海上遇险搜救综合通信系统的设计与实现

贺丽阳,陈永剑,马晓峰,曾 晖,李 伟,刘 凯

(1.北京航空航天大学电子信息工程学院,北京 100191;2.中交水运规划设计院有限公司,北京 100088;3.中华人民共和国海事局,北京 100736)

1 引 言

全球海上遇险与安全系统(Global Maritime Distress and Safety System,GMDSS)自1999年2月1日正式实施以来,在遇险报警、现场通信、搜救协调通信、紧急与安全通信等诸多方面起到了重要作用。为了配合GMDSS的实施,1991年国家计委拨专项经费用于建设中国海上遇险和安全系统工程,涉及国际海事卫星通信系统(INMARSAT)、低极轨道搜救卫星(COSPASSARSAT)报警测位系统、地面无线电通信系统、陆上搜救协调通信网、奈伏泰斯(NAVTEX)系统和船舶报告系统[1]。目前,我国已经建设完成海上遇险和安全通信系统,以及沟通中国海上搜救协调中心(MRCC)和各直属局海上搜救分中心(MRSC)的海事信息主干网,包括船舶管理系统、船员管理系统、船载客货系统、通航管理系统、船舶交通管理系统(VTS)、船舶自动识别系统(AIS)、船舶报告系统等与海事应急搜救指挥相关的信息系统[2]。因此,我国海上搜救应急反应及处理能力有了很大程度的提高并取得了显著的成效。

不过,在上述系统中,现有各种地面通信设备的兼容性较低,难以统一协调、综合使用,操作人员往往只熟练使用其中某个设备,缺少协调操控整个系统的综合素质,从而影响了海上事故应急反应的整体效率。针对这个问题,文献[3]提出了协调性通信的思想,对GMDSS地面系统模拟器的研发具有借鉴意义。在文献[4]中,作者提出了船舶信息综合系统的设想,该系统以在船上设一台服务器为核心,把船上所有信息存储在服务器中,其中既包括现有的船舶各种自动化装置运行中的实时数据,这些数据经过一定的处理后存入服务器中。同时把船舶日常管理所需要的各种数据也以数据库的格式存入服务器,实现两种不同数据集成,从而使船舶实现高度信息化,为船舶发展提出了新的目标——信息集成与综合。文献[5]设计了一种基于信息融合技术的航运智能运输系统(MITS),采用智能信息融合技术,对各系统的数据进行智能处理,提供智能决策支持,以提高运输效率、保障航运安全。为了进一步解决这个问题,通过程控交换机的有线接口与公用电话网进行连接,实现有线报警电话的接入。通过无线电台适配器的无线接口与无线电台的手柄连接实现无线转有线,再通过无线电台适配器的有线接口与程控交换机的有线接口连接,最终实现无线系统接入至有线系统。座席系统综合各种数据和语音信息,将原先分散的各种端站、语音电话集成到统一的接入平台上,通过数据、语音、视频控制一体化的操作座席,为指挥人员提供专业、便捷的值班和应急指挥手段。

本文其余部分的安排如下:第2部分给出了海上遇险搜救综合通信系统的设计方案;第3部分对其主要部分进行了具体设计实现;第4部分给出了系统测试结果;第5部分总结了全文。

2 海上遇险搜救综合通信系统

2.1 系统结构

目前,各搜救中心使用的通信设备包括有线通信设备、无线通信设备和视频通信设备。其中,有线通信设备包括12395专线、110专线、抗震救灾专线、传真专线、海事卫星电话专线、电传机专线,以及海事局办公电话等。用户单位利用现有有线通信设备实现专线电话报警受理、电传收发、办公电话通信等。无线通信设备包括MF/HF/VHF电台及DSC、SSB/800M/110电台等。MF/HF/VHF电台作为主要的无线通信设备,用户单位利用现有DSC对MF/HF/VHF电台进行选台选频、收发音量调节操作,实现调度值班员对VHF16频道报警话音的监听及临时通话、与遇险船只的无线通话、接收NAVTEX航情报文、查看DSC遇险报文等。此外,用户单位有时会利用SSB/800M/110电台进行选定频道的无线通话。视频通信设备包括CCTV闭路电视监控系统、无线视频传输系统。用户单位通过现有的CCTV闭路电视监控系统进行港口、码头等现场视频监控,通过综合无线视频传输系统和CCTV闭路电视监控系统,实现遇险船只现场图像监控。

图1所示为本文设计的海上遇险搜救综合通信系统,它综合了GMDSS中海事卫星、甚高频(VHF)电台、数选值班台(DSC)、NAVTEX、窄带直接印字电报(NBDP)等设备,既可以实现12395专线、搜救值班电话、其他普通电话、传真等有线通信手段的接入,又实现了中频/高频/(MF/HF)、VHF等无线通信手段的接入,并可以完成DSC报文、NBDP报文和NAVTEX报文的接收和解析以及各类语音通信的实时自动录音,提供录音查询、调用,从而实现了海上应急搜救工作的统一调度和指挥。在该通信系统中,用户单位现有的有线、无线通信设备均由H20-20交换机提供综合接入接口;由调度台提供多种调度界面,包括语音接警及指挥调度、报文电传调度、传真调度、视频浏览控制等;由传真/录音/报文电传服务器提供传真服务、录音服务,以及传真、录音、报文电传的数据暂存管理。由第三方应用软件发起语音报警、DSC遇险报文、传真报警的警情关联申请,由传真/录音/报文电传服务器向第三方应用软件提供相关的数据访问服务。

图1 海上遇险搜救综合通信系统Fig.1 Integrated communication system for maritime distress and safety

2.2 通信设备和操作终端适配接入

目前通用的适配接入方案是通过一套综合业务平台将不同通信系统进行集成连接,综合业务平台通过有线接口连接有线报警电话,通过无线接口连接无线报警电台。这种方案连接有线报警电话不存在问题,但连接无线电台时会出现电台接口与综合业务平台接口不匹配的问题,主要原因是用户的现有电台存在产品型号、接口类型的差异。另一方面,为了满足日常值班的需要,在值班员桌面上通常摆放着多部12395电话机、传真机、110电话机、VHF电台、渔业电台等多种类型的终端,多种复杂终端给值班员的操作带来了较大的不便,直接影响到值班员的接触警效率。如何将值班员桌面上的各类终端融合到集成化的值班座席,并实现一键式操作是整个应急通信融合接入、统一指挥调度的综合体现。

如图2所示,本文采用程控交换机和无线电台适配器的方案,对有线报警电话和无线报警电台进行无缝集成融合。这个方案既能满足有线电话的接入,又能适应用户现场各种无线电台的接入,实现了各类操作终端的适配连接。

图2 通信设备和操作终端的适配接入Fig.2 Integration of communication equipment and operating terminals

3 系统各主要部分的设计与实现

海上遇险搜救综合通信系统利用程控调度交换机H20-20和无线电台适配器来实现有线通信系统与无线通信系统的无缝集成融合,并具有报文接收和解析、GMDSS系统接入、语音通信自动录音的能力。下面详细介绍各部分的设计实现过程。

3.1 H20-20交换机

H20-20交换机通过环路启动中继板或2M数字中继板(LS/2M)为12395专线/110专线/抗震救灾专线/传真专线/海事卫星电话专线提供接口;提供U口2B+D数字调度板(DDU),用于连接调度台的U口2B+D数字接口板(ADIB)或RA的U口2B+D数字接口板(RDIB),从而为SSB/800M/110电台、MF/HF/VHF电台、电传机提供接口;通过 DDU板为调度台提供接口;通过模拟用户板(ALU)为传真服务器、海事局办公电话提供接口;通过录音用户板(RCU)为录音服务器提供接口。

其分层结构如图3所示,包括物理层、链路层和应用层。在调度台/RA一侧,物理接口由U口2B+D数字接口板(ADIB/RDIB)提供;在H20-20交换机一侧,物理口由DDU提供。DDU板与ADIB/RDIB板之间可通过音频电缆实现连接,环路距离可达4.3 km。当调度台或RA与H20-20交换机之间的距离超过4.3 km时,可通过U口延伸设备和数字传输网络实现U口延伸。

图3 2B+D数字用户通信技术Fig.3 2B+D digital subscriber communications technology

3.2 无线电台适配器

如图1所示,12395专线、抗震救灾专线、值班电话、办公电话等有线通信手段直接通过标准的LS环路中继或2M数字中继与调度交换机互联,实现相关电话的接入,并通过值班坐席进行电话综合调度。而无线通信手段需要通过RA连接SSB/800M/110电台、JRC电台来实现无线转有线话音通信、按讲(PTT)控制以及调度台针对JRC电台所进行的选台选频控制、NAVTEX航情报文接收、DSC遇险报文接收和确认等。

RA的一端与电台/具有RS-232接口的电传机设备相连接,另一端与H20-20交换机的DDU板相连接。RA在与SSB/800M/110电台相连接时,需要提供话音及PTT接口;在与MF/HF/VHF电台相连接时,需要提供话音接口、PTT接口以及RS-232接口。针对海事应急辅助指挥系统试点工程的需求,RA提供以下功能:电台话音接口阻抗匹配、初始化报告、在线状态报告、活动语音检测、收发音量控制、活动语音检测灵敏度控制、主动被监听、通话结束自动释放、话音输出接口、PTT控制、RS-232接口波特率设置、供电方式、状态指示及外部接口等。

RA的功能框图如图 4所示。它由CPU控制器、电源模块、U接口、PTT控制接口、RS-232接口、阻抗匹配处理、收发音量调节、话音输出接口、活动语音检测等组成。CPU控制器是RA的控制核心。阻抗匹配处理对RA所接电台的音频收发线连接进行接口阻抗匹配,使话音接口阻抗符合600 Ψ标准。RA采用外接220 V交流整流器转5 V直流(DC)的供电方式,电源模块接受5V DC供电,并为其他电路提供所需的二次电源。

图4 RA的功能框图Fig.4 Functional block diagram of radio adapter

RA通过背板提供RJ-11插座用于U口连接,提供D9插头用于RS-232串口连接,提供D9插座用于电台音频收发和PTT控制线连接,提供3.5 mm双声道音频插座用于有源音箱连接,提供直流电源插座用于外置5V DC电源连接。

3.3 报文接收和解析

如图5所示,报文服务器通过不同的调用接口分别与传真服务器、录音服务器、报文电传服务器、调度台、第三方应用软件进行通信。报文电传服务器通过报文服务器接收来自调度台的NAVTEX航情报文、DSC遇险报文、电传,对数据提供暂存及提取管理。

图5 报文服务器调用接口的连接关系Fig.5 Connection of message severs

报文服务器利用传真服务调用接口、录音服务调用接口、报文电传服务调用接口、调度台应用服务调用接口,从传真服务器、录音服务器、报文电传服务器、调度台获得相关的数据或服务,并向第三方应用软件接口提供相关的调用服务,用于警情关联处理或控制调度台实现呼叫。

3.4 GMDSS系统接入

为了支持调度指挥相关功能,还需要提供GMDSS系统中关于海事卫星、VHF、DSC、NAVTEX、NBDP等设备的接入,如图6所示。

图6 GMDSS系统的设备接入Fig.6 Access to GMDSS equipment

图中,海事卫星地面站、VHF、DSC、NAVTEX、NBDP电台也是通过RA接入H20-20交换机系统。RA的一端通过音频电缆与H20-20交换机的DDU板相连接,另一端通过专用电缆组件与电台的音频收发线、PTT控制线以及RS-232接口相连接,或与具有RS-232接口的电传机相连接。

3.5 自动录音系统

采用计算机电信合成(CTI)技术的网络应用平台可以实现值班台通话的实时录音,这种增强的录音方式保留了数字录音系统的优点,同时又得到CTI平台强大功能的支持。由于采用了分布式网络平台,新一代的录音系统除了支持数字录音质量以外,还提供了多点互连、远程查询、接入 Internet、互联呼叫中心、集成第三方系统等众多优势。录音系统的结构示意图和主界面分别如图7和图8所示。

图7 录音系统的结构示意图Fig.7 Schematic diagram of recording system

图8 录音系统的主界面Fig.8 The main interface of the recording system

单套自动录音系统可支持128路同时录音、支持多个录音磁盘循环录音,可按压控、音控以及码控等不同的方式启动录音,磁盘满后自动切换到下一磁盘,具有远程FTP同步备份功能和全自动备份功能,可以将录音自动备份到其他磁盘、进行自动磁盘管理功能,能够删除存放时间过长的录音记录,并当录音空间不足时自动删除最旧的录音。

4 系统测试结果

此部分对所设计实现的海上遇险搜救综合通信系统进行了测试,并给出了相关结果。

4.1 基本功能测试及结果

为测试本系统的基本功能,我们分别在浙江和海南进行了船舶测试。测试环境:晴朗、大雾、小雨、中雨、雷阵雨等天气情况;有无无线频率干扰情况;没有障碍物、有大量船舶、有岛屿、有堤坝等海面直线障碍物的情况;接收天线离海面的高度2～15 m;终端佩带于肩膀上、漂浮于海面上、举在手上等情况。该系统的基本功能测试及结果如表1所示。

表1 基本功能测试及结果Table 1 Basic functional test and result

从表中可知,该系统的各项基本功能都达到了要求,实现了将现有海上 12395电话、移动电话、VHF电台、渔业电台综合到同一个通信平台,将有线电话、传真、无线通话等业务集成到同一值班坐席综合处理,简化了操作员的桌面终端,提高了操作员的操作效率,避免了操作失误。值班员的桌面只需要摆放一台显示器及1～2部普通电话机就能实现有线、无线、传真等多种报警业务的综合处理,并且每个值班座席具有来电管理、快捷拨号、电话会议、电话录音等功能。

4.2 图像视频传输测试

图像视频传输测试由海上无线图像传输测试、陆上视频传输测试以及海陆间实时传输测试组成。测试结果表明,海事巡逻船和救助船舶可实现从测试海区到MRCC及各MRSC的现场图像信号传输。在烟台成山头的测试中,VTS铁塔安装无线基站,巡逻船配置一台无线船载站,可实现巡逻船现场图像信号经无线移动系统到成山头无线基站的传输,再通过成山头VTS与烟台MRSC间的专线,进一步实现了图像传输到烟台MRSC的任务。

测试结果还表明,本文所设计的海上遇险搜救综合通信系统充分利用了程控调度交换机的可靠性及无线电台适配器具有电台阻抗匹配调节及活动语音自动检测的特性,能适应用户现有的各种型号电台,并能将无线电台的语音及PTT控制信号无缝连接到有线通信系统上。

本系统与现有的其他系统相比具有以下优势:(1)充分利用程控调度交换机系统的可靠性及电话调度功能的灵活性,能最大程度满足应急指挥调度的各项电话功能;(2)无线电台适配器具有电台阻抗匹配调节及活动语音自动检测的特性,能适应用户现有的各种型号电台,并能将无线电台的语音及PPT控制信号无缝融合到有线电话系统;(3)集成化值班坐席操作简单,使用方便,具有电话、电子传真、无线电台通话、电话录音的综合业务处理功能。

5 结束语

针对目前各级海上搜救中心多种通信手段并存的情况,本文设计并实现了海上遇险搜救综合通信系统,可以将海上应急搜救领域使用的不同类型、基于不同技术体系和通信协议的通信设备和各类数字电传设备统一接入,实现了对无线电台的调度通话、频选控制以及对数字电传报文的接收解析等功能,并将原本分散的各类操作终端集成到一个操作座席上,有效使用了各种海上及岸上可用的通信资源和人力资源,从而实现了海上遇险船舶与搜救中心之间的立体化、全天候搜救通信以及海上搜救行动的综合指挥调度。测试结果验证了系统的有效性和可靠性。

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