CN109743397B - 海上信息预警系统、方法及电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了海上信息预警系统，包括船载网关、通信单元、预警控制台、气象灾害研究单元、预警信息发布单元和终端，气象灾害研究单元和预警信息发布单元均与预警控制台连接，预警控制台通过通信单元与船载网关通信，通信单元包括北斗卫星通信单元、风云四号通信单元、短波通信单元、通信卫星通信单元、移动通信单元，北斗卫星通信单元、风云四号通信单元、短波通信单元、通信卫星通信单元、移动通信单元均与船载网关和预警控制台连接。本发明包括多种通信单元，覆盖率高，可以实现全海洋通信传输；通过对发布的信息进行差分编码，采用多通道方式发送，由船载网关接受并还原，降低了系统回传信息的成本，效率更高。

Description

海上信息预警系统、方法及电子设备

技术领域

本发明涉及海洋通信技术领域，尤其涉及海上信息预警系统、方法及电子设备。

背景技术

我国是国际航运大国，拥有辽阔的海域。狂风、巨浪、暴雨、浓雾、海流、海冰等恶劣天气和海况，严重威胁着海上船舶、设施的航行和作业安全，气象部门以实现近海公共服务和预警信息发布全覆盖、远海监测预警全天候、远洋气象保障能力显著提升为目标。

但是目前的海上与终端通信费用高、功能单一，并且容易失联。因此有必要提供一种稳定的、覆盖范围广的、成本低、通信效率高的海上预警方案。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供海上信息预警系统，其能解决现有技术通信费用高、容易失联、覆盖范围小的问题。

本发明的目的之二在于提供海上信息预警方法，其能解决现有技术通信费用高、容易失联、覆盖范围小的问题。

本发明的目的之三在于提供一种电子设备，其能解决现有技术通信费用高、容易失联、覆盖范围小的问题。

本发明的目的之一采用以下技术方案实现：

海上信息预警系统，包括气象灾害研究单元、预警信息发布单元、预警控制台、通信单元、船载网关和终端，所述气象灾害研究单元和预警信息发布单元均与预警控制台连接，预警控制台通过通信单元与船载网关通信，所述通信单元包括北斗卫星通信单元、风云四号通信单元、短波通信单元、通信卫星通信单元、移动通信单元，所述北斗卫星通信单元、风云四号通信单元、短波通信单元、通信卫星通信单元、移动通信单元均与船载网关和预警控制台连接；所述终端通过一USB或者一短距离无线通信单元与船载网关连接；

所述预警控制台用于将气象灾害研究单元和预警信息发布单元的发布的信息分片进行差分编码处理后并通过通信单元发送至船载网关，所述船载网关用于对所述数据包进行解码和计算得到原始的信息分片，当判断内存中存储有与当前解码、计算到的信息分片相同的信息分片时，将内存中相同ID编码的信息分片以预设顺序进行重组，并将重组后的信息在终端上展示。

优选的，所述通信卫星通信单元包括天通一号卫星通信模块和海事卫星通信模块。

优选的，所述移动通信单元包括2G通信、3G通信、4G通信中的一种或多种。

优选的，所述船载网关还连接有WLAN通信单元、Zigbee通信单元，以及无线电通信单元。

本发明的目的之二采用以下技术方案实现：

海上信息预警方法，应用于信息预警系统，包括船载网关、通信单元、预警控制台、气象灾害研究单元、预警信息发布单元和终端，包括如下步骤：

接收步骤：对所有通信通道进行监听，以通过通信单元对来自预警控制台的数据包进行接收并存储；所述数据包具有唯一的ID编码；所述数据包由预警控制台对来自气象灾害研究单元和预警信息发布单元发送的采集数据进行处理获得；所述数据包包括包头和报文，所述包头包括数据包唯一的ID编码；

解码步骤：将接收到的数据包进行解码和计算得到对应的信息分片；

比对步骤：判断内存中是否已存储有与当前解码、计算到的信息分片相同的信息分片，若有，则丢弃当前接收到的信息分片，否则，将当前解码、计算到的信息分片存储；

重组步骤：将内存中相同ID编码的信息分片以预设顺序进行重组；

分发步骤：将重组后的信息发送至终端上展示；

请求步骤：通过通信单元发送数据请求至预警控制台。

优选的，在接收步骤中，还根据所述ID编码判断接收到的数据包是否存储在内存中，若是，则丢弃该数据包，否则，存储该数据包。

优选的，在比对步骤与重组步骤之间还包括判断步骤：判断内存中同一个ID编码对应的信息分片的总数量是否与数据包的原始信息分片数量一致，若是，则执行重组步骤，否则，返回接收步骤。

优选的，在解码步骤中，所述信息分片具有分片序号；重组步骤中，将内存中相同ID编码的信息分片以分片序号的排列顺序进行重组。

优选的，所有信息分片的分片序号记为第一数列，并对任意相邻的两个信息分片分别进行差分编码，并将任意相邻的两个信息分片的差分编码进行同或运算得到一序列号，将全部序列号记为第二数列，从第二数列中选取三个信息分片，并在第一数列中选取3K+1位置上的信息分片以让该信息分片携带冗余信息；其中K为常数。

本发明的目的之三采用以下技术方案实现：

一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器中并可被处理器执行的计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如下步骤：

接收步骤：对所有通信通道进行监听，以通过通信单元对来自预警控制台的数据包进行接收并存储；所述数据包具有唯一的ID编码；所述数据包由预警控制台对来自气象灾害研究单元和预警信息发布单元发送的采集数据进行处理获得；所述数据包包括包头和报文，所述包头包括数据包唯一的ID编码；

解码步骤：将接收到的数据包进行解码和计算得到对应的信息分片；

比对步骤：判断内存中是否已存储有与当前解码、计算到的信息分片相同的信息分片，若有，则丢弃当前接收到的信息分片，否则，将当前解码、计算到的信息分片存储；

重组步骤：将内存中相同ID编码的信息分片以预设顺序进行重组；

分发步骤：将重组后的信息发送至终端上展示；

请求步骤：通过通信单元发送数据请求至预警控制台。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明的通信方式同时囊括各种信道的通信单元，覆盖率高，可以实现全海洋通信传输；通过对采集信息进行差分编码处理完数据包再发送至船载网关，船载网关因此可以通过结合原始信息分片多方向计算恢复其他信息分片，因而数据丢失率大大降低，降低了系统回传信息的成本，效率更高。

附图说明

图1为本发明的海上信息预警系统的模块结构图；

图2为本发明的海上信息预警方法的流程图；

图3为本发明的数据包组成图；

图4为本发明的信息分片编码示例图。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述：

如图1所示，本发明提供海上信息预警系统，包括气象灾害研究单元、预警信息发布单元、预警控制台、通信单元、船载网关和终端，所述气象灾害研究单元和预警信息发布单元均与预警控制台连接，预警控制台通过通信单元与船载网关通信，所述通信单元包括北斗卫星通信单元、风云四号通信单元、短波通信单元、通信卫星通信单元、移动通信单元和短距离无线通信单元，所述北斗卫星通信单元、风云四号通信单元、短波通信单元、通信卫星通信单元、移动通信单元均与船载网关和预警控制台连接；所述终端通过USB或者短距离无线通信单元与船载网关连接。

短波通信单元其稳定性依赖电离层，在海上覆盖500-1000公里范围，速率能达到2400bps，单向通信，终端成本和运行成本都低，支持数字化。风云四号通信的稳定性高，海上覆盖范围广，速率为600bps/150bps，单向通信，运行成本低，但终端成本高。北斗卫星通信单元稳定性高，海上覆盖范围广，速度为140bpm，支持单/双向通信，不支持多媒体，终端成本低，运行成本低。通信卫星通信单元如天通一号稳定性受天气影响大，海上覆盖范围广，速度为384kbps，支持单/双向通信，支持多媒体，终端成本高，运行成本高。移动蜂窝信道稳定性高，覆盖范围通常在沿海50km内，双向通信，支持多媒体，终端成本和运行成本都低。

上述多个通道各有优势劣势，本发明将其结合集成为多通道，可同时满足全天候、全海域的覆盖。在发送数据时，根据各通道最新通信速率加权计算后，将数据包发送到各个通道。船载网关观测数据、查询请求、反馈数据和提供报警信息、预警综合信息等则可以选择最优的通道返回到预警控制台。岸基预警控制台与多个通信单元连接，下行进行数据封装，协议拆包，多通道广播/单通道推送，上行进行分发应用、数据解析，协议组包和多通道接收。在船载网关中则下行进行多通道接收、协议组包、数据解析和分发应用，上行实现发送、优选通道、协议拆包和数据封装。

所述预警控制台用于将气象灾害研究单元和预警信息发布单元所发布的信息分片进行差分编码处理后并通过通信单元发送数据包至船载网关，所述船载网关用于对处理后的所述信息分片进行解码和计算得到原始的信息分片，当判断内存中存储有与当前解码、计算到的信息分片相同的信息分片时，将内存中相同ID编码的信息分片以预设顺序进行重组，并将重组后的信息在终端上展示。

本发明的通信卫星通信单元包括天通一号卫星通信模块和海事卫星通信模块。移动通信单元包括2G、3G、4G中的一种或多种。

另外，船载网关还连接有WLAN通信单元、Zigbee通信单元，以及无线电通信单元。。本发明还可以外接北斗卫星的路由器，每天提供一次定位和授时服务。通过网关传输指令，通过北斗卫星通信单元，对所有船只发送定位和授时的请求，船只获取到请求后，返回当前定位，北斗卫星通信单元记录返回信息的时间，计算出传输所需时间，再将“当前时间+传输单程时间”的指令过去，船载网关获取指令，并对时间进行更新。

本发明集成利用已有的卫星通信、短波通信和移动通信，实现多通道并行广播方式下，支持预警信息单发、组发和全网群发的高容错方案。

与岸基进行信息交互时，对岸基信息进行智能路由选择和传输，数据包会通过各信道的传输速率进行加权平均计算，得出单位时间内每个信道的传输比例，将所有数据包按照比例往对应的每个信道输送。与终端进行信息交互时，将信息分片广播给终端，终端根据差分编码的规则对接收到的信息分片进行排序和还原，整合为数据包。

由于海上通信以单向通信为主，双向通信成本高，因此通过差分编码是的每个信息分片互相联系，即使丢失部分分片，也可以通过其他分片的互相运算来恢复信息，减少回传和重传的频率，降低成本。

值班员在预警信息发布系统，录入预警，通过审核确认发布，信息包会送到预警控制台，预警控制台会对信息包进行切片封装及编码，然后根据各通道的速率，分配到各个通道去传播。船载网关会一直监听着各通道的信息，一旦开始广播数据，船载网关就会把数据包收集下来，通过计算还原，然后再将信息通过有线或者无线的方式，在各类终端显示。

如图2所示，本发明还提供一种海上信息预警方法，应用于本发明提供的还是信息预警系统，包括气象灾害研究单元、预警信息发布单元、预警控制台、通信单元、船载网关和终端，包括如下步骤：

S1：通过通信单元发送数据请求至预警控制台；

用户将采集海上数据、其他数据点播请求通过船载网关和通信单元发送回预警控制台，气象灾害研究单元会收集海上数据进行研究；而预警信息发布单元会获取数据请求，并生成点播内容，再由预警控制台处理后重新多通道发送到船载网关。本步骤是船载网关通过通信单元像预警控制台发出数据请求，该请求可以是每隔预设时长发送一次。预警控制台获取到接收气象灾害研究单元和预警信息发布单元生成的信息，并且将符合船载网关发出的数据请求相关的数据包通过多通道单发给该船载网关。本发明尤其在台风海啸等海上灾害到来的之前，会提前不间断地更新和广播预警信息。让海上的作业人员、渔民收到信息并开始离开危险区域。

S2：对所有通信通道进行监听，以通过通信单元对来自预警控制台的信息分片进行接收并存储；所述信息分片具有唯一的ID编码；所述信息分片由预警控制台对来自气象灾害研究单元和预警信息发布单元发送的采集数据进行处理获得；

本发明是将数据包先差分编码为多个信息分片，通过多个通道将多个信息分片同时发出。对于接收信息分片的一方，由于每个通道的传说速率、延迟等的差异，接收到每一片信息分片的时间戳不一定相同，也不一定是按顺序接收。由于采用差分编码技术，因此船载网关需要做计算和排序，可以根据互相运算来恢复信息和重组信息。

在本步骤中，数据包例如为预警信息，ID编码则是预警信息的ID，每一个预警信息都携带一个唯一的ID编码，比对ID编码帮助判断船载网关是否已经成功接收到预警信息的所有数据包，如果已经接收完成，则丢弃后面收到的相同ID编码的数据包。

S3：将接收到的信息进行解码和计算得到对应的信息分片；本发明的差分编码和单个数字的差分编码所不同的地方是对整个分片对应位置的数字分别做差分编码。

S4：判断内存中是否已存储有与当前解码、计算到的信息分片相同的信息分片，若有，则丢弃当前接收到的信息分片，否则，将当前解码、计算到的信息分片存储；

每个预警信息会分成若干个信息分片。船载网关收到数据包后，通过解码和计算得到每个信息分片后。若存储里已通过解码计算获得该信息分片，则抛弃该分片。并同时通过监测信息分片的数量，是否已经和原来的分片总数一致，来判断信息分块是否收集完全。

S5：将内存中相同ID编码的信息分片以预设顺序进行重组；

S6：将重组后的信息发送至终端上展示。

在S4和S5之间，还可以进一步包括判断内存中同一个ID编码对应的信息分片的总数量是否与数据包的原始信息分片数量一致，若是，则执行S6步骤，否则，返回S1步骤。

在S2步骤中，还根据所述ID编码判断接收到的信息分片是否存储在内存中，若是，则丢弃该信息分片，否则，存储该信息分片。在S2中，所述信息分片具有分片序号；S5步骤中，将内存中相同ID编码的信息分片以分片序号的排列顺序进行重组。

参考图3，在信息传输之前，需要传输的信息会先被分割成若干个等长的信息分片，将每一块都标有序号，所述序号也就是信息分片的分片序号，可记为第一数列{an}。然后将相邻两个信息分块进行差分编码，将前后两个信息分块的每一位做“同或”的运算，得到另外一列编码后的分片，并标号记为第二数列{bn}。目的是让相邻两个信息分片产生关系，若丢失了其中一个信息分片，仍然可以通过计算，将丢失的信息分片恢复回来。封装的时候，随机从{bn}挑选三个编码分片，另外从原信息分片{an}中随机抽取“3k+1”位置的分片附带上作为冗余。选择3k+1的位置是正好可以数量上也满足上面的三个编码分片，另外位置相隔不远，能大大降低失败的几率。相邻两个信息分片{an}，会通过“同或”的差分运算后，得到另外一组信息分片{bn}，图中的分片数据也就是信息分片。参考图4，例如丢失了{bn}中的一组信息分片，仍然可以通过另外两个方向将所有信息分片{an}还原。图中的数据分片也就是信息分片。

本发明点对多发送，由一个控制平台对应多个终端。采用Aloha模式，如果成功的话，不再回复。只有接收失败的时候，才会回复。既节约了成本，也不会造成通信冲突。不需要实时通信，采用的是存储-转发通信方式。由于在数据包头增加了预警ID的信息，通过比对预警ID和存储里的ID，选择丢弃或者收集。与普通的传输完成有区别，并不是以收到结束指令而完成传输，而是通过计算存储里的分片的数目来判断传输是否完成。本发明不惧怕离散型丢包，只有特殊的连续两个及两个以上的丢包情况才会影响信息包的恢复。这样，丢包导致通信失败的几率也大大降低。

本发明的船载网关可以实现群发、组发和单发，群发是设置包头为广播地址。为正常的时候通过广播的形式，对所有的终端进行投放数据包。组发是可以结合AIS等海事监控系统，通过圈选或者定义群组，然后在对群组里的用户进行多通道单发。单发则是结合步骤S1的用户的数据请求，对指定用户进行单发。

本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器中并可被处理器执行的计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如下步骤：

请求步骤：通过通信单元发送数据请求至预警控制台；接收步骤：对所有通信通道进行监听，以通过通信单元对来自预警控制台的信息分片进行接收并存储；所述信息分片具有唯一的ID编码；所述信息分片由预警控制台对来自气象灾害研究单元和预警信息发布单元发送的采集数据进行处理获得；解码步骤：将接收到的信息进行解码和计算得到对应的信息分片；比对步骤：判断内存中是否已存储有与当前解码、计算到的信息分片相同的信息分片，若有，则丢弃当前接收到的信息分片，否则，将当前解码、计算到的信息分片存储；重组步骤：将内存中相同ID编码的信息分片以预设顺序进行重组；分发步骤：将重组后的信息的全部信息分片依序广播至终端。

本发明的船载网关对广播数据进行接收、处理、筛选和分发。对岸基信息进行智能路由选择和传输，对船内信息提供有线/无线网络通信服务。当船载网关收到所有分片之后，会将所有信息分片通过船上的USB接口或者短距离无线通信网络，把信息分发到终端上，由终端对信息进行展示。

对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (3)

1.海上信息预警系统，其特征在于，包括气象灾害研究单元、预警信息发布单元、预警控制台、通信单元、船载网关和终端，所述气象灾害研究单元和预警信息发布单元均与预警连接，预警控制台通过通信单元与船载网关通信，所述通信单元包括北斗卫星通信单元、风云四号通信单元、短波通信单元、通信卫星通信单元、移动通信单元，所述北斗卫星通信单元、风云四号通信单元、短波通信单元、通信卫星通信单元、移动通信单元均与船载网关和预警控制台连接；所述终端通过一USB或者一短距离无线通信单元与船载网关连接；

所述预警控制台用于将气象灾害研究单元和预警信息发布单元所发布的信息分片进行差分编码处理后，并通过通信单元将多个信息分片同时发送至船载网关，所述船载网关做计算和排序，用于对处理后的所述信息分片进行解码和计算得到原始的信息分片，当判断内存中存储有与当前解码、计算到的信息分片相同的信息分片时，判断内存中是否已存储有与当前解码、计算到的信息分片相同的信息分片，若有，则丢弃当前接收到的信息分片，否则，将当前解码、计算到的信息分片存储，将内存中相同ID编码的信息分片以预设顺序进行重组，并将重组后的信息在终端上展示；

在所述将内存中相同ID编码的信息分片以预设顺序进行重组之前还包括：判断内存中同一个ID编码对应的信息分片的总数量是否与原始信息的信息分片数量一致；

所述信息分片具有分片序号；重组步骤中，将内存中相同ID编码的信息分片以分片序号的排列顺序进行重组；

所有信息分片的分片序号记为第一数列，并对任意相邻的两个信息分片分别进行差分编码，并将任意相邻的两个信息分片的差分编码进行同或运算得到一序列号，将全部序列号记为第二数列，从第二数列中选取三个信息分片，并在第一数列中选取3K+1位置上的信息分片以让该信息分片携带冗余信息；其中K为常数；

所述通信卫星通信单元包括天通一号卫星通信模块和海事卫星通信模块；所述移动通信单元包括2G、3G、4G中的一种或多种；所述的船载网关还连接有WLAN通信单元、Zigbee通信单元，以及无线电通信单元；

所述预警控制台下行进行数据封装，协议拆包，多通道广播/单通道推送，上行进行分发应用、数据解析，协议组包和多通道接收；

所述船载网关下行进行多通道接收、协议组包、数据解析和分发应用，上行实现发送、优选通道、协议拆包和数据封装；

船载网关通过广播的形式，对所有的终端进行投放数据包。

2.海上信息预警方法，其特征在于，包括如下步骤：

接收步骤：对所有通信通道进行监听，通过通信单元对来自预警控制台的信息分片进行接收并存储；所述信息分片具有唯一的ID编码；所述信息分片由预警控制台对来自气象灾害研究单元、预警信息发布单元发送的信息进行差分编码处理获得；还根据所述ID编码判断接收到的信息分片对应的信息是否存储在内存中，若是，则丢弃该信息分片，否则，存储该信息分片；

解码步骤：将接收到的信息进行解码和计算得到对应的信息分片；

比对步骤：判断内存中是否已存储有与当前解码、计算到的信息分片相同的信息分片，若有，则丢弃当前接收到的信息分片，否则，将当前解码、计算到的信息分片存储；

重组步骤：将内存中相同ID编码的信息分片以预设顺序进行重组；

分发步骤：将重组后的信息发送到终端上展示；

请求步骤：通过通信单元发送数据请求至预警控制台；

在比对步骤与重组步骤之间还包括判断步骤：判断内存中同一个ID编码对应的信息分片的总数量是否与原始信息的信息分片数量一致，若是，则执行重组步骤，否则，返回接收步骤；

在解码步骤中，所述信息分片具有分片序号；重组步骤中，将内存中相同ID编码的信息分片以分片序号的排列顺序进行重组；

所有信息分片的分片序号记为第一数列，并对任意相邻的两个信息分片分别进行差分编码，并将任意相邻的两个信息分片的差分编码进行同或运算得到一序列号，将全部序列号记为第二数列，从第二数列中选取三个信息分片，并在第一数列中选取3K+1位置上的信息分片以让该信息分片携带冗余信息；其中K为常数；

所述预警控制台与多个通信单元连接，将数据包先差分编码为多个信息分片，通过多个通道将多个信息分片同时发出；下行进行数据封装，协议拆包，多通道广播/单通道推送，上行进行分发应用、数据解析，协议组包和多通道接收；

所述预警控制台通过所述通信单元与船载网关通信；

对于接收信息分片的一方，船载网关做计算和排序，根据互相运算来恢复信息和重组信息；

所述船载网关下行进行多通道接收、协议组包、数据解析和分发应用，上行实现发送、优选通道、协议拆包和数据封装；

船载网关通过广播的形式，对所有的终端进行投放数据包。

3.一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器中并可被处理器执行的计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行权利要求2所述的海上信息预警方法。

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