徐海潮 王興超 林垂興 董朝明

（長(zhǎng)江南京航道工程局 南京210011）

0 引 言

發(fā)展長(zhǎng)江航道對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展有著重要的戰(zhàn)略意義［1］。為打破長(zhǎng)江下游的水深“瓶頸”，國(guó)家投入巨資進(jìn)行長(zhǎng)江南京以下12.5m深水航道1期工程建設(shè)。

長(zhǎng)江南京以下12.5m深水航道1期工程包括通州沙和白茆沙2個(gè)整治建筑物工程，長(zhǎng)江航道局負(fù)責(zé)建設(shè)通州沙I標(biāo)。通州沙I標(biāo)處于南通與常熟之間的9 600m航道段，見圖1。此航段航運(yùn)業(yè)高度發(fā)達(dá)，主航道的航行船舶較多，工程期間有較多的施工船舶頻繁穿越主航道，帶來(lái)諸多安全隱患。如何實(shí)時(shí)監(jiān)管船舶并減小施工運(yùn)輸船舶對(duì)主航道安全的影響是亟待解決的問(wèn)題。利用AIS技術(shù)，可實(shí)時(shí)獲取當(dāng)前船舶的狀態(tài)信息，并將AIS技術(shù)延伸到發(fā)送通知和調(diào)度等消息方向，從而顯著提高了船舶的安全性，減輕了監(jiān)管人員的工作量，進(jìn)一步提高了安全監(jiān)管的科技水平。

圖1 通州沙I標(biāo)整治工程平面位置Fig.1 The plane position of Tongzhousha I

1 AIS技術(shù)介紹

船載自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（automatic identification system，AIS）是1種新型的海上助航系統(tǒng)，它將船舶自身的船名、位置、航速、航向等信息按照IEC（International Electrotechnical Commission）61162－1和ITU（International Telecommunication Union）1371－1協(xié)議進(jìn)行封裝，然后采用全球通用的VHF頻率161.975MHz和162.025 MHz以無(wú)線電波的形式將本船信息廣播出去，周圍船舶通過(guò)接收AIS信息，并對(duì)信息進(jìn)行解析，就能實(shí)時(shí)獲取他船信息，（位置、狀態(tài)等）［2］。AIS技術(shù)極大地降低了船舶因視線或能見度等原因造成的船舶交通事故率，同時(shí)也為相關(guān)部門的監(jiān)管、調(diào)度和其他應(yīng)用提供了便利。

2 系統(tǒng)分析及需求

由于船載AIS信息覆蓋范圍有限，并且離監(jiān)控中心較遠(yuǎn)，同時(shí)也存在著高大建筑物的遮擋等問(wèn)題，船載AIS信息可能無(wú)法直接傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。為了擴(kuò)大監(jiān)控施工范圍，需在施工區(qū)域附近的碼頭和運(yùn)輸船舶停靠碼頭安裝岸臺(tái)AIS收發(fā)機(jī)。基于AIS的通州沙深水航道施工安全控制系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 基于AIS的施工安全控制系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 Topology of construction safety control system based on AIS

由圖2可知，整個(gè)系統(tǒng)功能包括從AIS收發(fā)機(jī)接收信息到為監(jiān)控中心客戶端提供監(jiān)控情況，以及實(shí)時(shí)提供如、船舶管理、船舶調(diào)度、決策支持、信息發(fā)送等服務(wù)。由于AIS收發(fā)機(jī)和數(shù)據(jù)服務(wù)器采用2種不同的通信協(xié)議，故AIS收發(fā)機(jī)到數(shù)據(jù)服務(wù)器之間需經(jīng)過(guò)串口服務(wù)器處理、數(shù)據(jù)發(fā)送、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)拳h(huán)節(jié)。AIS接收機(jī)采用標(biāo)準(zhǔn)的RS232輸出接口，故串口服務(wù)器的作用是將RS232和TCP／IP這2種協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行雙向轉(zhuǎn)換。

通過(guò)實(shí)地調(diào)研，并結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行分析，最后通過(guò)系統(tǒng)論證，基于AIS的通州沙深水航道施工安全控制系統(tǒng)應(yīng)具有以下功能。

1）實(shí)時(shí)監(jiān)控施工船舶和運(yùn)輸船舶，實(shí)時(shí)獲取船名、船舶位置、航向、航速等信息。

2）實(shí)時(shí)監(jiān)控在主航道過(guò)往的船舶，實(shí)時(shí)獲取過(guò)往船名、船舶位置、航向、航速等信息。

3）實(shí)時(shí)獲取天氣和潮汐信息，并將對(duì)施工不利和對(duì)運(yùn)輸船舶構(gòu)成安全隱患的信息及時(shí)發(fā)送給船舶和監(jiān)管人員。

4）實(shí)時(shí)地將各種通知發(fā)送到指定的船舶和人員。

5）實(shí)時(shí)地將調(diào)度信息發(fā)給指定船舶。

6）實(shí)時(shí)報(bào)警，對(duì)有較大安全隱患的船舶進(jìn)行報(bào)警提示。

3 系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)

根據(jù)AIS的特點(diǎn)及系統(tǒng)功能需求，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，基于AIS的通州沙深水航道施工安全控制系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)見圖3。主要包括數(shù)據(jù)接收子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)發(fā)送子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)子系統(tǒng)、監(jiān)控子系統(tǒng)、報(bào)警子系統(tǒng)和管理子系統(tǒng)等。

圖3 基于AIS的施工安全控制系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)Fig.3 Function structure of construction safety control system based on AIS

1）數(shù)據(jù)接收子系統(tǒng)。接收來(lái)自施工區(qū)域AIS報(bào)文的1，2，3，5，6，7，12，13，18，19和24號(hào)報(bào)文，經(jīng)串口服務(wù)器處理為AIS信息幀，并將AIS信息幀實(shí)時(shí)發(fā)送到本地?cái)?shù)據(jù)服務(wù)器上。

2）數(shù)據(jù)發(fā)送子系統(tǒng)。數(shù)據(jù)發(fā)送子系統(tǒng)發(fā)送包括調(diào)度、通知和驅(qū)趕等信息。本地服務(wù)器生成監(jiān)控中心與施工船舶相互約定好的特有AIS報(bào)文信息幀，然后通過(guò)TCP／IP網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給各個(gè)碼頭的串口服務(wù)器，經(jīng)串口服務(wù)器轉(zhuǎn)換成AIS報(bào)文后，通過(guò)RS232發(fā)送給AIS收發(fā)機(jī)，最終發(fā)送給特定的目標(biāo)船舶。

3）數(shù)據(jù)庫(kù)子系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫(kù)子系統(tǒng)存儲(chǔ)包括AIS信息、天氣潮汐信息、發(fā)送記錄、調(diào)度記錄、通知記錄、登錄記錄和操作記錄等信息。①數(shù)據(jù)接收子系統(tǒng)接收AIS報(bào)文后，本地?cái)?shù)據(jù)服務(wù)器調(diào)用AIS解析程序，對(duì)AIS報(bào)文進(jìn)行解析，并根據(jù)AIS信息的結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)庫(kù)表的對(duì)應(yīng)關(guān)系，把解析后的船舶信息寫入到數(shù)據(jù)庫(kù)表中；②為實(shí)時(shí)獲取天氣和潮汐信息，數(shù)據(jù)庫(kù)子系統(tǒng)向天氣和潮汐相關(guān)部門提供遠(yuǎn)程寫入數(shù)據(jù)庫(kù)天氣潮汐表權(quán)限，可實(shí)時(shí)寫入天氣和潮汐信息；③為掌握安全監(jiān)管人員的登錄、調(diào)度、發(fā)送等操作記錄，數(shù)據(jù)庫(kù)子系統(tǒng)還實(shí)時(shí)寫入安全監(jiān)管人員的常規(guī)監(jiān)控操作信息。數(shù)據(jù)庫(kù)子系統(tǒng)為后續(xù)的分析、決策、報(bào)表等應(yīng)用功能提供支持。

4）監(jiān)控子系統(tǒng)。包括對(duì)施工船舶和航行船舶監(jiān)控。安全監(jiān)管人員在客戶端實(shí)時(shí)監(jiān)控施工區(qū)域船舶的動(dòng)態(tài)，并通過(guò)船舶的狀態(tài)信息分析船舶的安全性以及生成調(diào)度、通知等命令。

5）報(bào)警子系統(tǒng)。報(bào)警子系統(tǒng)包括施工船舶危險(xiǎn)報(bào)警、航行船舶誤入施工區(qū)域報(bào)警和天氣潮汐報(bào)警3部分內(nèi)容。數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫(kù)子系統(tǒng)后，本地險(xiǎn)情分析程序定時(shí)掃描數(shù)據(jù)庫(kù)的船舶動(dòng)態(tài)信息和天氣潮汐動(dòng)態(tài)信息，并將安全隱患及時(shí)發(fā)給安全監(jiān)管人員。報(bào)警子系統(tǒng)可及時(shí)發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情，為安全監(jiān)管人員研究對(duì)策、措施贏得寶貴時(shí)間。

6）管理子系統(tǒng)。管理子系統(tǒng)由系統(tǒng)管理、施工船舶管理、安全監(jiān)管用戶管理、施工船舶設(shè)置、施工區(qū)域設(shè)置、服務(wù)器設(shè)置和串口服務(wù)器等部分組成。管理子系統(tǒng)可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行一些常規(guī)配置和操作，如修改施工船舶船名和MMSI、增加和刪除施工船舶、修改監(jiān)管人員權(quán)限、施工區(qū)域范圍設(shè)置、服務(wù)器和串口服務(wù)器的IP和端口設(shè)置等。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 AIS接收機(jī)端通信技術(shù)

由于系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中只需要幾種特定的AIS報(bào)文，為減小服務(wù)器端解析負(fù)荷，安裝在碼頭的AIS收發(fā)機(jī)實(shí)時(shí)接收AIS報(bào)文后，先將該報(bào)文進(jìn)行過(guò)濾，再對(duì)其進(jìn)行校驗(yàn)后，通過(guò)串口服務(wù)器發(fā)送給服務(wù)器端。系統(tǒng)中，由于串口服務(wù)器與服務(wù)器端沒有心跳機(jī)制，若不在開發(fā)過(guò)程中加入心跳包，串口服務(wù)器和服務(wù)器端只要有一方死機(jī)、斷電或網(wǎng)絡(luò)不暢通等意外情況發(fā)生，系統(tǒng)都無(wú)法正常通信。因此，系統(tǒng)中需人為加入心跳包，并在AIS接收機(jī)中設(shè)置定時(shí)器，通過(guò)定時(shí)中斷向服務(wù)器發(fā)送心跳包，如AIS收發(fā)機(jī)端多次未收到服務(wù)器端的回復(fù)，則通過(guò)AIS收發(fā)機(jī)控制串口服務(wù)器電源，對(duì)串口服務(wù)器進(jìn)行重啟。AIS接收機(jī)端通信實(shí)現(xiàn)步驟如下。

1）開啟定時(shí)器和接收AIS報(bào)文功能。

2）接收1條AIS報(bào)文，判斷該報(bào)文是否為系統(tǒng)所需的特定AIS報(bào)文。

3）若不是特定報(bào)文，丟棄，返回到步驟2）；若是，則進(jìn)行校驗(yàn)。

4）通過(guò)串口服務(wù)器發(fā)送給服務(wù)器；

5）返回到步驟2）。

6）在步驟2）～5）過(guò)程中，如出現(xiàn)定時(shí)中斷響應(yīng)，AIS生成心跳包，并通過(guò)串口服務(wù)器發(fā)送給數(shù)據(jù)服務(wù)器；若多次發(fā)送心跳包后未收到服務(wù)器端回復(fù)，則AIS收發(fā)機(jī)重啟串口服務(wù)器。

4.2 服務(wù)器端通信技術(shù)

Microsoft Visual C＋＋的MFC類庫(kù)提供了2個(gè)Socket套接字類：CAsyncSocket和CSocket。CSocket派生于CAsyncSocket，CAsyncSocket類封裝了Windows SocketAPI函數(shù)，并將與Socket有關(guān)的Windows消息轉(zhuǎn)換為回調(diào)函數(shù)，使其更加面向底層，應(yīng)用更加靈活［3－4］。故在數(shù)據(jù)接收子系統(tǒng)中服務(wù)器端，創(chuàng)建了1個(gè)以CAsync－Socket為基類的非阻塞模式CServerSock類。為了同時(shí)響應(yīng)來(lái)自多個(gè)碼頭的串口服務(wù)器的連接請(qǐng)求，服務(wù)器端開啟了1個(gè)偵聽端口，并在該端口偵聽多個(gè)串口服務(wù)器的連接請(qǐng)求，一旦有串口服務(wù)器連接上，則開始偵聽CAsyncSocket的OnAccept虛函數(shù)［5］，并為串口服務(wù)器端建立1個(gè)以CClientSock（CClientSock類繼承CAsyncSocket類）為基類的客戶端對(duì)象，再將客戶端對(duì)象添加到客戶端鏈表中。

在接收系統(tǒng)中，服務(wù)器端接收AIS報(bào)文信息幀后將AIS報(bào)文存放在接收數(shù)據(jù)隊(duì)列中，為了實(shí)時(shí)顯示船舶動(dòng)態(tài)信息，服務(wù)器端解析程序采用多線程解析接收數(shù)據(jù)隊(duì)列中的AIS報(bào)文［6－7］。

服務(wù)器端通信技術(shù)核心代碼如下：

4.3 天氣潮汐數(shù)據(jù)表設(shè)計(jì)

天氣潮汐信息由氣象部門提供，但由于氣象部門數(shù)據(jù)涉及保密，氣象部門未向本系統(tǒng)開放實(shí)時(shí)訪問(wèn)權(quán)限。通過(guò)達(dá)成一致協(xié)議，氣象部門實(shí)時(shí)向本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的天氣潮汐表寫入氣象信息。

在設(shè)計(jì)天氣潮汐數(shù)據(jù)表中，考慮了效率、安全等因素，同時(shí)遵循了數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)的獨(dú)立性高、冗余度小、共享性高和“E－R”原則。由于本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)記錄較多，對(duì)查詢、分析要求較高，故采用Microsoft開發(fā)的SQL Server 2005。在數(shù)據(jù)表設(shè)計(jì)中，建立了天氣動(dòng)態(tài)表和潮汐動(dòng)態(tài)表，以及與之對(duì)應(yīng)的天氣歷史表和潮汐歷史表。為了實(shí)時(shí)更新天氣信息，氣象部門遠(yuǎn)程向數(shù)據(jù)庫(kù)的天氣動(dòng)態(tài)表中寫入最新天氣信息，同時(shí)調(diào)用存儲(chǔ)過(guò)程，從而保證天氣動(dòng)態(tài)表與天氣歷史表中對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)的一致性和完整性；為了降低天氣動(dòng)態(tài)表中數(shù)據(jù)記錄的冗余量和提高險(xiǎn)情判斷的查詢效率，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的觸發(fā)器，即在存入新的天氣信息時(shí)刪除天氣動(dòng)態(tài)表中與之對(duì)應(yīng)的舊記錄。潮汐動(dòng)態(tài)表和潮汐歷史表數(shù)據(jù)記錄寫入過(guò)程與上述存儲(chǔ)類似，在此不再贅述。本數(shù)據(jù)庫(kù)中天氣、潮汐動(dòng)態(tài)表字段設(shè)計(jì)見表1和表2。

表1 天氣動(dòng)態(tài)字段設(shè)計(jì)表Tab.1 Design tab of weather dynamic field

表2 潮汐動(dòng)態(tài)字段設(shè)計(jì)表Tab.2 Design tab of tide dynamic field

4.4 誤入施工區(qū)域驅(qū)趕

本工程整治航線較長(zhǎng)，施工區(qū)域較廣，雖設(shè)置了施工專用標(biāo)，但偶爾仍有航行船舶誤入施工區(qū)域，給航行船舶自身和施工船舶均帶來(lái)了較大安全隱患。為了施工安全，指派特定船只為警戒船，在施工區(qū)域巡邏和驅(qū)趕誤入施工區(qū)域的船舶。但由于施工區(qū)域?qū)拸V，警戒船巡邏工作量較大，同時(shí)也需要花費(fèi)一筆較大的費(fèi)用。為此，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)航行船舶誤入施工區(qū)域驅(qū)趕功能，只要在系統(tǒng)上發(fā)現(xiàn)了航行船舶進(jìn)入施工區(qū)域，系統(tǒng)立即發(fā)送消息通知監(jiān)管人員，同時(shí)發(fā)送驅(qū)趕命令給警戒船，從而達(dá)到驅(qū)趕目的。航行船舶誤入施工區(qū)域驅(qū)趕功能極大提高了施工安全性，同時(shí)降低警戒船的工作量和費(fèi)用。

誤入施工區(qū)域驅(qū)趕功能具體實(shí)現(xiàn)思路是：通過(guò)AIS獲取航行船舶的船名、位置、航向、速度等信息，然后判斷航行船舶是否進(jìn)入或即將進(jìn)入施工區(qū)域［8］，若是，則進(jìn)一步判斷此船舶是否為施工運(yùn)輸船舶，若不是施工運(yùn)輸船舶，則立即告知監(jiān)管人員，同時(shí)通過(guò)AIS和短信貓告知警戒船需驅(qū)趕船舶的船名、MMSI、位置、航向、速度等信息，警戒船收到驅(qū)趕命令后前往指定目的區(qū)域驅(qū)趕，功能具體流程見圖4。

圖4 誤入施工區(qū)域驅(qū)趕軟件流程Fig.4 Soft flow of goad

4.5 通知、調(diào)度決策的生成與發(fā)送

在施工監(jiān)管過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)突然出現(xiàn)不利天氣、潮汐等環(huán)境因素影響施工，為保證施工船舶安全和確保施工質(zhì)量，安全監(jiān)管人員需通知每條施工船舶和運(yùn)輸船舶；有時(shí)項(xiàng)目部或安全監(jiān)管人員也會(huì)臨時(shí)對(duì)施工船舶或運(yùn)輸船舶發(fā)布通知或調(diào)度信息。如果采用常規(guī)電話通知調(diào)度，由于需要通知調(diào)度的船舶數(shù)量較多，容易出現(xiàn)遺漏或通知不及時(shí)等問(wèn)題，同時(shí)增加了監(jiān)管人員的工作量。為此，開發(fā)了通知調(diào)度決策自動(dòng)生成和發(fā)送功能，彌補(bǔ)了上述不足，同時(shí)也提高了施工船舶和運(yùn)輸船舶的安全性。

考慮到船舶安全性、監(jiān)管人員工作量、系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、系統(tǒng)的自動(dòng)化和智能化水平，通知調(diào)度決策生成與發(fā)送功能采用C＋＋語(yǔ)言進(jìn)行開發(fā)，在OnTimer定時(shí)響應(yīng)函數(shù)中掃描天氣動(dòng)態(tài)表和潮汐動(dòng)態(tài)表，如出現(xiàn)影響施工的不利因素，系統(tǒng)通過(guò)設(shè)定程序自動(dòng)分析不利因素來(lái)生成決策，并通過(guò)MakeAISMessage和MakeSMS將決策分別自動(dòng)生成AIS報(bào)文和短消息，再通過(guò)SendSMS函數(shù)將信息發(fā)給安全監(jiān)管人員和船舶相關(guān)人員，通過(guò)SendAISMessage函數(shù)將AIS報(bào)文發(fā)給相關(guān)船舶；對(duì)于項(xiàng)目部或安全監(jiān)管人員的臨時(shí)通知或調(diào)度命令，由于AIS不支持中文，只能通過(guò)短信貓發(fā)送，安全監(jiān)管人員選定船舶并輸入通知或調(diào)度命令后，系統(tǒng)自動(dòng)生成短消息，并在數(shù)據(jù)庫(kù)中查找該船舶負(fù)責(zé)人的手機(jī)號(hào)碼，然后通過(guò)SendSMS函數(shù)發(fā)送給指定的船舶負(fù)責(zé)人。系統(tǒng)短消息通知調(diào)度界面見圖5。

圖5 短消息通知調(diào)度界面Fig.5 Interface of scheduling based on SMS

5 結(jié)束語(yǔ)

安全監(jiān)管是施工中1項(xiàng)極其重要的工作，水上施工因其特殊性，其安全監(jiān)管難度大且十分復(fù)雜。利用信息技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)不僅能提高安全監(jiān)管的科技水平和管理水平，還能有效的提高施工安全性，減輕安全監(jiān)管人員工作負(fù)荷。基于AIS的通州沙深水航道施工安全控制系統(tǒng)研究為從事涉水行業(yè)施工安全提供了借鑒意義，隨著信息技術(shù)和傳感器技術(shù)的飛躍發(fā)展，AIS設(shè)備的普及，利用AIS和其他傳感器監(jiān)管安全的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越廣。

［1］ 陳光敏.深水航道建設(shè)與南通港口經(jīng)濟(jì)發(fā)展［J］.港口經(jīng)濟(jì)，2009（2）：42－43.

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