基于AIS的深水航道施工安全控制系统研究

徐海潮 王兴超 林垂兴 董朝明

（长江南京航道工程局 南京210011）

0 引 言

发展长江航道对我国经济和社会发展有着重要的战略意义［1］。为打破长江下游的水深“瓶颈”，国家投入巨资进行长江南京以下12.5m深水航道1期工程建设。

长江南京以下12.5m深水航道1期工程包括通州沙和白茆沙2个整治建筑物工程，长江航道局负责建设通州沙I标。通州沙I标处于南通与常熟之间的9 600m航道段，见图1。此航段航运业高度发达，主航道的航行船舶较多，工程期间有较多的施工船舶频繁穿越主航道，带来诸多安全隐患。如何实时监管船舶并减小施工运输船舶对主航道安全的影响是亟待解决的问题。利用AIS技术，可实时获取当前船舶的状态信息，并将AIS技术延伸到发送通知和调度等消息方向，从而显著提高了船舶的安全性，减轻了监管人员的工作量，进一步提高了安全监管的科技水平。

图1 通州沙I标整治工程平面位置Fig.1 The plane position of Tongzhousha I

1 AIS技术介绍

船载自动识别系统（automatic identification system，AIS）是1种新型的海上助航系统，它将船舶自身的船名、位置、航速、航向等信息按照IEC（International Electrotechnical Commission）61162－1和ITU（International Telecommunication Union）1371－1协议进行封装，然后采用全球通用的VHF频率161.975MHz和162.025 MHz以无线电波的形式将本船信息广播出去，周围船舶通过接收AIS信息，并对信息进行解析，就能实时获取他船信息，（位置、状态等）［2］。AIS技术极大地降低了船舶因视线或能见度等原因造成的船舶交通事故率，同时也为相关部门的监管、调度和其他应用提供了便利。

2 系统分析及需求

由于船载AIS信息覆盖范围有限，并且离监控中心较远，同时也存在着高大建筑物的遮挡等问题，船载AIS信息可能无法直接传输到监控中心。为了扩大监控施工范围，需在施工区域附近的码头和运输船舶停靠码头安装岸台AIS收发机。基于AIS的通州沙深水航道施工安全控制系统拓扑结构见图2。

图2 基于AIS的施工安全控制系统拓扑结构Fig.2 Topology of construction safety control system based on AIS

由图2可知，整个系统功能包括从AIS收发机接收信息到为监控中心客户端提供监控情况，以及实时提供如、船舶管理、船舶调度、决策支持、信息发送等服务。由于AIS收发机和数据服务器采用2种不同的通信协议，故AIS收发机到数据服务器之间需经过串口服务器处理、数据发送、网络传输等环节。AIS接收机采用标准的RS232输出接口，故串口服务器的作用是将RS232和TCP／IP这2种协议标准进行双向转换。

通过实地调研，并结合实际情况进行分析，最后通过系统论证，基于AIS的通州沙深水航道施工安全控制系统应具有以下功能。

1）实时监控施工船舶和运输船舶，实时获取船名、船舶位置、航向、航速等信息。

2）实时监控在主航道过往的船舶，实时获取过往船名、船舶位置、航向、航速等信息。

3）实时获取天气和潮汐信息，并将对施工不利和对运输船舶构成安全隐患的信息及时发送给船舶和监管人员。

4）实时地将各种通知发送到指定的船舶和人员。

5）实时地将调度信息发给指定船舶。

6）实时报警，对有较大安全隐患的船舶进行报警提示。

3 系统的功能结构

根据AIS的特点及系统功能需求，结合实际应用环境，基于AIS的通州沙深水航道施工安全控制系统的功能结构见图3。主要包括数据接收子系统、数据发送子系统、数据库子系统、监控子系统、报警子系统和管理子系统等。

图3 基于AIS的施工安全控制系统的功能结构Fig.3 Function structure of construction safety control system based on AIS

1）数据接收子系统。接收来自施工区域AIS报文的1，2，3，5，6，7，12，13，18，19和24号报文，经串口服务器处理为AIS信息帧，并将AIS信息帧实时发送到本地数据服务器上。

2）数据发送子系统。数据发送子系统发送包括调度、通知和驱赶等信息。本地服务器生成监控中心与施工船舶相互约定好的特有AIS报文信息帧，然后通过TCP／IP网络发送给各个码头的串口服务器，经串口服务器转换成AIS报文后，通过RS232发送给AIS收发机，最终发送给特定的目标船舶。

3）数据库子系统。数据库子系统存储包括AIS信息、天气潮汐信息、发送记录、调度记录、通知记录、登录记录和操作记录等信息。①数据接收子系统接收AIS报文后，本地数据服务器调用AIS解析程序，对AIS报文进行解析，并根据AIS信息的结构和数据库表的对应关系，把解析后的船舶信息写入到数据库表中；②为实时获取天气和潮汐信息，数据库子系统向天气和潮汐相关部门提供远程写入数据库天气潮汐表权限，可实时写入天气和潮汐信息；③为掌握安全监管人员的登录、调度、发送等操作记录，数据库子系统还实时写入安全监管人员的常规监控操作信息。数据库子系统为后续的分析、决策、报表等应用功能提供支持。

4）监控子系统。包括对施工船舶和航行船舶监控。安全监管人员在客户端实时监控施工区域船舶的动态，并通过船舶的状态信息分析船舶的安全性以及生成调度、通知等命令。

5）报警子系统。报警子系统包括施工船舶危险报警、航行船舶误入施工区域报警和天气潮汐报警3部分内容。数据写入数据库子系统后，本地险情分析程序定时扫描数据库的船舶动态信息和天气潮汐动态信息，并将安全隐患及时发给安全监管人员。报警子系统可及时发现险情，为安全监管人员研究对策、措施赢得宝贵时间。

6）管理子系统。管理子系统由系统管理、施工船舶管理、安全监管用户管理、施工船舶设置、施工区域设置、服务器设置和串口服务器等部分组成。管理子系统可以对系统进行一些常规配置和操作，如修改施工船舶船名和MMSI、增加和删除施工船舶、修改监管人员权限、施工区域范围设置、服务器和串口服务器的IP和端口设置等。

4 系统实现的关键技术

4.1 AIS接收机端通信技术

由于系统数据库中只需要几种特定的AIS报文，为减小服务器端解析负荷，安装在码头的AIS收发机实时接收AIS报文后，先将该报文进行过滤，再对其进行校验后，通过串口服务器发送给服务器端。系统中，由于串口服务器与服务器端没有心跳机制，若不在开发过程中加入心跳包，串口服务器和服务器端只要有一方死机、断电或网络不畅通等意外情况发生，系统都无法正常通信。因此，系统中需人为加入心跳包，并在AIS接收机中设置定时器，通过定时中断向服务器发送心跳包，如AIS收发机端多次未收到服务器端的回复，则通过AIS收发机控制串口服务器电源，对串口服务器进行重启。AIS接收机端通信实现步骤如下。

1）开启定时器和接收AIS报文功能。

2）接收1条AIS报文，判断该报文是否为系统所需的特定AIS报文。

3）若不是特定报文，丢弃，返回到步骤2）；若是，则进行校验。

4）通过串口服务器发送给服务器；

5）返回到步骤2）。

6）在步骤2）～5）过程中，如出现定时中断响应，AIS生成心跳包，并通过串口服务器发送给数据服务器；若多次发送心跳包后未收到服务器端回复，则AIS收发机重启串口服务器。

4.2 服务器端通信技术

Microsoft Visual C＋＋的MFC类库提供了2个Socket套接字类：CAsyncSocket和CSocket。CSocket派生于CAsyncSocket，CAsyncSocket类封装了Windows SocketAPI函数，并将与Socket有关的Windows消息转换为回调函数，使其更加面向底层，应用更加灵活［3－4］。故在数据接收子系统中服务器端，创建了1个以CAsync－Socket为基类的非阻塞模式CServerSock类。为了同时响应来自多个码头的串口服务器的连接请求，服务器端开启了1个侦听端口，并在该端口侦听多个串口服务器的连接请求，一旦有串口服务器连接上，则开始侦听CAsyncSocket的OnAccept虚函数［5］，并为串口服务器端建立1个以CClientSock（CClientSock类继承CAsyncSocket类）为基类的客户端对象，再将客户端对象添加到客户端链表中。

在接收系统中，服务器端接收AIS报文信息帧后将AIS报文存放在接收数据队列中，为了实时显示船舶动态信息，服务器端解析程序采用多线程解析接收数据队列中的AIS报文［6－7］。

服务器端通信技术核心代码如下：

4.3 天气潮汐数据表设计

天气潮汐信息由气象部门提供，但由于气象部门数据涉及保密，气象部门未向本系统开放实时访问权限。通过达成一致协议，气象部门实时向本系统数据库的天气潮汐表写入气象信息。

在设计天气潮汐数据表中，考虑了效率、安全等因素，同时遵循了数据库设计的独立性高、冗余度小、共享性高和“E－R”原则。由于本系统中数据记录较多，对查询、分析要求较高，故采用Microsoft开发的SQL Server 2005。在数据表设计中，建立了天气动态表和潮汐动态表，以及与之对应的天气历史表和潮汐历史表。为了实时更新天气信息，气象部门远程向数据库的天气动态表中写入最新天气信息，同时调用存储过程，从而保证天气动态表与天气历史表中对应数据的一致性和完整性；为了降低天气动态表中数据记录的冗余量和提高险情判断的查询效率，设计了相应的触发器，即在存入新的天气信息时删除天气动态表中与之对应的旧记录。潮汐动态表和潮汐历史表数据记录写入过程与上述存储类似，在此不再赘述。本数据库中天气、潮汐动态表字段设计见表1和表2。

表1 天气动态字段设计表Tab.1 Design tab of weather dynamic field

表2 潮汐动态字段设计表Tab.2 Design tab of tide dynamic field

4.4 误入施工区域驱赶

本工程整治航线较长，施工区域较广，虽设置了施工专用标，但偶尔仍有航行船舶误入施工区域，给航行船舶自身和施工船舶均带来了较大安全隐患。为了施工安全，指派特定船只为警戒船，在施工区域巡逻和驱赶误入施工区域的船舶。但由于施工区域宽广，警戒船巡逻工作量较大，同时也需要花费一笔较大的费用。为此，本系统设计航行船舶误入施工区域驱赶功能，只要在系统上发现了航行船舶进入施工区域，系统立即发送消息通知监管人员，同时发送驱赶命令给警戒船，从而达到驱赶目的。航行船舶误入施工区域驱赶功能极大提高了施工安全性，同时降低警戒船的工作量和费用。

误入施工区域驱赶功能具体实现思路是：通过AIS获取航行船舶的船名、位置、航向、速度等信息，然后判断航行船舶是否进入或即将进入施工区域［8］，若是，则进一步判断此船舶是否为施工运输船舶，若不是施工运输船舶，则立即告知监管人员，同时通过AIS和短信猫告知警戒船需驱赶船舶的船名、MMSI、位置、航向、速度等信息，警戒船收到驱赶命令后前往指定目的区域驱赶，功能具体流程见图4。

图4 误入施工区域驱赶软件流程Fig.4 Soft flow of goad

4.5 通知、调度决策的生成与发送

在施工监管过程中，经常会突然出现不利天气、潮汐等环境因素影响施工，为保证施工船舶安全和确保施工质量，安全监管人员需通知每条施工船舶和运输船舶；有时项目部或安全监管人员也会临时对施工船舶或运输船舶发布通知或调度信息。如果采用常规电话通知调度，由于需要通知调度的船舶数量较多，容易出现遗漏或通知不及时等问题，同时增加了监管人员的工作量。为此，开发了通知调度决策自动生成和发送功能，弥补了上述不足，同时也提高了施工船舶和运输船舶的安全性。

考虑到船舶安全性、监管人员工作量、系统的经济性、系统的自动化和智能化水平，通知调度决策生成与发送功能采用C＋＋语言进行开发，在OnTimer定时响应函数中扫描天气动态表和潮汐动态表，如出现影响施工的不利因素，系统通过设定程序自动分析不利因素来生成决策，并通过MakeAISMessage和MakeSMS将决策分别自动生成AIS报文和短消息，再通过SendSMS函数将信息发给安全监管人员和船舶相关人员，通过SendAISMessage函数将AIS报文发给相关船舶；对于项目部或安全监管人员的临时通知或调度命令，由于AIS不支持中文，只能通过短信猫发送，安全监管人员选定船舶并输入通知或调度命令后，系统自动生成短消息，并在数据库中查找该船舶负责人的手机号码，然后通过SendSMS函数发送给指定的船舶负责人。系统短消息通知调度界面见图5。

图5 短消息通知调度界面Fig.5 Interface of scheduling based on SMS

5 结束语

安全监管是施工中1项极其重要的工作，水上施工因其特殊性，其安全监管难度大且十分复杂。利用信息技术和自动化技术不仅能提高安全监管的科技水平和管理水平，还能有效的提高施工安全性，减轻安全监管人员工作负荷。基于AIS的通州沙深水航道施工安全控制系统研究为从事涉水行业施工安全提供了借鉴意义，随着信息技术和传感器技术的飞跃发展，AIS设备的普及，利用AIS和其他传感器监管安全的应用将会越来越广。

［1］ 陈光敏.深水航道建设与南通港口经济发展［J］.港口经济，2009（2）：42－43.

［2］ 单浩宇，单浩明.AIS在港口管理及船舶监控中的应用［C］∥2008—2009年船舶通信导航会议论文集，北京：中国航海协会，2009：50－53.

［3］ 赵 莉，朱飞祥.基于AIS基站的伪目标船舶信息广播［C］∥2008—2009年船舶通信导航会议论文集，北京：中国航海协会，2009：54－58.

［4］ 唐存宝，邵哲平，潘家财.基于AIS信息源的数据挖掘平台的研究［C］∥2009年水上智能交通论坛，天津：中国智能交通协会水上智能交通分会，2009：1－5.

［5］ 王家林.Android4.0网络编程详解［M］.北京：电子工业出版社，2012.

［6］ 初秀民，徐海潮，万 剑，等.基于多线程的船载自动识别系统报文解析［J］.中国航海，2011，34（2）：19－23.

［7］ 齐英凯，徐海潮，初秀民，等.基于S57的内河船舶导航系统研究［J］.航海技术，2012（3）：37－40.

［8］ 郭 浩，张 晰，安居白，等.基于船舶AIS信息的可疑船只监测研究［J］.交通信息与安全，2013，31（4）：67－72.