， ，

( 1. 大連海事大學(xué) 航海學(xué)院， 遼寧 大連 116026; 2. 遼寧省航海安全保障重點實驗室， 遼寧 大連 116026)

基于B/S的GMDSS仿真系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

趙梁濱1,2，楊家軒1,2，尚斯年1,2

( 1.大連海事大學(xué)航海學(xué)院，遼寧大連116026; 2.遼寧省航海安全保障重點實驗室，遼寧大連116026)

為提高全球海上遇險與安全系統(tǒng)(Global Maritime Distress and Safety System, GMDSS)實操培訓(xùn)效率，克服傳統(tǒng)C/S的GMDSS模擬器客戶端不靈活帶來的硬件資源浪費及管理不便等缺陷，提出采用B/S架構(gòu)開發(fā)GMDSS仿真系統(tǒng)。對GMDSS進行模塊化的功能需求分析后，在“MEAN”的JavaScript語言框架下完成對GMDSS前端視圖邏輯、后臺網(wǎng)絡(luò)通信及實時音頻功能的研發(fā)，搭建基于B/S的GMDSS模擬仿真平臺。通過實踐檢驗，該仿真系統(tǒng)可滿足GMDSS實操的教學(xué)要求，能突破學(xué)生僅能在實驗室學(xué)習(xí)的限制。系統(tǒng)運行可靠、穩(wěn)定，具備靈活自由的應(yīng)用模式。

船舶； 水路運輸； GMDSS培訓(xùn)； B/S架構(gòu)； 系統(tǒng)仿真

Abstract: A new B/S-based Global Maritime Distress and Safety System (GMDSS) simulator is developed which uses less hardware and is easier to operate, yet, provides higher performance compared with conventional GMDSS training simulation systems based on C/S. The simulation system is built in a Java Script framework named MEAN. The development is preceded by careful analysis of the functional requirements in a modularized way, and focused on front end, background communication and function of real-time voice. The B/S-based system allows students to practice outside the laboratory where the simulator is located. Training practice proves that the new simulation system can satisfy teaching needs, and has the advantages of high stability and flexibility.

Keywords: ship; waterway transportation； GMDSS training； B/S； system simulation

為提高海上遇險時的搜救效率、提供更為便捷的安全通信，國際海事組織(International Organization Maritime, IMO)于1979年起草《海上搜尋救助公約》，并呼吁發(fā)展全球海上遇險與安全系統(tǒng)(Global Maritime Distress and Safety System, GMDSS)。目前，GMDSS已在衛(wèi)星通信技術(shù)和計算機技術(shù)的基礎(chǔ)上建立成為以衛(wèi)星搜救系統(tǒng)和地面無線電系統(tǒng)為核心的成熟體系。[1]

《STCW公約》馬尼拉修正案中規(guī)定,必須對GMDSS無線電操作員進行培訓(xùn)、適任評估和發(fā)證，培訓(xùn)過程中所使用的設(shè)備既可以是經(jīng)相關(guān)機構(gòu)認證的真實設(shè)備，也可以是相應(yīng)的GMDSS模擬器。教學(xué)實踐中，真實的GMDSS設(shè)備價格昂貴、維護成本高，且大部分通信功能無法實現(xiàn)，不僅會造成資源浪費，還可能產(chǎn)生誤報警等干擾。因此，價格低廉、易于管理、可及時更新的GMDSS模擬器已在世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。[2]

自20世紀(jì)90年代以來，世界各國先后開發(fā)出多種不同性能的GMDSS模擬器，如英國TRANSAS公司研制的功能完備的TGS-5000型模擬器及國內(nèi)大連海事大學(xué)研制的V.Dragon型大型操縱模擬器等。目前已有的模擬器主要以局域網(wǎng)為基礎(chǔ)，依托多媒體教室PC硬件運行桌面模擬系統(tǒng)實現(xiàn)仿真。但是，礙于C/S架構(gòu)，傳統(tǒng)的模擬器必須將軟件與多媒體教室綁定在一起，這限制了用戶使用的時間和空間。對此，借鑒“互聯(lián)網(wǎng)+”思想，以SAILOR 6000系列設(shè)備為研究對象，基于B/S架構(gòu)設(shè)計開發(fā)GMDSS仿真系統(tǒng)，將程序部署在服務(wù)器上，用戶可通過網(wǎng)絡(luò)隨時隨地進行模擬操作。輕便的客戶端概念將模擬器搬出實驗室，不僅可以打破時空限制，大大提升教學(xué)效率，同時還能將維護的對象數(shù)量壓縮到僅剩后臺服務(wù)器，易于管理。[3]該系統(tǒng)采用全Javascript環(huán)境的“MEAN”開發(fā)框架。

1 GMDSS仿真系統(tǒng)的功能模塊分析

1.1 功能分析

GMDSS船用設(shè)備包括INMARSAT-C船站、INMARSAT-F船站、甚高頻(Very High Frequency, VHF)、中頻/高頻(Medium Frequency/High Frequency, MF/HF)、窄帶直接印字電報(Narrow Band Direct Printing, NBDP)、航行警告電傳(Navigational Telex, NAVTEX)、緊急無線電示位標(biāo)(Emergency Position Indication Radio Beacon, EPIRB)及搜救雷達應(yīng)答器(Search and Rescue Radar Transponder, SART)等。[4-5]不同的設(shè)備既具有其獨特的功能，又具有與其他設(shè)備相同的功能。例如，大部分設(shè)備均具有報警功能，而NBDP終端則獨具實時電傳通信功能。為提升開發(fā)效率及代碼的復(fù)用性和穩(wěn)定性，研究總結(jié)各設(shè)備功能的區(qū)別及共性，并據(jù)此整合開發(fā)數(shù)字選擇性呼叫(Digital Selective Calling, DSC)、語音、文本信息交互和NBDP交互等4大模塊及具有仿真系統(tǒng)中的地面站、海岸電臺和陸地網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)站等岸基功能的教師端模塊。[6]

1.2 模塊分析

1.2.1DSC模塊

DSC終端是GMDSS地面通信系統(tǒng)中的一個重要終端設(shè)備,與MF/HF和VHF相連，主要用于正式通信前的溝通，具有遇險報警、轉(zhuǎn)發(fā)和確認功能。

經(jīng)測試真機設(shè)備(SAILOR VHF 6222和SAILOR MFHF DSC 6300)，VHF和MF/HF 的遇險報警、轉(zhuǎn)發(fā)及常規(guī)DSC呼叫發(fā)射前需在編輯界面下完成相關(guān)內(nèi)容的設(shè)置(見表1)。每種功能都有其獨立的邏輯，其中單船呼叫的功能邏輯流程見圖1。

1.2.2文本信息交互模塊

文本信息交互主要體現(xiàn)在相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)及系統(tǒng)基本信息交互機制的實現(xiàn)上。例如，INMARSAT-C站的主要通信業(yè)務(wù)包括電傳、數(shù)據(jù)和E-mail，不同業(yè)務(wù)根據(jù)對應(yīng)的目標(biāo)地址碼完成通信交互(如：文本傳真的地址碼由電話國家碼、地區(qū)碼和用戶碼構(gòu)成；而兩船通信的地址碼則由洋區(qū)碼和IMN構(gòu)成)。此外，其他設(shè)備之間的非語音交互實際上均是由文本交互模塊發(fā)送文本消息信號及內(nèi)容來完成的，如各設(shè)備的報警功能、EGC(Enhanced Group Calling)電文的廣播及海上安全信息的播發(fā)等。

表1 VHF通信設(shè)置內(nèi)容

圖1 單船呼叫邏輯流程

2 仿真系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 仿真模型

根據(jù)以上對功能模塊的分析構(gòu)建GMDSS仿真系統(tǒng)模型，以全Javascript環(huán)境的“MEAN”( MongoDB,Express.js,AngularJS, NodeJS)為開發(fā)框架設(shè)計開發(fā)基于B/S的GMDSS仿真模擬系統(tǒng)。教練員通過教師地址和端口訪問教師頁面模擬實現(xiàn)學(xué)員控制管理、海岸電臺和搜救協(xié)調(diào)中心的角色扮演;用戶利用瀏覽器,通過學(xué)員地址和端口訪問學(xué)員界面模擬實現(xiàn)其他相關(guān)GMDSS終端設(shè)備、船舶電臺和陸地電傳用戶的角色扮演。系統(tǒng)不再具有嚴格的物理劃分，所有接入的設(shè)備既是教師端也是學(xué)生端，只是訪問的地址和端口不同。

用戶注冊進入系統(tǒng)時會得到一套自動分配的數(shù)據(jù)庫內(nèi)置的船舶信息數(shù)據(jù)和設(shè)備識別碼，用來在模擬交互過程中尋址匹配目標(biāo)用戶。數(shù)據(jù)庫內(nèi)置的船舶信息數(shù)據(jù)的數(shù)量可由教師根據(jù)各批次使用人數(shù)及使用設(shè)備的具體情況在教師界面上調(diào)整，使得任何同一使用空間及時間內(nèi)的各個用戶的船舶識別身份信息是唯一的，并與其使用的設(shè)備終端綁定。

2.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)采用B/S式的星形拓撲結(jié)構(gòu)，具有表示、處理和數(shù)據(jù)等3層結(jié)構(gòu)布局來支撐Web程序(見圖2)。

圖2 GMDSS仿真系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)布局

1) 表示層為瀏覽器，只承擔(dān)網(wǎng)頁信息的顯示及以超文本格式實現(xiàn)信息的瀏覽和輸入，不進行任何業(yè)務(wù)邏輯的處理。在實際應(yīng)用中，該層為用戶的使用終端(包括PC機、手機等)。

2) 功能層為服務(wù)器，負責(zé)處理業(yè)務(wù)邏輯和頁面存儲，接收客戶端的任務(wù)請求，并根據(jù)程序邏輯執(zhí)行相應(yīng)的事務(wù)處理命令。

3) 數(shù)據(jù)層有數(shù)據(jù)庫服務(wù)器承擔(dān)數(shù)據(jù)處理邏輯，其接收服務(wù)器提出的數(shù)據(jù)操作請求之后完成數(shù)據(jù)查詢、修改等工作，并把數(shù)據(jù)結(jié)果提交給服務(wù)器。

在B/S結(jié)構(gòu)中，客戶端為輕便的瀏覽器，這使得該仿真系統(tǒng)也能在局域網(wǎng)無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下使用。

2.3 仿真實現(xiàn)

2.3.1系統(tǒng)前端的仿真實現(xiàn)

雖然整個仿真系統(tǒng)的功能較為繁雜且代碼規(guī)模龐大，但經(jīng)邏輯范圍切分，可達到模塊化處理的效果，且大量公共邏輯對代碼的復(fù)用性有較高的要求。此外，為了使后期維護方便、功能模塊之間不會相互影響，采用AngaularJS框架的模型-視圖-控制器(Model View Controller, MVC)前端開發(fā)模式，其中：Model指程序中的數(shù)據(jù)模型；View指向用戶展現(xiàn)的界面；Controller指程序應(yīng)用中的邏輯控制器。三者的代碼既能清晰分離，又可根據(jù)需求靈活調(diào)用。[7-8]

(1) Model作為數(shù)據(jù)信息儲存的容器，能驅(qū)動瀏覽器頁面的顯示，并隨程序邏輯而改變，是整個動態(tài)反饋系統(tǒng)的根源載體。整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)由3層數(shù)據(jù)模型構(gòu)成，按照層級由高到低分別存儲船舶信息數(shù)據(jù)、用戶信息數(shù)據(jù)及各設(shè)備自身的相關(guān)數(shù)據(jù)。

① 船舶信息數(shù)據(jù)是整個系統(tǒng)的基層數(shù)據(jù)，包含待分配給用戶的船舶經(jīng)緯度、船名及MMSI等；

② 用戶信息數(shù)據(jù)與系統(tǒng)授權(quán)管理有關(guān)，包含由用戶授權(quán)后獲得的用戶名、密碼及班級等；

③ 各設(shè)備自身的相關(guān)數(shù)據(jù)包含各種實現(xiàn)功能仿真所需的數(shù)據(jù)，如設(shè)備當(dāng)前所處的通信狀態(tài)、需交互的文本信息內(nèi)容及設(shè)備內(nèi)置的存儲單元(通信錄、電話本等)等。

(2) View是仿真系統(tǒng)中最前端的部分，能以最直觀的方式體現(xiàn)仿真的逼真度。該系統(tǒng)大量運用CSS這種樣式設(shè)計語言，完成對GMDSS設(shè)備外觀和操作界面像素級別的樣式修飾，還原逼真，效果見圖3。

圖3 C站的主界面

(3) Controller是仿真系統(tǒng)中業(yè)務(wù)邏輯的核心部分，與視圖及數(shù)據(jù)模型雙向交互，通過充分發(fā)揮AngularJS中Controller的特性即可實現(xiàn)GMDSS的模塊化開發(fā)。

圖4為系統(tǒng)模塊化實現(xiàn)示意，不同的設(shè)備代表不同的視圖，各個設(shè)備均由不同的控制器控制，賦予邏輯。不同的控制器可根據(jù)需要選擇不同的數(shù)據(jù)模型，而若控制器中存在重復(fù)性邏輯，則將其抽出寫入service中，由需要該邏輯的Controller調(diào)用，從而實現(xiàn)復(fù)用。由此，通過剝離數(shù)據(jù)的Model、區(qū)域邏輯控制的Controller和公共服務(wù)集合service等3個途徑即可完成系統(tǒng)前端的模塊化編程及仿真。以實現(xiàn)INMARSAT-F站中的E-mail功能為例，代碼如下：

圖4 系統(tǒng)模塊化實現(xiàn)示意

(1) 在router中，將E-mail的html視圖界面與相對應(yīng)的控制器f-emailCtrl綁定。

templateUrl: ' templates/f/email.html',

controller: ' f-emailCtrl'

(2) 在E-mail的html代碼中，通過ng-model標(biāo)識符，將輸入框的內(nèi)容存入INMARSAT-F站的數(shù)據(jù)模型中。

class="form-control" ng-model="message">

(3) 利用ng-click標(biāo)識符將send按鈕與點擊事件函數(shù)綁定在一起，而send()函數(shù)的邏輯則在控制器中編寫。

ng-click="send()">send

(4) 利用ng-repeat循環(huán)輸入指令符將E-mail信息從INMARSAT-F站數(shù)據(jù)模型導(dǎo)出的數(shù)組中全部輸入。

(5) 在AngularJS中,控制器利用靈活的$scope來完成編寫。$scope既是一個普通的JS對象(Plain Old JavaScript Object)，同時還是一個表達式的作用域。

.controller('f-emailCtrl', ['$scope', '$state', 'fDataModel', 'fDataService', 'socketService',function($scope, $state, fDataModel, fDataService,socketService) {

$scope.fData = fDataService.fData;

$scope.globalData =fDataService.globalData;

if($scope.fData.mails == null){

$scope.fData.mails = [];}

$scope.send = function(){

socketService.socket.emit("newMessage",{device:"fs",message:$scope.message,sender:$scope.globalData.email});

alert("發(fā)送成功！");}}])

首先,注入控制器中需要使用的對象、數(shù)據(jù)模型及服務(wù)，代碼中INMARSAT-F站的E-mail控制器注入了$scope對象、INMARSAT-F站的數(shù)據(jù)模型及通信交互服務(wù)。其次，根據(jù)業(yè)務(wù)邏輯獲得E-mail環(huán)境下需要的INMARSAT-F站信息及用戶郵箱信息。最后，編寫該作用域下的send()發(fā)射輸入框文本信息功能的代碼。

2.3.2通信交互的仿真實現(xiàn)

GMDSS中包含大量面向?qū)ο蟮倪B接通信(例如DSC單船呼叫等)，因此該系統(tǒng)選擇以面向連接、可靠、有序的方式發(fā)送數(shù)據(jù)的TCP協(xié)議作為通信協(xié)議實現(xiàn)socket網(wǎng)絡(luò)通信。實際開發(fā)中運用socket開發(fā)框架socket.io進行網(wǎng)絡(luò)編程。

GMDSS的信息交互基本上分為以下2種：

(1) DSC模塊中的ALL SHIP呼叫及報警這些廣播式的通信；

(2) 有目標(biāo)地址的單船或單用戶通信，如電子郵件、電傳等。

該系統(tǒng)的所有交互均采用發(fā)送方廣播、接收方判定信息并選擇性接收顯示的機制(見圖5)。經(jīng)測試，該機制可在大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下保持通信暢通、穩(wěn)定。以下為實現(xiàn)INMARSAT-F站郵件交互功能的代碼。

圖5 系統(tǒng)通信接收機制

在“2.3.1”節(jié)Controller里的send()中完成信息的發(fā)射，實際上是利用socket.io封裝好的語句建立socket連接發(fā)射一個名為“newMessage”的事件，同時還包含一個事件內(nèi)容對象。

socketService.socket.emit("newMessage",{device:"fs",message:$scope.message,sender:$scope.globalData.email});

而該事件封裝在socketService中，以達到廣播的目的。

exports.newMessage = function (socket,obj) { socket.broadcast.emit('newDeviceMessage',obj); };

在f-service中，完成對作為INMARSAT-F站接收端的socket通信服務(wù)的實現(xiàn)。

socketService.socket.on('newDeviceMessage',function(data)

{if(data.device==' fs'){

if(data.hasOwnProperty("to")){

$if(data.to==self.globalData.email){

$rootScope.$apply(function(){self.fData.mails.push(data);});}}}}

接收端監(jiān)聽“newDeviceMessage”事件，一旦監(jiān)聽到該事件，判斷內(nèi)容信息對象data是否為INMARSAT-F站設(shè)備間交互的信息、是否具有目標(biāo)地址及目標(biāo)地址是否為本終端的郵箱地址。若符合條件，則推入數(shù)據(jù)模型中；否則，編輯提示錯誤信息，再次通過socket回發(fā)給服務(wù)器。

2.3.3語音功能的仿真實現(xiàn)

仿真系統(tǒng)中涉及語音的部分采用網(wǎng)頁實時通信(Web Real-Time Communication, WebRTC)技術(shù)實現(xiàn)。WebRTC是一個基于瀏覽器的實時多媒體通信技術(shù)，旨在使Web瀏覽器具備實時通信能力。這里對該技術(shù)封裝好的JavaScript API進行開發(fā)，為VHF，MF/HF和INMARSAT-F站提供即時通話對講功能，搭建完備的實時音頻Web應(yīng)用，更加貼近真實設(shè)備。

3 B/S架構(gòu)下GMDSS仿真系統(tǒng)的優(yōu)點

3.1 應(yīng)用層面

應(yīng)用層面上，該系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)的C/S架構(gòu)模擬器擁有更加靈活、輕便的客戶端，可在服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)覆蓋的范圍內(nèi)自由使用，不受時空限制。若將該系統(tǒng)部署在連接互聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)器上，則受訓(xùn)人員可通過互聯(lián)網(wǎng)隨時隨地(家、有衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的船上)進行自學(xué)，大大縮短培訓(xùn)周期。此外，在培訓(xùn)機構(gòu)的教學(xué)實踐中應(yīng)用該系統(tǒng)時，學(xué)員只需接入部署有該系統(tǒng)程序的服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)(局域網(wǎng))即可利用隨身設(shè)備(筆記本電腦、手機、平板電腦)進行學(xué)習(xí)，節(jié)約了教學(xué)成本，擴展了教學(xué)能力。圖6為模擬系統(tǒng)實物圖。

圖6 模擬系統(tǒng)實物圖

3.2 維護層面

維護層面上，該系統(tǒng)繼承了B/S的優(yōu)點，無論用戶的規(guī)模有多大，都不會增加維護升級的工作量；整個系統(tǒng)需維護、更新的對象數(shù)量被壓縮到只有后臺服務(wù)器一處，易于管理。此外，還可根據(jù)需求將服務(wù)器與互聯(lián)網(wǎng)相連進行遠程維護、升級和共享，不僅節(jié)約了成本，同時也為跟隨GMDSS真機設(shè)備的更新發(fā)展提供了便利。

4 結(jié)束語

完成GMDSS功能的模塊化分析，設(shè)計開發(fā)基于B/S架構(gòu)的仿真模擬系統(tǒng)。該系統(tǒng)已在GMDSS通用操作員的培訓(xùn)中應(yīng)用，實踐證明其可達到教學(xué)使用的目的，仿真度高、穩(wěn)定。未來在優(yōu)化升級該系統(tǒng)時，將圍繞提高B/S程序的安全穩(wěn)定性、開發(fā)更多互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的接口等方面不斷進行完善。

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Design and Implementation of GMDSS Simulation System Based on B/S

ZHAOLiangbin1,2，YANGJiaxuan1,2，SHANGSinian1,2

(1. Navigation College，Dalian Maritime University， Dalian 116026， China ；2. The Key Laboratory of Navigation Safety Guarantee Liaoning Province， Dalian 116026， China)

1000-4653(2016)04-0061-05

U676.8

A

2016-04-21

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(“八六三”計劃)課題(2009AA045003);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金(3132015009)

趙梁濱 (1992—)，男，福建廈門人，博士生，從事交通運輸工程研究。E-mail:vszlb@126.com