1、本科毕业论文（20 届）水上智能平台监控系统的设计与实现所在学院专业班级 计算机科学与技术学生姓名指导教师完成日期2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
2、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 SQL Server 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 AbstractIn recent years, the software industry has been greatly dev
3、eloped, from a service and only a few industries, to the full, three-dimensional services to all industries. But today, whether domestic or foreign, intelligent monitoring the ships water, are just beginning shortly. Currently in the maritime, waterways, power, petroleum, ports, fisheries, border co
4、ntrol, salvage and other water-related industries will need to waters voyages dynamic real-time monitoring. For example: in the maritime industry applications that require effective monitoring of key national waters and on-site water transport ship dynamic scene situation, protect water traffic safe
5、ty; applications in the power industry needs to monitor submarine cable protection zone status of the ships movement, avoiding past the ships anchor , dragging anchors and fishing and other activities leading submarine cable damage; applications in the petroleum industry, offshore oil platforms need
6、 to monitor the area near the ship motion state, to avoid collision cause structural damage to platforms.Key words: Water Intelligent Transportation，Electronic Chart Display System ，Water safety4目 录1 绪论 .11.1 选题的背景和意义 .11.2 研究现状 .22 船载 AIS 的结构与功能 .32.1 AIS 的构成 .32.1.1 数据的采集部分 .32.1.2 信号处理与系统控制器 .32.
7、1.3 信息显示器 .42.1.4 VHF 收发机部分 .42.2 AIS 的功能特点 .42.3 AIS 的网络体系结构 .42.3.1 物理层 .62.3.2 数据链路层 .62.3.3 网络层 .62.3.4 传输层 .73 船载 AIS 原理 .93.1 船载 AIS 的工作原理 .93.1.1 TDMA 数据链同步 .93.1.2 AIS 时隙接入协议 .103.2 自组织通信原理 .103.3 AIS 接口协议 .123.3.1 IEC 61162 协议 .123.3.2 电气规范 .133.3.3 语句格式及符号 .133.3.4 ITU-R M.1371-1 协议 .144 系
8、统总体设计 .154.1 系统功能 .154.2 系统框架 .164.3 系统数据 .174.3.1 数据流程 .174.3.2 数据存储 .185 电子海图显示 .195.1 电子海图概述 .195.2 海图信息显示 .205.3 图像缩放 .206 系统实现及软件操作 .226.1 海图操作 .226.1.1 统符号说明 .226.1.2 船舶简要操作说明 .236.2 功能按钮 .246.2.1 绘图工具 .256.2.2 海图漫游 .256.2.3 图层显示 .271 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，
9、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
10、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
11、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
12、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 IMO NAV（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 IMO MSC 大会通过。21.2 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
13、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 Visual c+60 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
14、 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
15、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。2.1 AIS 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
16、等。如图 1.1 所示：图 1.1 AIS 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4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
17、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(Automatic and Continuous)、分配/指配模式(Assigne
18、d)和轮询/受控模式(Polled or Controlled)。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。2.1.4 VHF 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(161975MHz)，CH88B(162025MHz)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
19、域性频率。2.2 AIS 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25KHz12.5KHz，FMGMSK 调制方式和 NRZI 数据编码方式，数据传输的比特率为9600b/s。2.3 AIS 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
