内河船舶监控方案

内河船舶监控管理
信息系统
方案
V1.0
20XX年XX月
概述
随着中国经济的迅猛发展，我国水运事业取得了很快地发展，为国民经济的增长提供了重要的支持和保障；然而，与欧美国家相比，我国的水上安全基础设施仍然很薄弱，管理尚欠规范，水上交通安全面临的形势仍然不容乐观。

违规违纪的现象也还非常严重，由于超载、抢道、冒雾航行等导致的翻船、沉船、撞船等交通事故频频发生，给国家造成了巨大的经济损失，同时给人民生命财产安全带来了严重危害。

因此，相关部门正加大对水运船只的监管力度，各种船舶定位和导航服务随之兴起，船舶GPS监控系统逐渐被开发并应用于水运的监控管理中。

我公司准备利用GPRS无线数据传输技术，在嵌入式实时操作系统环境下，实现对船舶的远程监控，以方便对运输船舶的远程监控和管理。

该系统以GPS作为船舶定位手段，以GPRS作为数据传输方式，通过船载终端和监控中心的信息交互，实现对远程作业船舶的有效监控，由此将大大提高作业船舶的安全性，降低船舶营运成本，减少水上交通事故的发生，保障人民生命财产安全。

系统总体方案
系统构成简述：
整体船舶监控管理系统由三个子系统组成：
1. 船载终端子系统
2. GPRS数据传输子系统
3. 基于电子地图的监控管理中心子系统
一、系统构成网络图
二、船载终端子系统
船载终端是一个集GPS接收模块、船舶航行数据采集模块、GPRS 无线收发模块、报警模块以及主控模块于一体的装置，负责：
1. 接收GPS卫星信号并计算船只实时经纬度坐标数据、航向航速数据等；
2. 收集船舶航行数据，如主机转速、燃油耗量、航道水深等数据；
3. 快速发送遇险报警信号；
4. 通过GPRS数据传输子系统，与监控管理中心子系统进行信息的双
向传送，从而实现系统对船舶的监控和管理。

三、GPRS数据传输子系统
GPRS数据传输子系统，是用于系统中数据传输的通信网络。

作为监控管
理系统的信息传输手段，无线通讯技术是实现其功能的关键。

通用分组无线业务(GPRS, General Packet Radio Service) 是在现有GSM网络基础上叠加的一个专为高速数据通信而设计的新的网络，其充分利用了现有移动通信网的设备，通过在GSM网络上增加一些硬件设备和软件升级，形成一个新的网络逻辑实体。

GPRS可以接入基于TCP/IP 的外部网络和X.25 网络，无线接口资源可根据业务流量和运营者的选择在语音和数据业务之间共享，从协议结构上提供了和IP 网络的互通功能。

GPRS能向用户提供Internet 所能提供的一切功能，GPRS对于Internet 的其他组成部分来说，只是一个普通的子网。

GPRS 的开通有效地解决了在GPS监控系统中可能遇到的一系列问题，由于GPRS数据通信是按收发数据的量计费，而不是按收发时间长短计费，所以客户可以“永远在线”并可节省费用。

四、监控管理中心子系统
监控管理中心子系统即包括中心硬件设备、软件、数据库构成的集成系统，实现对所有船舶对象的监控、管理。

中心子系统软件基于专业电子地图平台，直观的显示船舶的各项动态信息，船位、航向、航速、主机转速、燃油耗量、航道水深等信息，可以回放船舶航行
历史轨迹，当接收到船只发出的遇险信号后可快速报警，等等。

涉及的关键技术
一、GPS(Global Positioning System )全球卫星定位系统
GPS是随着现代科学技术的发展建立起来的一个高精度、全天候和全球性
的无线电导航定位、定时的多功能系统。

它利用位于距地球2 万多公里高的、由24 颗人造卫星组成的卫星网，向地球不断发射定位信号。

地球上的任何一个GPS接收机，均能接收到四颗以上的卫星发出的信号，经过计算后，就可报出GPS接收机的位置(经度、纬度、高度)、时间和运动状态(速度、航向)。

目前，没有任何一种传统的导航定位技术能够达到GPS这样的高精度、高速度、全天候和全球性的性能。

二、GSM(Global System for Mobile )全球移动通讯系统
GSM全球移动通讯系统是目前国内覆盖最广、系统可靠性最高、话机保有量最大的数字移动通讯系统。

GSM以统一的方式向各地用户提供具有所有电信业务的国内和国际漫游。

用户身份鉴别可保护网络避免无权用户使用。

GSM系统除提供话音业务外，还提供数据业务、短消息 ( SMS)业务等多项功能。

三、GPR(S General Packet Radio Service )通用无线分组业务
GPRS是一种基于GSM系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线IP 连接。

通俗地讲，GPRS是一项高速数据处理的技术，主要用途是将船舶运行数据发回公司服务器。

虽然GPRS是作为现有GSM网络向第三代移动通信演变的过渡技术，但是它在许多方面都具有显著的优势。

由于使用了"分组"的技
术，用户上网可以免受断线的痛苦。

此外，使用GPRS上网的方法与WAP并不同，用WAP上网就如在家中上网，先"拨号连接" ，而上网后便不能同时使用该电话线，但GPRS 就较为优
越，下载资料和通话是可以同时进行的。

从技术上来说，声音的传送(即通话)继续使用GSM，而数据的传送便可使用GPR，S 这样的话，就把移动电话的应用提升到一个更高的层次。

而且发展GPRS技术也十分"经济" ，因为只须沿用现有的GSM网络来发展即可。

GPRS的用途十分广泛，包括通过手机发送及接收电子邮件，在互联网上浏览等。

四、GIS(Geographical Information System )地理信息系统
GIS 是近些年来迅速发展起来的一门新兴技术。

它作为制图学、计算机技术、地理、遥感、统计、测绘、通讯、规划和管理学科交叉运用的产物而被广泛运用在各个领域。

在GPS/GPRS多功能船舶监控管理系统中，主要用于对地图的显示和管理以及对受监控的船只目标位置等信息的显示。

五、计算机数据通信处理技术
在采取GPS/GPRS技术的船舶智能化监控管理系统系统中，主要采用了数据库技术、数据库集群技术、大容量数据检索技术、数据备份和灾难恢复技术、计算机局域网和广域网技术、移动通信技术以及计算机远程控制操作等多项
计算机相关技术。

各种相关的技术分别为:
1. 网络技术：局域网和互联网络应用技术，组网技术，交换技术，路由技术；
2. 数据库技术：大容量数据存储与处理，数据的备份与恢复，分布式数据库；
3. 软件构件技术：组件技术、中间件的应用，架构设计；
4. 计算机通信技术：串口通信、TCP/IP，进程通信、消息队列处理技
术、无线通信、移动通信等；
5. 软件工程：软件测试流程、开发模式，CMM，系统UML建模分析，ROSE模型开发等。

船载终端
船载终端是整个监控系统的前端设备，安装在船只上，相当于一台“航行电脑”，负责对船只机电设备自检、管理、航行控制和状态显示、报警等。

在软件和硬件设计上，充分考虑系统功能扩展的需要，如遇险求救信号的自动发送、航行数据自动记录等。

基于GPRS进行船舶的远程监控，其能够实现的关键是要能够设计出可以实现数据通信、定位、显示以及报警等功能的船舶监控终端，因此，在整个系统中，船载终端的设计是基础。

根据船载终端所要实现的功能，整个硬件系统由中央处理器、存储器、GPRS通信模块、GPS 定位模块、JTAG接口、A／D、LCD、按键、电源管理等单元组成。

其中核心的部分主要有中央处理器、GPS模块和GPRS模块三部分。

中央控制器在船载终端中起着重要的作用，它对整个硬件系统进
行控制，包括对下端传感器的控制、传感器信号的处理、接收GPS定位信息、数据打包以及与GPRS模块通信等。

考虑到系统对处理器性能的需求，选择三星公司的芯片作为船载终端的中央处理器。

该芯片采用0.25 μm COMS 工艺制造，主频最高可达1GHz，在ARM9内核基础上扩展了一系列完整的通用逻辑单元，可以减少外围器件，降低系统成本；同时它还提供了丰富的片上功
能。

本系统的GPRS模块选择了Motorola 公司的作为船载终端的无线通信模块；而GPS定位模块则选用GARMIN公司的作为GPS的接收模块，它提供了串行接口与外部控制器通信，主要是将接收的GPS信息发送给外部处理器。

电源部分。

船只上以蓄电池为主的直流电源普遍处于浮冲状态，为了确保电源稳定不问断的工作，同时为了防止主电源故障后造成终端无法工作，考虑装上稳压电源（可采用内置）主要功能
定位：各种条件下，获取船只定位信息；数据采集：收集多种船舶航行数据；监控：在指定条件下，一段时间内，实时、连续的向中心传送船只定位等信息；
求助：具有人工求助快捷按键及处理功能；
调度：具有GSM中、英文短消息收、发功能，实现调度信息接收等功能；
管理：菜单管理、设备参数配置、保存功能，各类操作记录及
获取；
黑匣子：具有大容量的船舶信息记录保存，如：航迹、报警记录、航行数据记录等。

监控管理中心监控管理中心实体由监控信息处理服务器( server1 )和通信服务器(server2) 、网络设备、部门终端等组成。

监控中心和相关职能部门配备专用的船舶监控管理软件，按不同的职能权限获取和处理相关信息。

系统采用标准的数据接口标准，能方便地与其它系统集成。

电子海图显示系统
电子海图系统是船舶监控管理系统的核心组成部分，它负责标准化的电子海图显示，以及各船舶航行数据在电子海图上的直观显示。

电子海图”是在船舶领域使用频率最高的名词之一。

电子海图
显示与信息系统（ECDIS）被认为是继雷达之后在船舶导航方面又一项伟大的技术革命。

从最初纸海图的简单电子复制品到过渡性的电子海图系统，ECDIS已发展成为一种新型的船舶导航系统和辅助决策系统，它不仅能连续给出船位，还能提供综合的船舶航行有关的各种信息，有效地防范各种险情。

与电子海图密切相关的三个国际组织是国际海事组织（IMO）、国际海道测量组织（IHO）和国际电工委员会（IEC）。

国内的标准格式是中国人民海军航海保证部制定的VCF格式电子海图。

它的格式是参照美国环境研究所（ESRI）的Shp格式制定的。

目前在长江及内河使用的航道图大多数是MapInfo 格式的。

它以强大的电子海图功能、出众的性能、应用开发的最大灵活性
以及与地理信息系统（GIS）的良好结合能力，成为电子海图应用系统的最理想应用开发工具。

软件基于面向对象、现代软件工程的理论和方法，采用统一建模语言（UML）进行设计，100% 的C/C++ 实现，使得软件系统具有极强的扩展性、移植性、共享性和实用性。

特点：
1、电子海图管理方便
传统的电子海图管理是采用分幅管理的, 这样对电子海图显示系统的应用来说使用不是很方便, 最好的解决办法是基于图库的海量海图数据管理技术。

它包含的技术有：
1. 统一的全球坐标系（通常是84 坐标系）做为基准，实现海图数据的无缝拼接, 自动调图。

2. 高效的网格索引结构，提高数据访问效率的关键。

图库采用先进的空间四叉树网格索引算法大大提高海图的显示速度，满足IHO的参数规定。

3. 先进的数据压缩算法，对海图数据进行大规模的压缩，可以提供空间数据整理工具对整个海图数据库进行整理压缩。

4. 虚拟内存技术实现多个海图数据库的集群化管理。

对缓存的管理采用最近最少使用替换算法（LRU），在不影响性能的情况下，内存的占用最少。

不是一次性的把所有的海图都放在内存里，只是把当前需要显示的海图读入内存。

5. 自定义数据格式，图库拓扑结构建立，导入及更新海图数据，用户可以根据职能区域把海图划分为若干区域海图库进行管理，即满足了工作需要也满足了海图保密的要求。

海图库数量可以任意的扩
展，海图库之间可以叠加显示。

2、支持数据标绘
IHO 关于S57电子数据有明确的规定S57底图数据是不允许直接修改的，只能通过数据改正文件进行改正。

但是在实际情况中管理人员通常要在海图上进行作业，标绘些东西。

对于数据标绘实现有如下功能：
1. 标绘采用标绘图库的管理模式，采用空间数据库(SDE)的浮点因子算法，减少浮点运算数量提高显示速度。

标绘数据库应能与S57海图数据库进行叠加显示。

2. 支持用户自定义图层，图层内要素可以点、线、面混合存储
3. 可扩展的符号库接口，任意的选择绘制S52 的点、线、面符号。

4. 系统内置关系数据库引擎，支持数据字段定义，可输入属性信息，支持对属性信息符合SQL-92标准SQL语句查询。

5. 用户定义的图层可以指定为航行预警图层，与航行目标进行多种平面几何计算功能，给被导航船舶提供多功能报警/ 预警。

6. 标绘提供类似空间数据库的长事务处理机制，在事务提交之前可以任意的增、删、改、UnDo、Redo。

7. 强大的编辑功能，实现几何要素选择的高亮显示，顶点编辑，拖拽功能。

3、支持S52 显示标准
S52 标准是显示标准，例如船舶的显示形状、颜色、灯标的状态
等。

规定了显示标准后，需要开发显示海图软件的单位用这个统一标准开发程
序，开发的系统要完整的实现S52 标准。

1. S52 规定的所有显示图例。

支持S52 一些符号的渐进填充、透明填充模式。

2. 支持各种情景显示模式，如白昼模式（白背景、黑背景）黄昏模式、夜晚模式（滤光、未滤光）等。

3. 支持不同的符号显示方式，包括简单符号和传统符号
4. 支持海图内容分级显示，如基本显示、标准显示、全部显示，还可自定义要显示的物标类型。

4、提供了可扩展的海图工具
1. 提供包括大圆弧距离量算、大圆弧轨迹插值、角度量算、球体坐标面积量算。

2. 系统提供灵活多样的海图物标查询方式，包括海图和移动目标的点选，矩形选、圈选、多边形选择查询和基于字符串的海图数据库模糊查询。

3. 海图图框、经纬度网格、指北针显示控制
4. 显示注记自动避让功能，和线注记流动功能
5. 海图放大、缩小、漫游、旋转，支持海图拉框放大、缩小，滚轮推拉放大、缩小，点击放大、缩小，支持鼠标拖动漫游，支持全球显示移动无闪烁。

6. 提供海图打印、打印预览、屏幕保存为BMP、JPG、PNG图像格
7. 提供 WG84和 BJ54 坐标系数据转换 7 参数椭球体模型。

8. 支持 UNICOD 、E GB2312 等多种编码体系
9. 基于地球球面的海量电子海图漫游
10. 提供地理坐标、墨卡托投影坐标和屏幕坐标之间的相互转 换，地理要素之间点与点、点与线之间距离，线的长度，多边形的周 长和面积。

监控管理中心平台具备的功能
基于电子地图的显示系统，中心平台的软件实现以下主要功能： 系统状态
显示当前有多少船舶在线，是否有终端断线，控制台是否有断
线， GPRS 网络情况等。

系统告警
系统告警表示系统发生故障而给出的告警，如通讯中断，船载终 端断线等。

该告警栏应反映告警的时间和所触发的故障事件。

弹出信 息框用以描述系统发生的故障，并能打印。

在告警栏显示当天未经维
护人员确认的告警条数，
点击显示所有的告警的具体内容，操作员可以选取某一条进行确认或打印。

信息查询船舶动态信息查询：船位，航速，航向，所在航线，所处区域，最近参照物方位等船舶运行数据。

地理信息查询：包括岛屿，暗礁，港口设施，水深，水文/ 磁要素，潮汐，海流等。

目标锁定
监控软件窗口内能选取一个定点，实现居中显示，或选取一个船只目标，以此为中心，实现图随船只移动。

CPA/TCPA计算
可以选取两个船只目标或一个船只目标、一个固定点, 进行CPA/TCPA 计算。

CPA是指两船只之间，在保持目前稳定的航向和航速下可能接近的最小距离。

TCPA是指从现在起该两船只到达最接近距离时所经历的时间。

能开四个窗口同时进行CPA/TCPA计算。

通信
接收船舶定位信息，以及船位报告，航行计划报告，运行状态报
告等；
系统通过群发、组发或单发的方式，向船只发布气象、水文和航行安全信息。

对于固定的信息，可以采用信息定制的方式，实现快速、方便的发送。

历史数据查询及轨迹回放中心系统自动存储船舶航行轨迹、航行记录及往来通信信息，并能在选取的时间段内，对选定的船舶或选定范围内的所有船舶按时间的顺序进行重放，重放的速度可以按不同的倍速进行。

导航与避碰船只航向航迹监测，物标监测；偏离航线报警；进入危险
区域报警。

航行管理
航行计划管理，任务管理，运行状态管理，设备与人员管理，货物与装卸管理。

生成航行计划报，离港报，抵港报，生产作业报，运行状态报等报文。

接收船只报警中心接收到船载终端发出的报警后，在监控中心的显示屏上会立即弹出一个搜救管理框，并有声光提示，提示监控人员有船只求助。

如有多个报警同时发生，至少能开四个窗口，独立进行处理。

搜救管理框由报警船信息框、搜救框、附近船舶列表框、搜救信息发送框组成
报警船信息框显示报警船只的船位及船只航行数据，包括船舶识别号、船名、船舶位置、船长、船宽、总吨、净吨、载重吨、吃水、船舶种类、等。

其中，船舶位置除了显示经纬度以外，还设置有居中按钮，点击该按钮，画面自动切换到以报警船为中心。

确定搜救半径以报警船舶的经纬度为圆心，半径可以人工输入，也可以在屏幕上点取，半径缺省值为1 海里，半径单位可预设置为海里或公里。

系统能自动按设定的半径按距离的远近列出遇险船舶周围的船舶，只要点击，就可向这些船舶发送遇险信息，进行调度指挥。

移动监控
中心的通信服务器(server2) 与联入INTERNET互联网。

管理人员可以通过任何可以连接互联网的计算机( PC 或笔记本电脑)，使用不同权限帐户登入到监控管理中心服务器，获得监控系统的信息，随时随地掌握所辖船只的状态。

紧急信息在发往服务器报警同时发给专管人员。

系统权限管理系统分为系统操作员、系统维护员和系统管理员三种登录模式，不同的模式采用不同的用户名和口令。

系统启动后，首先弹出一个登录窗口，用户可以用以上的三种模式进行登录。

用系统操作员的用户名和口令登录，只能进入上述的监
控系统。

用系统维护员的用户名和口令登录，进入系统的维护模块。

用系统管理员的用户名和口令登录，能对系统操作员进行权限管理。

用系统操作员登录
用操作员的用户名和口令登录后，会接着跳出一个用户组登录窗口。

输入用户名和口令，就能进入监控系统。

由于用户属于不同的用户组，因此用户只能拥有赋予该用户组的权限。

系统操作员的权限由系统管理员决定。

用系统维护员登录
用维护员的用户名和口令登录后，可以进入系统的维护模块。

维护模块应包括以下的功能：启动系统，终止系统，重新启动任一船载终端，重新系统，备份整个系统以便未来重新安装之需，系统日志管理，测试整个系统的网络等。

另外，系统应具备远程诊断、维护和升级的能力。

用系统管理员登录
用系统管理员登录后，进入了操作员权限管理模块。

该模块具备下述的功
能：列出系统所有的功能，设置多个不同的用户组，每个组能赋予不同的系统功能，每个人都隶属于一个组，每个组可以有多个成员，通过赋予各个组不同的系统访问功能，实现对人员的权限控制。

系统对于不同的工作模式，激活相应的菜单。

通过对用户的分级管理，我们可以赋于不同的管理人员不同的权限，满足不同的管理需求。

达成目标采用船舶监控管理信息系统，可以达成以下精细管理目标：1、在船舶航行管理方面；可以即时了解船舶所处位置、航行速度及所在位置的水深数据。

可以追溯以往航行、水文情况，为当下或将来的运输生产提供参考信息。

可以依据其他船舶发回的航行、水文数据，调度、调节船舶营运节奏，提高船舶营运效率，提高公司经营效益。

2、在船舶运行油耗管理方面；可以即时了解船舶运行油耗，消除目前燃油核销弊端。

可以根据市场、区域油价情况，合理的安排供油地点、数量，以达到降低燃油购买单价，降低营运成本的目标。