0 引　言

工程船舶按功能可分为挖泥船、起重船、打桩船等多种类型，这些船舶的专业性强、设备复杂，为确保该类船舶作业的安全性和高效性，通过对船舶的位置、航速、航向以及作业状态等信息的实时监测，可以有效掌控船舶位置、航速、航向等动态信息，了解船舶挖泥深度、起重重量、打桩进度等作业状态信息，规范船舶的排放信息，用于监测船舶是否合规排放，以保护海洋环境^[1]。因此设计一个优质的工程船舶载运信息监测系统，对其进行高效、实时地载运信息监测尤为重要。

然而，现有的工程船舶载运信息监测系统仍存在诸多不足。李志平等^[2]运用排队论及随机过程原理开发了一套涵盖航线网络配置与腹地货流调度等核心模块的监测系统，并运用创新的时空分析技术与双层迭代求解策略，对工程船舶的载运信息进行精准监控。但该系统的网络实时性相对较差，无法实时采集、处理和传输船舶载运信息，信息动态响应能力不足。侯轶仁等^[3]运用传感器协同技术、远程通信手段及云计算平台，达成了船舶生活污水排放的即时远程监控目标，但该系统受到区域限制，特别是在偏远或信号不佳的水域，系统监测稳定能力会在一定程度上受到影响。李杰等^[4]依托4G通信构建了船舶能效远程监控体系。针对数据传输量大、成本高的问题，创新性地应用数据混合压缩策略，依据数据重要性实施差异化压缩，大幅降低了信息传输量，从而实现了工程船舶载运信息的经济高效监测。但4G通信技术在数据传输效率方面相对较差，导致在传输大量数据时，需要更长的时间和更高的成本来完成数据传输任务。李欣等^[5]针对传统船舶监测存在的覆盖不足、能耗高、成本昂贵及部署挑战，构建了智能船舶远程监测系统，提升了监测效率与经济性的同时，依托硬件部署实现对工程船舶载运信息智能监控。但系统在数据分析和处理方面的智能化程度不够高，难以自动识别和预警潜在的安全隐患和异常情况。

5G通信网络的出现，为工程船舶载运信息监测系统的升级和优化提供了新契机^[6]。因此，本文提出基于5G通信网络的工程船舶载运信息监测系统。该系统利用5G网络的高速、低延迟、大容量等特性，实现对船舶信息的实时采集、处理和传输，依据所获取数据完成船舶载运信息的监测工作，保障船舶作业的安全性和高效性。

1 工程船舶载运信息监测系统

工程船舶载运信息监测系统是一个综合性的系统，它涉及船上部分、岸上部分、5G通信网络以及最终的监测平台等多个部分。

1）船端部分。其核心职责在于实时采集并传输船舶的航行状态、货物状态以及设备运行数据等关键信息。这些信息对于保障船舶的安全航行、提升运营效率以及确保货物的完好无损具有重要作用。船端部分通常由一系列高精度传感器、数据采集模块以及先进的通信设备所组成。传感器负责实时监测船舶的各项关键参数，如位置、速度、航向等；数据采集模块则负责将这些模拟信号转换为数字信号，以便进行后续的处理与传输；而5G通信模块则凭借其高速、低延迟的特性，确保这些数据能够实时、准确地传输至岸上部分及远程监测平台。

2）岸上部分。其主要包括数据接收设备、数据处理中心以及数据存储设备等。它负责接收船端传来的海量数据，并进行高效、准确地处理与分析。数据处理中心作为岸上部分的核心，能够对接收到的数据进行实时解析、计算与分析，得出船舶的航行轨迹、货物状态、设备运行状况等一系列关键信息。同时，这些信息还将被存储至高性能的数据库中，以便管理人员进行后续的查询、分析与利用。

3）5G通信网络。其作为连接船端部分与岸上部分的桥梁，其重要性不言而喻。它凭借高速的数据传输速率、低延迟以及广覆盖等特性，为船端与岸上之间的数据传输提供强有力的支持。

4）监测平台。其是功能强大的软件系统，界面友好，支持管理人员实时查看船舶载运、航行及历史数据。通过图形化界面，轻松获取船舶位置、速度、航向及货物状态等信息。同时，平台提供运行效率评估、货物损耗预测等有价值的内容，助力管理人员精准决策，确保工程安全高效运行。

1.1 船端部分结构

船端部分是工程船舶载运信息监测系统的前端数据采集与传输单元，其核心任务在于实时、准确地捕捉船舶航行、货物状态及关键设备运行数据，并通过5G通信网络高效传输至岸上数据处理中心。船端部分结构见图1。船端部分信息采集模块将高精度传感器阵列部署于船舶关键位置，负责监测船舶的实时位置（经纬度）、速度、航向、货物装载状态、以及关键设备的运行状态（如发动机转速、油耗、振动等）。并通过内置的高精度模数转换器（ADC）将接收到的来自传感器的模拟信号转换为数字信号。MCU（STM32）负责接收、处理和存储来自各个部分的数据，5G通信模块作为数据传输的核心通道，5G通信模块利用高速、低延迟的5G网络，将处理后的船舶载运相关数据实时、稳定地经5G通信网络传输至岸上数据处理中心与监测平台。该模块支持大带宽数据传输，确保海量船舶数据能够迅速、无损地送达目的地。电源管理系统通过DC电源转换，为船端部分的所有组件提供稳定、可靠的电力供应。虽然数据主要通过5G网络实时传输，但船端部分仍配备有MicroSD卡或其他存储介质，用于临时存储原始数据或备份重要信息，以防数据丢失或网络中断。

1.2 5G通信网络通信设计

为更好地完成工程船舶载运信息监测，5G通信网络通信设计中，利用5G技术的高速、低延迟特性，为工程中的船舶与岸上部分提供稳定的数据传输通道，通信设计中主要涵盖了从模块初始化到与岸基指挥所数据服务中心建立连接的整个流程，确保载运数据传输的连续性和准确性。当5G通信模块上电后，会自动进行初始化自检，确保模块硬件和软件均处于正常工作状态。模块初始化完成后，5G通信模块将等待来自岸基指挥所发出的包括作业任务、数据传输要求等指令。这些指令是模块后续工作的依据。5G通信模块在接收到岸基指挥所的指令后，会进行指令解析，并根据指令要求进行信号检测。如果信号检测成功，5G通信模块将成功进入网络，并与岸上指挥所的数据服务中心建立连接。随后，模块将开始传输船端采集的数据，包括航行状态、货物状态以及设备运行数据等。这些数据将实时、准确地传输至岸上部分及远程监测平台，为后续的数据处理与分析提供坚实基础。具体的通信设计流程如图2所示。

1.3 工程船舶载运信息监测

系统的岸上部分数据处理中心可以依据5G通信网络传输的信息，有效实现工程船舶载运情况的多种信息的有效监测，其中以工程船舶载运情况中的停船监测为例，系统能够实时捕捉并记录船舶的停泊时间、位置等关键信息，完成其有效监测。岸上部分的数据处理中心依据5G通信网络将船载端传感设备实时采集船舶的静态、动态、航次及安全信息，完成工程船舶停泊行为的监测。利用式(1)描述停泊船舶的状态信息：

$ {S_i} = ({m_i},{c_i},{d_i},{v_i},{p_i},{t_{s\left( i \right)}},{t_{c(i)}}) 。$

(1)

式中：$ {m_i} $、$ {c_i} $、$ {d_i} $、$ {v_i} $、$ {p_i} $、$ {t_{s\left( i \right)}} $、$ {t_{c(i)}} $分别用于描述该工程船舶的海上移动通信业务标识码、类型、载重量、速度、停泊开始时间以及累计时长。

鉴于实际海洋环境对船舶停泊状态的影响，设定停泊速度阈值v_th。理论上船舶停泊时v_i应为0，但受风浪和海流等因素干扰，采集到的速度数值可能非零。因此，引入v_th以准确识别停泊状态。同时还要考虑停泊位置变化量阈值p_th。停泊时，p_i应保持稳定，但受外部环境影响，位置可能略有变动。因此，设定p_th以区分正常停泊与微小位置变动。那么，c时刻下，根据v_th筛选出船舶初步停泊状态信息：

$ {S_{t1}} = \left\{ {({m_i},{c_i},{d_i},{v_i},{p_i},{t_{s\left( i \right)}})|0 \leqslant {v_i} \leqslant {v_{th}}} \right\}。$

(2)

在t₂时刻下，结合v_th和p_th进行进一步筛选，以确保停泊状态的准确性，得到停泊船舶的状态为：

$ \begin{gathered} {S_{t2}} = \left\{ ({m_i},{c_i},{d_i},{v_i},{p_i},{t_{s\left( i \right)}},{t_{c(i)}})\right.| \\ 0 \left.\leqslant {v_i} \leqslant {v_{th}} \cap 0 \leqslant {p_i} \leqslant {p_{th}} \right\}。\\ \end{gathered} $

(3)

系统的岸上部分数据处理中心将最终监测到的工程舰船载运相关信息通过监测平台进行直观展示。

2 结果与分析

以挖泥船为实验对象，该挖泥船具有特定的技术参数和作业环境，能够充分反映系统在实际应用中的表现。应用本文设计系统对该挖泥船的航道内进行挖掘作业的载运信息进行监测。为了全面评估系统的应用5G通信网络通信性能，在挖泥船的行驶路径上设置了8个监测点，挖泥船在航道内以一定速度行驶，同时实时收集并传输挖泥船的载运信息。在此过程中通过测量数据从挖泥船传输到监控中心所需的时间来评估系统时延性能，并通过FTP上传定点测试衡量监测数据上传速度，结果见图3。

分析可知，本系统在各个监测点均展现出了卓越的通信性能。具体来说，各个监测点的通信时延均保持在较低水平，最大通信时延仅为412 ms，这一数据充分证明了本系统在实时数据传输方面的高效性与可靠性。同时，各个监测点的数据上传速度均稳定在14 mbit/s左右，这一较高的数据上传速度确保了挖泥船的载运信息能够迅速、准确地被监控中心所接收与处理。

应用本文设计监测系统进行该挖泥船在作业航道内的载运信息监测，将监测结果展示于表1。可知，系统能够实时记录挖泥船在不同时间点的位置、航速、货物状态、发动机状态和吊机状态等关键信息。

为了进一步验证本文方法的优越性，选取参考文献[2 − 5]方法和本文方法进行对比分析。记录5种方法的系统响应时间、数据传输稳定性、数据准确率和能耗效率的对比情况，具体如表2所示。

分析表2可知，在系统响应时间方面，本文方法表现出色，响应时间仅为200 ms，明显优于其他参考文献的方法。这表明本文方法在实时数据处理和响应方面具有显著优势。在数据传输稳定性和数据准确率方面，所有方法均表现出较高的稳定性，但本文方法能够达到99.99%和99.98%，证明了本文方法在数据传输方面的可靠性，在数据处理和分析方面具有高精度，能够确保数据的准确性和可靠性。在能耗效率方面，本文方法的能耗效率仅为10 W/h，相对于其他方法来说处于较低水平。因此，可以证明本文提出的基于5G通信网络的港航工程船舶载运信息监测系统在实际应用中具有广阔的前景和潜在价值。

3 结　语

本文设计基于5G通信网络的工程船舶载运信息监测系统，并以挖泥船对象进行实验系统应用效果分析。在5G网络下进行了通信性能测试。实验结果显示，系统通信时延低、数据上传速度快，表现出高效可靠的通信性能。同时，系统能够实时、准确地监测挖泥船的载运信息，包括位置、航速、货物及机械状态等，为管理人员提供了全面的运营数据。此外，系统还通过图形界面直观展示了船舶停泊状态。综上所述，本研究设计的监测系统性能优异，具有广泛的应用前景。