鞏海方 姜書(shū)成

摘? 要：航標(biāo)遙測(cè)遙控系統(tǒng)是為實(shí)現(xiàn)航標(biāo)信息化管理而開(kāi)發(fā)的一套高性能、跨平臺(tái)、具有良好擴(kuò)展性的軟件系統(tǒng)，但隨著現(xiàn)代通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，系統(tǒng)綁定的通信卡遇到了無(wú)法辦理的問(wèn)題。本文就窄帶物聯(lián)網(wǎng)卡在航標(biāo)遙測(cè)遙控系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行探討，提出了提高航標(biāo)遙測(cè)遙控覆蓋率的途徑和方法。

關(guān)鍵詞：窄帶;遙測(cè)遙控;物聯(lián)網(wǎng);傳輸速率;監(jiān)控

1 窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及其優(yōu)勢(shì)

1.1 窄帶物聯(lián)網(wǎng)概念

窄帶物聯(lián)網(wǎng)是由3GPP（《第三代伙伴計(jì)劃協(xié)議》）標(biāo)準(zhǔn)化組織定義的一種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，是一種專(zhuān)為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的窄帶射頻技術(shù)。這種技術(shù)可應(yīng)用于GSM網(wǎng)絡(luò)和LTE網(wǎng)絡(luò)。2015年9月，國(guó)際電聯(lián)正式對(duì)外公布了物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，將LTE-M更名為NB-IOT（窄帶物聯(lián)網(wǎng)）。

1.2 窄帶物聯(lián)網(wǎng)優(yōu)勢(shì)

（1）海量連接

與傳統(tǒng)的2G/3G/4G相比，NB-IoT有50～100倍的上行容量提升，200kHz帶寬下單基站小區(qū)可支持5萬(wàn)用戶(hù)。因此，與現(xiàn)有無(wú)線技術(shù)相比，NB-IoT可以提升50～100倍的接入數(shù)，同時(shí)進(jìn)行了海量存儲(chǔ)和接入控制的優(yōu)化，適合海量接入的場(chǎng)景。

（2）深度覆蓋

NB-IoT無(wú)線技術(shù)提升了功率譜密度，NB-IoT比LTE提升20dB增益，即覆蓋能力提升100倍，很好地實(shí)現(xiàn)了廣域覆蓋，即使在地下車(chē)庫(kù)、地下室、地下管道等信號(hào)難以到達(dá)的地方也能覆蓋到。

（3）低功耗

NB-IoT節(jié)電技術(shù)DRX（Discontinuous Reception）和PSM（Power Saving Mode），通過(guò)減少不必要的信令和在PSM狀態(tài)時(shí)不接受尋呼信息來(lái)達(dá)到省電的目的，可讓設(shè)備時(shí)時(shí)在線，保障電池5年以上的使用壽命。

（4）低成本

NB-IoT核心網(wǎng)相對(duì)傳統(tǒng)EPC核心網(wǎng)增加了“小包數(shù)據(jù)控制面?zhèn)鬏攦?yōu)化、節(jié)電優(yōu)化（PSM、eDRX）”，信令流程簡(jiǎn)化、大幅降低消息交互，實(shí)現(xiàn)NB-IoT的低移動(dòng)性接入。低速率、低復(fù)雜度帶來(lái)的是低成本，NB-IoT芯片可以做得很小。芯片成本往往和芯片尺寸相關(guān)，尺寸越小，成本越低，NB-IoT在射頻上做了優(yōu)化，模塊的成本隨之變低。

2 航標(biāo)遙測(cè)遙控系統(tǒng)及其組成特點(diǎn)

2.1 航標(biāo)遙測(cè)系統(tǒng)組成特點(diǎn)

航標(biāo)運(yùn)行信息監(jiān)控系統(tǒng)（航標(biāo)遙測(cè)遙控系統(tǒng)）是為實(shí)現(xiàn)航標(biāo)信息化管理而開(kāi)發(fā)的一套高性能、跨平臺(tái)、具有良好擴(kuò)展性的軟件系統(tǒng)。它運(yùn)用現(xiàn)代數(shù)字通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合，將分散的航標(biāo)技術(shù)信息通過(guò)多種通信方式基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)集中起來(lái)，運(yùn)用相關(guān)的信息科學(xué)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，通過(guò)RIA（富互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用）技術(shù)將結(jié)果直觀全面的呈現(xiàn)給用戶(hù);通過(guò)高效簡(jiǎn)潔的用戶(hù)界面，用戶(hù)可以實(shí)時(shí)的監(jiān)控航標(biāo)終端的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)的發(fā)現(xiàn)和處理航標(biāo)終端運(yùn)行中出現(xiàn)的故障和問(wèn)題，提高了航標(biāo)管理效率，提升了航標(biāo)的可利用率。系統(tǒng)采取了基于Flex系列技術(shù)的數(shù)據(jù)交互架構(gòu)，可用于構(gòu)建具有豐富表現(xiàn)力的 Web應(yīng)用程序，運(yùn)行時(shí)跨瀏覽器、桌面和操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一致的部署。安裝于燈浮標(biāo)上的遙測(cè)遙控終端采集燈浮標(biāo)工作參數(shù)后，通過(guò)通信網(wǎng)將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳送到航標(biāo)管理中心，配套的軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，實(shí)現(xiàn)燈浮標(biāo)實(shí)時(shí)監(jiān)控和故障報(bào)警、回放、存儲(chǔ)等功能。

2017年，北海航海保障中心對(duì)轄區(qū)各處遙測(cè)遙控系統(tǒng)進(jìn)行了升級(jí)改造，航標(biāo)遙測(cè)遙控系統(tǒng)升級(jí)完成后，解決了遙測(cè)遙控系統(tǒng)與基礎(chǔ)信息庫(kù)航標(biāo)信息實(shí)時(shí)同步、關(guān)聯(lián)綁定、終端燈器調(diào)試及優(yōu)化等問(wèn)題，目前已完成海區(qū)、天津、秦皇島、大連、營(yíng)口、煙臺(tái)轄區(qū)遙測(cè)遙控系統(tǒng)升級(jí)改造工作，共有1 108座航標(biāo)實(shí)現(xiàn)遙測(cè)遙控。升級(jí)前遙測(cè)遙控系統(tǒng)中只包含數(shù)據(jù)庫(kù)中的一部分信息，升級(jí)后則完全同步，數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息在遙測(cè)遙控系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)全覆蓋，從而實(shí)現(xiàn)類(lèi)別統(tǒng)計(jì)、遙測(cè)遙控率統(tǒng)計(jì)、報(bào)表統(tǒng)計(jì)等新功能。升級(jí)后的系統(tǒng)性能穩(wěn)定，功能完善，操作方便，失常航標(biāo)信息準(zhǔn)確，為監(jiān)控航標(biāo)運(yùn)行狀態(tài)提供了更易用、更可靠的管理平臺(tái)，克服了因信息交互不及時(shí)導(dǎo)致的航標(biāo)恢復(fù)滯后問(wèn)題。

2.2 系統(tǒng)終端存在的問(wèn)題及解決辦法

對(duì)于航標(biāo)而言，其大多布設(shè)在開(kāi)闊水域，其供電方式大多采用太陽(yáng)能板加鋰電池的形式，其中鋰電池的生產(chǎn)和廢棄都會(huì)造成一定程度的污染，所以在滿(mǎn)足實(shí)際需求的前提下盡量降低負(fù)載功耗是降低環(huán)境污染的一個(gè)重要途徑。航標(biāo)消耗電能主要由照明和數(shù)據(jù)通信組成，就數(shù)據(jù)通信而言，傳統(tǒng)航標(biāo)大多依靠2G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，根據(jù)浙江移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室測(cè)試報(bào)告，通過(guò)對(duì)選取的3家物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）模組與2G（GPRS）模組進(jìn)行各工作狀態(tài)下的耗電分析，可以得出NB-IoT在低功耗上具有明顯優(yōu)勢(shì)，無(wú)論是聯(lián)網(wǎng)峰值電流還是PSM休眠模式，功耗都要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)2G模組。所以從節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境的基本國(guó)策出發(fā)，有必要對(duì)航標(biāo)遙測(cè)遙控終端的通信方式進(jìn)行升級(jí)改造。

2018年1月，北海航海保障中心基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）技術(shù)的智能航標(biāo)終端研發(fā)測(cè)試成功，開(kāi)始正式商用。利用NB-IoT技術(shù)結(jié)合傳感器，通過(guò)采集航標(biāo)電壓、電流、經(jīng)緯度，溫濕度，電池狀態(tài)等動(dòng)態(tài)信息實(shí)現(xiàn)針對(duì)航標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)回傳至航標(biāo)管理平臺(tái)和手機(jī)APP，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析后實(shí)現(xiàn)航標(biāo)狀態(tài)告警、位置偏移等報(bào)警功能。利用NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)深度覆蓋、低延遲、低功耗、支持海量連接、穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)，將有效解決現(xiàn)有2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)在航道縱深較長(zhǎng)時(shí)信號(hào)覆蓋弱、長(zhǎng)延遲、通信不穩(wěn)定等問(wèn)題，增加航標(biāo)終端數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性，大幅提高航標(biāo)終端的適用性和分布范圍?；贜B-IoT物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的新型航標(biāo)燈器，是NB-IoT技術(shù)在航標(biāo)設(shè)備領(lǐng)域的首次應(yīng)用，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，NB-IoT智能航標(biāo)終端的應(yīng)用，讓用戶(hù)真正體驗(yàn)到物聯(lián)網(wǎng)的絕佳應(yīng)用場(chǎng)景，也必將成為未來(lái)航標(biāo)終端發(fā)展趨勢(shì)。

3 具體的技術(shù)方案

由于此次遙測(cè)遙控終端升級(jí)涉及范圍較大且投入成本較多，為保證遙測(cè)遙控終端升級(jí)的順利實(shí)施，設(shè)置幾組終端進(jìn)行試驗(yàn)。以天津港海域?yàn)槔?，此次試?yàn)的終端通信技術(shù)采用的為支持中國(guó)電信的NB-IoT技術(shù)，圖1、圖2為天津港南錨地沉船浮標(biāo)和新港12號(hào)燈浮標(biāo)位置和通信情況。

由于航標(biāo)不但涉及海上安全也會(huì)涉及運(yùn)營(yíng)費(fèi)用，同時(shí)還涉及運(yùn)營(yíng)商信號(hào)是否穩(wěn)定，所以前期通過(guò)與天津地區(qū)中國(guó)移動(dòng)協(xié)商，由中國(guó)移動(dòng)提供NB-IoT通信測(cè)試設(shè)備，在天津航標(biāo)處對(duì)航標(biāo)進(jìn)行巡檢的過(guò)程中進(jìn)行移動(dòng)NB-IoT信號(hào)測(cè)試。2018年2月6日，對(duì)天津港主航道和大沽沙航道其信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)天津港主航道利用“海巡15020”輪進(jìn)行測(cè)試，“海巡15020”輪行駛的軌跡在11：30—12：30時(shí)間段，沒(méi)有數(shù)據(jù)傳送到平臺(tái)，其余時(shí)間段船行駛路線信號(hào)均沒(méi)有問(wèn)題，此處海域據(jù)天津港陸地最近約28 km，距離曹妃甸最近約18 km;對(duì)于大沽沙航道利用“海巡15002”輪進(jìn)行測(cè)試，“海巡15002”輪行駛的軌跡一直都有數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡脚_(tái)，但信號(hào)傳輸中有一段（11：20-11：25）比較弱，此處海域距陸地較遠(yuǎn)約25 km，其余時(shí)間段船行駛路線信號(hào)均沒(méi)有問(wèn)題。

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