內容提要：介紹一種基于COM擴展接口模式的AIS模擬器設計方案，該方案可方便地實(shí)現AIS模擬界面操作、基于電子海圖的AIS導航訓練等功能，并詳細地進(jìn)行了實(shí)船借鑒應用分析。

關(guān)鍵詞：AIS模擬器 設計方案 應用研究

0引言

船舶自動(dòng)識別系統(AIS)是一種新型的輔助導航設備，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(hù)之間進(jìn)行信息交互，保障船舶航行安全。近年來(lái)船用AIS設備發(fā)展迅速，為了使航海技術(shù)專(zhuān)業(yè)畢業(yè)學(xué)員能夠很好地掌握AIS設備，必須對學(xué)員進(jìn)行AIS設備培訓。然而，完全購置AIS真機設備達不到培養學(xué)生掌握AIS設備的目的，因為AIS真機設備要在航海真實(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(mǎn)足AIS教學(xué)訓練的需要，本文設計了一種基于COM擴展接口模式的AIS模擬器。該模擬器模擬FURUNO FA-100型AIS設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 )，構建AIS模擬系統，開(kāi)展AIS操作培訓，同時(shí)可方便地接入雷達模擬器和操舵模擬器等設備，實(shí)現AIS設備與雷達設備的融合，對學(xué)生有效掌握AIS設備具有現實(shí)意義。

1系統設計

1．1系統框架構建

FURUNO FA-100型AIS模擬器的設計從工作原理、界面到實(shí)現功能都盡量與真實(shí)設備相符，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)行功能擴展。如與雷達模擬器、操舵模擬器等其它模擬器互連。因此，本系統設計考慮能夠獨立運行同時(shí)也能支持COM擴展接口的模式。技術(shù)實(shí)現方面采用基于IP的多播來(lái)模擬AIS設備的通信，實(shí)現同組AIS模擬設備的報文在組內可廣播發(fā)送，不同組的AIS模擬設備之間不能互相通信。系統開(kāi)發(fā)工具選擇Microsoft Visual Studio．NET 2003：系統運行環(huán)境為Windows XP Professional(簡(jiǎn)體中文版)+SP2。系統總體構成如圖1所示。

圖1 FURUNO FA-100型AIS模擬器總體設計方案

1．2程序設計

1．2．1數據結構定義

FURUNO FA-100型AIS模擬器的主要功能是完整地模擬AIS設備的界面操作功能和AIS網(wǎng)絡(luò )通信功能。因此，需要對各類(lèi)型AIS報文進(jìn)行解析、顯示。根據IEC-61 162-100(AIS數字接口的特別要求)和ITU-R M．1371-1(AIS系統技術(shù)特性的推薦標準)，系統對AIS信息進(jìn)行了解析，并定義了相應的數據結構，舉例如下：

動(dòng)態(tài)數據定義：

typedef struct__ Position Report

{

unsigned char Message ID； ／*消息ID*／

unsigned char Repeat Indicator； ／*消息標識*／

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 ； ／*船舶位置報告*／

與此類(lèi)似，本系統還對靜態(tài)數據的消息ID、消息標識、MMSI、IMO NO、船名、呼號等數據種類(lèi)進(jìn)行定義；對系統運行模式如：?jiǎn)螜C運行、學(xué)生機分組模式、教師機控制模式等參數進(jìn)行定義；對仿真AIS通信SOTDMA協(xié)議的WINSOCK的收發(fā)觸發(fā)方式參數進(jìn)行了定義。在FURUNO FA-100型AIS模擬器系統開(kāi)發(fā)中借助對各模塊中的參數進(jìn)行賦值與傳遞，控制AIS設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模擬器終端控件設計

界面和操作功能設計：界面布局如圖2所示，與同型號的實(shí)船設備一致。左邊的顯示區域模擬AIS設備的顯示屏：右邊為16個(gè)功能按鈕，所有的操作功能都通過(guò)鼠標左鍵點(diǎn)擊來(lái)實(shí)現。需要使用同時(shí)按下2個(gè)鍵的功能。通過(guò)鼠標右鍵點(diǎn)擊其中一個(gè)按鈕以后再用鼠標左鍵點(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設備的全部功能菜單，其菜單樹(shù)狀結構最多層次為7層，涉及可操作菜單58個(gè)。

控件工作的主要線(xiàn)程：一個(gè)是串口通信線(xiàn)程，一個(gè)是SOCKET通信線(xiàn)程。兩個(gè)線(xiàn)程的工作模式基本一致，首先都阻塞偵聽(tīng)線(xiàn)程控制事件，如果線(xiàn)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(xiàn)程；如果線(xiàn)程工作事件觸發(fā)(由設置工作模式觸發(fā))，則繼續下面的工作。

1．2．3網(wǎng)絡(luò )運行環(huán)境及COM擴展接口設計

系統采用IP多播通信方式。主要工作端口為60000，模擬設備在該端口上接收訓練配置信息。各訓練分組模擬設備的AIS信息都在各自的多播組上進(jìn)行廣播發(fā)送。本模擬器為了適應擴展的需要，提供一個(gè)COM接口IAIS。IAIS接口提供了外部應用程序對本模擬器的控制和數據傳遞接口。

2 AIS模擬器訓練與相當實(shí)船環(huán)境的借鑒應用

2．1訓練項目配置

系統由l臺教師機和若干臺學(xué)生機組成。教師機軟件設置AIS模擬器為教師機運行模式，支持從串口接收真實(shí)AIS設備報文并在局域網(wǎng)內廣播，同時(shí)支持接受網(wǎng)絡(luò )傳遞的AIS報文并可編制和發(fā)送練習給學(xué)生機。學(xué)生機軟件設置AIS模擬器為學(xué)生機運行模式，接收網(wǎng)絡(luò )傳來(lái)的AIS報文，教師機收到學(xué)生機發(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)生機軟件運行后．向教師機發(fā)送登錄信息，在收到教師機返回的登錄確認信息后才能正常工作。學(xué)生機在正確設置后，按照設置的要求，在局域網(wǎng)內廣播發(fā)送AIS信息，學(xué)生機收到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。系統運行界面如圖3所示。

2．2相當于實(shí)船環(huán)境的應用訓練

2．2．1本系統的UAIS終端控件實(shí)現了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)員對相應設備操作方法的熟悉，解決了學(xué)員作業(yè)人次與設備數量之間、實(shí)驗室載體與實(shí)船情境差異、訓練項目需要與實(shí)船設備限制等矛盾。

圖3系統運行過(guò)程及典型界面

2．2．2通過(guò)教師機對練習的科學(xué)配置，對照海圖模塊、雷達ARPA模塊，設置特殊區域，如過(guò)大橋、彎道、航道交匯區、岬角等的練習。使學(xué)員更好理解AIS設備在雷達避碰問(wèn)題上可以有效彌補雷達陰影、盲區的影響。如船過(guò)大橋時(shí)大尺寸橋墩形成的臨時(shí)陰影，影響陰影區中的小目標探測，在受限水域、緊迫局面時(shí)的危害很大，AIS目標的效用在訓練中一目了然。

2．2．3利用AIS目標比對法解決雷達假回波識別難題。2002年一艘從南非開(kāi)出的船舶在船首方位1 n mile處出現回波，船長(cháng)右轉避讓時(shí)回波隨轉。最后在右轉90º后與它船碰撞。這是一種典型的間接反射假回波，傳統轉向識別中提出了移動(dòng)速度估算的思想，但具體操作中也有相當大的難度，如機動(dòng)受限、動(dòng)作大小等依然會(huì )影響估值判斷的正確性?，F在利用AIS系統，通過(guò)訓練，補以海圖地理信息對照，對各類(lèi)假回波的識別將起到好的作用。

2．2．4應用本系統進(jìn)行訓練還能使學(xué)員進(jìn)一步領(lǐng)會(huì )AIS系統，這種以信息技術(shù)與通信技術(shù)為基礎的助航系統，它在信息的全面性上超越了雷達，它能提供快速避碰數據、關(guān)鍵輔助數據，如ROT、船舶尺寸、預設航線(xiàn)等識別與短信功能，有利于船間協(xié)調。

2．2．5通過(guò)對本系統進(jìn)行一些AIS導航傳感器誤差的設置，還能使學(xué)員進(jìn)一步從原理上認識AIS系統對傳感器的依賴(lài)，從而養成與雷達及海圖正確比對的習慣，對雷達與AIS各自給出的避碰核心數據CPA/TCPA的可信度科學(xué)判斷，提高風(fēng)險意識。

3意義

本項目研究為開(kāi)展AIS專(zhuān)項培訓提供了技術(shù)基礎，通過(guò)對訓練科目的合理配置，能使學(xué)員對傳統助航儀器與現代航海儀器的優(yōu)缺點(diǎn)正確認識，在應用中優(yōu)勢互補。本項目還考慮了對實(shí)船AIS串口數據采集的研究，以便進(jìn)一步實(shí)現駕駛臺數據資源的集成化、數字化、虛擬化、圖形化。

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