基于AIS 和GIS 的海上風(fēng)電場(chǎng)船舶監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

沈思曦，陳元林，安博文，盧學(xué)佳

（1.上海海事大學(xué)信息工程學(xué)院，上海 201306；2.國(guó)網(wǎng)衡水供電公司，衡水 053000）

0 引言

海上風(fēng)電系統(tǒng)由陸上集控中心、海上升壓站和海上風(fēng)機(jī)組成。陸上集控中心與海上升壓站之間、海上升壓站與各個(gè)風(fēng)機(jī)之間分別用用220kv和35kv的海纜進(jìn)行串接。風(fēng)電場(chǎng)工作人員需要對(duì)所有鋪設(shè)海纜的海域進(jìn)行船舶監(jiān)控，保護(hù)海纜不受錨害。

文獻(xiàn)[1]提出了一種單機(jī)版的海上船舶監(jiān)控系統(tǒng)，其能夠?qū)Ｓ騼?nèi)傳播進(jìn)行有效監(jiān)控。文獻(xiàn)[2]在文獻(xiàn)[1]的基礎(chǔ)上提出了基于C/S結(jié)構(gòu)的多客戶端監(jiān)控系統(tǒng)的想法，但其只有想法沒(méi)有具體的實(shí)施方案。文獻(xiàn)[3]將文獻(xiàn)[2]中的想法成功實(shí)現(xiàn)，且系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，但文獻(xiàn)[1-3]的系統(tǒng)均只支持單個(gè)AIS設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，使得系統(tǒng)穩(wěn)定性得不到保障，且其告警系統(tǒng)不夠完善，均只能系統(tǒng)報(bào)警而不能向目標(biāo)船舶發(fā)送告警信息。這些不足點(diǎn)在文獻(xiàn)[4]中被提及，作者提出了一系列方案來(lái)完善系統(tǒng)，但最終只有部分功能完成模擬測(cè)試，且系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)沒(méi)有完成。本系統(tǒng)完成了文獻(xiàn)[1-4]中的設(shè)計(jì)，并對(duì)其中部分功能進(jìn)行補(bǔ)充和優(yōu)化。

本系統(tǒng)采用的技術(shù)主要包括AIS解碼編碼技術(shù)、MapWinGIS地圖開(kāi)發(fā)技術(shù)、PostGIS地理信息空間數(shù)據(jù)庫(kù)管理技術(shù)、基于分布式數(shù)據(jù)庫(kù)（MySQL）的數(shù)據(jù)發(fā)布訂閱技術(shù)、基于分布式數(shù)據(jù)庫(kù)（MySQL）的配置信息管理技術(shù)和多線程技術(shù)。

1 需求分析

（1）支持多個(gè)AIS設(shè)備同時(shí)接入

單個(gè)AIS設(shè)備監(jiān)測(cè)海域的范圍有限，且穩(wěn)定性較差。因此要求系統(tǒng)支持多個(gè)設(shè)備同時(shí)接入和動(dòng)態(tài)可配置。

（2）GIS電子海圖形式的表示層

以電子海圖的形式顯示觀測(cè)海域、警戒區(qū)和海上船舶，使用戶更直觀地了解海上船舶的航行情況。

（3）多客戶端設(shè)計(jì)

工程上需要在海上升壓站、陸上集控中心等地點(diǎn)查看監(jiān)控系統(tǒng)信息，所以系統(tǒng)需滿足多客戶端同時(shí)在線訪問(wèn)。

（4）船舶告警功能

系統(tǒng)需要有自動(dòng)告警功能（系統(tǒng)界面彈出告警框并產(chǎn)生警報(bào)），并向滯航船舶自動(dòng)發(fā)送告警信息和向目標(biāo)船舶手動(dòng)發(fā)送短消息的功能。

（5）歷史信息查詢功能

系統(tǒng)應(yīng)包含船舶歷史信息和歷史航跡繪制的功能，方便用戶對(duì)歷史船舶進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢和事故追責(zé)。

本系統(tǒng)要求的系統(tǒng)指標(biāo)如表1所示。

表1 技術(shù)指標(biāo)

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件框架

硬件設(shè)備主要包含AIS設(shè)備、服務(wù)器和客戶端，其連接框架如圖1所示。

圖1 硬件框架

2.2 軟件結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示，包含以下功能模塊：AIS數(shù)據(jù)采集模塊、AIS數(shù)據(jù)編解碼模塊、AIS可視化模塊、預(yù)警與報(bào)警模塊、AIS數(shù)據(jù)發(fā)送模塊、報(bào)表管理模塊、歷史數(shù)據(jù)查詢模塊和用戶管理模塊。

3 關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 AIS信息采集/編解碼模塊

系統(tǒng)中的AIS設(shè)備包括A類設(shè)備、B類設(shè)備和基站。系統(tǒng)通過(guò)RS-232串口/RJ-45網(wǎng)口接收AIS信息并進(jìn)行解碼。AIS消息的接收和解碼流程如圖3所示。

數(shù)據(jù)進(jìn)入串口緩沖區(qū)后，服務(wù)器對(duì)緩沖區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取解析，解碼信息通過(guò)安全隊(duì)列送至服務(wù)器處理模塊進(jìn)行處理；當(dāng)有消息發(fā)送給目標(biāo)船舶時(shí)，服務(wù)器處理模塊將短消息通過(guò)安全隊(duì)列發(fā)送給數(shù)據(jù)編碼線程進(jìn)行編碼，再通過(guò)串口將編碼數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送。

圖2 軟件結(jié)構(gòu)

圖3 數(shù)據(jù)采集/編解碼流程

數(shù)據(jù)采集模塊會(huì)根據(jù)系統(tǒng)連接AIS設(shè)備的數(shù)量設(shè)置線程數(shù)，每個(gè)AIS設(shè)備設(shè)一個(gè)獨(dú)立線程，并通過(guò)相應(yīng)的串口將數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器，在服務(wù)器收發(fā)控制層中進(jìn)行與處理。

系統(tǒng)的信息處理主要包括AIS解碼、AIS編碼、基于UDP協(xié)議的數(shù)據(jù)發(fā)送。

（1）AIS解碼

本系統(tǒng)嚴(yán)格按照ITU-1371[4]標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定進(jìn)行AIS解碼，對(duì)于包含多條AIVDM的信息（如5號(hào)報(bào)文），系統(tǒng)將對(duì)其語(yǔ)句信號(hào)和連續(xù)消息標(biāo)識(shí)進(jìn)行識(shí)別，將同一組的多條消息進(jìn)行自動(dòng)整合再進(jìn)行解碼。

（2）AIS編碼

本系統(tǒng)對(duì)AIS設(shè)備進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，使得其可以接受上位機(jī)的短消息發(fā)送指令，具備向海域船舶自動(dòng)發(fā)送短消息功能。本文自主設(shè)計(jì)了一套AIS編碼技術(shù)，用于短消息指令編碼和傳輸，其格式為：

$XNMSG,短信 ID，九位碼,短信類型,語(yǔ)句內(nèi)容*校驗(yàn)碼

短消息ID：使用三位數(shù)字代表所發(fā)消息ID

短消息類型：如表2所示。

表2 短消息類型

校驗(yàn)碼：取$和*之間的字符串異或校驗(yàn)，為兩位16進(jìn)制數(shù)。

（3）基于UDP協(xié)議的數(shù)據(jù)收發(fā)

系統(tǒng)對(duì)客戶端與服務(wù)器端之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求很高，考慮到UDP協(xié)議的無(wú)連接、高速率、占用資源少等一系列優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)采用UDP協(xié)議而不是TCP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，但是UDP存在丟包的問(wèn)題，不能保證傳輸數(shù)據(jù)的正確性，為此，系統(tǒng)在發(fā)送端的UDP數(shù)據(jù)尾部加上校驗(yàn)碼進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)校驗(yàn)。

3.2 多線程技術(shù)

系統(tǒng)中的線程主要分為服務(wù)器主線程、數(shù)據(jù)采集/處理線程、UDP數(shù)據(jù)發(fā)送線程和UDP數(shù)據(jù)接收線程。各線程之間相互獨(dú)立，互不影響。

服務(wù)器主線程主要負(fù)責(zé)控制用戶界面的控件、加載INI配置文件和開(kāi)設(shè)其它線程的工作。

數(shù)據(jù)采集/處理線程的數(shù)量與串口數(shù)（AIS設(shè)備數(shù)）一致。系統(tǒng)會(huì)根據(jù)如表3所示的INI配置文件，設(shè)置AIS設(shè)備的數(shù)目并自動(dòng)分配串口數(shù)據(jù)處理線程，每個(gè)串口數(shù)據(jù)處理線程分配兩個(gè)線程安全隊(duì)列，分別用于數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收。

表3 雙機(jī)雙客戶端系統(tǒng)INI配置文件

系統(tǒng)各線程間采用線程安全隊(duì)列進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，如圖4所示，在程序中設(shè)置一個(gè)輪詢，服務(wù)器端發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，各個(gè)串口數(shù)據(jù)處理線程的數(shù)據(jù)發(fā)送安全隊(duì)列將依次向UDP數(shù)據(jù)發(fā)送線程發(fā)送數(shù)據(jù)，不斷循環(huán)。避免使用線程鎖時(shí)，線程數(shù)量過(guò)多導(dǎo)致的數(shù)據(jù)傳輸效率低下和死鎖的情況。服務(wù)器接受數(shù)據(jù)時(shí)，UDP數(shù)據(jù)接收線程將依次向各個(gè)串口數(shù)據(jù)處理線程的數(shù)據(jù)接受安全隊(duì)列發(fā)送消息，無(wú)需等待，提高了系統(tǒng)的運(yùn)行速度。

圖4 多線程間數(shù)據(jù)傳輸流程

3.3 GIS可視化

（1）MapWinGIS

MapWinGIS是一個(gè)功能強(qiáng)大的開(kāi)源GIS平臺(tái)，是為小中型GIS應(yīng)用開(kāi)發(fā)的免費(fèi)開(kāi)源的組件及桌面的集合。本系統(tǒng)使用MapWinGIS實(shí)現(xiàn)GIS可視化。GIS可視化由如圖5所示的四個(gè)圖層繪制而成，分別為：海圖圖層、海纜圖層、觀測(cè)警戒圖層和AIS船舶圖層。不同的圖層全部設(shè)置在同一坐標(biāo)系（WGS1984坐標(biāo)系）下，使得不同圖層的各個(gè)位置在同一個(gè)坐標(biāo)系下疊加并對(duì)應(yīng)起來(lái)。

圖5 系統(tǒng)海圖圖層

①海圖圖層

海圖圖層主要功能是為整個(gè)系統(tǒng)提供海纜所在海域的地理信息，并將相關(guān)海域以地圖的方式繪制出來(lái)。

傳統(tǒng)地圖文件往往只使用一份地圖文件來(lái)表示整個(gè)地圖，這樣會(huì)導(dǎo)致若地圖文件太小則分辨率低；若地圖文件過(guò)大系統(tǒng)運(yùn)行速度降低。

本系統(tǒng)將多張不同文件格式、不同分辨率的文件疊加在一起，組成一份新的地圖文件，既解決了地圖分辨率的問(wèn)題，又提高了系統(tǒng)的運(yùn)行速率。

海圖圖層是整個(gè)系統(tǒng)表示層的基礎(chǔ)，海纜圖層、觀測(cè)警戒圖層和AIS圖層均繪制在該圖層上面。

②海纜圖層

海纜圖層是覆蓋在海圖圖層上的第一張圖層，在該圖層中要顯示海纜的起點(diǎn)、所經(jīng)過(guò)的坐標(biāo)和終點(diǎn)，繪制出海纜的形狀。

③觀測(cè)警戒圖層

觀測(cè)警戒圖層包括觀測(cè)區(qū)和警區(qū)域。警戒區(qū)在觀測(cè)區(qū)內(nèi)部，其區(qū)域形狀均為封閉的不規(guī)則多邊形。

繪制警戒區(qū)時(shí)，先確定警戒區(qū)所有頂點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)，將它們固定在繪制層上，再將這些頂點(diǎn)依次連接起來(lái)。觀測(cè)區(qū)的設(shè)置與警戒區(qū)相同，此處不再贅述。

④AIS船舶圖層的繪制

AIS圖層按照坐標(biāo)信息將船舶顯示到繪制層上，根據(jù)船舶的坐標(biāo)和實(shí)際航向進(jìn)行貼圖，將船舶的形狀繪制在坐標(biāo)上。該圖層上的AIS船舶信息會(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)的刷新進(jìn)行實(shí)時(shí)更新。

用戶瀏覽GIS表示層時(shí)，可以使用GIS地圖的所有功能，包括對(duì)地圖的放大、縮小、平移，對(duì)一些關(guān)鍵位置的標(biāo)記、測(cè)距，通過(guò)坐標(biāo)定位等功能，還能單擊目標(biāo)船舶查看船舶具體信息，繪制船舶歷史航跡，這使得表示層功能更加強(qiáng)大。

（2）警戒區(qū)內(nèi)船舶判斷算法

船舶警戒區(qū)為閉合區(qū)域，將其抽象為具有N個(gè)頂點(diǎn)（Xi，Yi）（i=0…N-1）的多邊形。

設(shè)一船舶所在點(diǎn)為（Xp，Yp），向右作一條平行于X軸的射線，通過(guò)該射線與該多邊形的交點(diǎn)數(shù)量（記作C）判斷（Xp，Yp）是否在閉合區(qū)域內(nèi)。判斷方法如下：

若（Xp，Yp）在多邊形的邊線或頂點(diǎn)上，則船舶在警戒區(qū)域；若不在，定義C%2為交點(diǎn)數(shù)量C對(duì)2取余數(shù)，進(jìn)而利用余數(shù)的奇偶性進(jìn)行判斷：

如圖6所示，第一條射線與多邊形交點(diǎn)為2，點(diǎn)在警戒區(qū)外；第二條射線與多邊形交點(diǎn)為4，點(diǎn)在警戒區(qū)外；第三條射線與多邊形交點(diǎn)為3，點(diǎn)在警戒區(qū)內(nèi)。

圖6 船舶位置模擬圖

3.4 多客戶端設(shè)計(jì)

（1）PostGIS地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)

PostGIS是一種支持分布式網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)的對(duì)象-關(guān)系型開(kāi)源空間信息數(shù)據(jù)庫(kù)。本系統(tǒng)選用PostGIS地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)存儲(chǔ)電子海圖地理數(shù)據(jù)信息和警戒區(qū)空間數(shù)據(jù)信息。

由于系統(tǒng)采用多客戶端設(shè)計(jì)，客戶端只能通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交互的方法對(duì)服務(wù)器端進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問(wèn)，無(wú)法對(duì)服務(wù)器端本地文件進(jìn)行訪問(wèn)。普通地圖文件以shape格式進(jìn)行本地存儲(chǔ)，客戶端無(wú)法對(duì)其進(jìn)行有效讀取。選用PostGIS地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)可以有效解決這一問(wèn)題，對(duì)電子海圖地理數(shù)據(jù)信息進(jìn)行存儲(chǔ)，使得服務(wù)器和客戶端都能夠訪問(wèn)當(dāng)前的地理信息數(shù)據(jù)，進(jìn)行信息讀取。

系統(tǒng)設(shè)置兩級(jí)權(quán)限，分別為普通員工和管理員。只有管理員擁有權(quán)限對(duì)電子海圖數(shù)據(jù)信息和警戒區(qū)位置、大小信息進(jìn)行修改。

（2）基于分布式數(shù)據(jù)庫(kù)（MySQL）的數(shù)據(jù)發(fā)布訂閱機(jī)制

本系統(tǒng)所有的船舶數(shù)據(jù)經(jīng)解碼后將統(tǒng)一存放到在服務(wù)器端的MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)表中。服務(wù)器端數(shù)據(jù)處理流程如圖7所示，功能包括船舶數(shù)據(jù)更新和船舶冗余數(shù)據(jù)刪除。

①船舶數(shù)據(jù)更新

為優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，減輕數(shù)據(jù)表的訪問(wèn)負(fù)擔(dān)，數(shù)據(jù)庫(kù)中采用數(shù)據(jù)表與日志表相結(jié)合的方式來(lái)處理數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫(kù)船舶數(shù)據(jù)周期性進(jìn)行刷新，每5秒刷新一次，刷新完成后，數(shù)據(jù)庫(kù)將刷新時(shí)的時(shí)間信息存入日志表中，客戶端不斷訪問(wèn)日志表。日志表更新后，客戶端訪問(wèn)數(shù)據(jù)表，將船舶數(shù)據(jù)和PostGIS中的地理數(shù)據(jù)銜接客戶端，在電子海圖上顯示出各個(gè)船舶當(dāng)前的位置并將其符號(hào)化。

②船舶冗余數(shù)據(jù)刪除

船舶數(shù)據(jù)必須具有一定的時(shí)效性，在線程中，系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)定時(shí)器，定時(shí)遍歷船舶信息，將獲取到的船舶信息的時(shí)間與服務(wù)器時(shí)間進(jìn)行對(duì)比，刪除數(shù)據(jù)庫(kù)中不具有時(shí)效性的船舶進(jìn)行船舶歷史航跡繪制。

系統(tǒng)客戶端進(jìn)行歷史航跡繪制時(shí)，會(huì)從MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)用船舶歷史信息，在電子海圖上進(jìn)行模擬航跡顯示[5-6]。

圖7 數(shù)據(jù)流處理流程圖

4 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)通過(guò)測(cè)試軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)源模擬實(shí)驗(yàn)。從現(xiàn)場(chǎng)采集到的AIS報(bào)文數(shù)據(jù)中提取樣本，將其作為數(shù)據(jù)源進(jìn)行壓力測(cè)試。設(shè)置模擬數(shù)據(jù)源船舶數(shù)量、警戒區(qū)同時(shí)報(bào)警船舶數(shù)量樣本均為系統(tǒng)指標(biāo)的1.5倍，計(jì)算解析出的船舶數(shù)量與樣本數(shù)量的比值，判斷其是否達(dá)到系統(tǒng)指標(biāo)。

經(jīng)過(guò)多次測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示，各項(xiàng)數(shù)據(jù)均達(dá)到系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)要求。

表4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

運(yùn)用上述思路設(shè)計(jì)的海上風(fēng)電場(chǎng)船舶監(jiān)控系統(tǒng)軟件，成功彌補(bǔ)了海上風(fēng)電場(chǎng)周邊海域自動(dòng)監(jiān)控領(lǐng)域的行業(yè)空白。將模塊化設(shè)計(jì)和多線程技術(shù)運(yùn)用于該軟件設(shè)計(jì)，不但提高了系統(tǒng)的擴(kuò)展性，而且提高了系統(tǒng)的執(zhí)行效率。該軟件已成功應(yīng)用于江蘇龍?jiān)词Y家沙海上風(fēng)電項(xiàng)目，能夠很好地滿足監(jiān)控要求。