【正文】 所有的船在系統(tǒng)中的數據通知給船臺。操作員以特定的目的輸入一個空的表格文本信息。經過授權的用戶可以通鏡像位置看到控制臺操作員所 看到的所有一切，并能放大或者縮小控制地帶中的任何區(qū)域。電腦屏幕可以將所有航船的電子海圖信息和圖標再發(fā)送出去。 1998年 10月 IMO NAV（航行安全技術分委會 )第 45次會議，對將于 2021年 7月 1日生效的 SOLAS公約第 v章第 20條 (船載航行系統(tǒng)和設備的配各要求和運行標準 )中，擴大了設備系統(tǒng)配備要求范圍，其中較為重要的自動化航行設備有“通用船載自動識別系統(tǒng) (AIS)”和“航行 數據記錄儀 (VDR)”，提交 2021年 5月 IMO MSC大會通過。 隨著我國 AIS岸臺網絡系統(tǒng)的逐步建設完善 ， 在研究利用 AIS進行的船舶遠程及實時監(jiān)控時， 為了對船舶進行有效監(jiān)控 ，必須利用 AIS設備通過串口對船舶所發(fā)的動靜態(tài)信息進行接收，目前， PC機一般都有串行接口，所以要利用 Visual c++6． 0開發(fā)一個串行通信類，并在此基礎上編寫對 AIS協(xié)議的解析程序。必須對這些數據進行解析，才能知道具體的通信內容。因此，本部分程序做成了動態(tài)鏈接庫的形式，對它的調用不受編程語言和調用程序的影響。 為了直觀地監(jiān)控船舶的動向，就要把接收到的數據實時顯示在電子海圖上。并且，設計一個界面，用來察看船舶詳細信息和發(fā)送消息，以及顯示歷史信息。 3 1 船載 AIS 的結構與功能 AIS采用專用的國際頻道，按規(guī)定的通信方式和運行模式，在其信號覆蓋區(qū)域內，自動向鄰近的岸臺和其他船舶播發(fā)本船的呼號和船名、船長和船寬、船舶與貨物類型、船位、航向和航速等航行狀態(tài)及安全信息。 AIS 的構成 AIS的基本構成包括： 數據的采集部分、信號處理與系統(tǒng)控制器、信息顯示器、 VHF收發(fā)機部分 等 。接口電路對所采集的 GPS 及其它傳感器數據進行轉換處理，并輸入信息處理器。 系統(tǒng)控制器控制 VHF 收發(fā)機在 VHF 的 CH87B()、 CH88B()兩個國際專用頻道自動發(fā)射和接收通信協(xié)議規(guī)定的 GMSK 信號。 AIS 的工作方式有自主連續(xù)模式 (Automatic and Continuous)、分配 /指配模式(Assigned)和輪詢 /受控模式 (Polled or Controlled)。通常與雷達、 ARPA及電子海圖顯示器融為一體。此外，主管部門還可以指配 AIS的區(qū)域性頻率。 系統(tǒng)傳輸的靜態(tài)信息： IMO編碼 (如有 )、呼號和船名、船的長度和寬度、船的類型、定位天線在船上的位置。 系統(tǒng)傳輸的航行相關信息：船舶吃水、危險貨物類型、目的港和預計到達時間、航行計劃 (選用項 )、簡明的安全信息。 AIS 的網絡體系結構 開放系統(tǒng)互聯(lián) (OSI)，是 IS0推薦給計算機網絡通信的參考模型，其從高層到低層的一共有七層。其原本開發(fā)的目的是為了基于計算機的系統(tǒng)間建立可相互理解和輔助發(fā)展數據連接而提供一個通用結構，它可以在眾多不同的數據和通信協(xié)議間建立起符合國際標準的系統(tǒng)。表 AIS的分層模型。主要處理機械的、電氣的和過程的接口，以及物理層下的物理傳輸介質等問題。它要解決由于幀的破壞、丟失和重復所出現(xiàn)的問題。該層又分成三個分層：媒體訪問控制 (MAC)；數據鏈路服務 (DLS)；鏈路管理 (LME)。主要功能可以分為 TDMA信道同步、時隙 狀態(tài)的判別和處理、信道訪問等。 AIS系統(tǒng)以 UTC時間為基準，將 UTC時間的 1min作為一幀，并將其分為 2250個時隙。 數據鏈路服務 (DLS)的作用是數據鏈路的激活和釋放、數據傳輸及誤差檢測與控制。數據傳 遞，采用面向比特的協(xié)議，該協(xié)議基于高級數據鏈控制 (HDLC)。 鏈路管理 (LME)的功能是控制 DLS、 MAC層和物理層的運行。包括信道訪問時的各種參數的確定、報告速率的指定、發(fā)射時隙的指定、信息結構和信息類別等。其功能有： (1)建立和維護信道連接； (2)信息優(yōu)先分配的管理； (3)信道間傳輸組的分配； (4)解決數據鏈阻塞的問題，當數據鏈的負荷達到危害信息發(fā)射的程度時，可以使用 Robin Hood準則來解決。 發(fā)射信息包的定義是最終能與外部系統(tǒng)進行通信的信息內部表述法，有尺寸大小并遵從數據傳輸規(guī)則 。 AIS 的信息是通過信息數據包來傳輸的，一幀為 1min，分為 2550 個時隙，每個時隙還有 256bits。開始標記稱字同步，它表示信息的開始位，作為信息起始的時間標準。信息標志表示信息類型、信息數量、優(yōu)先級和路徑。幀校驗序列用于檢測傳輸的數據是否正確，其采用循環(huán)冗余校驗 (CRC)。 2 船載 AIS 原理 船載 AIS 的工作原理 AIS 采用時分多址 (TDMA)通信方式， 它把每個信道的時間分成固定的時隙， 而 TDMA技術需要所有電臺保持 時間上的同步。當然，其它與 UTC 相關的時間也可以作為 AIS 的時間源。 AIS 采用以下 4 中方法來產生對 UTC 時間的估計： (1)直接與 UTC同步 裝備了 GPS接收機的用戶能夠自己估計 UTC時間 (GPS時間 )。 (2)間接與 UTC同步 當一個電臺不能從 GPS接收機中得到 UTC時間，但能接收到與 UTC同步的 其他電臺的信號時，這個電臺將與他們中的一個同步。當船臺能接收到幾個接收臺數量相同的岸臺發(fā)送的信息時，應選用海上移動業(yè)務識別 (MMSI)最小的岸臺。當船臺能接收到幾個其他船臺發(fā)送的消息，而其中每個臺所能接收到的臺站數量相 同時，移動臺應選用 MMSI最小的船站，該船臺將成為同步調整的信號臺。船臺通過時間相位同步可以保證臺站問具有較高的同步穩(wěn)定性，并能保證不會產生消息邊界的重疊。 (2)幀同步 幀同步是指船臺將接收到的其他船臺或岸站的當前時隙號作為自己的當前時隙號，以保證自身的幀與周圍臺 站 的同步。這些協(xié)議共同存在和同時運行于 TDMA信道中，以支持 AIS的 3種工作模式和各項功能。這個協(xié)議的目的是提供一種接入算法以便在沒有控制臺干預的情況下，迅速解決通信碰撞問題。 (2)增量式時分多址 (IDMA)協(xié)議 ITDMA支持電臺在數據鏈路的網絡入口、臨時改變報告率和傳送與安全有關的報文時，預定傳輸時隙。在第一個 ITDMA時隙傳輸前，電臺必須先隨機的選擇下一個跟隨的 ITDMA時隙，并計算相對偏差。 (3)隨機式時分多址 (RATDMA)協(xié)議 在沒有先前預定時，要使用 RATDMA接入數據鏈路。 RATDMA使用概率持續(xù)算法在可選時隙中確定傳輸時隙。RATDMA的選擇間隔應為 150個時隙，相當于 4秒。 (4)固定式時分多址 (FATDMA)協(xié)議 只有岸臺或控制臺才能使用 FATDMA。這個協(xié)議可以避免在某些情況下移動站臺占用岸臺預定的時隙。 自組織通信原理 AIS的核心技術是海上自組織無線數據鏈路。所謂“自組織通信”的含義是指加入到該數據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。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的時間信息 (傳輸時隙 )，以便通知數據鏈路上的其他臺站不要占用這個時隙，因而為自己預留了下一次廣播的時隙；同時，海上自組織無線數據鏈路要求在 3— 8分鐘的時間范圍內重新選擇一次時隙，以解決鏈路上因為移動臺運動而可能產生的通信碰撞。 圖 自組織通信原理圖 海上自組織無線數據鏈路的一個重要特征是它為一個新傳輸或將來傳輸而進行預定時隙的選擇方法。因為很容易 找到沒有被其他 10 臺站預定的時隙。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行而不需要有岸臺進行信道資源管理。在網絡入口階段，該值一般取 150個時隙，大約相當于 4秒。 (2)推導出一個可選時隙的列表?？捎脮r隙是指那些已被其他臺預定，但可以依據準則進行復用的時隙。 (3)當從一個信道的可選時隙中進行最終選擇的時，要考慮另一個信道中的情況。 (4)由于信道轉換需要時間，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。 (5)最終時隙是從可選時隙中等概率的隨機選出。 (6)時隙選擇應在兩個信道上平行進行，周期性播發(fā)信息的傳輸應在這兩個信道之間交替發(fā)射。 自組織通信算法是保證 AIS進行自主和連續(xù)運行的關鍵。 表 自組織通信算法參數表 符號 名稱 說明 最小值 最大值 NSS 標稱 開始時隙 系統(tǒng)在鏈路上傳輸的第一個時隙 0 2249 NS 標稱時隙 選擇時隙的參考中心 0 2249 NI 標稱增重 標稱時隙間的時隙數 75 1225 RR 報告率 每幀中理想的船位報告數量 1/3 30 SI 選擇間隔 船位報告候選時隙的選擇范圍 NTS 標稱傳輸時隙 在選擇間隔內選中的時隙 0 2249 TMO 超時 連續(xù)占據某個時隙的次數 3 8 AIS在開機后首先進入 1分鐘的初始化階段。 1分鐘過后，系統(tǒng)進入網絡入口階段，開始根據時間表進行信號發(fā)射。首次發(fā)送的信息總是船位報告，發(fā)射該報告的時隙 NSS應當在當前時隙和未來標稱增量 NI的時間范圍內隨機選擇。這是 AIS解決鏈路容量過載，防止系統(tǒng)崩潰的有效手段。這種時隙復用的結果將導致數據鏈路上的廣播范圍逐漸減小。 IEC 611621是在 1995年制定的，它是一個單講話器，多受話器標準，規(guī)定 了海上電子設備、導航和無線通信設備之間進行通信必須遵循的標準。它規(guī)定數據以可打印的 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。 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)的數目受各個器件的輸出和輸入驅動能力限制，它們通過帶兩個插頭的屏蔽雙絞線連接?？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。所有的數據都以 ASCII碼的形式發(fā)送。這些字符不僅有著長度的限制，同時，傳送的文本數據還必須符合協(xié)議中所定義的語句格 式。AIS有三種語句格式： (1)正式語句。語句的格式參見 IEC 61162協(xié)議。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會成為講話者。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)送自定義數據。 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。 講話者設備類型見表 所示： 13 表 講話者設備類型助記符 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通信設備，即將 VHF 87B(AIS1)和 VHF 88B(AIS2)定為 國際通用的 AIS設備通信通道。 IEC 611621標準支持封裝的二進制編碼數據的傳送。表 3的船舶位置 報告電文為例介紹數據中二進制比特的含義。 (1)系統(tǒng)管理包括用戶管理、數據庫連接和串口管理功能。 數據庫連接：通過設置與數據庫連接參數，與 AIS船舶數據庫建立連接。 (2)海圖顯示包括基礎顯示、標準顯示和全部顯示。 (3) 海圖操作包括放大顯示、縮小顯示和平移顯示。 (4) 船舶顯示包括船首線、航跡線、船舶標識 (船名、呼號、 MMSI碼 )等的顯示控制。 航跡線顯示：根據接收到的 AIS動態(tài)數據中的船舶歷史位置 (即經度和緯度 )，在海圖上出現(xiàn)的船舶圖形后面顯示或不顯示與之對應的過去一段時間內的船舶歷史位置。 (5) 船舶操作包括航跡回放、報警。 報警：包括碰撞報警、偏航報警和禁航區(qū)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、數據庫技術對所有裝有 AIS設備的船舶進行高效、實時、全天候的監(jiān)控。通過系統(tǒng)本身配置的 AIS接收機， AIS數據接收模塊可實時獲取 AIS船 舶自動播發(fā)的 AIS電文，通過進一步的解析處理，將相關的船舶靜態(tài)數據和動態(tài)數據保存到 AIS船舶數據庫中；船舶監(jiān)控模塊是在 AIS船舶數據庫的基礎上，將已解析好的船舶靜態(tài)數據和動態(tài)數據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。 16 圖 系統(tǒng)網絡結構 數據結構體系就是要詳細描述出系統(tǒng)所要用到的數據信息，也可以稱為數據字典，在系統(tǒng)設計時，系統(tǒng)中所涉及的數據結構必須詳細記錄下來，如果設計完成后，數據結構再發(fā)生變動，對已設計好的數據庫結構和軟件接 口的改動成本都將非常巨大。 系統(tǒng)數據 數據流程 AIS數據處理如圖 ，它包括 AIS數據接收、 AIS電文解析、 AIS數據存儲、 AIS數據傳輸、 AIS數據讀取和 AIS數據顯示等。 17 圖 AIS 數據處理流程 數據存儲 AIS電文內容的數據解析完畢后，必須把這些數據存儲到硬盤中，才便于以后應用和查詢。存儲到文件中，編程簡單，容易實現(xiàn)，但隨著數據量的增大，不利于查找。因此，本系統(tǒng)采用數據庫技術來存儲 AIS電文數據。 ACCESS、 DELPHI、 FOXPRO等軟件雖然簡便易用，但作為小型桌面數據庫，不具有聯(lián)網功能，對數據存儲和查詢優(yōu)化的也不好。 SQL Server具有大型數據庫的優(yōu)點，又簡單易學，容易上手。 關系模型數據庫