王 昂，王彥輝

(1.河南中醫(yī)學(xué)院信息技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州450046;2.河南省財(cái)經(jīng)學(xué)校，河南 鄭州450012)

0 引 言

隨著航運(yùn)業(yè)務(wù)繁忙程度的不斷增加，船舶體積噸位的不斷上漲，船舶數(shù)量的快速增長(zhǎng)，使得水上事故的發(fā)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(guī)劃十分復(fù)雜，且充滿(mǎn)隱患。一直以來(lái)，解決以上問(wèn)題仍然需要依賴(lài)較為傳統(tǒng)的方式，如浮標(biāo)標(biāo)記、無(wú)線通信、人工調(diào)度等，但隨著航運(yùn)和船舶的發(fā)展，越來(lái)越無(wú)法滿(mǎn)足當(dāng)代航運(yùn)管理的需要。

近代通信和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展為解決以上問(wèn)題提供了新的契機(jī)。其中，自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(AIS)就是該領(lǐng)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(dòng)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(jìn)行分析之后，采取適當(dāng)?shù)拇胧┖蛣?dòng)作;同時(shí)，港口管控中心等交通管制機(jī)構(gòu)，還可以利用AIS 獲取當(dāng)前海域中所有船舶的信息，從而對(duì)海域的交通調(diào)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(jìn)一步的應(yīng)用。當(dāng)前的AIS 通常采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信方式，2 艘船舶能夠根據(jù)對(duì)方的信息進(jìn)行通信和協(xié)調(diào)，當(dāng)海域船舶數(shù)量較多時(shí)，則需要由控制中心進(jìn)行調(diào)度和調(diào)整［5］。但在大多數(shù)海域中，并不存在這樣的控制中心，且同時(shí)存在較多船舶，此時(shí)使用AIS 可能根本無(wú)法采取有效的航向、航速調(diào)整等動(dòng)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?chē)暮Ｓ蚯闆r，而無(wú)法得到整個(gè)海域的整體視圖，因而無(wú)法做出最優(yōu)的決策。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，本文提出一種分布式海上AIS通信與監(jiān)控平臺(tái)，將原先“控制中心——船舶AIS 裝置”的中心化結(jié)構(gòu)，修改為分布式結(jié)構(gòu)，使得在無(wú)控制中心的情況下，船舶之間仍能夠?qū)崿F(xiàn)有效的航行決策。

1 平臺(tái)基本結(jié)構(gòu)

在傳統(tǒng)的AIS 結(jié)構(gòu)中，往往采用中心化的拓?fù)浞绞?，船舶上安裝有AIS 設(shè)備，并通過(guò)該設(shè)備向控制中心報(bào)告自己的方位、速度等信息，然后控制中心再根據(jù)全局視圖，給出船舶的下一步?jīng)Q策。本文提出的分布式平臺(tái)，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(jìn)行決策。平臺(tái)的基本結(jié)構(gòu)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(xié)調(diào)互相的航向、航速等，若干艦載AIS 自動(dòng)形成AIS 域，在同一AIS 域中，各個(gè)船舶廣播自身的信息，并通過(guò)多跳中繼的方式，使整個(gè)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(dāng)前AIS 域內(nèi)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(kāi)闊海域中，眾多船舶可能會(huì)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(jìn)行通信，那么就能夠在兩域間建立鄰居關(guān)系。存在鄰居關(guān)系的AIS 域能夠中繼和傳遞消息，并互相通報(bào)彼此的信息。

在分布式AIS 平臺(tái)中，仍然支持對(duì)于控制中心的使用。由于船舶的空間和計(jì)算能力有限，因此，可以利用岸基控制中心的強(qiáng)大資源，為AIS 域內(nèi)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(nèi)，也能夠通過(guò)其他域成員的協(xié)作，向控制中心通報(bào)自己的相關(guān)信息。

根據(jù)以上描述，在分布式海上AIS 平臺(tái)中，船舶也存在2 種不同的決策類(lèi)型，即本地決策和外部輔助決策。對(duì)于大型船舶來(lái)說(shuō)，在獲取全局視圖的情況下，可以認(rèn)為自身具有較高的通過(guò)權(quán)，因此可以采用本地決策的方式?jīng)Q定對(duì)于自身速度、航向進(jìn)行調(diào)整;而對(duì)于小型船舶來(lái)說(shuō)，需要根據(jù)域內(nèi)整體的交通狀況調(diào)整自身的動(dòng)作，因而可能需要外部控制中心進(jìn)行輔助決策。

2 平臺(tái)工作原理

2.1 AIS 域

在分布式海上AIS通信與監(jiān)控平臺(tái)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(shè)備集合為一個(gè)整體，為脫離控制中心的決策提供基礎(chǔ)。

簡(jiǎn)單來(lái)講，AIS 域就是一系列艦載AIS 設(shè)備的集合，也就是若干艘船舶的集合。AIS 域的創(chuàng)建和生成需要遵循以下步驟:

1)探測(cè)階段:船舶AIS 設(shè)備按照一定周期廣播一個(gè)探測(cè)消息，當(dāng)周?chē)拇癆IS 接到該探測(cè)消息之后，產(chǎn)生應(yīng)答消息，AIS 設(shè)備收到應(yīng)答消息之后，建立自己的鄰居表。

2)創(chuàng)建階段:當(dāng)每艘船舶的鄰居表建立之后，則開(kāi)始向自己的鄰居發(fā)送AIS 域建立請(qǐng)求，并包含有新建立域的ID。鄰居接收到該請(qǐng)求之后，檢查域ID，如果該域ID 合法，且在此之前沒(méi)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(gè)AIS 域，且當(dāng)收到自己鄰居發(fā)送的域請(qǐng)求時(shí)，那么就將自身加入到該AIS 域;當(dāng)船舶發(fā)送探測(cè)消息時(shí)，如果收到的應(yīng)答消息中，帶有域標(biāo)識(shí)，那么就廣播一個(gè)請(qǐng)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(jù)收到的鄰居列表，獲得全域的拓?fù)潢P(guān)系圖，獲得在AIS 域內(nèi)所有成員的位置與下一跳地址。至此，在一個(gè)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(nèi)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(guò)以上過(guò)程可以看出，AIS 域是一組在一定通信范圍內(nèi)的船舶集合，其不受地理范圍的影響，因而可以應(yīng)用在多種海域，如港口、海峽等。

需要指出的是，當(dāng)2個(gè)域的距離足夠近，也就是某2個(gè)域中的成員距離小于一定閾值時(shí)，那么2個(gè)AIS 域啟動(dòng)合并程序，合并為1個(gè)域，包含成員個(gè)數(shù)較少的域并入成員較多的域。首先，分屬2個(gè)域的成員通報(bào)自身的成員個(gè)數(shù);然后，成員較少的域?qū)⒆陨砑尤氤蓡T較多的域，然后遞歸地進(jìn)行該步驟，直到所有成員均合并到另一個(gè)域，或出現(xiàn)距離較大的成員，不滿(mǎn)足合并條件，則整個(gè)過(guò)程停止。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

本文采用嵌入式系統(tǒng)作為系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案，采用三星S3C44B0X ARM9 作為處理器主板，并采用當(dāng)下最為流行的Android 4.0 作為操作系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式，其實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，且不需要對(duì)原先的設(shè)備進(jìn)行更新和淘汰。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

如圖2所示，傳統(tǒng)的AIS 設(shè)備通過(guò)接口電路與嵌入式系統(tǒng)相連，同時(shí)集成了海上GPS 模塊和船舶傳感器。通過(guò)AIS 設(shè)備，該平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)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(shí)間信息，而船舶傳感器則能夠獲得船舶的狀態(tài)等綜合信息。這些信息通過(guò)接口電路和RS232 串行接口，發(fā)送給上位機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的處理和分析。

在本文提出的平臺(tái)中，上位機(jī)是嵌入式系統(tǒng)和通用計(jì)算機(jī)的集合體，通過(guò)Android 4.0，可以對(duì)各種消息進(jìn)行轉(zhuǎn)換。由于Android 平臺(tái)是一款開(kāi)放、功能強(qiáng)大的操作系統(tǒng)，能夠在其上開(kāi)發(fā)各種應(yīng)用，而且可以與計(jì)算機(jī)相連，因此，在本文的設(shè)計(jì)方案中，采用Android 平臺(tái)作為系統(tǒng)消息格式轉(zhuǎn)換、硬件管理等底層功能的主要實(shí)現(xiàn)方式。而通用計(jì)算機(jī)或服務(wù)器則負(fù)責(zé)對(duì)于信息的深度處理、算法的執(zhí)行、結(jié)果的顯示等功能。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)Fig.3 The software design of platform

從圖3 可知，本平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)主要分為2個(gè)部分。底層軟件開(kāi)發(fā)主要在Android 嵌入式平臺(tái)中完成，其主要模塊包含設(shè)備自檢與狀態(tài)監(jiān)控，主要負(fù)責(zé)與船載各種設(shè)備之間的交互，獲得設(shè)備當(dāng)前的工作狀態(tài)和傳感器的狀態(tài)消息;數(shù)據(jù)校驗(yàn)與格式轉(zhuǎn)換，主要將接口電路發(fā)送過(guò)來(lái)的各種消息，通過(guò)硬件方式，編碼為系統(tǒng)的統(tǒng)一格式。

在上層軟件設(shè)計(jì)中，由于嵌入式系統(tǒng)的計(jì)算能力和顯示能力有限，因而仍然采用計(jì)算機(jī)/服務(wù)器作為上層軟件的實(shí)現(xiàn)和使用平臺(tái)。主要包括:船舶決策，為船舶的控制和姿態(tài)的調(diào)整提供操作平臺(tái)和自動(dòng)應(yīng)急程序;電子地圖，采用電子地圖服務(wù)器提供電子海圖服務(wù);服務(wù)調(diào)用，通過(guò)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)接入Internet，根據(jù)實(shí)際需要調(diào)用相應(yīng)的服務(wù)，擴(kuò)充平臺(tái)的功能和能力，完成綜合性的任務(wù)。

船舶決策是整個(gè)上層軟件的核心，其主要提供以下2 種功能:最基礎(chǔ)的功能是向用戶(hù)提供決策平臺(tái)，在該平臺(tái)上集成了多種類(lèi)型的信息，可以供管理員或船員對(duì)信息進(jìn)行分析，然后進(jìn)一步調(diào)整;此外，還提供了相關(guān)的自動(dòng)決策程序，當(dāng)船舶的距離較近、出現(xiàn)碰撞危險(xiǎn)、發(fā)生貨物泄露等危險(xiǎn)時(shí)，自動(dòng)決策程序則按照以下步驟進(jìn)行執(zhí)行:

1)系統(tǒng)預(yù)警:通過(guò)接收到各種傳感器的信息，分析出異常事件的發(fā)生，向用戶(hù)發(fā)出預(yù)警信號(hào)，同時(shí)向周?chē)鞍l(fā)送異常求救信號(hào)，然后啟動(dòng)預(yù)先定義好的處理措施。如當(dāng)發(fā)現(xiàn)火災(zāi)時(shí)，首先發(fā)送預(yù)警信息，然后向周?chē)疤崾净鹁畔?，然后結(jié)合船舶的滅火防災(zāi)系統(tǒng)，啟動(dòng)警鈴，開(kāi)啟消防設(shè)施。

2)服務(wù)調(diào)用:根據(jù)預(yù)先定義的處理規(guī)則，通過(guò)船舶自身自動(dòng)控制系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)，調(diào)用相關(guān)的服務(wù)，例如在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，一方面可以通過(guò)船舶自動(dòng)化控制系統(tǒng)開(kāi)啟消防設(shè)施，關(guān)閉部分艙室電路等;另一方面可以聯(lián)系港口控制中心等組織和機(jī)構(gòu)，向其報(bào)告火警信息，發(fā)出求救信號(hào)。

3)決策評(píng)估:在服務(wù)調(diào)用過(guò)程中，系統(tǒng)將根據(jù)當(dāng)前的情況不斷收集和更新數(shù)據(jù)，并對(duì)當(dāng)前的決策給出實(shí)時(shí)評(píng)估，使得用戶(hù)能夠及時(shí)了解決策的效果，并進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)整。

3 通信模式

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

圖4 AIS 會(huì)議通信模式Fig.4 The meeting communicationmode

在會(huì)議通信模式下，某個(gè)艦載AIS 設(shè)備充當(dāng)核心節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)類(lèi)似服務(wù)器的角色，若干參與節(jié)點(diǎn)接入核心節(jié)點(diǎn)，消息在核心節(jié)點(diǎn)中完成交換，從而實(shí)現(xiàn)類(lèi)似聊天室和電話會(huì)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(jié)點(diǎn)收到消息之后，檢查消息的目的節(jié)點(diǎn)ID ，然后檢查自身的鄰居表和下一跳表，如果目的節(jié)點(diǎn)是自身的鄰居，那么直接發(fā)送，如果不是則繼續(xù)查找拓?fù)潢P(guān)系圖，然后發(fā)給下一跳節(jié)點(diǎn)，最終通過(guò)多跳完成通信過(guò)程。

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

4 結(jié) 語(yǔ)

AIS 作為一種常用的助航設(shè)備，在船舶管理和航行安全領(lǐng)域扮演著重要的角色。然而，隨著航運(yùn)業(yè)的發(fā)展和船舶技術(shù)的提高，傳統(tǒng)的AIS 難以滿(mǎn)足當(dāng)前的需要，為此本文提出了一種分布式的海上AIS通信與監(jiān)控平臺(tái)，將傳統(tǒng)AIS的中心化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改進(jìn)為分布式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并給出了平臺(tái)的框架、軟硬件設(shè)計(jì)和通信模式設(shè)計(jì)，為繼續(xù)發(fā)展和完善AIS 系統(tǒng)提供了借鑒和依據(jù)。

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