水上智能平台监控系统.docx

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水上智能平台监控系统

河北农业大学

本科毕业论文（设计）

题目：

水上智能平台监控系统

摘　要

船舶自动识别系统（AIS）是一种综合了卫星定位、陀螺罗经、计程仪等导航设备的信息，通过VHF数据链向外播发与接收相应信息，并在雷达或电子海图等显示设备上显示周边船舶位置及航行动态信息的新型导航通信系统。

通过AIS获取到所需船舶的动态及静态信息，就可以对船舶进行全方位、实时的监控。

船舶实时监控系统是利用自动识别系统（AIS）、电子海图系统、数据库技术对所有装有AIS设备的船舶进行监控。

监控中心通过串口接收AIS接收机传来的AIS数据电文，解析后一边送到AIS船舶数据库存储，一边直接送到电子海图平台上进行实时显示，用户在电子海图平台上通过读取AIS船舶数据库来获得所需船舶信息。

本文系统分析了当前AIS发展状况，介绍了AIS的组成、网络体系结构、与AIS信息处理相关的接口协议，提出系统的总体设计方案并对系统的功能进行划分，以VS2005为开发工具，对AIS信息电文进行解析处理，并把解析后的数据存储到SQLServer数据库中，并在电子海图显示平台上将数据多样化展示。

关键字：

水上智能交通；电子海图显示系统；水运安全

Abstract

Inrecentyears,thesoftwareindustryhasbeengreatlydeveloped,fromaserviceandonlyafewindustries,tothefull,three-dimensionalservicestoallindustries.Buttoday,whetherdomesticorforeign,intelligentmonitoringtheship'swater,arejustbeginningshortly.Currentlyinthemaritime,waterways,power,petroleum,ports,fisheries,bordercontrol,salvageandotherwater-relatedindustrieswillneedtowatersvoyagesdynamicreal-timemonitoring.Forexample:

inthemaritimeindustryapplicationsthatrequireeffectivemonitoringofkeynationalwatersandon-sitewatertransportshipdynamicscenesituation,protectwatertrafficsafety;applicationsinthepowerindustryneedstomonitorsubmarinecableprotectionzonestatusoftheship'smovement,avoidingpasttheship'sanchor,dragginganchorsandfishingandotheractivitiesleadingsubmarinecabledamage;applicationsinthepetroleumindustry,offshoreoilplatformsneedtomonitortheareaneartheshipmotionstate,toavoidcollisioncausestructuraldamagetoplatforms.

Keywords:

WaterIntelligentTransportation，ElectronicChartDisplaySystem，Watersafety

1绪论

1.1选题的背景和意义

水上智能平台监控系统是高度智能化的水上综合信息管理平台，是水上执法力量地理信息系统的延伸，更是一次飞跃。

系统采用框架式的结构，完全打破了原有的架构，只保留了其功能。

系统自建了通航要素管理数据库，提供详细的管理单位、船舶、码头、锚地等信息，AIS识别系统。

系统通过不同信息分层控制显示的方式，实现多种信息综合显示；利用多种报警机制，实现对船舶的动态监管；借助分布式技术，实现强大的统计功能。

AIS实际上是一移动通信系统，它在海上VHF频段采用SOTDMA方式播发船舶的静态数据和动态数据，同时接收其它船舶发出的信息并显示。

这将有助于船舶的识别和信息交换，从而提高船舶航行安全和效率。

AIS的目的是让所有船舶都安装有自动应答和识别装置，装有这种装置的船舶就可以互相“看得见”。

船舶之间“看得见”，意味着不须人为介入便能够连续交换重要的航行数据，包括当前航行状态和其它动态信息。

这对航海的安全、海上交通的控制和海事环境的监视是非常有益的。

AIS系统的出现对传统的船舶监控带来新的理念，使海上船舶管理发生很大变化，各方通过AIS将获取到所需船舶的动态及静态信息，可以对船舶进行远程、实时的监控。

AIS是依靠岸基的VHF岸台和移动的船舶安装无线应答器系统来工作的。

基于一个可由控制站操作员调整的时间表，基站对所有的船在70信道上发出一个电信号。

这个信号可以是广域的，也可以是局域的。

只有安装了AIS系统的船对呼叫产生应答（不是已经登录到系统的船）。

基站在船的移动中自动获得信息。

AIS电脑将决定在工作信道上进入船舶的系统或者是在70信道上监视船舶。

AIS基站将一组数字和信道按顺序分配给船台。

船台就会切换到AIS信道。

在适当的时间，基站会将其他所有的船在系统中的数据通知给船台。

船和岸、船和船、岸和船的信息传递已经实现了。

操作员以特定的目的输入一个空的表格文本信息。

AIS电脑从自己的操作员或者船台得到发送指令后会将信息打包成合适的尺寸和次数并发送出去。

经过授权的用户可以通镜像位置看到控制台操作员所看到的所有一切，并能放大或者缩小控制地带中的任何区域。

选择的船舶的所有可能的信息都会在屏幕上显示出来。

电脑屏幕可以将所有航船的电子海图信息和图标再发送出去。

操作者自己的信息，跟所有被选择的船一样，包括航程、航线的数据，在任何时间都可以提供。

1998年10月IMONAV（航行安全技术分委会）第45次会议，对将于2002年7月1日生效的SOLAS公约第v章第20条（船载航行系统和设备的配各要求和运行标准）中，扩大了设备系统配备要求范围，其中较为重要的自动化航行设备有“通用船载自动识别系统（AIS）”和“航行数据记录仪（VDR）”，提交2000年5月IMOMSC大会通过。

1.2研究现状

我国对AIS研究工作与国际先进的国家相比开展的比较晚，但后续的发展速度很快，有相当多的关于AIS的文章发表，交通部海事局也于2000年开始组织有关人员开展对AIS的研究工作，编写了AIS应用技术研究报告和中国海事AIS配布方案，各科研单位、相关院校和海事部门也在积极开发基于AIS的船舶监控系统，有些系统已投入使用并且在不断完善之中。

随着我国AIS岸台网络系统的逐步建设完善，在研究利用AIS进行的船舶远程及实时监控时，为了对船舶进行有效监控，必须利用AIS设备通过串口对船舶所发的动静态信息进行接收，目前，PC机一般都有串行接口，所以要利用Visualc++6．0开发一个串行通信类，并在此基础上编写对AIS协议的解析程序。

通过串行接口接收的数据是按照AIS的IEC61162标准封装的二进制数据。

必须对这些数据进行解析，才能知道具体的通信内容。

把解析后的数据存储到数据库中，是这部分需要完成的任务，而且希望对它的改动不会影响到整个系统。

因此，本部分程序做成了动态链接库的形式，对它的调用不受编程语言和调用程序的影响。

为了对接收到的AIS船舶动静态数据进行存储，本文设计了AIS数据接受和发送两个数据库，分别存储接收到的其他站台信息和本船信息及本船发送给其他台站的信息。

为了直观地监控船舶的动向，就要把接收到的数据实时显示在电子海图上。

系统通过调用相应的电子海图，把收到的船舶当前经、纬度，转换成设备坐标，在屏幕上画出船舶的位置。

并且，设计一个界面，用来察看船舶详细信息和发送消息，以及显示历史信息。

随着我国AIS在船舶监控领域的发展，必将加快海事管理现代化的进程，同时将带动我国相关行业的技术进步和经济发展。

2

船载AIS的结构与功能

AIS采用专用的国际频道，按规定的通信方式和运行模式，在其信号覆盖区域内，自动向邻近的岸台和其他船舶播发本船的呼号和船名、船长和船宽、船舶与货物类型、船位、航向和航速等航行状态及安全信息。

同时，能自动接收来自配备AIS设备的船舶所播发的上述信息，以及岸台AIS播发的相关信息。

2.1AIS的构成

AIS的基本构成包括：

数据的采集部分、信号处理与系统控制器、信息显示器、VHF收发机部分等。

如图1.1所示：

图1.1AIS的结构组成

2.1.1数据的采集部分

接收来自GPS接收机的本船船位、对地航速、同步UTC以及来自电罗经的本船对地航速等信号，转换成数字信号并输入信息处理器，还有包括从输入装置中输入的信息。

接口电路对所采集的GPS及其它传感器数据进行转换处理，并输入信息处理器。

2.1.2信号处理与系统控制器

此为AIS的核心部分，通常是一个嵌入式微处理系统，用于存储本船识别码、船名、呼号、船型等静态信息以及船舶吃水、危险货物类型、航线等航行相关信息；处理并存储本船动态信息；将存储本船最新航行数据和必要的静态信息以及与航行相关的其它信息进行编码后送至发射机；对接收来自周围其他船舶的航行数据进行编码并存储解码后的数据；将本船和其他船舶的航行数据等信息送至信息显示器显示；信息处理器中包括船舶的静、动态数据库以及对信息的处理、管理控制、时隙选择、同步监测、显示等相应软件。

系统控制器控制VHF收发机在VHF的CH87B（161.975MHz）、CH88B（162.025MHz）两个国际专用频道自动发射和接收通信协议规定的GMSK信号。

GMSK调制方式可改善MSK信号频谱特性，确保以尽可能窄的频带传输尽可能高的信息流。

AIS的工作方式有自主连续模式（AutomaticandContinuous）、分配/指配模式（Assigned）和轮询/受控模式（PolledorControlled）。

2.1.3信息显示器

顾名思义，用于显示各种数据及状态信息，监视系统运行状况。

通常与雷达、ARPA及电子海图显示器融为一体。

2.1.4VHF收发机部分

VHF收发机由系统信息处理器控制，按照IEC61162协议，用VHF的CH87B（161．975MHz），CH88B（162．025MHz）两个国际专用频道自动发射和接收通信协议方案规定的高斯滤波最小频移键控（GMSK）信号，已调信号中含有本船和他船和航行信息，AIS同时在这两个频率上接收信息，而发射信息是在这两个频率上交替进行。

此外，主管部门还可以指配AIS的区域性频率。

2.2AIS的功能特点

系统工作特点：

在所有区域内自主和连续工作，由交管监视中心指配工作模式，以便于主管部门控制数据传输的间隔和时隙，数据的传输响应来自于船舶或主管部门的询问，有轮询和受控两种模式。

系统传输的静态信息：

IMO编码（如有）、呼号和船名、船的长度和宽度、船的类型、定位天线在船上的位置。

系统传输的动态信息：

船位、国际协调时、对地航向、对地航速、航迹向、航行状态、转向率、横倾角（选用项）、纵倾和横摆（选用项）。

系统传输的航行相关信息：

船舶吃水、危险货物类型、目的港和预计到达时间、航行计划（选用项）、简明的安全信息。

技术特点：

AIS采用自组织时分多址联接（SOTDMA）工作模式，无线传输的带宽为25KHz／12.5KHz，FM／GMSK调制方式和NRZI数据编码方式，数据传输的比特率为9600b/s。

2.3AIS的网络体系结构

开放系统互联（OSI），是IS0推荐给计算机网络通信的参考模型，其从高层到低层的一共有七层。

OSI七层模型称作开放式系统互连参考模型（简称0SI模型）。

其原本开发的目的是为了基于计算机的系统间建立可相互理解和辅助发展数据连接而提供一个通用结构，它可以在众多不同的数据和通信协议间建立起符合国际标准的系统。

AIS作为VHF无线通信网络，引入OSI概念，其采用了OSI的低四层结构，即物理层、数据链路层、网络层、传输层。

表1.1表示了AIS的分层模型。

表1.1AIS的OSI模型

应用层

表达层

会话层

传输层

信道A网络层信道B

链路管

理实体

数

据

链

路

链路管

理实体

数据链

路服务

数据链

路服务

媒体访

问控制

媒体访

问控制

物理层

接收机A

发射机A/B

接收机B

2.3.1物理层

物理层涉及到通信在信道上传输的原始比特流。

主要处理机械的、电气的和过程的接口，以及物理层下的物理传输介质等问题。

AIS中的物理层负责比特流传输、VHF收发机的功率控制、控制收发机和信道时序等工作，其性能参见表1.2所示：

表1.2物理层性能参数

参数名

数值

比特率

9600bit/s

数据编码方式

NRZI（反相非归零）

无级传输带宽

25KHz/12.5KHz

调制方式

DMSK（高斯最小键控）/FM

2.3.2数据链路层

数据链路层的主要任务是加强物理层传输原始比特的功能，使之对网络层显现为一条无错线路。

它要解决由于帧的破坏、丢失和重复所出现的问题。

要解决的另一个问题就是防止高速的发送方的数据把低速的接收方“淹没”，因此需要流量调节机制。

该层又分成三个分层：

媒体访问控制（MAC）；数据链路服务（DLS）；链路管理（LME）。

媒体访问控制（MAC）提供联接VHF数据链的方法，向上面的子层提供透明的服务。

主要功能可以分为TDMA信道同步、时隙状态的判别和处理、信道访问等。

同时，MAC子层还采用一定方法对从物理层接收到的数据进行CRC校验处理。

AIS系统以UTC时间为基准，将UTC时间的1min作为一帧，并将其分为2250个时隙。

AIS台互相之间连续同步，避免了时隙发射的重叠。

数据链路服务（DLS）的作用是数据链路的激活和释放、数据传输及误差检测与控制。

数据链的激活和释放功能是基于MAC层，DLS层侦听、激活或释放数据链，根据时隙识别的结果，若当前时间段被标注为空闲或外部分配状态时，表明设备处于接收模式，并负责侦听数据链上其它用户的情况。

数据传递，采用面向比特的协议，该协议基于高级数据链控制（HDLC）。

误差检测和控制的处理运用CRC多项式计算求和。

链路管理（LME）的功能是控制DLS、MAC层和物理层的运行。

包括AIS台的三种工作模式、数据链的连接、接入算法的确定。

包括信道访问时的各种参数的确定、报告速率的指定、发射时隙的指定、信息结构和信息类别等。

2.3.3网络层

网络层的主要作用是信道管理，建立和保持信道发射信息包的分配和数据链拥塞的解决等。

其功能有：

（1）建立和维护信道连接；

（2）信息优先分配的管理；

（3）信道间传输组的分配；

（4）解决数据链阻塞的问题，当数据链的负荷达到危害信息发射的程度时，可以使用RobinHood准则来解决。

2.3.4传输层

这一层负责将数据转换成大小正确的发射信息包、数据分组排序和与较高层的接口规程。

发射信息包的定义是最终能与外部系统进行通信的信息内部表述法，有尺寸大小并遵从数据传输规则。

其来源是位置传感器，如GPS。

AIS的信息是通过信息数据包来传输的，一帧为1min，分为2550个时隙，每个时隙还有256bits。

如图1.2所示：

图1.2AIS数据帧组成

对准序列也称同步码，它把收发两端时钟对准，并使码位对齐，以给出每个码元的判断时刻。

开始标记称字同步，它表示信息的开始位，作为信息起始的时间标准。

信息数据是所需传输的信息内容，它分为信息标志和信息内容。

信息标志表示信息类型、信息数量、优先级和路径。

信息内容既通信双方所需求的数据。

帧校验序列用于检测传输的数据是否正确，其采用循环冗余校验（CRC）。

结束标记表示信息传输结束。

3

船载AIS原理

3.1船载AIS的工作原理

AIS采用时分多址（TDMA）通信方式，它把每个信道的时间分成固定的时隙，而TDMA技术需要所有电台保持时间上的同步。

3.1.1TDMA数据链同步

在AIS中，共同的时间参考基准是协调世界时，主要的时间源是GPS时间。

当然，其它与UTC相关的时间也可以作为AIS的时间源。

因此，AIS的TDMA数据链路上的每一帧与协调世界时的每一分钟同步。

AIS采用以下4中方法来产生对UTC时间的估计：

（1）直接与UTC同步

装备了GPS接收机的用户能够自己估计UTC时间（GPS时间）。

这是使AIS独立于岸站的主要时间参考。

（2）间接与UTC同步

当一个电台不能从GPS接收机中得到UTC时间，但能接收到与UTC同步的其他电台的信号时，这个电台将与他们中的一个同步。

（3）与岸台同步（直接或间接）

若船台不能用以上的方法同步，但能接收到岸台的信号，这个台将同于接收的岸台中能接收到的台站数量最多的那个台站。

当船台能接收到几个接收台数量相同的岸台发送的信息时，应选用海上移动业务识别（MMSI）最小的岸台。

（4）与一个移动台同步

当某个海区的移动台都丢失了UTC时间基准，并且接收不到岸台的信号时，这些台将同步于它们之中能接收到的台站数量最多的那个移动台。

当船台能接收到几个其他船台发送的消息，而其中每个台所能接收到的台站数量相同时，移动台应选用MMSI最小的船站，该船台将成为同步调整的信号台。

当一个船台无法获得UTC时，应采用后续两种方式：

（1）时间相位同步

时间相位同步是指台站秘用从其他台站或岸站接收的信息对自身进行同步调整的方法。

船台通过时间相位同步可以保证台站问具有较高的同步稳定性，并能保证不会产生消息边界的重叠。

是否采用时间相位同步必须等到接收到结束标志和有效的检验序列之后再决定。

（2）帧同步

帧同步是指船台将接收到的其他船台或岸站的当前时隙号作为自己的当前时隙号，以保证自身的帧与周围台站的同步。

3.1.2AIS时隙接入协议

在AIS中有四种时隙接入协议：

自组织时分多址（SOTDMA）协议，增量式时分多址协议（ITDMA）、随机式时分多址协议（RATDMA）和固定式时分多址协（FATDMA）。

这些协议共同存在和同时运行于TDMA信道中，以支持AIS的3种工作模式和各项功能。

（1）自组织时分多址（SOTDMA）协议

移动台站使用SOTDMA协议广播位置和标志信息给附近的所有其他站台。

这个协议的目的是提供一种接入算法以便在没有控制台干预的情况下，迅速解决通信碰撞问题。

由SOTDMA协议传输的报文具有周期性，用于支持数据链路上的其他用户进行不断更新的监视。

（2）增量式时分多址（IDMA）协议

ITDMA支持电台在数据链路的网络入口、临时改变报告率和传送与安全有关的报文时，预定传输时隙。

第一个ITDMA时隙总是由SOTDMA或RATDMA分配。

在第一个ITDMA时隙传输前，电台必须先随机的选择下一个跟随的ITDMA时隙，并计算相对偏差。

此值随报文一起传输以指示该电台预定时隙。

（3）随机式时分多址（RATDMA）协议

在没有先前预定时，要使用RATDMA接入数据链路。

这通常在数据链路的网络入口处或者非周期性报文传输时发生。

RATDMA使用概率持续算法在可选时隙中确定传输时隙。

RATDMA使用的概率持续算法是：

当发现一个候选时隙时，系统在0-100间随机选择一个概率值，将该值与当前的传输概率相比较，若不大于当前传输概率，则传输在候选时隙内进行，否则，将当前传输概率加上一个概率增量，并且等待下一个候选时隙的到来。

RATDMA的选择间隔应为150个时隙，相当于4秒。

所有候选时隙应在该选择时段之中，因此一次传输可在4秒内完成。

（4）固定式时分多址（FATDMA）协议

只有岸台或控制台才能使用FATDMA。

通过FATDMA协议，岸台能在预定的时间进行编程发射，而不管信道中的其他预定情况。

这个协议可以避免在某些情况下移动站台占用岸台预定的时隙。

该协议支持周期性播发的报文。

3.2自组织通信原理

AIS的核心技术是海上自组织无线数据链路。

该链路工作于VHF海上移动频段，利用自组织时分多址算法，具有自组织通信能力。

所谓“自组织通信”的含义是指加入到该数据链路上的每个移动站台能在没有基地台站控制的情况下，自主地选择自己的发射方案，并能够自动的避免和解决通信冲突问题。

海上自组织无线数据链路的原理如图2.1所示。

它的主要特征是在它的每一个传输报文中都包含下一次传输的时间信息（传输时隙），以便通知数据链路上的其他台站不要占用这个时隙，因而为自己预留了下一次广播的时隙；同时，海上自组织无线数据链路要求在3—8分钟的时间范围内重新选择一次时隙，以解决链路上因为移动台运动而可能产生的通信碰撞。

此外，海上自组织无线数据链路还能通过时隙复用来主动处理因通信链路容量过载而带来的通信碰撞。

图2.1自组织通信原理图

海上自组织无线数据链路的一个重要特征是它为一个新传输或将来传输而进行预定时隙的选择方法。

当信道不忙时，时隙的选择是直接的。

因为很容易找到没有被其他台站预定的时隙。

当信道变忙而不容易找到未被预定的时隙时，SOTDMA技术允许一个台站有条件的使用由另一个远距离台站预定的时隙。

这种时隙选择方法的益处是时隙的选择可以由所有台站进行而不需要有岸台进行信道资源管理。

时隙选择时应注意以下几个方面：

（1）当一个应用要发射数据或为将来发射数据而进行时隙预定时，首先确定将要选择时隙的范围（SI）。

在网络入口阶段，该值一般取150个时隙，大约相当于4秒。

在周期运行时，该值与报告率有关，一般取值范围为报告间隔的1/5。

（2）推导出一个可选时隙的列表。

这些可选时隙是选择范围内的一部分时隙，它们由“自由（未被预定）”时隙和“可用”时隙组成。

可用时隙是指那些已被其他台预定，但可以依据准则进行复用的时隙。

在最终选择一个时隙前，推导出4个以上可选时隙是很重要的，这样可以减少多个站台选择一个时隙的可能性。

（3）当从一个信道的可选时隙中进行最终选择的时，要考虑另一个信道中的情况。

如果另一个信道中的相应时隙被一个近距离台站使用，这个时隙就要从可选时隙列表中抹去。

（4）由于信道转换需要时间，系统自身无法在位于两个平行信道相邻的时隙上传输信息。

因此，在一个信道所用时隙任意一边的2个相邻时隙不应作为另一个信道上的候选时隙。

（5）最终时隙是从可选时隙中等概率的随机选出。

所有可选时隙的选择可能性是完全一样的。

（6）时隙选择应在两个信道上平行进行，周期性播发信息的传输应在这两个信道之间交替发射。

这种交替传输是以信道上的发射次数为基础的，与时间帧和时隙无关。

自组织通信算法是保证AIS进行自主和连续运行的关键。

该算法所涉及的参数有NSS、NS、NI、RR、SI、NTS、TMO，它们的含义见表2.1。

表2.1自组织通信算法参数表

符号

名称

说明

最小值

最大值

NSS

标称开始时隙

系统在链路上传输的第一个时隙

0

2249

NS

标称时隙

选择时隙的参考中心

0

2249

NI

标称增重

标称时隙间的时隙数

75

1225

RR

报告率

每帧中理想的船位报告数量

1/3

30

SI

选择间隔

船位报告候选时隙的选择范围

0.2NI