摘要：由于船舶與公司岸基在地域上的分離，目前公司岸基尚不能對遠洋船舶的安全營(yíng)運進(jìn)行實(shí)時(shí)、有效的監控。應用先進(jìn)的計算機信息技術(shù)、通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)等，將船—岸安全監控管理有機地結合在一起，船—岸隨時(shí)交互數據，協(xié)作管理業(yè)務(wù)，確保遠洋船舶運輸的安全高效。形成一個(gè)開(kāi)放的集船舶監控、管理、決策于一體的遠洋船舶在線(xiàn)監控系統，從而實(shí)現和提高遠洋船舶的安全管理水平。以中遠集團所轄船舶為實(shí)施對象開(kāi)發(fā)成功了遠洋船舶在線(xiàn)監控系統。

關(guān)鍵詞：水路運輸；遠洋船舶；在線(xiàn)監控；信息系統；船岸通信

我國90%的進(jìn)出口貨物采用海上運輸，中國遠洋運輸集團（COSCO）、中國海運集團（CS）等大型航運企業(yè)承擔著(zhù)大部分的進(jìn)出口貨物的運輸任務(wù)。據權威部門(mén)統計[1]，2007年我國遠洋運輸貨運量17173.89萬(wàn)t，遠洋運輸集裝箱量1711.93萬(wàn)TEU，分別比上年度增長(cháng)13.9%和12.2%；全國現有各類(lèi)遠洋運輸船舶2280余艘，凈載重量4164.64萬(wàn)t，集裝箱箱位106.98萬(wàn)TEU。提高我國航運企業(yè)的船舶航行安全監控水平、保證遠洋運輸安全生產(chǎn)、提高其遠洋運輸管理效率，既可以為企業(yè)創(chuàng )造可觀(guān)的經(jīng)濟效益，也可以為海上戰略物資運輸的安全提供可靠保證。

國際海事組織（IMO）于20世紀90年代出臺了ISM規則（International Safety Management國際安全管理規則），要求全球航運企業(yè)建立船舶安全管理體系，保證航行船舶的安全，最大限度避免各類(lèi)海上事故的發(fā)生[2]。2000年以來(lái)，IMO對船舶安全監控和管理的進(jìn)一步強制性要求，以及航運管理信息化技術(shù)的發(fā)展，基于國際海事衛星（Inmarsat）的遠洋船隊監控與管理系統相繼被開(kāi)發(fā)。國外大型航運企業(yè)基于自身戰略利益，著(zhù)重進(jìn)行了船舶安全、機務(wù)管理、航運管理，船舶監控等技術(shù)的研究，如瑞士MSC航運、丹麥MAERSK航運、美國APL航運等投入大量的資金引進(jìn)開(kāi)發(fā)系統。國外一些船務(wù)海事技術(shù)公司如英國Transas公司、挪威C-MAP公司、荷蘭SpecTec公司、新加坡Danaos公司等公司也開(kāi)發(fā)了船舶監控的相關(guān)技術(shù)和系統[3-4]。但是國外應用的系統也存在系統分散、實(shí)時(shí)性不強等缺點(diǎn)，現在仍然沒(méi)有一個(gè)比較成熟和完善的船岸一體化的綜合監控管理和服務(wù)平臺。

盡管安全管理體系（SMS）強調公司應建立和保證岸基與船上之間的聯(lián)系渠道，但是，目前我國航運企業(yè)對遠洋船舶的安全監控仍受到時(shí)間和空間的限制。由于船—岸在地域上的分離，通常是將航運企業(yè)與航行船舶看作為兩個(gè)無(wú)法相互直接聯(lián)系的對象。航運企業(yè)對船舶的掌控，無(wú)論是航行安全還是機務(wù)、海務(wù)管理、船員管理等等，均是在企業(yè)端或船舶端的單獨行為。船舶發(fā)生的緊急情況、事件、船岸之間的信息交流主要是通過(guò)海事衛星電話(huà)、電傳、傳真及電子郵件等手段實(shí)現。這使信息的滯后性、主觀(guān)性、歷史記錄的不均勻性、以及歷史記錄的連續儲存等問(wèn)題較為突現，缺乏對船舶和運載貨物狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)有效的監控。船岸信息孤島和監控脫節給航運企業(yè)的船舶安全管理帶來(lái)諸多不便和不利影響。

本文以COSCO為實(shí)施對象，研究的遠洋船舶在線(xiàn)監控系統是指COSCO及其二級分公司管理部門(mén)（岸基）與所屬船舶（船端）為一體的遠洋船舶在線(xiàn)監控平臺，其核心是對船舶海上航行、進(jìn)出港和靠離泊操縱，以及船舶機器工況和所承載貨物實(shí)施全過(guò)程實(shí)時(shí)監控和安全管理，以便根據船舶情況及時(shí)提供必要的岸基支持。本質(zhì)上是應用先進(jìn)的計算機信息技術(shù)、通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)等，將船—岸安全監控管理有機地結合在一起，船—岸隨時(shí)交互傳送數據，協(xié)作管理業(yè)務(wù)，確保船舶運輸的安全高效，形成一個(gè)開(kāi)放的集船舶監控、管理、決策于一體的遠洋船舶在線(xiàn)監控系統。在安全管理體系（SMS）功能要求上，除保證船—岸間的聯(lián)系渠道，同時(shí)又實(shí)現了實(shí)時(shí)監控渠道，從而為提升航運企業(yè)的安全管理水平引入了新的科技手段。

1 遠洋船舶在線(xiàn)監控系統總體方案架構

遠洋船舶在線(xiàn)監控系統強調“船岸一體”的概念，系統的總體架構如圖1所示，由3大部分組成：船端（船舶端）數據采集與處理系統、船—岸通信系統和岸基應用系統。

圖1 遠洋船舶在線(xiàn)監控系統總體架構

船端數據采集與處理系統主要由船舶端數據采集控制、數據分析處理、數據傳輸控制和船舶端的監控系統組成。船—岸通信系統主要包括船端的數據通信與岸端的數據通信系統組成。岸基系統分為集團總公司和各二級航運公司兩級系統，包括船舶監控管理、安全管理、船舶調度、船舶動(dòng)態(tài)監控與船舶遇險應急處置系統組成。

船端與岸基系統的雙向數據交換，即船—岸通信，主要通過(guò)國際海事衛星（Inmarsat）。根據當前船舶的不同通信裝備，以國際海事衛星的3種主流船載通信終端實(shí)現與岸基的通信聯(lián)系，分別是Inmarsat-C、-F和-BGAN。Inmarsat-C是一個(gè)存儲轉發(fā)式的雙向通信系統，目前大多數船舶都裝備Inmarsat-C的船載通信終端。將文本文件加密或壓縮后以Email方式發(fā)送到岸基，在岸基對收到的E-mail進(jìn)行解壓縮和解密后分發(fā)到相應的應用系統或儲存到指定的數據庫。Inmarsat-F是一個(gè)對用戶(hù)透明的基于TCP/IP的通信傳輸系統，實(shí)現移動(dòng)船舶對互聯(lián)網(wǎng)的接入，支持船岸數據的透明傳輸。Inmarsat-BGAN是Inmarsat的一個(gè)低成本互聯(lián)網(wǎng)接入簡(jiǎn)約版，具有全球無(wú)縫隙的寬帶網(wǎng)絡(luò )接入，它保證船舶用戶(hù)在全球任何地點(diǎn)都可以得到高質(zhì)量、高可靠的通信服務(wù)。

國際海事衛星數據通信傳輸由衛星地面站落地，岸基各分公司的安全管理系統通過(guò)地面因特網(wǎng)VPN接入到衛星地面站數據網(wǎng)關(guān)，從而建立起船岸數據通信鏈路。而總公司與所轄各分公司的數據交換通過(guò)專(zhuān)網(wǎng)建立數據通信鏈路。

2 船端數據采集與處理

船載數據采集與處理系統在功能結構上分為3個(gè)模塊：數據采集模塊、數據分析處理模塊和數據傳輸控制模塊。

2.1 數據采集

數據采集模塊結構示意圖如圖2所示。船舶航行數據、機艙數據和貨物數據將分別從分散在船舶各處的單元設備系統中獲得。采集的當前數據在存儲的同時(shí)，交由數據分析處理模塊進(jìn)行處理。

圖2 數據采集模塊示意圖

船舶航行數據主要從船舶自動(dòng)識別系統（AIS）和航行數據記錄儀（VDR）中獲取。從VDR中可以獲取4類(lèi)數據：

1）操舵信息：包括車(chē)鐘指令和回令數據，主機油門(mén)/螺距操作、轉舵操作和實(shí)際舵角、推進(jìn)器、側推器等數據。

2）船舶狀態(tài)信息：包括主機轉速、船艏向、航跡向、航速、船位、船體開(kāi)口狀況、水密門(mén)和防火門(mén)狀況、船體應力、風(fēng)向和風(fēng)速、水深等數據。

3）圖像信息：每15s一幀的雷達圖像。

4）語(yǔ)音信息：駕駛室內的談話(huà)，駕駛室內部通信、船舵令、廣播系統和聲響報警的聲音，甚高頻（VHF）無(wú)線(xiàn)電話(huà)通信的聲音。從AIS中可以獲取3類(lèi)數據：

（1）靜態(tài)信息：MMSI、IMO編號、呼號和船名、船長(cháng)和船寬、船舶類(lèi)型、船上使用的定位天線(xiàn)的位置。

（2）動(dòng)態(tài)信息：帶有精度指示和完整性狀態(tài)的以WG84坐標系為參考的船位（經(jīng)緯度）、UTC時(shí)間、航向、航速、船艏向、航行狀態(tài)、回轉速率。

（3）與航次有關(guān)的信息：船舶吃水、危險貨物類(lèi)型、目的港和預計到港時(shí)間以及與安全有關(guān)的短信息等。

機艙數據主要從機艙集中監視報警系統和一些主要的單元自動(dòng)化系統（如主機遙控系統等）中獲取。包括主機系統、燃油系統、滑油系統、冷卻水系統、排氣系統、空氣系統、鍋爐系統和電站輔機系統等8大類(lèi)實(shí)時(shí)數據。

船舶貨物數據根據大宗貨物類(lèi)型可以分為集裝箱、散雜貨和液氣貨。因此，貨物數據采集根據這3種不同類(lèi)型貨物進(jìn)行。

①集裝箱貨物數據：對集裝箱船舶，集裝箱貨物的靜態(tài)數據可由電子積載圖來(lái)明確表示。而冷藏集裝箱狀態(tài)數據可以從船舶冷藏集裝箱控制系統獲取，主要有：各冷藏集裝箱的設定冷藏溫度與當前溫度、壓縮機啟/停時(shí)間、壓縮機電壓/電流等。

②雜散貨物數據。對大宗散貨（糧食、化肥、工業(yè)原料等），在貨艙安裝溫度和濕度傳感器以監視散狀貨物狀態(tài)。

③液化氣和油品數據。專(zhuān)用液化氣船和油船都有本船監控系統，包括油/氣艙監控系統、油/氣管網(wǎng)監控系統、油份濃度監控系統等。通過(guò)數據接口獲取數據，主要有：各艙室的油/氣溫度、壓力、液位、惰性氣體濃度；油氣管網(wǎng)的壓力、流量、管系主要閥門(mén)開(kāi)/閉狀態(tài)；排放濃度、排放流量等。

2.2 數據分析處理

數據分析處理模塊結構示意圖如圖3所示。所采集的數字數據并非都是有效數據，進(jìn)行有效性檢驗實(shí)質(zhì)是濾除非法數據和無(wú)效數據。有效性檢驗包括：數據時(shí)效的準確性檢驗、數據量值的范圍檢驗、異常數據檢驗。數據格式轉換是將不同量綱的數據一律轉換成標準量綱數據，以及統一的數據類(lèi)型。數字數據的分類(lèi)與標識按照數據功能分為航行數據、機艙狀態(tài)數據和貨物狀態(tài)數據。對這些帶時(shí)標的當前數據按給定要求加以標識，以便岸基應用系統識別和數據重用。

圖3 數據分析處理模塊示意圖

船載數據處理服務(wù)器對來(lái)自數據采集裝置的當前數據以數據循環(huán)更新和數據循環(huán)添加二種方式儲存在數據處理服務(wù)器。前者始終是當前數據，一旦岸基系統發(fā)出傳輸請求，數據分析處理模塊就自動(dòng)將當前數據發(fā)送給信息傳輸控制模塊。后者是歷史數據，保存長(cháng)度可根據需要調節?？梢詫祿M(jìn)行有目的的篩選，以便將最重要的數據傳輸給岸基系統。這種篩選可以根據需要進(jìn)行人工或自動(dòng)設定。

2.3 數據傳輸控制

數據傳輸控制模塊結構示意圖如圖4所示。數據傳輸控制模塊是將分類(lèi)后需要上傳到岸基系統的數據（文本文件）進(jìn)行加密或壓縮打包，通過(guò)船載衛星終端發(fā)送到岸基系統。而對音頻或視頻數據則進(jìn)行流控制，實(shí)現透明傳輸。

圖4 數據傳輸控制模塊示意圖

船岸數據傳輸控制以事件觸發(fā)和定時(shí)循環(huán)2種方式進(jìn)行。前者是由岸基系統向船舶發(fā)出數據傳輸指令，“數據傳輸控制模塊”接到岸基指令后傳輸指定數據。后者是“數據傳輸控制模塊”設定數據發(fā)送周期，自動(dòng)以一定時(shí)間間隔發(fā)送數據給岸基系統。通信終端主要利用INMARSAT衛星和銥星系統，可提供傳真、電傳、話(huà)音、視頻、數據轉發(fā)、數據報告、電子郵件、遇險報警等等。從船岸一體化管理角度來(lái)看，將主要采用INMARSAT-C站、-F站的通信業(yè)務(wù)。

3 岸基應用系統

3.1 船舶安全管理系統

船舶安全監督綜合管理系統的功能如圖5所示。集團（總公司）的安全管理系統建立在各分公司安全管理系統的基礎上，實(shí)現的是宏觀(guān)管理與監督，因此分公司系統與總公司系統之間是一個(gè)交集?？偣九c各分公司的關(guān)系是一對多的關(guān)系，但并不參與對分公司所轄船舶的直接數據交換。

圖5 船舶安全監督綜合管理系統功能圖

集團（總公司）的安全管理系統在功能需求上主要實(shí)現企業(yè)規章管理、集團安全檢查（督導檢查）管理、船旗國檢查管理（FSC）、港口國檢查管理（PSC）、公司安全檢查管理、船舶安全管理體系（SMS）管理、船舶保安管理等。這些管理功能涵蓋了總公司安全管理的各個(gè)方面。

集團安檢包括安檢計劃、安檢通知、安檢信息、缺陷分類(lèi)統計和糾正預防措施管理等5大主要功能模塊，這5大功能模塊包括了15個(gè)功能子模塊。集團檢查提供用戶(hù)查詢(xún)、編輯、打印、統計等有關(guān)集團（總公司）安全檢查信息的各種功能，讓集團（總公司）用戶(hù)能夠及時(shí)、準確掌控分公司及管轄船舶的所有安全檢查信息，發(fā)揮總公司安全監督職能。

船舶FSC檢查包括FSC的檢查上報、處理、信息、統計和維護等5個(gè)子功能模塊。集團層面上的FSC檢查提供用戶(hù)查詢(xún)、編輯、打印、統計COSCO系統內船舶FSC檢查的各種功能，讓集團（總公司）用戶(hù)能夠及時(shí)、準確掌控分公司及管轄船舶的所有FSC檢查信息，為總公司制定、修訂有關(guān)船舶安全管理規章制度提供依據，進(jìn)而為分公司提供船舶營(yíng)運的安全做法。

船舶PSC檢查包括PSC檢查上報、缺陷分類(lèi)統計和糾正預防措施、滯留船舶處理3大模塊，涉及11個(gè)子功能模塊。PSC檢查提供用戶(hù)查詢(xún)、編輯、打印、統計COSCO系統內船舶PSC檢查信息的各種功能，讓集團（總公司）用戶(hù)能夠及時(shí)、準確掌控分公司及管轄船舶的所有PSC檢查信息，為總公司制定、修訂有關(guān)船舶安全管理規章提供依據進(jìn)而為分公司提供船舶營(yíng)運的安全做法。

應用系統的操作界面精致簡(jiǎn)潔，操作容易方便?？梢酝ㄟ^(guò)按鈕或頁(yè)面鏈接實(shí)現并轉入其它操作。圖6為操作界面示例。

圖6 操作界面示例

3.2 船舶安全監控系統

船舶安全監控系統的功能如圖6所示。集團（總公司）的船舶安全監控建立在各分公司船舶安全監控的基礎上，由各分公司上傳所屬船舶的多態(tài)數據到總公司岸基核心數據庫中?？偣九c各分公司的船舶安全監控系統均提供可視化界面，主要由3大功能模塊組成：船舶動(dòng)態(tài)、安全監控和遠程機艙，涉及的監控數據包括歷史數據和當前數據，按業(yè)務(wù)類(lèi)型提供比較分析。

船舶動(dòng)態(tài)功能模塊，提供船舶狀態(tài)、航行狀態(tài)、設備狀態(tài)、貨物狀態(tài)、人員狀態(tài)等各類(lèi)信息，提供查詢(xún)顯示界面，包括歷史數據和當前數據。

圖7 船舶安全監控系統功能圖

安全監控功能模塊，以“四大機制”管理原則為基本點(diǎn)，實(shí)施對船舶的安全風(fēng)險動(dòng)態(tài)監控。包括安全職責、安全評估、風(fēng)險控制和動(dòng)態(tài)監控?？梢栽O定當前船舶的預警狀態(tài)，全程跟蹤、分級提醒業(yè)務(wù)主管關(guān)注預警船舶。

遠程機艙功能模塊，提供船舶機艙仿真圖形及操作功能，模擬船舶集控室的操作平臺，根據所獲得的和提供的當前和歷史機艙采集數據，提供圖形化的人機交互界面，對船舶設備工況數據實(shí)現察看及歷史數據回放，對同型號的不同船舶進(jìn)行工況對比。同時(shí)可以通過(guò)系統維護，對機艙各類(lèi)參數確定額定值、上下限等閾值，供系統預警使用。圖8為遠程機艙監控窗口界面示例。

圖8 遠程機艙監控窗口界面示例

4 結語(yǔ)

遠洋船舶在線(xiàn)監控系統的研究成果的推廣應用將使航運界對船舶進(jìn)行有效監控的迫切需要變成了現實(shí)。系統的研制成功不僅實(shí)現了岸基對船舶的監控，而且更重要的是系統建立了船—岸之間的一條可控的數據交換鏈，為船岸信息化建設奠定了基礎。系統的研究成果將有力地促進(jìn)我國航運業(yè)的科學(xué)技術(shù)進(jìn)步；系統的全天候監控模式極大地提升了對遠洋船隊的安全監控與搜救能力，有效降低了重大海難事故發(fā)生的幾率和損失；系統的研究成果可推廣應用至船舶節能減排、海洋環(huán)境保等方面，有利于我國航運業(yè)的可持續發(fā)展。

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作者：鄭士君，褚建新，陳正杰，王增華，王新全  來(lái)源：中國航海