內(nèi)容提要:介紹一種基于COM擴展接口模式的AIS模擬器設(shè)計方案,該方案可方便地實現(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,并詳細地進行了實船借鑒應(yīng)用分析。
關(guān)鍵詞:AIS模擬器 設(shè)計方案 應(yīng)用研究
0引言
船舶自動識別系統(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行信息交互,保障船舶航行安全。近年來船用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,必須對學(xué)員進行AIS設(shè)備培訓(xùn)。然而,完全購置AIS真機設(shè)備達不到培養(yǎng)學(xué)生掌握AIS設(shè)備的目的,因為AIS真機設(shè)備要在航海真實環(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環(huán)境。
為了滿足AIS教學(xué)訓(xùn)練的需要,本文設(shè)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(shè)備的完整界面和全部操作功能,并能接收和顯示真實的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),開展AIS操作培訓(xùn),同時可方便地接入雷達模擬器和操舵模擬器等設(shè)備,實現(xiàn)AIS設(shè)備與雷達設(shè)備的融合,對學(xué)生有效掌握AIS設(shè)備具有現(xiàn)實意義。
1系統(tǒng)設(shè)計
1.1系統(tǒng)框架構(gòu)建
FURUNO FA-100型AIS模擬器的設(shè)計從工作原理、界面到實現(xiàn)功能都盡量與真實設(shè)備相符,并能通過串口接收并顯示真實的AIS信息,同時又能方便地進行功能擴展。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(tǒng)設(shè)計考慮能夠獨立運行同時也能支持COM擴展接口的模式。技術(shù)實現(xiàn)方面采用基于IP的多播來模擬AIS設(shè)備的通信,實現(xiàn)同組AIS模擬設(shè)備的報文在組內(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)開發(fā)工具選擇Microsoft Visual Studio.NET 2003:系統(tǒng)運行環(huán)境為Windows XP Professional(簡體中文版)+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)計方案
1.2程序設(shè)計
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,需要對各類型AIS報文進行解析、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),系統(tǒng)對AIS信息進行了解析,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*/
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*/
與此類似,本系統(tǒng)還對靜態(tài)數(shù)據(jù)的消息ID、消息標(biāo)識、MMSI、IMO NO、船名、呼號等數(shù)據(jù)種類進行定義;對系統(tǒng)運行模式如:單機運行、學(xué)生機分組模式、教師機控制模式等參數(shù)進行定義;對仿真AIS通信SOTDMA協(xié)議的WINSOCK的收發(fā)觸發(fā)方式參數(shù)進行了定義。在FURUNO FA-100型AIS模擬器系統(tǒng)開發(fā)中借助對各模塊中的參數(shù)進行賦值與傳遞,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
界面和操作功能設(shè)計:界面布局如圖2所示,與同型號的實船設(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個功能按鈕,所有的操作功能都通過鼠標(biāo)左鍵點擊來實現(xiàn)。需要使用同時按下2個鍵的功能。通過鼠標(biāo)右鍵點擊其中一個按鈕以后再用鼠標(biāo)左鍵點擊按鈕來模擬。
圖2 FURUNO FA-100型AIS模擬器界面
通過按鍵,模擬器完整地模擬真機設(shè)備的全部功能菜單,其菜單樹狀結(jié)構(gòu)最多層次為7層,涉及可操作菜單58個。
控件工作的主要線程:一個是串口通信線程,一個是SOCKET通信線程。兩個線程的工作模式基本一致,首先都阻塞偵聽線程控制事件,如果線程退出事件觸發(fā)(由主程序退出時通知控件觸發(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)運行環(huán)境及COM擴展接口設(shè)計
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行廣播發(fā)送。本模擬器為了適應(yīng)擴展的需要,提供一個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)實船環(huán)境的借鑒應(yīng)用
2.1訓(xùn)練項目配置
系統(tǒng)由l臺教師機和若干臺學(xué)生機組成。教師機軟件設(shè)置AIS模擬器為教師機運行模式,支持從串口接收真實AIS設(shè)備報文并在局域網(wǎng)內(nèi)廣播,同時支持接受網(wǎng)絡(luò)傳遞的AIS報文并可編制和發(fā)送練習(xí)給學(xué)生機。學(xué)生機軟件設(shè)置AIS模擬器為學(xué)生機運行模式,接收網(wǎng)絡(luò)傳來的AIS報文,教師機收到學(xué)生機發(fā)送的AIS信息后,通過事件在電子海圖模塊上進行顯示。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(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)生機收到AIS信息后,在AIS模擬器上進行顯示;同時通過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)運行界面如圖3所示。
2.2相當(dāng)于實船環(huán)境的應(yīng)用訓(xùn)練
2.2.1本系統(tǒng)的UAIS終端控件實現(xiàn)了FURUNO FA-100型AIS顯示單元的大部分功能的仿真,通過模擬器操作,能促進學(xué)員對相應(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、實驗室載體與實船情境差異、訓(xùn)練項目需要與實船設(shè)備限制等矛盾。
圖3系統(tǒng)運行過程及典型界面
2.2.2通過教師機對練習(xí)的科學(xué)配置,對照海圖模塊、雷達ARPA模塊,設(shè)置特殊區(qū)域,如過大橋、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)備在雷達避碰問題上可以有效彌補雷達陰影、盲區(qū)的影響。如船過大橋時大尺寸橋墩形成的臨時陰影,影響陰影區(qū)中的小目標(biāo)探測,在受限水域、緊迫局面時的危害很大,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)比對法解決雷達假回波識別難題。2002年一艘從南非開出的船舶在船首方位1 n mile處出現(xiàn)回波,船長右轉(zhuǎn)避讓時回波隨轉(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)向識別中提出了移動速度估算的思想,但具體操作中也有相當(dāng)大的難度,如機動受限、動作大小等依然會影響估值判斷的正確性?,F(xiàn)在利用AIS系統(tǒng),通過訓(xùn)練,補以海圖地理信息對照,對各類假回波的識別將起到好的作用。
2.2.4應(yīng)用本系統(tǒng)進行訓(xùn)練還能使學(xué)員進一步領(lǐng)會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,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)航線等識別與短信功能,有利于船間協(xié)調(diào)。
2.2.5通過對本系統(tǒng)進行一些AIS導(dǎo)航傳感器誤差的設(shè)置,還能使學(xué)員進一步從原理上認識AIS系統(tǒng)對傳感器的依賴,從而養(yǎng)成與雷達及海圖正確比對的習(xí)慣,對雷達與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)險意識。
3意義
本項目研究為開展AIS專項培訓(xùn)提供了技術(shù)基礎(chǔ),通過對訓(xùn)練科目的合理配置,能使學(xué)員對傳統(tǒng)助航儀器與現(xiàn)代航海儀器的優(yōu)缺點正確認識,在應(yīng)用中優(yōu)勢互補。本項目還考慮了對實船AIS串口數(shù)據(jù)采集的研究,以便進一步實現(xiàn)駕駛臺數(shù)據(jù)資源的集成化、數(shù)字化、虛擬化、圖形化。
作者:南通航運職業(yè)技術(shù)學(xué)院 李軍 來源:航海技術(shù)