分布式海上AIS通信與監控平臺設計

王 昂，王彥輝

(1.河南中醫學院信息技術學院，河南 鄭州450046;2.河南省財經學校，河南 鄭州450012)

0 引 言

隨著航運業務繁忙程度的不斷增加，船舶體積噸位的不斷上漲，船舶數量的快速增長，使得水上事故的發生頻率愈加頻繁。尤其是在近海海域、港口海域和海峽海域中，不同體積、噸位船舶之間的航線規劃十分復雜，且充滿隱患。一直以來，解決以上問題仍然需要依賴較為傳統的方式，如浮標標記、無線通信、人工調度等，但隨著航運和船舶的發展，越來越無法滿足當代航運管理的需要。

近代通信和計算機技術的發展為解決以上問題提供了新的契機。其中，自動識別系統(AIS)就是該領域取得的較為重要的成果［1-2］。AIS 是一種雙工信息廣播與接收裝置，船舶上安裝的AIS 能夠自動廣播船舶的ID、位置、噸位、速度等信息，而周邊的船舶則能夠接收到其廣播的信息，進行分析之后，采取適當的措施和動作;同時，港口管控中心等交通管制機構，還可以利用AIS 獲取當前海域中所有船舶的信息，從而對海域的交通調度做出合理高效的決策［3-4］。

然而，AIS 仍然存在一些缺陷，制約其得到進一步的應用。當前的AIS 通常采用點對點的通信方式，2 艘船舶能夠根據對方的信息進行通信和協調，當海域船舶數量較多時，則需要由控制中心進行調度和調整［5］。但在大多數海域中，并不存在這樣的控制中心，且同時存在較多船舶，此時使用AIS 可能根本無法采取有效的航向、航速調整等動作。其根本原因在于船舶之間的消息廣播，僅能夠使臨近船舶獲得其自身或周圍的海域情況，而無法得到整個海域的整體視圖，因而無法做出最優的決策。針對這個問題，本文提出一種分布式海上AIS通信與監控平臺，將原先“控制中心——船舶AIS 裝置”的中心化結構，修改為分布式結構，使得在無控制中心的情況下，船舶之間仍能夠實現有效的航行決策。

1 平臺基本結構

在傳統的AIS 結構中，往往采用中心化的拓撲方式，船舶上安裝有AIS 設備，并通過該設備向控制中心報告自己的方位、速度等信息，然后控制中心再根據全局視圖，給出船舶的下一步決策。本文提出的分布式平臺，則取消了控制中心，使得每艘船舶都能夠接收到其他船舶的信息，從而獲得全局視圖進行決策。平臺的基本結構如圖1所示。

如圖1所示，艦載AIS 之間能夠互相通信，為了能夠協調互相的航向、航速等，若干艦載AIS 自動形成AIS 域，在同一AIS 域中，各個船舶廣播自身的信息，并通過多跳中繼的方式，使整個域成員能夠獲得彼此的信息，并且在電子地圖的幫助下，顯示當前AIS 域內所有成員的位置、航向、航速等信息。

由于AIS 采用VHF通信方式，其覆蓋范圍有限，因而在開闊海域中，眾多船舶可能會被組織為不同的AIS 域，相鄰的AIS 域間，如果分別有成員能夠進行通信，那么就能夠在兩域間建立鄰居關系。存在鄰居關系的AIS 域能夠中繼和傳遞消息，并互相通報彼此的信息。

在分布式AIS 平臺中，仍然支持對于控制中心的使用。由于船舶的空間和計算能力有限，因此，可以利用岸基控制中心的強大資源，為AIS 域內船舶的決策提供支持。并且在AIS 域概念下，即便船舶不在控制中心的通信覆蓋范圍內，也能夠通過其他域成員的協作，向控制中心通報自己的相關信息。

根據以上描述，在分布式海上AIS 平臺中，船舶也存在2 種不同的決策類型，即本地決策和外部輔助決策。對于大型船舶來說，在獲取全局視圖的情況下，可以認為自身具有較高的通過權，因此可以采用本地決策的方式決定對于自身速度、航向進行調整;而對于小型船舶來說，需要根據域內整體的交通狀況調整自身的動作，因而可能需要外部控制中心進行輔助決策。

2 平臺工作原理

2.1 AIS 域

在分布式海上AIS通信與監控平臺中，AIS 域是最為基本的概念。AIS 域的提出，將原本孤立的艦載AIS 設備集合為一個整體，為脫離控制中心的決策提供基礎。

簡單來講，AIS 域就是一系列艦載AIS 設備的集合，也就是若干艘船舶的集合。AIS 域的創建和生成需要遵循以下步驟:

1)探測階段:船舶AIS 設備按照一定周期廣播一個探測消息，當周圍的船舶AIS 接到該探測消息之后，產生應答消息，AIS 設備收到應答消息之后，建立自己的鄰居表。

2)創建階段:當每艘船舶的鄰居表建立之后，則開始向自己的鄰居發送AIS 域建立請求，并包含有新建立域的ID。鄰居接收到該請求之后，檢查域ID，如果該域ID 合法，且在此之前沒有收到其他的ID，那么以此ID 作為AIS 域的ID，并將自身加入該AIS 域。

3)加入階段:如果某船舶自身并不屬于某個AIS 域，且當收到自己鄰居發送的域請求時，那么就將自身加入到該AIS 域;當船舶發送探測消息時，如果收到的應答消息中，帶有域標識，那么就廣播一個請求消息，將自身加入到該域中。

4)通告階段:在此階段中，每艘船舶廣播自己的鄰居列表，并根據收到的鄰居列表，獲得全域的拓撲關系圖，獲得在AIS 域內所有成員的位置與下一跳地址。至此，在一個AIS 域中，所有的成員不僅了解周邊船舶的信息，還了解到不在自身通信范圍內的域成員的信息，從而獲得全域視圖，為自身下一步的決策提供支持。

通過以上過程可以看出，AIS 域是一組在一定通信范圍內的船舶集合，其不受地理范圍的影響，因而可以應用在多種海域，如港口、海峽等。

需要指出的是，當2個域的距離足夠近，也就是某2個域中的成員距離小于一定閾值時，那么2個AIS 域啟動合并程序，合并為1個域，包含成員個數較少的域并入成員較多的域。首先，分屬2個域的成員通報自身的成員個數;然后，成員較少的域將自身加入成員較多的域，然后遞歸地進行該步驟，直到所有成員均合并到另一個域，或出現距離較大的成員，不滿足合并條件，則整個過程停止。

2.2 硬件設計

本文采用嵌入式系統作為系統的實現方案，采用三星S3C44B0X ARM9 作為處理器主板，并采用當下最為流行的Android 4.0 作為操作系統的實現方式，其實現簡單，且不需要對原先的設備進行更新和淘汰。系統的硬件結構如圖2所示。

如圖2所示，傳統的AIS 設備通過接口電路與嵌入式系統相連，同時集成了海上GPS 模塊和船舶傳感器。通過AIS 設備，該平臺能夠實現傳統AIS的所有功能，海上GPS 模塊則能夠提高較為精確的位置、海拔、速度信息和時間信息，而船舶傳感器則能夠獲得船舶的狀態等綜合信息。這些信息通過接口電路和RS232 串行接口，發送給上位機進行進一步的處理和分析。

在本文提出的平臺中，上位機是嵌入式系統和通用計算機的集合體，通過Android 4.0，可以對各種消息進行轉換。由于Android 平臺是一款開放、功能強大的操作系統，能夠在其上開發各種應用，而且可以與計算機相連，因此，在本文的設計方案中，采用Android 平臺作為系統消息格式轉換、硬件管理等底層功能的主要實現方式。而通用計算機或服務器則負責對于信息的深度處理、算法的執行、結果的顯示等功能。

2.3 軟件設計

平臺的軟件設計如圖3所示。

圖3 平臺軟件設計Fig.3 The software design of platform

從圖3 可知，本平臺的軟件設計主要分為2個部分。底層軟件開發主要在Android 嵌入式平臺中完成，其主要模塊包含設備自檢與狀態監控，主要負責與船載各種設備之間的交互，獲得設備當前的工作狀態和傳感器的狀態消息;數據校驗與格式轉換，主要將接口電路發送過來的各種消息，通過硬件方式，編碼為系統的統一格式。

在上層軟件設計中，由于嵌入式系統的計算能力和顯示能力有限，因而仍然采用計算機/服務器作為上層軟件的實現和使用平臺。主要包括:船舶決策，為船舶的控制和姿態的調整提供操作平臺和自動應急程序;電子地圖，采用電子地圖服務器提供電子海圖服務;服務調用，通過衛星網絡接入Internet，根據實際需要調用相應的服務，擴充平臺的功能和能力，完成綜合性的任務。

船舶決策是整個上層軟件的核心，其主要提供以下2 種功能:最基礎的功能是向用戶提供決策平臺，在該平臺上集成了多種類型的信息，可以供管理員或船員對信息進行分析，然后進一步調整;此外，還提供了相關的自動決策程序，當船舶的距離較近、出現碰撞危險、發生貨物泄露等危險時，自動決策程序則按照以下步驟進行執行:

1)系統預警:通過接收到各種傳感器的信息，分析出異常事件的發生，向用戶發出預警信號，同時向周圍船舶發送異常求救信號，然后啟動預先定義好的處理措施。如當發現火災時，首先發送預警信息，然后向周圍船舶提示火警信息，然后結合船舶的滅火防災系統，啟動警鈴，開啟消防設施。

2)服務調用:根據預先定義的處理規則，通過船舶自身自動控制系統或網絡，調用相關的服務，例如在火災發生時，一方面可以通過船舶自動化控制系統開啟消防設施，關閉部分艙室電路等;另一方面可以聯系港口控制中心等組織和機構，向其報告火警信息，發出求救信號。

3)決策評估:在服務調用過程中，系統將根據當前的情況不斷收集和更新數據，并對當前的決策給出實時評估，使得用戶能夠及時了解決策的效果，并進行進一步的調整。

3 通信模式

在分布式海上AIS通信與監控平臺的支持下，在同一AIS 域內的船舶成員，其通信能力也能夠獲得較大的提高。傳統的AIS 只能采用廣播和接收的方式，而在本文提出的平臺中，則能夠分別使用廣播、會議、中繼3 種方式。會議模式如圖4所示。

圖4 AIS 會議通信模式Fig.4 The meeting communicationmode

在會議通信模式下，某個艦載AIS 設備充當核心節點，實現類似服務器的角色，若干參與節點接入核心節點，消息在核心節點中完成交換，從而實現類似聊天室和電話會議的效果。

中繼通信模式如圖5所示。在中繼通信模式下，中繼節點收到消息之后，檢查消息的目的節點ID ，然后檢查自身的鄰居表和下一跳表，如果目的節點是自身的鄰居，那么直接發送，如果不是則繼續查找拓撲關系圖，然后發給下一跳節點，最終通過多跳完成通信過程。

圖5 中繼通信模式Fig.5 The relay communicationmode

4 結 語

AIS 作為一種常用的助航設備，在船舶管理和航行安全領域扮演著重要的角色。然而，隨著航運業的發展和船舶技術的提高，傳統的AIS 難以滿足當前的需要，為此本文提出了一種分布式的海上AIS通信與監控平臺，將傳統AIS的中心化拓撲結構改進為分布式的拓撲結構，并給出了平臺的框架、軟硬件設計和通信模式設計，為繼續發展和完善AIS 系統提供了借鑒和依據。

［1］HOYE G K，ERIKSEN T，MELAND B J，et al.Spacebased AIS for globalmaritime traffic monitoring［J］.Acta Astronautica，2008，62(2):240-245.

［2］TAO Ding-xiong，LIU Yi-cheng.Design of portable intelligent instrument based on the arm［J］.Microcomputer Information，2008，24(26):96-97.

［3］蔣雷，賀國.一種絕對式氣壓傳感器結構與相關特性［J］.艦船科學技術，2013，35(6):126-130.JIANG Lei，HE Guo.An absolute pressure sensor structure and related properties［J］.Ship Science and Technology，2013，35(6):126-130.

［4］TOMLINSON R.Thinking about GIS:geographic informat-ion system planning for managers［J］.Canadian Geographer，2008，52(1):121.

［5］王偉，林恒清.基于AFDX的淺用水聲傳感器信息傳輸網絡［J］.艦船科學技術，2012，1(12):56-60.WANG Wei，LIN Heng-qing.Shallow with acoustic sensor based on AFDX network information transmission［J］.Ship Science and Technology，2012，1(12):56-60.