长江航道物联网构建方案初步研究

    林海

    

    

    

    摘 要：为提升“数字航道”通信网络的稳定性，提出长江航道物联网的构建初步方案。分析了当前存在的问题，以航标、水位站为载体，安装无线接入点和无线客户端设备，形成网络节点，组建航道物联网网络层。对长江下游航道航标间距和离岸距离进行了统计分析，满足无线传输的距离要求。最后，给出了航道物联网的逻辑结构图，以保障“数字航道”通信链路的畅通和稳定。

    关键词：数字航道 物联网 网络结构

    现状分析

    “十二五”期间，我国将继续充分发挥长江三角洲内河航运优势，以高等级航道网和主要内河港口为基础，连接沿海主要港口和货源地，建设现代化的水运交通管理和服务体系。为保障船舶及货物的安全、可靠、高效运输，就必须建立全方位覆盖、全天候运行、具备快速反应能力的航道保障体系，在航标、桥梁等航道要素识别和管理中引入遥测遥控终端以及各种传感器，为构建航道物联网的感知层奠定基础。

    近期，交通运输部、长江航务、长江航道等管理部门明确提出要加快科技进步，努力实现我国内河航运事业的新跨越，提高航道建设的现代化、信息化水平，保障长江航运畅通、高效、平安。在内河航道管理和服务模式上必须坚持科技创新，使长江航道标准化、网络化、智能化，才能促进内河航运业的改革和发展。

    内河航道物联网的概念

    国际电信联盟（ITU）发布的ITU互联网报告，对物联网做了如下定义：通过二维码识读设备、射频识别（RFID）装置、红外感应器、全球定位系统和激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

    物联网通过智能感知、识别技术与普适计算、泛在网络的融合应用，被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。物联网架构可分为三层：感知层、网络层和应用层。

    航道感知层由各种传感器构成。在航道维护和管理中除了使用航标RTU、水位RTU、视频传感器外，还可应用流速、流量传感器结合水深信息进行水情变化分析，准确掌握汛期和枯水期的航道信息，为船舶航行安全提供支持；对桥梁和桥墩采用光纤应力传感器来感受桥梁结构的变化、桥墩被冲刷和侵蚀程度等；对航道雾情和气象信息的采集使用雾情传感器、气象传感器来测量风速、风向、液态降水、气压、温度、以及相对湿度等信息；航道的船舶流量、载重信息也可通过架设在河岸或埋设在航道的传感器进行采集；还有一种传感器（通过探地雷达迅速测量水深和淤积层厚度）能探测河道淤积情况，一旦超标，就会发出警报，通知航道部门及时清淤，并为河床演变分析提供数据。此外，采用一些海洋传感器可以探测水质污染和变化情况。

    网络层由各种网络，包括互联网、广电网、网络管理系统和云计算平台等组成，是整个物联网的中枢，负责传递和处理感知层获取的信息。在“数字航道”的基础上，针对内河航道的特点，构建航道物联网网络层是本文的研究重点。

    应用层是物联网和用户的接口，它与航道维护、管理的实际需求相结合，实现数字航道的智能应用。

    当前“数字航道”网络存在的主要问题

    1、遥测遥控终端与中心的通讯问题

    目前南京航道局的遥测遥控系统（处系统）与航标RTU、水位RTU的通讯借助于移动通讯公网GPRS/SMS，如果数据和指令的传输在无信号或信号弱的河段中，就会出现了监控“盲区”；此外，如果RTU的SIM卡欠费，也会造成通讯中断，所以RTU通讯的稳定性和可靠性得不到保障。

    2、船端系统访问中心数据库的问题

    目前，南京航道局数字航道工程建设的系统为三级管理运行模式，分为局系统、处系统和船端系统。航标工作船的船端“航标遥测遥控系统”通过APV网络访问处航标动态数据库，获取航标RTU的动态信息。受GPRS带宽限制和某些区域信号弱的影响，访问速度非常缓慢。在整个三级管理模式中，船系统作为生产第一线的应用受到了限制。

    长江南京以下依托南浏段数字航道工程共建设了19个水位遥测遥控站，每个水位站通过RTU每隔5分钟向中心数据库发送1次水位信息，工作船和测量船通过APN网络从中心数据库获取水位信息，和获取航标动态一样，因受网速和带宽的限制，船端很难获得及时水位信息，这对航道测量和维护造成了不便。

    为解决上述问题，在长江航道建立不依赖任何通信公网，没有地域限制、没有通讯费的稳定无线传输网络是非常必要而且具有实际意义的。

    解决方案

    与通常的网络线缆（铜缆和光纤）相比，无线传输技术使用的是无线电波。一般情况下，根据应用的不同，按照传输距离的大小通常采用的无线网络有蓝牙、WIFI、GSM和GPRS/3G等。但这些网络都不适合内河航道严酷的自然环境和安装条件。针对航道环境条件以及安装条件的特殊性，采用工业移动通讯技术来组建内河航道物联网。

    工业移动通讯技术在航道中应用的重要原因是符合工业领域用户的要求，尤其是对确定性响应有较高要求的用户。目前工业无线移动通讯产品的主要优点在于其无线通道的可靠性、防水设计（IP65）和机械耐用性；其次是这种无线解决方案以无线客户端和无线接入点设备作为网络节点，可以灵活方便地利用节点进行跳传，极大地提高了网络覆盖范围和传输距离。

    1、节点模块

    1.1无线客户端（Client）

    利用航道里分布有航标和水位站的天然条件，是用来安装在航标RTU、水位RTU及其他航道传感器上的网络控制器，通过它将RTU等设备接入到无线接入点覆盖的无线网络中，达到移动设备通讯联网的目的。

    1.2无线接入点（AP-Access Point）

    无线接入点设备用来辐射一个无线信号区域，其功能就象一个无线的基站一样，用于无线客户端的接入。目前适合航道应用的无线接入点设备可采用基于国际标准IEEE802.11，运行频率为2.4GHz和5GHz，其数据传输速率最高达54Mbit/s（可稳定传输视频信号）。在物理连接上它像红外线一样是无线连接的，但要比红外射线在作数据传输上有更好的表现，它对有些障碍物具有一定的穿透性，在一个规则的物理空间内具有很好的反射效果，这样可以实现非直视数据传输，可靠性可以在一定程度上得以提高。

    目前的AP无线信号的覆盖范围最大为3～4公里，AP与AP之间采用跳传技术进行联网，这样就增大了网络覆盖范围和传输距离。

    2、航标间距的统计分析

    对南京航道局的上海、扬中、镇江和南京四个航道处的航标进行勘察，测量相邻航标间距和航标最远离岸距离进行统计分析，随机抽样26组航标数据如下表1、表2、表3、表4：

    表1

    表2

    表3

    表4

    对上述抽样数据进行统计，得到南浏段航标间距和离岸距离的平均值如下表5所示：

    表5

    上述测量数据显示，相邻航标距离中有一组数据镇江处口岸直水道#81黑浮至#82黑浮距离达到3.06公里米，但其它所有数据值都在2公里左右；上海处#24黑浮离岸距离为2.8公里是所测数据中航标最远离岸距离的最大值，其他航标最远离岸距离在1公里之内。

    AP无线信号的覆盖范围最大为3～4公里，从上述航标间距和离岸距离的统计分析可以看出，以航标（包括水位站和岸边建筑物作为辅助）作为载体，安装AP和Client设备作为网络节点是可行的。

    3、网络架构

    目前南京航道局上海、扬中、镇江和南京四个航道处共分布约900多个航标RTU和19个水位RTU。根据航道的具体地理环境以及航标（浮标和陆标）、水位站和岸上建筑物的分布情况，在这些航道信息采集节点上安装无线网络客户端Client和无线网络接入点AP组成无线通讯网络（如下图1）。中间节点安装网络接入点AP，完成网络的跳传和中继功能。航道中的网络链路由接入点AP汇聚到趸船或航道站的交换机上，最终接入长江数传专网。

    图1 航道物联网网络结构示意图

    结束语

    在数字航道工程的基本网络架构上，提出了一种全新的通讯模式和网络结构，希望从根本上解决数字航道通讯稳定性和可靠性问题。通过建立这种不依赖移动通讯公网、自主、独立的通信网络，确保航标RTU、水位RTU以及“船端系统”到数据中心的通讯链路的畅通，保障数字航道系统的稳定运行。航道物联网的构建将为数字航道开辟一种新的网络模式，如果未来能将长江数传专网、AIS基站链和航道物联网三网融合，将会开创数字航道全新的通讯模式。

    （作者单位：长江南京航道局）