0 引　言

ISPS^{[1 –2]}是《国际船舶和港口设施保安规则》（International Ship and Port Facility Security Code），简称ISPS Code或ISPS规则。它是由 1974 年《国际海上人命安全公约》缔约国政府会议，在 2002 年 12 月 12 日伦敦国际海事组织海上保安外交大会以第 2 号决议通过的，也是对于《1978 年国际海上人命安全公约》针对船舶、港口及港口国政府机构对于最低安全一项的修正案。它规定港口国政府、船东、船上人员以及港口/设施人员察觉安全威胁并且采取相应预防措施的责任，以防止安全事件影响从事国际贸易的船舶或港口设施。在文献[2]中规定：“ 进入船舶通道控制方式和措施；登船人员及其物品包括行李和无人照管的行李上船的控制；限制区域的监视和监控，以确保只有经过授权的人员才能进入”。

目前，在ISPS中人员管理部分，国内尚未发现有厂商研发生产，国际以挪威某公司为代表的“ISPS Gangway Control System”在国内海工船上较为流行。“海洋石油 289”和“海洋石油 291”上安装的系统，只是简单地采用RFID卡对在船人员进行管理，功能包含RFID卡定义、人员信息关联、人员上下船登记、船员宿舍门禁。

这种基于RFID人员考勤系统是属于 20 世纪 90 年代的IT技术产物，在信息技术发展日新月异的今天，已经跟不上形势发展的需求。具体原因有以下几个方面：

1）不支持全船甲板无线覆盖、不支持船上人员定位；2）不支持区域人员管理；3）不支持人员动态调度、不支持双向通信；4）不支持实时云网络模式；5）全船停电时不可用；6）售后服务是效率低下的洲际服务，与国内的快速响应需求不吻合。

因此，研发一种填补国内空白的、创新的、能够解决上述问题的ISPS系统非常有必要。本文以ST-246 饱和潜水支持船为例，研究并设计实施ISPS规格下的船舶人智能安保系统。

1 ISPS总体设计

图 1是本系统在船舶上的网络结构图，它由BR基站、ISPS手环、网络和软件构成。

BR基站是分布于船舶相关甲板上及警戒区域的双模式无线通信基站，用以解决最基本的在船人员的查找和定位功能，从而带来符合ISPS船舶人员安保管理的各项要求的功能。各个BR基站有各自的通信范围，完成蜂窝通信，并且与船舶数据中心机房构成覆盖全船甲板的无线通信网络。

在船人员均戴有ISPS智能手环，该手环与BR基站通信，完成查找、身份识别、无线定位、上下船记录、信息收发、动态管理等功能，ISPS智能手环与BR基站之间完成双向通信。

在图 1中，基站BR ₁，BR ₂，BR ₃ 是分布在各个甲板上的出入口，例如舷梯、救生艇、救生筏、直升机平台等位置。基站BR ₄ 是船舶警戒区域的舱室，在警戒区域中，根据ISPS安保管理的要求，不允许进入的人员一旦闯入，将立即报警。在BR ₄ 中，RFID部分用于控制门禁，Bluetooth用于识别进入的人员是否允许进入该区域。

依据ST-246 饱和潜水支持船的实际状况，我们设计的个基站的位置如表 1 所描述，全船有左右 2 个舷梯，左右 2 个救生艇，左右 2 个救生筏和直升机平台，此外，还有数据中心机房、驾驶室和集中室。

2 BR基站设计 2.1 蓝牙网络设计

图 2是BR基站的硬件结构图，它由Bluetooth LE，IB-FSBA T，RDIF/NFC，MCU System，Power等构成，蓝牙网络是由BE蓝牙基站组网而成。

该设计能够支持IB-FSBA模糊智能算法，支持“多对多”通信，理论通信距离超过 300 m。

标准的Bluetooth的通信方式，主设备和从设备之间通信通常仅支持“一对一”模式，最多也就是一对七^{[4, 9]}，并且通信距离较短，通常在 10 m左右，例如手机和蓝牙耳机之间的一一对应，无法做到“多对多”通信。本系统采用一种IB-FSBA模糊智能算法是一种发明专利技术，它不仅能够实现“多对多”通信，通信距离即便在船舶的钢铁世界中，也能够达到 50 m，更能够实现ISPS手环在船舶上的查找和定位。

蓝牙技术的组网包含微微网和散射网^{[3 –4]}，如图 3所示。

微微网是蓝牙最基本的组网模式，它由主节点和从节点组成，主从节点设备采用调频通信，并且每个微微网都有着自己独立的调频序列和状态。虽然同一个微微网中，可以有 256 个设备，但是只能有1个主节点设备和 7 个活跃的从节点设备，其他的从节点设备只能处于与主节点设备保持同步，但是只能是处于休眠状态的从节点设备。1个主节点设备智能工作在1个微微网中，但是1个从节点设备就可以就可以凭借“分时复用”机制，连接到多个微微网中。

散射网也称为微微互联网，是多个微微网的联网模式，1个微微网中的主节点设备可以在另外1个微微网中充当从节点设备，如图 3中的 M ₁，一个微微网中的从节点设备可以同时存在于多个无线覆盖的微微网中。微微网之间可以通过 M/ S 模式和 S/ S 模式桥接连通，如图 3中的 M ₁，在微微网 P ₁ 中，它是主节点设备，但是在微微网 P ₂ 中，它设置成为从节点设备。

2.2 IB-FSBA模糊智能算法设计

本系统设计的IB-FSBA模糊智能算法（IdeaBank Fuzzy Super Bluetooth Algorithm）能够查找船舶甲板上的ISPS手环以及它们的位置坐标，它分为IB-FSBA模糊查找部分和IB-FSBA定位部分。

图 4是IB-FSBA模糊智能算法中模糊查找部分的设计示意图。

图 4中BR ₁，BR ₂ 是船舶甲板上的 2 个BR基站（BR基站个数为 M，编号标记为 m），虚线分别是这 2 个BR基站的共同无线覆盖区域， R ₁～ R ₁₀ 是分布在甲板上的在船人员的ISPS手环编号（全船手环个数为 N，编号标记为 n），每个BR基站中包含一个Bluetooth LE，它具备对于ISPS手环中Bluetooth发射信号具有测量其强度的功能。基站 BRm 对于其无线覆盖区域中的手环 Rn 都测出各自的型号强度 V _{（ m，n）} ，对于这些型号强度，做线性处理，处理成 0～1 的值，以此作为模糊隶属度^{[6, 7]} μ _{（ m，n）} 。此外，再根据 V _{（ m，n）} ，求出基站到手环的距离 γ _{（ m，n）} 。

${\mu _{\left( {m,n} \right)}} = {f_1}\left( {{V_{\left( {m,n} \right)}}} \right)\text{，} $

(1)

${\gamma _{\left( {m,n} \right)}} = {f_2}\left( {{V_{\left( {m,n} \right)}}} \right)\text{。} $

(2)

设 U 为全体手环 R（总数为 N）在全体 BR 基站（总数为 M）中所测量到的信号强度 μ _{（ m，n）} 构成的集合， A 为某个 BR _m 基站对于全体手环 R 所测量到的信号强度 μ _{（ m，n）} ，此外，将系统所包含的，但是该 BR _m 基站测量不到的ISPS手环信号强度置 0，则由下列公式：

${\mu _{\left( {m,n} \right)A}}:U \to \left[ {0,1} \right]\text{，} $

(3)

$u \to {\mu _{\left( {m,n} \right)A}}\left( u \right)\text{，} $

(4)

$n \to \left\{ {1,2, \ldots ,N} \right\}\text{，} $

(5)

$m \to \left\{ {1,2, \ldots ,M} \right\}\text{。} $

(6)

所确定的集合 A 为 U 上的模糊集合^{[5 –6]}，其中： μ _{（ m，n） A} 为模糊集合 A 的隶属度函数； μx _{（ m，n） A} （ u）为元素 u 对于 A 的隶属度。论域 U 记录为：

$ U = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}}{{\mu _{\left( {1,1} \right)}}}& \cdots &{{\mu _{\left( {1,N} \right)}}}\\ \vdots & \ddots & \vdots \\{{\mu _{\left( {M,1} \right)}}}& \cdots &{{\mu _{\left( {M,N} \right)}}}\end{array}} \right]\text{，} $

(7)

以ISPS手环 R 的个数为 M，并且以 μ _{（ m，n）} → V _{（ m，n）} 大为优化目标条件，采用电压 V _{（ m，n）} 优先的人工智能贝叶斯算法^{[7 –8]}进行遍历、回归、优化和迭代，最终求解出最优结果的置信水平 λ 及其 λ 截集：

${ A_\lambda } = \left\{ {{{u}} \in {{U}}\mid {A_{\left( u \right)}} \geqslant {\rm{\lambda }}} \right\}\text{，} $

(8)

对于 ${ A_\lambda }$ 中的全部元素，在 U 中置对应地全部置 1，其余全部置 0，得集合 ${ F_\lambda }$ 。

${ F_\lambda } = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}}{1,1,0,0}& \cdots &0\\ \vdots & \ddots & \vdots \\{1,1,1,1}& \cdots &0\end{array}} \right]\text{。} $

(9)

取出 ${ F_\lambda }$ 中数据为 1 的单元坐标（ m，n）所对应的ISPS手环的ID号，以完成全部ISPS手环的查询和定位，其中全部 BR 基站均查找不到（也就是列坐标均为 0 的ISPS手环）的ISPS手环确定为不在船舶甲板区域的ISPS手环。

图 5为IB-FSBA模糊智能算法中IB-FSBA定位部分的设计示意图。

图 5中 BR _a ， BR _b 是分布在船舶甲板上的 BR 基站， Rc是船舶上人员的ISPS手环，其（ x，y）坐标均为船舶基准坐标。

根据式（2）计算出ISPS手环与 BR 基站的距离矩阵 Γ 如下：

$ \varGamma = \left( {\begin{array}{*{20}{c}}{{\gamma _{\left( {1,1} \right)}}}& \cdots &{{\gamma _{\left( {1,N} \right)}}}\\ \vdots & \ddots & \vdots \\{{\gamma _{\left( {M,1} \right)}}}& \cdots &{{\gamma _{\left( {M.N} \right)}}}\end{array}} \right) = {\left( {{\gamma _{mn}}} \right)_{M \times N}} = \left( {{{\rm{\gamma }}_{mn}}} \right)\text{，} $

(10)

根据BR基站安装后的坐标信息，整理出各个BR基站的坐标矩阵 Ω 如下：

$ \varOmega = \left( {\begin{array}{*{20}{c}}{{x_1}}& \ldots &{{x_M}}\\{{y_1}}& \ldots &{{y_M}}\end{array}} \right)\text{，} $

(11)

对于上述矩阵，对每个列从大到小排序，取出排列在前2位的数据，依据图 4中的三角形原理，已知三角形的 3 个边长和 2 个基站坐标（例如 BR _a 、 BR _b 、 Rc 三角形），设计矩阵函数 f ₃，求解出每个ISPS手环的（ x，y）坐标值 R，从而实现ISPS手环定位。

$R = {f_3}{\left( { \varGamma , \varOmega } \right)_n} = \left( {\begin{array}{*{20}{c}}{{x_1}}& \ldots &{{x_N}}\\{{y_1}}& \ldots &{{y_N}}\end{array}} \right)\text{。} $

(12)

其中 n 为手环的ID号，对应于人员编号； x， y 为其坐标。

3 ISPS手环设计

ISPS是集成Bluetooth，RFID/NFC和无线充电于一体的一种可穿戴设备，支持IP67 防护。

图 6为ISPS手环原理图，具体包含Bluetooth LE模块、Fuzzy AI T模块、RFID模块、Sensor模块、显示模块和Qi无线充电接收和充电电池模块。其中，Bluetooth LE模块是支持BLE4.0 以上协议的SoC系统；Fuzzy AI T模块是配合IB-FSBA设计的协议软件模块，以支持本系统的IB-FSBA算法实施；RFID模块是一个独立的无源近距无线传感模块，频率标准是 13.56 MHz；Sensor模块中包含 6 轴传感器、心率传感器，还可以加装其他传感器；显示模块是一个用于显示ISPS手环及系统信息的OLED显示器模块；Qi无线充电接收和充电电池模块是为了解决ISPS手环电源问题设计的。

图 7为ISPS手环的PCB设计图^[9]，它将整个手环用一个PCB来完成解决，其中，为了进行无线充电、RFID传输和蓝牙的无线电隔离，采用了一种发明专利申请的PCB设计，其最大创新点在于将磁隔离片^[5]夹在PCB中。如图 7中所示，左边是无线充电的天线线圈所在的一边，由于无线充电是一种频率在 100 KHz左右的强交变磁场，如果对其不予隔离，它将极大地破坏ISPS手环的EMI/EMC指标^[5]，造成手环失灵及系统崩溃。于是，在充电天线线圈和PCB信号层之间，夹入了磁隔离层，并且把PCB的接地层紧靠在磁隔离层之间，用磁隔离层隔离强交变磁场，用接地层隔离交变电场，以此解决无线充电的强电磁干扰问题，提高手环的EMI/EMC性能。此外，在图 7的右边，是RFID的天线线圈所在的边，由于RFID的工作实际上也是一个强电磁场互感过程，在这里，在最右边，是RFID天线线圈的铜层，它的左边用磁隔离层进行隔离，以避免信号铜层受到RFID的强电磁场干扰。最后，在电路焊接完成之后，在电子元件的表面，再涂上电绝缘的磁隔离胶，以进一步改善手环的EMI/EMC性能^[5]。

4 可靠性设计

可靠性是本系统的设计重点，主要考虑如下几个方面：

1）在系统电源可靠性方面，当船舶发生不可挽救的灾难时，可能全船发生停电，在本系统中，对于数据中心机房，采用的是大功率长延时的UPS供电，全部信息点均采用该UPS统一供电。

2）在系统信号传输可靠性方面，在网络传输线路上，数据中心机房与各个信息点之全部采用高抗干扰的室外铠装光纤线路。

3）在手环可靠性方面，首先是采用无线充电的聚合物电池或者石墨烯电池供电，电池可支撑手环工作一周以上的时间。其次，尽管大多数Bluetooth LE芯片都支持NFC，即 13.56 MHz频率的近场无线传感，但是本系统还是采用独立的无源RFID而非采用有源的NFC来完成近场无线传感，以免万一手环电池耗尽时无法完成近场无线传感。

4）在IP防护方面，本系统中的室外设备，如BR基站和ISPS手环，全部采用IP67 防护。

5）在冗余设计方面，主要是指数据库的冗余。这里采用船舶数据库与船舶岸基总部数据库同步备份的方式解决，即便船舶数据中心机房设备被毁，其损毁之前的数据库内容，在船舶岸基总部的数据库中均由实时的备份。

6）在安全加密方面，船舶内部通信是针对每个ISPS手环所拥有的ID号加密，系统采用AES或MD5 加解密。

5 ISPS系统编码设计

ISPS系统编码设计是本系统标准化的一个重要组成部分。如图 8所示。

系统的编码用于标识船舶人员、物资和设备的编码。可以借用中船总的标准化 9 位物资代码，这里简便起见，设计由 6 个字节 10 进制数构成，其中从高位到地位，第 6，5 位为系统的大类编码，描述系统的大类信息，第 4 位为系统的小类编码，第 3，2，1 位为流水编号。在人员编码中，例如 111001 为船长的人员编号。

记录 1 编码包含手环ID、人员编码、人员固有属性内容。这是一种静态内容，每个在船人员都有 1 条这样的编码。

记录 2 编码包含手环ID、上下船动作、上下船发生时间、闸口编码、原因编码。这是一种动态的记录，每个人每上下船 1 次，或者到达某个区域 1 次，都会产生 1 条记录。

记录 1 和记录 2 之间，通过手环ID号关联，记录 1 和编码之间，通过人员编码关联。

6 结　语

通过上述设计，ISPS系统达到了以下设计要求：

1）支持全船甲板无线电覆盖、支持船上人员定位；2）支持区域人员管理；3）支持人员动态调度、支持双向通信；4）支持实时云网络模式；5）全船停电时可用；6）售后服务是国内的快速模式。

当然，由于本系统是首次设计，还有一些后续完善工作，例如加入“北斗”卫星导航和救援功能，进一步降低成本，完善系统的软硬件功能和性能等。