【文章內(nèi)容簡介】 ， 岸臺能在預(yù)定的時間進(jìn)行編程發(fā)射，而不管信道中的其他預(yù)定情況。這個協(xié)議可以避免在某些情況下移動站臺占用岸臺預(yù)定的時隙。該協(xié)議支持周期性播發(fā)的報文。 自組織通信原理 AIS的核心技術(shù)是海上自組織無線數(shù)據(jù)鏈路。該鏈路工作于 VHF海上移動頻段，利用自 組織時分多址算法，具有自組織通信能力。所謂“自組織通信”的含義是指加入到該數(shù)據(jù)鏈路上的每個移動站臺能在沒有基地臺站控制的情況下，自主地選擇自己的發(fā)射方案，并能夠自動的避免和解決通信沖突問題。 海上自組織無線數(shù)據(jù)鏈路的原理如圖 。它的主要特征是在它的每一個 傳輸報文中都包含下一次傳輸?shù)臅r間信息 (傳輸時隙 )，以便通知數(shù)據(jù)鏈路上的其他臺站不要占用這個時隙，因而為自己預(yù)留了下一次廣播的時隙；同時，海上自組織無線數(shù)據(jù)鏈路要求在 3— 8分鐘的時間范圍內(nèi)重新選擇一次時隙，以解決鏈路上因為移動臺運動而可能產(chǎn)生的通信碰撞。此外，海上自組織無線數(shù)據(jù)鏈路還能通過時隙復(fù)用來主動處理因通信鏈路容量過載而帶來的通信碰撞。 圖 自組織通信原理圖 海上自組織無線數(shù)據(jù)鏈路的一個重要特征是它為一個新傳輸或?qū)韨鬏敹M(jìn)行預(yù)定時隙的選擇方法。當(dāng)信道不忙時，時隙的選擇是直接的。因為很容易 找到?jīng)]有被其他 10 臺站預(yù)定的時隙。當(dāng)信道變忙而不容易找到未被預(yù)定的時隙時， SOTDMA技術(shù)允許一個臺站有條件的使用由另一個遠(yuǎn)距離臺站預(yù)定的時隙。這種時隙選擇方法的益處是時隙的選擇可以由所有臺站進(jìn)行而不需要有岸臺進(jìn)行信道資源管理。時隙選擇時應(yīng)注意以下幾個方面： (1)當(dāng)一個應(yīng)用要發(fā)射數(shù)據(jù)或為將來發(fā)射數(shù)據(jù)而進(jìn)行時隙預(yù)定時，首先確定將要選擇時隙的范圍 (SI)。在網(wǎng)絡(luò)入口階段，該值一般取 150個時隙，大約相當(dāng)于 4秒。在周期運行時，該值與報告率有關(guān)，一般取值范圍為報告間隔的 1/5。 (2)推導(dǎo)出一個可選時隙的列表。這些可 選時隙是選擇范圍內(nèi)的一部分時隙，它們由“自由 (未被預(yù)定 )”時隙和“可用”時隙組成?？捎脮r隙是指那些已被其他臺預(yù)定，但可以依據(jù)準(zhǔn)則進(jìn)行復(fù)用的時隙。在最終選擇一個時隙前，推導(dǎo)出 4個以上可選時隙是很重要的，這樣可以減少多個站臺選擇一個時隙的可能性。 (3)當(dāng)從一個信道的可選時隙中進(jìn)行最終選擇的時，要考慮另一個信道中的情況。如果另一個信道中的相應(yīng)時隙被一個近距離臺站使用，這個時隙就要從可選時隙列表中抹去。 (4)由于信道轉(zhuǎn)換需要時間，系統(tǒng)自身無法在位于兩個平行信道相鄰的時隙上傳輸信息。因此，在一個信道所用時隙任意一 邊的 2個相鄰時隙不應(yīng)作為另一個信道上的候選時隙。 (5)最終時隙是從可選時隙中等概率的隨機(jī)選出。所有可選時隙的選擇可能性是完全一樣的。 (6)時隙選擇應(yīng)在兩個信道上平行進(jìn)行，周期性播發(fā)信息的傳輸應(yīng)在這兩個信道之間交替發(fā)射。這種交替?zhèn)鬏斒且孕诺郎系陌l(fā)射次數(shù)為基礎(chǔ)的，與時間幀和時隙無關(guān)。 自組織通信算法是保證 AIS進(jìn)行自主和連續(xù)運行的關(guān)鍵。該算法所涉及的參數(shù)有NSS、 NS、 NI、 RR、 SI、 NTS、 TMO，它們的含義見表 。 表 自組織通信算法參數(shù)表 符號 名稱 說明 最小值 最大值 NSS 標(biāo)稱 開始時隙 系統(tǒng)在鏈路上傳輸?shù)牡谝粋€時隙 0 2249 NS 標(biāo)稱時隙 選擇時隙的參考中心 0 2249 NI 標(biāo)稱增重 標(biāo)稱時隙間的時隙數(shù) 75 1225 RR 報告率 每幀中理想的船位報告數(shù)量 1/3 30 SI 選擇間隔 船位報告候選時隙的選擇范圍 NTS 標(biāo)稱傳輸時隙 在選擇間隔內(nèi)選中的時隙 0 2249 TMO 超時 連續(xù)占據(jù)某個時隙的次數(shù) 3 8 AIS在開機(jī)后首先進(jìn)入 1分鐘的初始化階段。在此階段系統(tǒng)監(jiān)視 TDMA信道上的時隙占用情況，了解新到的活動狀態(tài)，確定 其他參與者的身份、當(dāng)前時隙的分配和其他用戶報告的位置，建立在整個鏈路上運行的所有站臺的通信目錄和反映 TDMA信道活動的狀態(tài)的11 時隙圖譜。 1分鐘過后，系統(tǒng)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)入口階段，開始根據(jù)時間表進(jìn)行信號發(fā)射。 在網(wǎng)絡(luò)入口階段，系統(tǒng)選擇信息傳輸?shù)牡谝粋€時隙，以便讓數(shù)據(jù)鏈路上的其他站臺發(fā)現(xiàn)自己。首次發(fā)送的信息總是船位報告，發(fā)射該報告的時隙 NSS應(yīng)當(dāng)在當(dāng)前時隙和未來標(biāo)稱增量 NI的時間范圍內(nèi)隨機(jī)選擇。 在正常情況下，時隙的選擇應(yīng)當(dāng)在數(shù)據(jù)鏈路上那些未被分配的自由時隙中進(jìn)行，但當(dāng)數(shù)據(jù)鏈路負(fù)載增加、信道變得越來越忙時，自由時隙就變得 越來越少，主動的時隙復(fù)用開始發(fā)生。這是 AIS解決鏈路容量過載，防止系統(tǒng)崩潰的有效手段。時隙復(fù)用的規(guī)則是：當(dāng)信道變得很忙時，系統(tǒng)可以使用那些已經(jīng)被最遠(yuǎn)的臺站分配的時隙，若復(fù)用的時隙是被一個岸臺分配的，該岸臺必須在距此 120n mile以外的地方。這種時隙復(fù)用的結(jié)果將導(dǎo)致數(shù)據(jù)鏈路上的廣播范圍逐漸減小。 3 AIS 接口協(xié)議 IEC 61162 協(xié)議 IEC 61162包括 IEC 611621和 IEC 611622這兩個標(biāo)準(zhǔn)。 IEC 611621是在 1995年制定的，它是一個單講話器，多受話器標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定 了海上電子設(shè)備、導(dǎo)航和無線通信設(shè)備之間進(jìn)行通信必須遵循的標(biāo)準(zhǔn)。后來， IEC 611622代替了 IEC 611621成為該領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)。它規(guī)定數(shù)據(jù)以可打印的 ASCII字符串行發(fā)送，包括船舶位置、速度、吃水深度、船名、 MMSI號等信息。每 20毫秒發(fā)送一幀消息，一幀消息的數(shù)據(jù)在 11到 79字符之間。 電氣規(guī)范 可以在一條線上并聯(lián)一個講話器和多個受話器，并聯(lián)的數(shù)目受各個器件的輸出和輸入驅(qū)動能力限制，它們通過帶兩個插頭的屏蔽雙絞線連接。由于該規(guī)范遵循 RS． 232電氣標(biāo)準(zhǔn)，兩根線 A、 B之間的電壓范圍為 15V?？臻e信號、停止位的電平為低電平，活動信號、開始位的電平為高電平。 數(shù)據(jù)異步串行傳輸，第一個位為開始位，緊跟數(shù)據(jù)，首先發(fā)送低位數(shù)據(jù)，傳輸波特率為 38400比特 /秒，每幀 8位數(shù)據(jù)，不進(jìn)行奇偶校驗，最后一位是停止位。所有的數(shù)據(jù)都以 ASCII碼的形式發(fā)送。 如圖 ： 圖 數(shù)據(jù)傳輸格式 12 語句格式及符號 IEC 61162協(xié)議規(guī)定，在符合 IEC 61162協(xié)議的物理設(shè)備上傳輸?shù)?，只能是可打印的ASCII字符。這些字符不僅有著長度的限制，同時，傳送的文本數(shù)據(jù)還必須符合協(xié)議中所定義的語句格 式。這里所說的語句，即指設(shè)備傳送一次完整數(shù)據(jù)的內(nèi)容信息的集合。AIS有三種語句格式： (1)正式語句。該語句是普遍使用的語句，用來進(jìn)行各種船舶數(shù)據(jù)的傳輸。語句的格式參見 IEC 61162協(xié)議。 (2)詢問語句。該語句以全雙工的方式來詢問將被發(fā)送的正式語句，它表明受話者也有機(jī)會成為講話者。 (3)私有語句。此語句具體格式不在協(xié)議制定，制造商可以使用這些語句，發(fā)送自定義數(shù)據(jù)。之所以這樣做，是因為來自于各個不同廠商的數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一，而且不被普遍使用；或者這些數(shù)據(jù)是用于測試的，不需要專門統(tǒng)一的語句規(guī) 范。 IEC 61162 的 語句是由不同的域組成的，不同的域有不同的意義和表示方法。對于各數(shù)據(jù)的表示、語句類型、講話者的設(shè) 備 類型都有一定的符號規(guī)定。 講話者設(shè)備類型見表 所示： 13 表 講話者設(shè)備類型助記符 ITUR 協(xié)議 國際電信聯(lián)盟的 ITUR 1997年召開的世界無線電通信大會 (WRC)上通過，將 2個 VHF通信頻率分配給海上移動的 AIS通信設(shè)備，即將 VHF 87B(AIS1)和 VHF 88B(AIS2)定為 國際通用的 AIS設(shè)備通信通道。 ITUR M． 13711協(xié)議的發(fā)表引起了國際海事組織 (IMO)、國際航標(biāo)協(xié)會 (IALA)、國際電工技術(shù)委員會 (IEC)、國際民用航空組織(ICAO)等的高度重視，并且在此技術(shù)協(xié)議的基礎(chǔ)上，分別制定了適應(yīng)各自行業(yè)的其它相關(guān)技術(shù)規(guī)范：因此， ITUR M． 13711協(xié)議是設(shè)計 AIS通信設(shè)備的主要技術(shù)規(guī)范。 IEC 611621標(biāo)準(zhǔn)支持封裝的二進(jìn)制編碼數(shù)據(jù)的傳送。對于 AIS來說，二進(jìn)制數(shù)據(jù)的 14 特定意義可從 ITUR M． 1371標(biāo)準(zhǔn)獲得 。表 3的船舶位置 報告電文為例介紹數(shù)據(jù)中二進(jìn)制比特的含義。 表 位置報告電文 4 系統(tǒng)總體設(shè)計 系統(tǒng)功能 AIS 船舶監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能包括：系統(tǒng)管理、海圖顯示、海圖操作、船舶顯示、船舶操作這五大部分。 (1)系統(tǒng)管理包括用戶管理、數(shù)據(jù)庫連接和串口管理功能。 用戶管理：設(shè)置用戶級別，增加、修改、刪除用戶。 數(shù)據(jù)庫連接：通過設(shè)置與數(shù)據(jù)庫連接參數(shù)，與 AIS船舶數(shù)據(jù)庫建立連接。 串口管理功能：通過設(shè)置串口參數(shù)，啟動 AIS數(shù)據(jù)電文的接收，并把接收到的 AIS數(shù)據(jù)電文經(jīng)過一系列的解析處理操作后，存儲到 AIS船舶數(shù)據(jù)庫 中。 (2)海圖顯示包括基礎(chǔ)顯示、標(biāo)準(zhǔn)顯示和全部顯示。主要按相應(yīng)要求對海圖中的基15 礎(chǔ)數(shù)據(jù)、標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)、全部數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示；同時可以實現(xiàn)在小比例尺情況下，以三角 形形狀表示船舶，在大比例尺情況下，以真實船長船寬的多邊形形狀表示船舶。 (3) 海圖操作包括放大顯示、縮小顯示和平移顯示。主要是通過鼠標(biāo)拉框、點擊以進(jìn)行海圖相應(yīng)區(qū)域的放大、縮小或平移。 (4) 船舶顯示包括船首線、航跡線、船舶標(biāo)識 (船名、呼號、 MMSI碼 )等的顯示控制。 船首線顯示：根據(jù)接收到的 AIS動態(tài)數(shù)據(jù)中的船舶船首向，使在海圖上出現(xiàn)的船舶圖形前端顯示或 不顯示與之相同方位的矢量線。 航跡線顯示：根據(jù)接收到的 AIS動態(tài)數(shù)據(jù)中的船舶歷史位置 (即經(jīng)度和緯度 )，在海圖上出現(xiàn)的船舶圖形后面顯示或不顯示與之對應(yīng)的過去一段時間內(nèi)的船舶歷史位置。 船舶標(biāo)識顯示：控制顯示或不顯示所關(guān)注船舶的標(biāo)識以及顯示船舶標(biāo)識的種類。 (5) 船舶操作包括航跡回放、報警。 航跡回放：回放歷史某一段時間內(nèi)某一海域中船舶的動態(tài)變化情況。 報警：包括碰撞報警、偏航報警和禁航區(qū)報警。碰撞報警是通過計算船舶間的 TCPA、DCPA值，判斷相應(yīng)船舶是否存在碰撞危險，對可能發(fā)生碰撞危險的船舶通過聲光提示進(jìn)行報警；偏航報警是通過計算船舶與指定航線間的間距，判斷該船舶是否偏離航線，對即將偏離出航線或已經(jīng)處于航線范圍之外的船舶通過聲光進(jìn)行報警；禁航區(qū)報警是設(shè)置船舶禁航區(qū)域，當(dāng)船舶進(jìn)入禁航區(qū)后，系統(tǒng)將自動啟動聲光報警。 系統(tǒng)框架 基于 AIS的船舶實時監(jiān)控系統(tǒng)是采用自動識別系統(tǒng) AIS、電子海圖系統(tǒng) ECS、數(shù)據(jù)庫技術(shù)對所有裝有 AIS設(shè)備的船舶進(jìn)行高效、實時、全天候的監(jiān)控。 本系統(tǒng)包括兩大模塊： AIS數(shù)據(jù)接收模塊和基于電子海圖平臺的船舶監(jiān)控模塊。通過系統(tǒng)本身配置的 AIS接收機(jī)， AIS數(shù)據(jù)接收模塊可實時獲取 AIS船 舶自動播發(fā)的 AIS電文，通過進(jìn)一步的解析處理，將相關(guān)的船舶靜態(tài)數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)保存到 AIS船舶數(shù)據(jù)庫中；船舶監(jiān)控模塊是在 AIS船舶數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，將已解析好的船舶靜態(tài)數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)顯示在電子海圖平臺上，同時可通過船舶顯示、船舶操作、信息查詢等功能，實現(xiàn)對船舶的監(jiān)控。 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖 。 16 圖 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體系就是要詳細(xì)描述出系統(tǒng)所要用到的數(shù)據(jù)信息，也可以稱為數(shù)據(jù)字典，在系統(tǒng)設(shè)計時，系統(tǒng)中所涉及的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)必須詳細(xì)記錄下來，如果設(shè)計完成后，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)再發(fā)生變動，對已設(shè)計好的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)和軟件接 口的改動成本都將非常巨大。本系統(tǒng)包含的主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有：用戶信息、日志信息、 船舶靜態(tài)信息、船舶動態(tài)信息和報警區(qū)域頂點等。 系統(tǒng)數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)流程 AIS數(shù)據(jù)處理如圖 ，它包括 AIS數(shù)據(jù)接收、 AIS電文解析、 AIS數(shù)據(jù)存儲、 AIS數(shù)據(jù)傳輸、 AIS數(shù)據(jù)讀取和 AIS數(shù)據(jù)顯示等。監(jiān)控中心通過串口接收 AIS接收機(jī)傳來的 AIS數(shù)據(jù)電文，解析后一邊送到 ATS船舶數(shù)據(jù)庫存儲，一邊直接送到電子海圖平臺上進(jìn)行實時顯示，用戶在電子海圖平臺上查詢船舶數(shù)據(jù)時是通過讀取 AIS船舶數(shù)據(jù)庫來獲得所需數(shù)據(jù)的。 17 圖 AIS 數(shù)據(jù)處理流程 數(shù)據(jù)存儲 AIS電文內(nèi)容的數(shù)據(jù)解析完畢后，必須把這些數(shù)據(jù)存儲到硬盤中，才便于以后應(yīng)用和查詢。一般來說，可以存儲到文件，或者數(shù)據(jù)庫中。存儲到文件中，編程簡單，容易實現(xiàn)，但隨著數(shù)據(jù)量的增大，不利于查找。數(shù)據(jù)庫盡管實現(xiàn)過程復(fù)雜，但它對存儲和查詢進(jìn)行了優(yōu)化處理，而且目前也有運行于 Windows平臺上的專門數(shù)據(jù)庫軟件可供使用。因此，本系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)庫技術(shù)來存儲 AIS電文數(shù)據(jù)。就目前的數(shù)據(jù)庫軟件來說，有很多種，主流有： ACCESS、 DELPHI、 ORACLE、 FOXPRO、 SQL Server等。 ACCESS、 DELPHI、 FOXPRO等軟件雖然簡便易用，但作為小型桌面數(shù)據(jù)庫，不具有聯(lián)網(wǎng)功能，對數(shù)據(jù)存儲和查詢優(yōu)化的也不好。 ORACLE是目前比較流行的數(shù)據(jù)庫軟件，但對程序員的要求比較高，一時很難全面掌握。 SQL Server具有大型數(shù)據(jù)庫的優(yōu)點，又簡單易學(xué)，容易上手。因此，本系統(tǒng)選擇它作為數(shù)據(jù)存儲軟件。 關(guān)系模型數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)的存儲是通過建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)表來進(jìn)行的。由于 AIS電文數(shù)據(jù)分為發(fā)送和接收兩部分，應(yīng)建立兩個數(shù)據(jù)庫，分別存儲發(fā)送出去的電文數(shù)據(jù)和接收解析后的數(shù)據(jù)。在這些數(shù)據(jù)庫內(nèi)，依 據(jù)電文格式分別建立數(shù)據(jù)表用來存放 AIS電文的數(shù)據(jù)。SQL Server提供了多種圖形和命令行工具，用戶可以使用不同的方法來建立和訪問數(shù)據(jù)庫。但這些數(shù)據(jù)庫的核心卻是