【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ， 岸臺(tái)能在預(yù)定的時(shí)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(gè)協(xié)議可以避免在某些情況下移動(dòng)站臺(tái)占用岸臺(tái)預(yù)定的時(shí)隙。該協(xié)議支持周期性播發(fā)的報(bào)文。 自組織通信原理 AIS的核心技術(shù)是海上自組織無(wú)線數(shù)據(jù)鏈路。該鏈路工作于 VHF海上移動(dòng)頻段，利用自 組織時(shí)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(gè)移動(dòng)站臺(tái)能在沒有基地臺(tái)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(dòng)的避免和解決通信沖突問(wèn)題。 海上自組織無(wú)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(gè) 傳輸報(bào)文中都包含下一次傳輸?shù)臅r(shí)間信息 (傳輸時(shí)隙 )，以便通知數(shù)據(jù)鏈路上的其他臺(tái)站不要占用這個(gè)時(shí)隙，因而為自己預(yù)留了下一次廣播的時(shí)隙；同時(shí)，海上自組織無(wú)線數(shù)據(jù)鏈路要求在 3— 8分鐘的時(shí)間范圍內(nèi)重新選擇一次時(shí)隙，以解決鏈路上因?yàn)橐苿?dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)而可能產(chǎn)生的通信碰撞。此外，海上自組織無(wú)線數(shù)據(jù)鏈路還能通過(guò)時(shí)隙復(fù)用來(lái)主動(dòng)處理因通信鏈路容量過(guò)載而帶來(lái)的通信碰撞。 圖 自組織通信原理圖 海上自組織無(wú)線數(shù)據(jù)鏈路的一個(gè)重要特征是它為一個(gè)新傳輸或?qū)?lái)傳輸而進(jìn)行預(yù)定時(shí)隙的選擇方法。當(dāng)信道不忙時(shí)，時(shí)隙的選擇是直接的。因?yàn)楹苋菀?找到?jīng)]有被其他 10 臺(tái)站預(yù)定的時(shí)隙。當(dāng)信道變忙而不容易找到未被預(yù)定的時(shí)隙時(shí)， SOTDMA技術(shù)允許一個(gè)臺(tái)站有條件的使用由另一個(gè)遠(yuǎn)距離臺(tái)站預(yù)定的時(shí)隙。這種時(shí)隙選擇方法的益處是時(shí)隙的選擇可以由所有臺(tái)站進(jìn)行而不需要有岸臺(tái)進(jìn)行信道資源管理。時(shí)隙選擇時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)方面： (1)當(dāng)一個(gè)應(yīng)用要發(fā)射數(shù)據(jù)或?yàn)閷?lái)發(fā)射數(shù)據(jù)而進(jìn)行時(shí)隙預(yù)定時(shí)，首先確定將要選擇時(shí)隙的范圍 (SI)。在網(wǎng)絡(luò)入口階段，該值一般取 150個(gè)時(shí)隙，大約相當(dāng)于 4秒。在周期運(yùn)行時(shí)，該值與報(bào)告率有關(guān)，一般取值范圍為報(bào)告間隔的 1/5。 (2)推導(dǎo)出一個(gè)可選時(shí)隙的列表。這些可 選時(shí)隙是選擇范圍內(nèi)的一部分時(shí)隙，它們由“自由 (未被預(yù)定 )”時(shí)隙和“可用”時(shí)隙組成?？捎脮r(shí)隙是指那些已被其他臺(tái)預(yù)定，但可以依據(jù)準(zhǔn)則進(jìn)行復(fù)用的時(shí)隙。在最終選擇一個(gè)時(shí)隙前，推導(dǎo)出 4個(gè)以上可選時(shí)隙是很重要的，這樣可以減少多個(gè)站臺(tái)選擇一個(gè)時(shí)隙的可能性。 (3)當(dāng)從一個(gè)信道的可選時(shí)隙中進(jìn)行最終選擇的時(shí)，要考慮另一個(gè)信道中的情況。如果另一個(gè)信道中的相應(yīng)時(shí)隙被一個(gè)近距離臺(tái)站使用，這個(gè)時(shí)隙就要從可選時(shí)隙列表中抹去。 (4)由于信道轉(zhuǎn)換需要時(shí)間，系統(tǒng)自身無(wú)法在位于兩個(gè)平行信道相鄰的時(shí)隙上傳輸信息。因此，在一個(gè)信道所用時(shí)隙任意一 邊的 2個(gè)相鄰時(shí)隙不應(yīng)作為另一個(gè)信道上的候選時(shí)隙。 (5)最終時(shí)隙是從可選時(shí)隙中等概率的隨機(jī)選出。所有可選時(shí)隙的選擇可能性是完全一樣的。 (6)時(shí)隙選擇應(yīng)在兩個(gè)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(gè)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(shí)間幀和時(shí)隙無(wú)關(guān)。 自組織通信算法是保證 AIS進(jìn)行自主和連續(xù)運(yùn)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(hào) 名稱 說(shuō)明 最小值 最大值 NSS 標(biāo)稱 開始時(shí)隙 系統(tǒng)在鏈路上傳輸?shù)牡谝粋€(gè)時(shí)隙 0 2249 NS 標(biāo)稱時(shí)隙 選擇時(shí)隙的參考中心 0 2249 NI 標(biāo)稱增重 標(biāo)稱時(shí)隙間的時(shí)隙數(shù) 75 1225 RR 報(bào)告率 每幀中理想的船位報(bào)告數(shù)量 1/3 30 SI 選擇間隔 船位報(bào)告候選時(shí)隙的選擇范圍 NTS 標(biāo)稱傳輸時(shí)隙 在選擇間隔內(nèi)選中的時(shí)隙 0 2249 TMO 超時(shí) 連續(xù)占據(jù)某個(gè)時(shí)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(shí)隙占用情況，了解新到的活動(dòng)狀態(tài)，確定 其他參與者的身份、當(dāng)前時(shí)隙的分配和其他用戶報(bào)告的位置，建立在整個(gè)鏈路上運(yùn)行的所有站臺(tái)的通信目錄和反映 TDMA信道活動(dòng)的狀態(tài)的11 時(shí)隙圖譜。 1分鐘過(guò)后，系統(tǒng)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)入口階段，開始根據(jù)時(shí)間表進(jìn)行信號(hào)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€(gè)時(shí)隙，以便讓數(shù)據(jù)鏈路上的其他站臺(tái)發(fā)現(xiàn)自己。首次發(fā)送的信息總是船位報(bào)告，發(fā)射該報(bào)告的時(shí)隙 NSS應(yīng)當(dāng)在當(dāng)前時(shí)隙和未來(lái)標(biāo)稱增量 NI的時(shí)間范圍內(nèi)隨機(jī)選擇。 在正常情況下，時(shí)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(shí)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(lái)越忙時(shí)，自由時(shí)隙就變得 越來(lái)越少，主動(dòng)的時(shí)隙復(fù)用開始發(fā)生。這是 AIS解決鏈路容量過(guò)載，防止系統(tǒng)崩潰的有效手段。時(shí)隙復(fù)用的規(guī)則是：當(dāng)信道變得很忙時(shí)，系統(tǒng)可以使用那些已經(jīng)被最遠(yuǎn)的臺(tái)站分配的時(shí)隙，若復(fù)用的時(shí)隙是被一個(gè)岸臺(tái)分配的，該岸臺(tái)必須在距此 120n mile以外的地方。這種時(shí)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)。 IEC 611621是在 1995年制定的，它是一個(gè)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(wú)線通信設(shè)備之間進(jìn)行通信必須遵循的標(biāo)準(zhǔn)。后來(lái)， 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(hào)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(gè)講話器和多個(gè)受話器，并聯(lián)的數(shù)目受各個(gè)器件的輸出和輸入驅(qū)動(dòng)能力限制，它們通過(guò)帶兩個(gè)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。空閑信號(hào)、停止位的電平為低電平，活動(dòng)信號(hào)、開始位的電平為高電平。 數(shù)據(jù)異步串行傳輸，第一個(gè)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(yàn)，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(yǔ)句格式及符號(hào) 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(zhǎng)度的限制，同時(shí)，傳送的文本數(shù)據(jù)還必須符合協(xié)議中所定義的語(yǔ)句格 式。這里所說(shuō)的語(yǔ)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(yǔ)句格式： (1)正式語(yǔ)句。該語(yǔ)句是普遍使用的語(yǔ)句，用來(lái)進(jìn)行各種船舶數(shù)據(jù)的傳輸。語(yǔ)句的格式參見 IEC 61162協(xié)議。 (2)詢問(wèn)語(yǔ)句。該語(yǔ)句以全雙工的方式來(lái)詢問(wèn)將被發(fā)送的正式語(yǔ)句，它表明受話者也有機(jī)會(huì)成為講話者。 (3)私有語(yǔ)句。此語(yǔ)句具體格式不在協(xié)議制定，制造商可以使用這些語(yǔ)句，發(fā)送自定義數(shù)據(jù)。之所以這樣做，是因?yàn)閬?lái)自于各個(gè)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(cè)試的，不需要專門統(tǒng)一的語(yǔ)句規(guī) 范。 IEC 61162 的 語(yǔ)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(duì)于各數(shù)據(jù)的表示、語(yǔ)句類型、講話者的設(shè) 備 類型都有一定的符號(hào)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(guó)際電信聯(lián)盟的 ITUR 1997年召開的世界無(wú)線電通信大會(huì) (WRC)上通過(guò)，將 2個(gè) VHF通信頻率分配給海上移動(dòng)的 AIS通信設(shè)備，即將 VHF 87B(AIS1)和 VHF 88B(AIS2)定為 國(guó)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(guó)際海事組織 (IMO)、國(guó)際航標(biāo)協(xié)會(huì) (IALA)、國(guó)際電工技術(shù)委員會(huì) (IEC)、國(guó)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(jì) 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(duì)于 AIS來(lái)說(shuō)，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(bào)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(bào)告電文 4 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 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(kù)連接和串口管理功能。 用戶管理：設(shè)置用戶級(jí)別，增加、修改、刪除用戶。 數(shù)據(jù)庫(kù)連接：通過(guò)設(shè)置與數(shù)據(jù)庫(kù)連接參數(shù)，與 AIS船舶數(shù)據(jù)庫(kù)建立連接。 串口管理功能：通過(guò)設(shè)置串口參數(shù)，啟動(dòng) 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(guò)一系列的解析處理操作后，存儲(chǔ)到 AIS船舶數(shù)據(jù)庫(kù) 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(duì)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(shí)可以實(shí)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(shí)船長(zhǎng)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(guò)鼠標(biāo)拉框、點(diǎn)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(shí) (船名、呼號(hào)、 MMSI碼 )等的顯示控制。 船首線顯示：根據(jù)接收到的 AIS動(dòng)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(dòng)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(duì)應(yīng)的過(guò)去一段時(shí)間內(nèi)的船舶歷史位置。 船舶標(biāo)識(shí)顯示：控制顯示或不顯示所關(guān)注船舶的標(biāo)識(shí)以及顯示船舶標(biāo)識(shí)的種類。 (5) 船舶操作包括航跡回放、報(bào)警。 航跡回放：回放歷史某一段時(shí)間內(nèi)某一海域中船舶的動(dòng)態(tài)變化情況。 報(bào)警：包括碰撞報(bào)警、偏航報(bào)警和禁航區(qū)報(bào)警。碰撞報(bào)警是通過(guò)計(jì)算船舶間的 TCPA、DCPA值，判斷相應(yīng)船舶是否存在碰撞危險(xiǎn)，對(duì)可能發(fā)生碰撞危險(xiǎn)的船舶通過(guò)聲光提示進(jìn)行報(bào)警；偏航報(bào)警是通過(guò)計(jì)算船舶與指定航線間的間距，判斷該船舶是否偏離航線，對(duì)即將偏離出航線或已經(jīng)處于航線范圍之外的船舶通過(guò)聲光進(jìn)行報(bào)警；禁航區(qū)報(bào)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(dòng)啟動(dòng)聲光報(bào)警。 系統(tǒng)框架 基于 AIS的船舶實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)是采用自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng) AIS、電子海圖系統(tǒng) ECS、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)對(duì)所有裝有 AIS設(shè)備的船舶進(jìn)行高效、實(shí)時(shí)、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(tái)的船舶監(jiān)控模塊。通過(guò)系統(tǒng)本身配置的 AIS接收機(jī)， AIS數(shù)據(jù)接收模塊可實(shí)時(shí)獲取 AIS船 舶自動(dòng)播發(fā)的 AIS電文，通過(guò)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(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)保存到 AIS船舶數(shù)據(jù)庫(kù)中；船舶監(jiān)控模塊是在 AIS船舶數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上，將已解析好的船舶靜態(tài)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)顯示在電子海圖平臺(tái)上，同時(shí)可通過(guò)船舶顯示、船舶操作、信息查詢等功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jì)時(shí)，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(lái)，如果設(shè)計(jì)完成后，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)再發(fā)生變動(dòng)，對(duì)已設(shè)計(jì)好的數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)和軟件接 口的改動(dòng)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(dòng)態(tài)信息和報(bào)警區(qū)域頂點(diǎn)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(chǔ)、 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(guò)串口接收 AIS接收機(jī)傳來(lái)的 AIS數(shù)據(jù)電文，解析后一邊送到 ATS船舶數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)，一邊直接送到電子海圖平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，用戶在電子海圖平臺(tái)上查詢船舶數(shù)據(jù)時(shí)是通過(guò)讀取 AIS船舶數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)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(chǔ) 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(chǔ)到硬盤中，才便于以后應(yīng)用和查詢。一般來(lái)說(shuō)，可以存儲(chǔ)到文件，或者數(shù)據(jù)庫(kù)中。存儲(chǔ)到文件中，編程簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，但隨著數(shù)據(jù)量的增大，不利于查找。數(shù)據(jù)庫(kù)盡管實(shí)現(xiàn)過(guò)程復(fù)雜，但它對(duì)存儲(chǔ)和查詢進(jìn)行了優(yōu)化處理，而且目前也有運(yùn)行于 Windows平臺(tái)上的專門數(shù)據(jù)庫(kù)軟件可供使用。因此，本系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)來(lái)存儲(chǔ) AIS電文數(shù)據(jù)。就目前的數(shù)據(jù)庫(kù)軟件來(lái)說(shuō)，有很多種，主流有： ACCESS、 DELPHI、 ORACLE、 FOXPRO、 SQL Server等。 ACCESS、 DELPHI、 FOXPRO等軟件雖然簡(jiǎn)便易用，但作為小型桌面數(shù)據(jù)庫(kù)，不具有聯(lián)網(wǎng)功能，對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和查詢優(yōu)化的也不好。 ORACLE是目前比較流行的數(shù)據(jù)庫(kù)軟件，但對(duì)程序員的要求比較高，一時(shí)很難全面掌握。 SQL Server具有大型數(shù)據(jù)庫(kù)的優(yōu)點(diǎn)，又簡(jiǎn)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(chǔ)軟件。 關(guān)系模型數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)是通過(guò)建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)表來(lái)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(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，分別存儲(chǔ)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(kù)內(nèi)，依 據(jù)電文格式分別建立數(shù)據(jù)表用來(lái)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(lái)建立和訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)。但這些數(shù)據(jù)庫(kù)的核心卻是