径亚丁湾水域时遭遇2艘海盗船袭击。1．概述2014年4月16日，载有476人的“岁月”号客船在韩国西南部海域沉没，遇难284人。1．概述2015年6月1日深夜载有458人的“东方之星”客轮突遇龙卷风，在长江监利水道段倾覆，442人遇难。1．概述船舶航行监控的实施者和服务对象——国际海事组织(IMO)对航行于海上的船舶实施监控，提供应急救助服务；——港口国海事监管机构对沿海、沿江、航道上的所有船舶实施监控，进行船舶水上交通管理和航行执法；——船务公司对其所辖船舶实施监控，有效掌控船舶状态，进行船岸一体化管理；——港务公司对其港口水域的船舶进行监控，保障港口安全。1．概述1.2船舶航行监控技术发展1973年IMO提出决议案，1999年2月，GMDSS在全球全面启用。与SOS不同，GMDSS是一个船岸间全球海上移动无线电通信系统。它由卫星系统和地面无线电系统组成。能更迅速、更可靠地发出救难信息，还能以自动、半自动的方式取代以前的人工报警方式。全球海上遇险与安全系统（GMDSS——GlobalMaritimeDistressandSafetySystem）1．概述1998年IMO对将于2002年7月生效的SOLAS公约中，增加了“通用船载自动识别系统（AIS）”和“航行数据记录仪（VDR）”，船舶强制性装备AIS的时间表是：最迟2008年7月1日前，国际航线300总吨以上的船舶；国内航线客船及500总吨以上的船舶；安装AIS。船舶自动识别系统（AIS——AutomaticIdentificationSystem)AIS设备的成本相对于雷达设备要低的多，然而它的“可视”范围却几乎等于雷达。为船舶提供一种有效的避碰措施，极大地增强雷达功能。AIS的数据可以输出到ECDS或ARPA上，实现目标船的监控。“十一五”期间，浙江省重点科技攻关项目——船舶自动识别系统，同时也是国家发展改革委支持的产业化项目完成验收。由浙江广洋电子科技有限公司研制，突破了数字化收发信机和高性能数据处理嵌入式系统的关键技术，产品通过了中国船级社型式认证。1．概述IMO的SOLAS公约要求，客船、客滚船以及2002年7月1日以后新建造的3000总吨及以上所有其他船舶强制配载VDR。VDR的主要功能是记录航行设备数据、驾驶台声音以及其他与航行安全相关的数据，在船舶发生海难或事故后，能够快速有效的取得相关证据。船舶航行数据记录仪（VDR——VoyageDataRecorder）一个VDR具有三项基本功能：船舶静态信息固化、船舶动态信息和操作信息记录。VDR一般由三部分组成；数据存储单元、数据处理单元和数据回放单元。上海市科委嵌入式系统第一期应用研发资助项目，上海船研所研制S-VDR，2007年通过样机验收。科技部资助清华大学与中远集团研制VDR，在中远集团推广应用。1．概述2002年12月IMO在缔约国政府会议上审议并通过了强制安装SSAS，纳入SOLAS公约。从事国际海域航行的船舶必须安装SSAS，并自2004年7月1日起生效。船舶保安警报系统（SSAS——ShipSecurityAlertSystem）系统自动向主管当局指定的相关部门发送警报。不向任何其他船舶发送船舶治安警报；也不会由此启动船上任何其他警报。1．概述VTS具备监视水域船舶运动并对船舶提供信息、建议和指示的手段，它能与船舶相互作用并能有效控制船舶交通流，从而在获得最大的港口营运效益同时使船舶交通事故和环境污染的风险减至最小。船舶交通管理系统（VTS——VesselTrafficServices）1．概述我国的VTS发展经历了三个阶段：——第一阶段，70年代中后期的研究试验和组织准备阶段。——第二阶段，80年代VTS开始建设的初级阶段，先后在宁波、秦皇岛、青岛、大连、连云港五个港口开始了VTS的建设。——第三阶段，90年代以后VTS全面建设发展阶段。新建了从营口到琼州海峡等10个港口和水道的VTS；建成了长江中下游VTS（重庆段、宜昌段、武汉段、江西安徽段、江苏段、上海段）；对80年代VTS进行了更新或扩展。至此，中国沿海共有18个VTS中心。2．船舶远程监控的基本原理与实现方法2.1船舶驾驶台设备及其网络系统综合桥楼系统（IBSIntegratedbridgesystem）综合了计算机技术、网络技术、控制技术、信息处理技术等，将船上的各种导航/助航、操作控制和雷达避碰等电子设备通过计算机网络有机地组合起来，实现船舶自动化航行。雷达导航电子海图中央控制台航线设计电子海图自动操舵仪GPS/AIS系统海图桌机舱监控报警系统航行数据记录电航仪器航运优化系统海上遇险和安全系统机舱网关机舱控制台2．船舶远程监控的基本原理与实现方法2．船舶远程监控的基本原理与实现方法从导航/助航设备、机舱自动化设备中获取监控数据：——导航/助航设备，具备IEC-61162数据通信接口标准（AIS、VDR、SSAS、风速仪、计程仪、回声仪等）——机舱自动化设备，目前无统一接口标准，数据获取难度较大（机舱集中监视报警系统、机舱单元自动化系统）2.2数据采集关于IEC-61162协议：——1995年制定的一个单讲话器，多受话器数据通信协议，规定了海上电子设备、导航和无线通信设备之间的通信标准。——采用自定义的6位数据进行通信，定义了通信所用的字符和语句格式。包括正式语句、询问语句和私有语句。2．船舶远程监控的基本原理与实现方法数据的存储、筛选：——对来自数据采集装置的当前数据同时以数据循环更新和数据循环添加二种方式储存。前者一旦岸基系统发出传输请求，就自动将当前数据发送。后者是历史数据，保存长度可根据需要调节。——对数据进行有目的的筛选，以便将最重要的数据传输给岸基系统，这种筛选可以根据需要人工或自动设定。数据的有效性检验、格式转换、分类和标识：——有效性检验是滤除非法数据和无效数据，包括：数据时效准确性检验、数据量值范围检验、异常数据检验。——格式转换是将不同量纲的数据转换成kg/m/s标准量纲数据，以及统一的数据类型。——分类与标识按照数据功能分为航行数据、机舱状态数据和货物状态数据。对这些带时标的当前数据按给定要求加以标识。2．船舶远程监控的基本原理与实现方法AIS/GPSAIS将船舶标识信息、位置信息、运动参数和航行状态等与安全有关的数据，通过VHF信道（利用VHF的通信频段（156.025-162.025MHz），建立海上自组织时分多址无线通信数据链路，实现移动目标之间的应答），广播给周围的船舶，实现对本海区船舶的识别和监视。AIS可以获取的信息：——静态信息：IMO编号、呼号和船名、船长和船宽、船舶类型、船上使用的定位天线的位置。——动态信息：带有精度指示和完整性状态的以WG84坐标系为参考的船位、时间、航向、速度、艏向、航行状态、回转速率。——与航次有关的信息：船舶吃水、危险货物类型、目的港和预计到港时间。——与安全有关的信息：短信息。2．船舶远程监控的基本原理与实现方法船载AIS构成AIS的基本构成包括：内置卫星传感器、VHF数据通信机、控制器、船舶运动参数传感器接口、数据接口等。(D)GNSS位置时钟传感器控制器（外部键盘与显示器）（引航辅助设备）远程接口简易键盘/显示器TX电源BIIT监测TDMA编码DSC编码TDMA解码TDMA解码DSC解码TDMARXTDMARXDSCRX（CH70）GPS接入差分[ITU823-2]RX/TX控制VHF差分[ITU823-2]选用IEC61162-2可按IEC61162-2配置IEC61162-3IEC61162-2IEC61162-2IEC61162-2报警电路（常闭继电器）电源输入VHF键盘/显示器外部键盘/显示器可以看作是雷达，ECDIS或专用设备2．船舶远程监控的基本原理与实现方法AIS数据通信原理采用时分多址(TDMA)通信方式，它把每个信道的时间分成固定的时间缝隙，称为时隙。一组时隙构成一帧。一帧持续1分钟，包含2250个时隙。所有这些时隙都可以由工作在数据链路上的电台使用。当前时隙1帧1分钟时隙0时隙2249当前帧时隙0时隙2249下一帧例如：一个船位报告占用数据链路上的一个时隙，其他类型的报文可以使用多于一个时隙，一份报文具体使用时隙的数目视具体情况而定，但最多不能超过5个时隙。2．船舶远程监控的基本原理与实现方法VDRVDR可以获取的信息：——操作信息：车钟指令和回令数据，主机油门/螺距操作、转舵操作和实际舵角、推进器、侧推器等数据。——船舶状态信息：主机转速、船艏向、航迹向、航速、船位、船体开口状况、水密门和防火门状况、船体应力、风向风速、水深等数据。——图像信息：每15s一帧的雷达图像。——语音信息：驾驶室内语音，内部通信、船舵令、广播系统和声响报警的声音，甚高频（VHF）无线电话通信的声音。2．船舶远程监控的基本原理与实现方法VDR主机数据处理单元VDR黑盒子数据存储单元VDR显示数据回放单元数据远程传输国际海事卫星岸基雷达其它设备高频电话IMO航行报警舱室监视风速船位船速船艏向水深车钟令和响应操舵令和响应防火门/水密门2．船舶远程监控的基本原理与实现方法SSAS双重作用：——紧急状况下提供警报功能，SSAS可自动将报警信息Email形式发至用户指定的信箱，同时在界面上明显标注报警船舶的位置，并增加报警船舶的船位报告频率。——正常状况下SSAS为船舶公司提供船舶动态监控功能，使公司管理人员实时了解本公司船舶在全球海域的航行动态。2．船舶远程监控的基本原理与实现方法E/RMAS机舱自动化系统包括：报警与监视系统；辅机设备控制系统；电站管理系统；推进控制系统；货舱监控系统；空调系统；火警系统等。这些系统通过计算机网络连接起来，满足了开放性和可扩展性的要求。从机舱自动化系统中提取8类数据：1）主机系统数据；2）燃油系统数据；3）冷却水系统数据；4）滑油系统数据；5）排气系统数据；6）电站系统数据；7）锅炉系统数据；8）泵类系统数据。2．船舶远程监控的基本原理与实现方法2.3数据传输国际海事卫星（Inmarsat）1979年成立国际组织INMARSAT，直接成员国89个，总部在伦敦。1999年变为商业公司，提供海事、航空、陆地移动卫星通信和信息服务。是船舶遇险安全通信的主要支持系统，并承担陆地应急通信和灾害救助通信。INMARSAT将全球分为四个区域，有9颗卫星覆盖全球。向航海、航空和海上工业提供遇险和安全通信服务。20