內(nèi)容提要：介紹一種基于COM擴(kuò)展接口模式的AIS模擬器設(shè)計(jì)方案，該方案可方便地實(shí)現(xiàn)AIS模擬界面操作、基于電子海圖的AIS導(dǎo)航訓(xùn)練等功能，并詳細(xì)地進(jìn)行了實(shí)船借鑒應(yīng)用分析。

關(guān)鍵詞：AIS模擬器 設(shè)計(jì)方案 應(yīng)用研究

0引言

船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(AIS)是一種新型的輔助導(dǎo)航設(shè)備，它可有效地使船舶與船舶之間、船舶與基站之間、船舶與岸上用戶之間進(jìn)行信息交互，保障船舶航行安全。近年來(lái)船用AIS設(shè)備發(fā)展迅速，為了使航海技術(shù)專業(yè)畢業(yè)學(xué)員能夠很好地掌握AIS設(shè)備，必須對(duì)學(xué)員進(jìn)行AIS設(shè)備培訓(xùn)。然而，完全購(gòu)置AIS真機(jī)設(shè)備達(dá)不到培養(yǎng)學(xué)生掌握AIS設(shè)備的目的，因?yàn)?/SPAN>AIS真機(jī)設(shè)備要在航海真實(shí)環(huán)境下有船舶、有基站才能夠正常工作，而在學(xué)校不可能有航海真實(shí)環(huán)境。

為了滿足AIS教學(xué)訓(xùn)練的需要，本文設(shè)計(jì)了一種基于COM擴(kuò)展接口模式的AIS模擬器。該模擬器模擬FURUNO FA-100型AIS設(shè)備的完整界面和全部操作功能，并能接收和顯示真實(shí)的AIS信息以及仿真模擬AIS通信網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建AIS模擬系統(tǒng)，開(kāi)展AIS操作培訓(xùn)，同時(shí)可方便地接入雷達(dá)模擬器和操舵模擬器等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)AIS設(shè)備與雷達(dá)設(shè)備的融合，對(duì)學(xué)生有效掌握AIS設(shè)備具有現(xiàn)實(shí)意義。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1．1系統(tǒng)框架構(gòu)建

FURUNO FA-100型AIS模擬器的設(shè)計(jì)從工作原理、界面到實(shí)現(xiàn)功能都盡量與真實(shí)設(shè)備相符，并能通過(guò)串口接收并顯示真實(shí)的AIS信息，同時(shí)又能方便地進(jìn)行功能擴(kuò)展。如與雷達(dá)模擬器、操舵模擬器等其它模擬器互連。因此，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮能夠獨(dú)立運(yùn)行同時(shí)也能支持COM擴(kuò)展接口的模式。技術(shù)實(shí)現(xiàn)方面采用基于IP的多播來(lái)模擬AIS設(shè)備的通信，實(shí)現(xiàn)同組AIS模擬設(shè)備的報(bào)文在組內(nèi)可廣播發(fā)送，不同組的AIS模擬設(shè)備之間不能互相通信。系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具選擇Microsoft Visual Studio．NET 2003：系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境為Windows XP Professional(簡(jiǎn)體中文版)+SP2。系統(tǒng)總體構(gòu)成如圖1所示。

圖1 FURUNO FA-100型AIS模擬器總體設(shè)計(jì)方案

1．2程序設(shè)計(jì)

1．2．1數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義

FURUNO FA-100型AIS模擬器的主要功能是完整地模擬AIS設(shè)備的界面操作功能和AIS網(wǎng)絡(luò)通信功能。因此，需要對(duì)各類型AIS報(bào)文進(jìn)行解析、顯示。根據(jù)IEC-61 162-100(AIS數(shù)字接口的特別要求)和ITU-R M．1371-1(AIS系統(tǒng)技術(shù)特性的推薦標(biāo)準(zhǔn))，系統(tǒng)對(duì)AIS信息進(jìn)行了解析，并定義了相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，舉例如下：

動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)定義：

typedef struct__ Position Report

{

unsigned char Message ID； ／*消息ID*／

unsigned char Repeat Indicator； ／*消息標(biāo)識(shí)*／

unsigned int MMSI； ／*MMSI*／

unsigned char Navigation Status； ／*航行狀態(tài)*／

unsigned char RaimFlag； ／**／

CommState Communication State；／*通信狀態(tài)*／

}Position Report ； ／*船舶位置報(bào)告*／

與此類似，本系統(tǒng)還對(duì)靜態(tài)數(shù)據(jù)的消息ID、消息標(biāo)識(shí)、MMSI、IMO NO、船名、呼號(hào)等數(shù)據(jù)種類進(jìn)行定義；對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行模式如：?jiǎn)螜C(jī)運(yùn)行、學(xué)生機(jī)分組模式、教師機(jī)控制模式等參數(shù)進(jìn)行定義；對(duì)仿真AIS通信SOTDMA協(xié)議的WINSOCK的收發(fā)觸發(fā)方式參數(shù)進(jìn)行了定義。在FURUNO FA-100型AIS模擬器系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中借助對(duì)各模塊中的參數(shù)進(jìn)行賦值與傳遞，控制AIS設(shè)備的界面操作功能和AIS網(wǎng)絡(luò)通信功能。

1．2．2可共用的UAIS模擬器終端控件設(shè)計(jì)

界面和操作功能設(shè)計(jì)：界面布局如圖2所示，與同型號(hào)的實(shí)船設(shè)備一致。左邊的顯示區(qū)域模擬AIS設(shè)備的顯示屏：右邊為16個(gè)功能按鈕，所有的操作功能都通過(guò)鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊來(lái)實(shí)現(xiàn)。需要使用同時(shí)按下2個(gè)鍵的功能。通過(guò)鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)擊其中一個(gè)按鈕以后再用鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊按鈕來(lái)模擬。

圖2 FURUNO FA-100型AIS模擬器界面

通過(guò)按鍵，模擬器完整地模擬真機(jī)設(shè)備的全部功能菜單，其菜單樹(shù)狀結(jié)構(gòu)最多層次為7層，涉及可操作菜單58個(gè)。

控件工作的主要線程：一個(gè)是串口通信線程，一個(gè)是SOCKET通信線程。兩個(gè)線程的工作模式基本一致，首先都阻塞偵聽(tīng)線程控制事件，如果線程退出事件觸發(fā)(由主程序退出時(shí)通知控件觸發(fā))，則退出線程；如果線程工作事件觸發(fā)(由設(shè)置工作模式觸發(fā))，則繼續(xù)下面的工作。

1．2．3網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行環(huán)境及COM擴(kuò)展接口設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用IP多播通信方式。主要工作端口為60000，模擬設(shè)備在該端口上接收訓(xùn)練配置信息。各訓(xùn)練分組模擬設(shè)備的AIS信息都在各自的多播組上進(jìn)行廣播發(fā)送。本模擬器為了適應(yīng)擴(kuò)展的需要，提供一個(gè)COM接口IAIS。IAIS接口提供了外部應(yīng)用程序?qū)Ρ灸M器的控制和數(shù)據(jù)傳遞接口。

2 AIS模擬器訓(xùn)練與相當(dāng)實(shí)船環(huán)境的借鑒應(yīng)用

2．1訓(xùn)練項(xiàng)目配置

系統(tǒng)由l臺(tái)教師機(jī)和若干臺(tái)學(xué)生機(jī)組成。教師機(jī)軟件設(shè)置AIS模擬器為教師機(jī)運(yùn)行模式，支持從串口接收真實(shí)AIS設(shè)備報(bào)文并在局域網(wǎng)內(nèi)廣播，同時(shí)支持接受網(wǎng)絡(luò)傳遞的AIS報(bào)文并可編制和發(fā)送練習(xí)給學(xué)生機(jī)。學(xué)生機(jī)軟件設(shè)置AIS模擬器為學(xué)生機(jī)運(yùn)行模式，接收網(wǎng)絡(luò)傳來(lái)的AIS報(bào)文，教師機(jī)收到學(xué)生機(jī)發(fā)送的AIS信息后，通過(guò)事件在電子海圖模塊上進(jìn)行顯示。學(xué)生機(jī)軟件運(yùn)行后．向教師機(jī)發(fā)送登錄信息，在收到教師機(jī)返回的登錄確認(rèn)信息后才能正常工作。學(xué)生機(jī)在正確設(shè)置后，按照設(shè)置的要求，在局域網(wǎng)內(nèi)廣播發(fā)送AIS信息，學(xué)生機(jī)收到AIS信息后，在AIS模擬器上進(jìn)行顯示；同時(shí)通過(guò)事件通知電子海圖模塊，在電子海圖上顯示AIS目標(biāo)。系統(tǒng)運(yùn)行界面如圖3所示。

2．2相當(dāng)于實(shí)船環(huán)境的應(yīng)用訓(xùn)練

2．2．1本系統(tǒng)的UAIS終端控件實(shí)現(xiàn)了FURUNO FA-100型AIS顯示單元的大部分功能的仿真，通過(guò)模擬器操作，能促進(jìn)學(xué)員對(duì)相應(yīng)設(shè)備操作方法的熟悉，解決了學(xué)員作業(yè)人次與設(shè)備數(shù)量之間、實(shí)驗(yàn)室載體與實(shí)船情境差異、訓(xùn)練項(xiàng)目需要與實(shí)船設(shè)備限制等矛盾。

圖3系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程及典型界面

2．2．2通過(guò)教師機(jī)對(duì)練習(xí)的科學(xué)配置，對(duì)照海圖模塊、雷達(dá)ARPA模塊，設(shè)置特殊區(qū)域，如過(guò)大橋、彎道、航道交匯區(qū)、岬角等的練習(xí)。使學(xué)員更好理解AIS設(shè)備在雷達(dá)避碰問(wèn)題上可以有效彌補(bǔ)雷達(dá)陰影、盲區(qū)的影響。如船過(guò)大橋時(shí)大尺寸橋墩形成的臨時(shí)陰影，影響陰影區(qū)中的小目標(biāo)探測(cè)，在受限水域、緊迫局面時(shí)的危害很大，AIS目標(biāo)的效用在訓(xùn)練中一目了然。

2．2．3利用AIS目標(biāo)比對(duì)法解決雷達(dá)假回波識(shí)別難題。2002年一艘從南非開(kāi)出的船舶在船首方位1 n mile處出現(xiàn)回波，船長(zhǎng)右轉(zhuǎn)避讓時(shí)回波隨轉(zhuǎn)。最后在右轉(zhuǎn)90º后與它船碰撞。這是一種典型的間接反射假回波，傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向識(shí)別中提出了移動(dòng)速度估算的思想，但具體操作中也有相當(dāng)大的難度，如機(jī)動(dòng)受限、動(dòng)作大小等依然會(huì)影響估值判斷的正確性。現(xiàn)在利用AIS系統(tǒng)，通過(guò)訓(xùn)練，補(bǔ)以海圖地理信息對(duì)照，對(duì)各類假回波的識(shí)別將起到好的作用。

2．2．4應(yīng)用本系統(tǒng)進(jìn)行訓(xùn)練還能使學(xué)員進(jìn)一步領(lǐng)會(huì)AIS系統(tǒng)，這種以信息技術(shù)與通信技術(shù)為基礎(chǔ)的助航系統(tǒng)，它在信息的全面性上超越了雷達(dá)，它能提供快速避碰數(shù)據(jù)、關(guān)鍵輔助數(shù)據(jù)，如ROT、船舶尺寸、預(yù)設(shè)航線等識(shí)別與短信功能，有利于船間協(xié)調(diào)。

2．2．5通過(guò)對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行一些AIS導(dǎo)航傳感器誤差的設(shè)置，還能使學(xué)員進(jìn)一步從原理上認(rèn)識(shí)AIS系統(tǒng)對(duì)傳感器的依賴，從而養(yǎng)成與雷達(dá)及海圖正確比對(duì)的習(xí)慣，對(duì)雷達(dá)與AIS各自給出的避碰核心數(shù)據(jù)CPA/TCPA的可信度科學(xué)判斷，提高風(fēng)險(xiǎn)意識(shí)。

3意義

本項(xiàng)目研究為開(kāi)展AIS專項(xiàng)培訓(xùn)提供了技術(shù)基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)訓(xùn)練科目的合理配置，能使學(xué)員對(duì)傳統(tǒng)助航儀器與現(xiàn)代航海儀器的優(yōu)缺點(diǎn)正確認(rèn)識(shí)，在應(yīng)用中優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。本項(xiàng)目還考慮了對(duì)實(shí)船AIS串口數(shù)據(jù)采集的研究，以便進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)駕駛臺(tái)數(shù)據(jù)資源的集成化、數(shù)字化、虛擬化、圖形化。

作者：南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 李軍  來(lái)源：航海技術(shù)