朱　敏，彭　國均，魏武財(cái)

(集美大學(xué)航海學(xué)院，福建 廈門 361021)

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基于AIS的船員證書遠(yuǎn)程查驗(yàn)終端設(shè)計(jì)與開發(fā)

朱敏，彭國均，魏武財(cái)

(集美大學(xué)航海學(xué)院，福建 廈門 361021)

[摘要]為改進(jìn)現(xiàn)有船舶安全檢查中船員證書的現(xiàn)場(chǎng)查驗(yàn)手段，設(shè)計(jì)與開發(fā)了基于AIS的船員證書遠(yuǎn)程查驗(yàn)終端.該終端由嵌入式硬件及嵌入式軟件組成，采用符合國際標(biāo)準(zhǔn)的AIS通信協(xié)議進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸.測(cè)試結(jié)果表明，該終端支持船員證書的遠(yuǎn)程查驗(yàn)，并能實(shí)時(shí)、快速地對(duì)查驗(yàn)結(jié)果做出判斷，滿足了船員證書遠(yuǎn)程管理的要求.

[關(guān)鍵詞]AIS；船員證書；指紋識(shí)別；射頻識(shí)別；LCD顯示；傳輸協(xié)議

0引言

隨著水上交通運(yùn)輸業(yè)的快速發(fā)展，船舶數(shù)量及水域交通密度不斷增加，水上交通風(fēng)險(xiǎn)不斷加大，事故不斷發(fā)生，嚴(yán)重威脅水上人命財(cái)產(chǎn)安全和海洋環(huán)境.根據(jù)國際海事組織(IMO)的統(tǒng)計(jì)，水上交通事故80%以上與人為因素有關(guān)，而船舶的配員不足、人證不符往往是事故發(fā)生的主要原因[1].因此，海事管理部門必須對(duì)船舶簽證、船舶的配員情況、船員的任解職情況、適任情況、安全記錄、違章記錄等信息進(jìn)行跟蹤和管理，從而保證船舶在整個(gè)運(yùn)營過程中始終處于適航狀態(tài)，保證水上人命財(cái)產(chǎn)安全，讓海洋更清潔[2].

然而，傳統(tǒng)的船舶安全檢查，往往需要截停船舶進(jìn)行登輪檢查，現(xiàn)場(chǎng)查驗(yàn)人員僅憑肉眼無法準(zhǔn)確地判斷證書的真?zhèn)巍⒋瑔T證書是否人證一致等，同時(shí)增加了海事管理部門的工作量[3].如何對(duì)在航船舶配員及船員證書進(jìn)行有效地核查是長期困擾水上交通安全管理的難題.

隨著現(xiàn)代科技的快速發(fā)展，船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)AIS(Automatic Identification System)作為集網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子信息顯示技術(shù)為一體的數(shù)字助航系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用[4].在我國已建成覆蓋所有沿海水域和內(nèi)河四級(jí)以上高等級(jí)航道水域的岸基網(wǎng)絡(luò)，共建成了1個(gè)國家級(jí)AIS管理中心、3個(gè)海區(qū)管理中心，19個(gè)轄區(qū)管理中心和121座AIS基站，內(nèi)河方面共建成5大水系17個(gè)轄區(qū)中心和179座AIS基站，AIS岸基系統(tǒng)沿海信號(hào)覆蓋率達(dá)到99.97%以上[5].

另一方面船舶強(qiáng)制配備了AIS設(shè)備，SOLAS公約第五章明確規(guī)定了航行于國際航線的300總噸以上船舶和公約國航行于國內(nèi)航線的500總噸以上的船舶，已于2002年7月1日起到2008年7月1日分階段執(zhí)行配備AIS設(shè)備的規(guī)定[6].同時(shí)中國海事局頒布的《國內(nèi)航行船舶船載電子海圖系統(tǒng)和自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)設(shè)備管理規(guī)定》，對(duì)于沿海200總噸以上、內(nèi)河100噸以上船舶提出了AIS配備要求.

因此，岸基和船舶通過AIS系統(tǒng)可以建立有效的通信鏈路，合理的利用AIS系統(tǒng)，建立一套行之有效的船員證書遠(yuǎn)程查驗(yàn)系統(tǒng)，從而保障岸基海事管理部門實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程查驗(yàn)在航船舶配員情況及船員證書真?zhèn)吻闆r，這樣可以大大降低船舶安全檢查成本，提高海事管理部門的工作效率.

1船員證書遠(yuǎn)程查驗(yàn)終端設(shè)計(jì)與開發(fā)

船員證書遠(yuǎn)程查驗(yàn)終端由嵌入式硬件及嵌入式軟件組成，其工作流程圖如圖1所示.

圖1　船員證書遠(yuǎn)程查驗(yàn)終端工作流程圖

結(jié)合現(xiàn)代身份識(shí)別技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，船員證書遠(yuǎn)程查驗(yàn)終端的設(shè)計(jì)思路是：1)首先通過海事管理部門向相關(guān)獲得資格的船員發(fā)放船員IC卡，該卡包括船員的指紋特征值信息和船員的各種信息；2)當(dāng)海事管理人員需要對(duì)航行中船舶上的某一船員身份進(jìn)行查驗(yàn)時(shí)，通過AIS基站向該船舶播發(fā)二進(jìn)制尋址電文，船載查驗(yàn)終端收到該電文后，提示船員進(jìn)行確認(rèn)；3)該船員先刷海事管理部門發(fā)放的船員IC卡，把卡內(nèi)的指紋信息讀出，并存于指紋模塊專用的緩沖區(qū)內(nèi)，再在指紋采集窗口上按下自己已注冊(cè)過的指紋，與緩沖區(qū)內(nèi)的指紋進(jìn)行比對(duì)，并將比對(duì)結(jié)果通過AIS發(fā)回海事管理部門[7-8]

1.1嵌入式硬件設(shè)計(jì)與開發(fā)

船員證書遠(yuǎn)程查驗(yàn)終端硬件系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)見圖2.

圖2　船員證書遠(yuǎn)程查驗(yàn)終端硬件系統(tǒng)組成

船員證書遠(yuǎn)程查驗(yàn)終端采用雙串口單片機(jī)STC12C5A60S2為核心控制器，通過單片機(jī)的SPI接口提供對(duì)射頻識(shí)別模塊的控制操作.這種控制操作體現(xiàn)在單片機(jī)可以通過數(shù)據(jù)線、地址線、控制線等并行控制接口與射頻識(shí)別模塊連接，從而控制射頻模塊的正常工作，實(shí)現(xiàn)與船員IC卡的通信.另外，單片機(jī)通過串口1與指紋識(shí)別模塊連接，該模塊是以TI公司TMS320VC5501PGF高速DSP處理器為核心，結(jié)合指紋算法的光學(xué)指紋傳感器，可以控制船員指紋錄入、指紋上傳、指紋下載、指紋存儲(chǔ)和指紋對(duì)比等工作，單片機(jī)把所采集到的指紋數(shù)據(jù)上傳并存儲(chǔ)于船員IC卡中，在使用時(shí)下載船員IC卡內(nèi)數(shù)據(jù)到指紋模塊緩存中，并與當(dāng)前采集指紋進(jìn)行比對(duì)，最終的比對(duì)結(jié)果由單片機(jī)的串口2發(fā)送給AIS船臺(tái).LCD顯示模塊與單片機(jī)的普通I/O口連接，該模塊的顯示分辨率為128*64，內(nèi)置中文字庫，利用該模塊簡單、方便的操作指令，可構(gòu)成船員證書遠(yuǎn)程查驗(yàn)終端中文人機(jī)交互圖形界面，可以顯示8*4行16*16點(diǎn)陣的漢字，在查驗(yàn)終端工作過程中，提示用戶相應(yīng)地操作.

1.2　嵌入式軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)

通過對(duì)主控單片機(jī)STC12C5A60S2的編程，根據(jù)ISO/IEC14443A協(xié)議控制射頻讀寫模塊與船員IC卡(Mifare 1)進(jìn)行射頻通信，完成對(duì)船員IC卡中指紋特征值的提取[9]，控制指紋識(shí)別模塊對(duì)所采集到的圖像特征值進(jìn)行提取、上傳、比對(duì).LCD顯示模塊負(fù)責(zé)船員證書遠(yuǎn)程查驗(yàn)終端操作時(shí)，提示文字的顯示.嵌入式軟件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示.

圖3　嵌入式軟件結(jié)構(gòu)

1.2.1指紋識(shí)別模塊

指紋識(shí)別模塊作為從設(shè)備，由單片機(jī)發(fā)送相關(guān)命令對(duì)其進(jìn)行控制.串口1的波特率設(shè)定為19200 bit/s，單片機(jī)發(fā)送的命令數(shù)據(jù)長度等于8 byte，指紋模塊的應(yīng)答數(shù)據(jù)長度大于或等于8byte.主要用到的命令類型有：使模塊進(jìn)入休眠狀態(tài)指令、采集圖像并提取特征值上傳指令、上傳特征值與采集指紋比對(duì)指令等[10].

1.2.2射頻識(shí)別模塊

射頻識(shí)別模塊負(fù)責(zé)讀取船員IC卡中的信息.首先，對(duì)射頻識(shí)別模塊進(jìn)行系統(tǒng)初始化，單片機(jī)向讀寫模塊發(fā)詢卡指令，天線工作范圍內(nèi)的船員IC卡會(huì)響應(yīng)這個(gè)詢卡指令.在通過防沖突循環(huán)后，射頻識(shí)別模塊得到這張船員IC卡的序列號(hào)，于是選中了這張船員IC卡，完成了對(duì)該船員IC卡的初始化通信連接.接下來，需要對(duì)準(zhǔn)備訪問的船員IC卡的存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)的密碼進(jìn)行鑒別.在通過了三次密碼驗(yàn)證后，射頻模塊就可以對(duì)該存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)的船員信息數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取等操作了[11].

1.2.3LCD顯示模塊

LCD顯示模塊初始化工作通常包括：開顯示、光標(biāo)的顯示控制、設(shè)定顯示位置、清屏.該液晶模塊的顯示是通過將字符顯示編碼寫入該字符顯示RAM實(shí)現(xiàn)的.根據(jù)寫入內(nèi)容的不同，可分別在液晶屏上顯示CGROM(中文字庫)、HCGROM(ASCII碼字庫)及CGRAM(自定義字形)的內(nèi)容.三種不同字符/文字的選擇編碼范圍為：0000-0006H(其代碼分別是0000、0002、0004、0006共4個(gè))顯示自定義字型；02H-7FH顯示半寬ASCII碼字符；A1A0H-F7FFH顯示8192種GB2312中文字庫字形.字符顯示RAM在液晶模塊中的地址80H-9FH，想要在某一位置顯示中文字符時(shí)，先設(shè)定顯示中文字符的地址，再寫入中文字符編碼，從而達(dá)到船員證書遠(yuǎn)程查驗(yàn)終端的提示信息顯示.

2遠(yuǎn)程傳輸協(xié)議的設(shè)計(jì)

常用的符合IEC61162或ITU-RM.1371標(biāo)準(zhǔn)的AIS遠(yuǎn)程傳輸?shù)膮f(xié)議封裝內(nèi)容包括：序文或訓(xùn)練序列、起始標(biāo)志、電文數(shù)據(jù)、幀檢驗(yàn)序列、結(jié)束標(biāo)志.船員證書遠(yuǎn)程查驗(yàn)的傳輸協(xié)議采用IEC61162-1標(biāo)準(zhǔn)，支持封裝的電文6(尋址二進(jìn)制電文)傳送.

船員證書的遠(yuǎn)程查驗(yàn)由海事管理部門在岸端發(fā)起認(rèn)證查詢，通過AIS電文6進(jìn)行傳輸.電文內(nèi)容包括：電文ID、轉(zhuǎn)發(fā)指示器、源臺(tái)站ID、序列號(hào)、目標(biāo)臺(tái)站ID、重發(fā)標(biāo)志、備用、IAI、船員證書編號(hào)等，總計(jì)143 bits，一個(gè)時(shí)隙內(nèi)就可以發(fā)送成功.船舶上船員證書查驗(yàn)終端返回一個(gè)查驗(yàn)結(jié)果應(yīng)答，通過AIS電文6進(jìn)行傳輸.電文參數(shù)包括：電文ID、轉(zhuǎn)發(fā)指示器、源臺(tái)站ID、備用、IAI、應(yīng)答等，總計(jì)148 bits.船員證書遠(yuǎn)程查驗(yàn)系統(tǒng)的傳輸原理圖如圖4所示.

圖4　遠(yuǎn)程傳輸原理圖

3測(cè)試及結(jié)果

根據(jù)船員證書遠(yuǎn)程查驗(yàn)終端的工作流程，通過一臺(tái)AIS基站模擬岸端海事管理部門的遠(yuǎn)程查驗(yàn)工具發(fā)送查驗(yàn)指令，另外，通過一臺(tái)AIS船臺(tái)和船員證書查驗(yàn)終端相連，從而與岸基的AIS基站建立起通信鏈路.實(shí)驗(yàn)?zāi)M船員證書的遠(yuǎn)程查驗(yàn)過程如下：

岸端海事管理部門通過船員證書遠(yuǎn)程查驗(yàn)岸端測(cè)試平臺(tái)向某條船上的某位船員發(fā)出查驗(yàn)指令，這里設(shè)置好目標(biāo)船舶的MMSI號(hào)(實(shí)驗(yàn)用AIS船臺(tái)MMSI號(hào)為868868886)，選擇待查驗(yàn)船員的職位為值班水手1，打開串口并向該地址發(fā)射6號(hào)電文進(jìn)行遠(yuǎn)程查驗(yàn).測(cè)試平臺(tái)參數(shù)設(shè)置如圖5所示.

圖5　岸端測(cè)試平臺(tái)參數(shù)設(shè)置Fig.5　The parameter setting of shore-side test platform

岸端發(fā)出查驗(yàn)指令后，處于待機(jī)狀態(tài)的船員證書查驗(yàn)終端收到該查驗(yàn)指令，提示值班水手1刷船員IC卡，該船員刷卡成功后，提示值班水手1按下自己注冊(cè)過的指紋，終端將采集的指紋信息與船員IC卡中存儲(chǔ)的指紋特征值信息進(jìn)行比對(duì)，并將比對(duì)結(jié)果在LCD上顯示.終端測(cè)試流程圖如圖6所示.

圖6　終端測(cè)試流程圖

船端查驗(yàn)完成后，終端通過AIS船臺(tái)向岸端AIS基站發(fā)送反饋信息，岸端測(cè)試平臺(tái)解析反饋信息，并顯示比對(duì)結(jié)果，比對(duì)結(jié)果如圖7所示.

圖7　比對(duì)結(jié)果圖Fig.7　The figure of comparison results

4結(jié)語

船員證書遠(yuǎn)程查驗(yàn)終端通過嵌入式軟硬件開發(fā)設(shè)計(jì)，具有集成度高、成本低、工作穩(wěn)定和可靠等特點(diǎn)；初步測(cè)試驗(yàn)證結(jié)果表明，該設(shè)備可支持船岸之間的遠(yuǎn)距離通信，能自動(dòng)、快速地對(duì)遠(yuǎn)程請(qǐng)求做出響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程的管理.

通過船員證書的遠(yuǎn)程查驗(yàn)，海事管理部門可以對(duì)照最低安全配員證書，查驗(yàn)船員適任證書的數(shù)量是否滿足配員要求，抽查在航船舶相應(yīng)船員是否在船.同時(shí)對(duì)船員的任職情況、適任情況、安全記錄、違章記錄等在后臺(tái)進(jìn)行管理，從而杜絕證書假冒、買賣、冒用、轉(zhuǎn)讓等現(xiàn)象，確保了查驗(yàn)證書的合法性、有效性、符合性，提高了海事管理部門的執(zhí)法效率，具有廣泛的應(yīng)用前景.

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(責(zé)任編輯陳敏英文審校周云龍)

Design and Development of Remote Inspection Terminal forSeafaerers’ Certificutes Based on AISZHU Min，PENG Guo-jun，WEI Wu-cai

(Navigation Institute,Jimei University,Xiamen 361021,China)

Abstract:In order to improve the on-spot inspection means of qualification certificate for crew in the process of ship safety inspections,a remote inspection terminal based on AIS is designed and developed.This terminal is composed of embedded hardware and software.The software transmits information which meets AIS international communication protocol for remote transmission.It not only supports remote inspection,but also provides a way to verify the inspection results in real time.Therefore,the terminal can meet the requirements of remote management,further realize the optimization of ship safety inspection management,and enhance the efficiency of the maritime administrative department.

Key words：automatic identification system;crew certificate；fingerprint identification;radio- frequency identification;liquid crystal display;transport protocol

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[中圖分類號(hào)]U 675.7

[文章編號(hào)]1007-7405(2015)02-0110-06

[作者簡介]朱敏(1990—)，男，碩士生，從事交通信息工程及控制方向研究.

[收稿日期]2014-05-26[修回日期]2014-09-05