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船舶联网与定位解决方案

 

一、需求概述

无论是内河,还是沿海,有大量船舶应用于各行各业。包括但不限于:渡船、游船、渔船、运输船(集装箱运输船、散货运输船、油轮等)、辅助作业船(工程船、拖船等)、特种作业船(救援船、勘探船、科考船、医院船、气象船、测量船、化学品船等)……,这些船舶的科学管理面临着很多难题。涉及到船舶管理的单位也很多,包括海事、航道、渔政、水上公安、海关缉私、海警等,另外还有众多涉船企业,大家对“智慧水运”、“智慧船舶”系统的需求不一样,各有各的侧重点,但重要的两个焦点环节就是船舶的联网和定位问题。联网是解决目标船只的网络互联问题,这是数字化、智能化的基础;定位是解决船只管控的关键,如果船只在哪里都搞不清,何谈科学管理?本文以海事和渔政单位为例,来探讨如何解决游船、渡轮及渔船管理中联网和定位的问题。

由于船舶航行的危险性和特殊性,与之相伴的事故频见报端,船舶的安全运营考验着管理者的管理水平,建设实时可视的航行监控指挥调度系统势在必行。海事和航道机关一般会要求渡船\游轮公司在船上安装具有高清监控系统,可全天候、实时监控渡口秩序及渡船航行情况,记录装载人员及车辆的情况,以防止渡船超载,也为水上应急救援、事故调查处理提供第一手资料。另外,轮船的位置需要实时掌控,航行安全才有保障。视频监控比较容易解决,安装摄像机即可,但是船只的联网和定位如何实现?

渔政管理渔船最难的是禁渔期管理──禁渔对于渔业资源的恢复和可持续发展有重要意义,禁渔的难题就是如何管理大大小小的渔船。渔船有合法的,也有非法的,数量众多。但如果每艘船都有实时的定位信息和视频接入,渔船的管理就不再是问题。渔船的科学管理,联网是基础,定位是关键,视频是补充。

由以上分析可知,船舶管理虽各有不同,但联网和定位可以说是所有船舶管理系统的核心问题,新竹科技推出本方案就是解决这两个问题。

船只管理的业务需求,包括但不限于:

1)、高清视频监控:在船只上安装IP网络摄像机,将实时图像传输回指挥调度中心,并进行存储。辅助调度人员监控船只安全,为管理提供一手资讯,保证航行安全。

2)、北斗定位导航系统:实时获得渡船的北斗经纬度定位信息,提高调度的科学性,保障渡船航行安全。

其他的业务系统,诸如IP电话、IP广播、语音对讲、会议电视等,也同样都离不开网络的支持,所以我们首先探讨船舶的联网解决方案。

二、船舶网络互联系统设计

船舶联网需要根据不同的需求情况和资源,选择不同的解决方案。但是,鉴于船舶是移动的,使用无线网络通信技术是必然的。无线网络技术包括无线局域网WLAN、无线城域网WMAN和无线广域网WWAN,各有优势和局限,很难有标准化的方案,只有量体裁衣才是最合适的。本方案列举两种情况,为用户提供两种最常见的解决方案。

2.1、无线广域网WWAN公网解决方案

无线广域网WWAN公网就是借助电信运营商的“公网”资源(目前最常见的就是4G\5G网络),通过接入Internet互联网实现网络互联。必须要注意的是,此种方式必须要结合硬件VPN和私有云才能保证系统安全,而且真正担心泄密的系统不能采用这种方式。

 

船只联网采用无线广域网WWAN方案只要在船只上安装支持运营商的4G\5G网关即可,方便而快捷,且初次投入成本较低。典型船只无线广域网联网的应用组网示意图如下:

 

说明:只要能实现网络互联,绝大多数IT系统(数据、视频、语音和多媒体信息)都可以在其上运行,满足用户多种信息化和智能化需求。公有云、私有云或者混合云方式都是可用的,多种联网方式(4G\5G、家用宽带、数据专线和无线专网等)可以有机融合,实现异地远程互联。

公网不做安全防范,系统形同“裸奔”,不但安全性无法保证,在黑客攻击、病毒肆虐的互联网上,系统瘫痪、数据丢失会严重影响系统可靠性和可用性,所以,无线广域网方案必须采用VPN(虚拟专用网)技术来提高其安全性。以某渔政部门渔船管理需求为例,结合“硬件VPN”和“私有云互联”实现安全性和可靠性较高的无线广域网WWAN方案,其组网拓扑结构示意图如下:

说明:采用新竹科技4G双模无线网关来解决广域网Internet互联,不但接入方式多样,而且因为强大的VPN运用使其更加安全可靠。并且,该系统可实现点对多点甚至多点对多点的iMAX无线专网组建,即船舶间联网可以直接通过iMAX无线互联,而不需要借助其他网络,可以延伸4G\5G网络接入的有效性。

新竹科技iMAX-4GW300系列4G城域网双模无线网关系统就是解决云计算边缘节点接入云端的利器。iMAX-4GW300同时支持iMAX无线城域网技术与4G LTE技术,并提供多个以太网接口,可作为多网融合网关使用。无线通信方面,它不但可以利用无线专网技术获得高带宽、高可靠性、高容量,又支持电信运营商公网的4G LTE网络接入,更加灵活地为用户提供最优无线联网解决方案。

采用无线广域网WWAN方案好处是低成本和广覆盖,但它有以下几点应用局限需要明确:

1)、接入局限:借助运营商手机通信平台传输数据,受基站建设限制,一些野外、乡村偏远通信质量和可靠性无法保证,而某些区域可能正是船舶管理信息化最为关注的区域。

2)、带宽局限:河道要通过实时大容量的IP高清图像来监控,在一个区域内同时并发大量视频流,电信运营商的4G\5G无论带宽还是可靠性都无法满足此种需求。

3)、费用高企:视频监控的流量是很大的,特别是高清视频,仅一路1080P高清视频监控一个月流量达2000GB以上(2000G流量包,即使按照目前最优惠的流量包3/G标准算,也要6000/月),视频路数多,那费用更是不可承受的。如果采用4G\5G系统,那么使用过程中会不断产生的高昂的流量费,按照流量包计费的方式导致费用成为不可承受之重,不具备全天候连续使用的可能。

除了终端流量费,还有“云”费用要考虑,即:视频传输到Internet后,需要云平台中转才能实现互访。如果采用第三方的“公有云”平台实现视频转接,还要租用高昂的云平台和专线VPN等费用,代价太高。最经济的方式是向电信运营商租用具有固定IP地址的Internet互联网专线回到监控中心,配合一次性采购的VPN网关设备,其整体成本会大幅下降。

4)、安全问题:使用4G\5G接入,需要通过Internet互联网云平台中继,而互联网是所有人都可以使用的“公网”,会面临黑客攻击、病毒感染等网络安全风险,只有用户具备专业的安全团队才有可能保证安全,这对于大多数行业用户都是不现实的。所以,真正涉密的网络必须是与互联网“物理隔离”的,只有密级要求不是很高、不涉及远程控制的系统才会使用这种方案,且一般都会利用“硬件VPN+私有云交换”这种方式来提高系统安全性,以保证系统可靠性和安全性。

如果因为以上几点局限,导致船舶管理遇到难题,可以选择无线城域网的方案。

2.2、无线城域网WMAN专网解决方案

无线城域网WMAN专网就是所谓的“无线自组网”,即监管机构在某特定的目标区域内(例如:一条100km的航道或者一个100平方公里的海域)建设一张专网,通过自建专网的方式,实时专网专用。

既然是自建网络,从船舶终端到基站,基站到监控指挥中心就需要整体规划设计。下面,以某海事机关船舶管理机关船舶管理系统建设为例,探讨如何进行方案设计。

1)、骨干网设计

海事机关到渡口、码头的联网,我们称之为“骨干网”,因为需要大带宽、高容量,目前主要有以下几种方案可供选择:

l  自建光缆:自建光缆需要挖沟埋管安装或者立杆架设,成本非常高,并且,在很多地方由于市政管理等限制,已经很难实行。

l  租用专线:电信运营商有光缆资源,用户可以向运营商租用固定带宽的数据专线,这里指点到点网络专线。这种方式好处是无需自建光缆,问题是后期有较高的使用成本。专线租用成本,根据通信距离、跨区域、带宽及资源情况而不同,但通常租金不菲,以城市内部100M数据专线为例,通常是2-3//条。如果有很多码头、渡口要联网,全部采用这种方式长时间使用,后期每年都会有几十万甚至几百万链路租金,对于用户来说是不可承受的。

l  无线专网:采用iMAX无线骨干网专网系统,综合设计实现超远距离的骨干网互联,是典型的无线专网方案。这种方案属于一次性投资,没有后期租金,可以结合自建光缆、租用专线方式,部分替代光缆线路,达到大幅节省租金成本的目的。在可靠性方面,iMAX无线城域网系统支持“热备”、“环网”等城域网技术,可以大幅提高系统的可靠性,足以媲美“光纤环网”。在安全性方面,iMAX无线城域网系统,不但采用私有协议,还支持无线分组、数据加密、VPNVLAN及防火墙等多种安全技术,能够满足所有行业用户的安全需求。

典型高可靠性iMAX无线城域网骨干网典型组网如下:

典型的iMAX无线城域网环网组网示意图如下:

2)、接入网设计

海事机关下辖的渡口、码头与船舶间联网、船舶与船舶之间的联网,我们称之为“接入网”,iMAX无线城域网系统中iMAX-8000SiMAX-8000HiMAX-8000M等都是用于边缘无线接入网组建的。iMAX-8000基站单元BS需要建设在渡口、码头、海事下属的趸船或航线高点等位置,覆盖一段水面。船只上安装了iMAX-8000客户单元CPE,在基站的覆盖半径内可随时按需到基站,再通过骨干网实现与指挥中心的互联。

只要能通过iMAX无线专网解决了船只的网络到渡口、码头或海事下属的趸船等联网问题,船只上的各种IT业务只要支持TCP/IP网络通信,就都可以运行起来。

典型海事船舶管理系统无线城域网组网拓扑示意图如下:

说明:海事管理的船舶类型众多,无论大小都可以安装iMAX无线城域网系统。船到船之间,船到岸上基站,基站到基站全都可以采用iMAX无线专网通信来解决联网问题。船只到基站的通信距离可达几公里、十几公里甚至更远,基站单元BS设备虽然名称叫“基站”,并非铁塔等基础设施,体积小、重量轻、耗电少,所以架设成本很低。

另注:如果船到基站的通信距离非常远,达到几十海里级别,且船只数量不多,可以考虑采用新竹科技MobileBridge无线MESH动中通系统,该系统典型工作频率1.4GHz,可以满足更远的通信距离。

iMAX无线通信系统是“专网”通信系统,无需借助典型运营商设施即可独立组网。其设计的目标就是构建无线城市,或者解决室外环境超远距离网络互联,并且各系列通信距离都非常远。iMAX无线通信系统支持VLAN、桥接、路由、防火墙等城域网组网的技术,并且可以与光纤网络完美融合。其中,作为组网骨干网的有iMAX-6000iMAX-9000系列,作为边缘接入网的有iMAX-8000SiMAX-8000H等系列。

l 通信距离:可视条件下,即使是最小型集成天线的iMAX 5G专用通信系统,并且在点对多点模式下,iMAX-8000系列产品也可以轻松实现半径10公里的覆盖需求;点对点模式,最远可达100公里,非常适合海岛、高山和荒漠地区超远距离通信联网使用。

l 传输带宽:iMAX-8000H600Mbps点对多点通信系统,iMAX-8000S100Mbps点对多点通信系统。

l 多业务特性:iMAX无线城域网系统可以与城域骨干网络融合设计,并且完全支持数据、视频和语音等多种媒体信息混合传输,丰富的网络特性RSTPVLANVPNQoS、软件防火墙、动态路由协议等,保证了用户不同业务的“多网合一”。其宽频和高带宽保证了它承载高带宽业务尤其是视频业务(安防监控、会议电视等)的能力。

l 移动性支持:iMAX-8000系列产品都具备良好的移动性,甚至可以用于移动速率高于120km的动中通网络系统。

iMAX无线城域网系统好处是专网专用,可靠安全实用,一次性投资并且没有后续的租金等费用,但它也有一定的局限性,主要体现在:对视距有一定要求,有明显遮挡的地方信号无法通过,相较4G\5G系统初次投资来说,其成本也较高。所以,iMAX无线城域网解决方案必须要量体裁衣式进行方案设计,甚至需要实地勘察、电测,还要有丰富项目经验才行。

需要再次强调指出的是:无论是无线广域网WWAN,还是无线城域网WMAN方案都难以简单拷贝,都需要了解需求后定制设计,新竹科技众多的项目经验和技术积累都是项目成功的有力保证。

 

三、船舶定位导航系统设计

船舶实时定位是船舶管理的核心问题之一,在联网已解决的基础上,再解决了实时定位和视频,船舶状态就很好的掌控了。视频监控技术非常成熟,也很容易部署,定位则有多种方案可以解决。

3.1、船舶定位方案技术对比

针对船舶的定位管理,常见有如下两种方案可以选择:

1)、北斗定位:北斗是中国自主的全球卫星定位导航系统,不但可以实时获得移动船只的导航信息,还可以实现短报文通信。安装了北斗终端,可以独立组网组成定位网络。但因为卫星上行链路资源有限,要通过北斗来转发报文的终端设备不但造价较高,还需要北斗运营商来提供线路和接口,后期要长期缴纳较高的短报文费用(参考价格:每年1800元以上)。另外,采用短报文刷新位置延迟也较大,不能实时,也是一个用户不满意的问题。

北斗定位和导航信息是免费的,所以现在很多船舶或车辆管理系统,普遍采用北斗定位导航,但定位信息数据通过电信运营商的4G\5G网络上传互联网。这种方式规避了终端昂贵,以及短报文服务的费用和时延问题,但此种技术平台通常是部署在Internet互联网上的公有平台,有泄密风险和遭攻击隐患,并不合适海事、渔政等政府机关专网使用。

新竹科技根据船只车辆专网管理需求,推出了一款IP北斗定位终端IPGNSS632,该产品满足了IP专网定位需求,实时提供经纬度、海拔及时钟数据,通过以太网进行传输。

采用IPGNSS632来进行定位导航,产品是一次性购买,获取定位信息是免费的,后续没有北斗运营平台的费用,只要网络可达,经纬度等信息就可以实时刷新。这款设备可以结合新竹科技iMAX无线城域网系统部署,也可以结合新竹科技4G双模无线网关部署,为船舶定位提供了低成本的解决方案。

2)、AIS定位:

AIS是船舶自动识别系统(Automatic Identification System)的简称,由岸基(基站)设施和船载设备共同组成,是一种新型的集网络技术、现代通讯技术、计算机技术、电子信息显示技术为一体的数字助航系统和设备。它是国际通行的船舶定位识别有效工具,并有专门的无线电工作频段(156.025MHz162.025MHz)。

AIS属于国际海事专用系统,造价较高。一般说来,国际航线300总吨及以上所有船舶在船舶建造时必须安装AIS,内河航行的船舶特别是小型船常常是没有安装相关系统的。另外,海事、渔政部门要利用AIS系统,必须自建AIS接收基站才能部署相关系统,基站的联网和供电也需要投入,这也为这种技术的普及增加了难度。

上述两种技术实现船舶定位各有优缺点,北斗定位建设成本较低,AIS成本较高;北斗定位信息较单一,AIS信息更丰富。但都属于前端的定位信息采集方案,如何能将定位信息与船舶信息联动?如何建立自己的数据库和信息呈现检索系统?两种技术有一个共同点,就是必须根据自己的实际需求定制自己的软件平台,把海图作为背景,甚至还要与船上的视频监控信息融合,对船舶进行有效的管理。简言之,都需要定制开发软件,新竹可为用户推荐合适的软件供应商。

 

  在解决了IP联网基础上,实现了船舶的定位,再接入船舶实时高清视频,船舶的管理才算真正满足现代科学化管理的需求,这是船舶管理的大势所趋。无论是海事、航道、海关、海警等政府机关,还是涉船企业(海上石油、海上风电、水产养殖、旅游邮轮、轮渡等),未来都会在“智慧船舶管理”上持续发力,而联网与定位作为智慧的基础,新竹科技可以为用户提供有力的技术支撑。

总之,新竹科技以多年来同类项目的经验为基础,可以为用户量身定制最合适的系统设计,提供最合适的产品和技术支持,欢迎来电垂询!