AIS在當(dāng)代航海技術(shù)中的應(yīng)用

摘 要：伴隨著科技進(jìn)步，人類對于海洋的認(rèn)知也越發(fā)深入，在經(jīng)濟(jì)全球化發(fā)展的當(dāng)今社會(huì)，航海技術(shù)已經(jīng)成為各國重點(diǎn)發(fā)展的領(lǐng)域之一。為保障船舶航行安全，推動(dòng)當(dāng)代航海技術(shù)高質(zhì)量發(fā)展，本文以AIS為研究對象，簡要分析了AIS對當(dāng)代航海技術(shù)的應(yīng)用，深入探索AIS在當(dāng)代航海技術(shù)中的應(yīng)用路徑。在基于AI的當(dāng)代航海技術(shù)的研究中，本文根據(jù)當(dāng)代航海技術(shù)的發(fā)展情況，提出開發(fā)DBS/AIS船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的觀點(diǎn)，通過BDS與AIS的有機(jī)結(jié)合，提高船舶監(jiān)控能力和信息服務(wù)水平，進(jìn)一步推動(dòng)當(dāng)代航海技術(shù)發(fā)展，賦能船舶航行安全水平提升。

關(guān)鍵詞：AIS；BDS；航海技術(shù)；船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)

在我國，AIS在當(dāng)代航海技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用時(shí)間較長，而隨著技術(shù)研發(fā)的推進(jìn)，以及船舶航行經(jīng)驗(yàn)的積累，我國開始認(rèn)識(shí)到傳統(tǒng)AIS在信息實(shí)時(shí)共享上存在的不足，所以有必要開發(fā)一套新型系統(tǒng)來創(chuàng)新和優(yōu)化AIS，在保障船舶定位精度的基礎(chǔ)上，為船舶航行、海上交通管制等提供更有力的支持。

一、AIS在當(dāng)代航海技術(shù)領(lǐng)域的價(jià)值

一是船舶避碰，AIS支持船舶之間的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息交換，這些信息具有多樣性的特點(diǎn)，不僅能全面獲取船舶在航行時(shí)的基本信息，如轉(zhuǎn)向速率、航首方向等，而且能通過這些數(shù)據(jù)詳細(xì)分析船舶當(dāng)前的航行情況，對船舶未來航行狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測［1］。

二是船運(yùn)信息化建設(shè)。目前，當(dāng)代航海技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入信息化發(fā)展階段，在現(xiàn)代航海運(yùn)輸要求下，當(dāng)代航海技術(shù)也在不斷進(jìn)步，其中信息化技術(shù)的應(yīng)用為當(dāng)代航海技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了良好條件。

二、當(dāng)代航海技術(shù)的發(fā)展情況

在當(dāng)代航海技術(shù)領(lǐng)域，我國通過大量研究與實(shí)驗(yàn)，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了AIS系統(tǒng)存在的不足，開始在船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的開發(fā)中，將北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）與AIS系統(tǒng)融合，憑借BDS系統(tǒng)強(qiáng)大的定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)等功能，實(shí)現(xiàn)船舶的高精度定位。

三、AIS在當(dāng)代航海技術(shù)中的應(yīng)用策略

（一）應(yīng)用思路

根據(jù)當(dāng)代航海技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，本文提出在當(dāng)代航海技術(shù)領(lǐng)域開發(fā)新型船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的觀點(diǎn)。為解決傳統(tǒng)船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)在信息共享和船舶定位監(jiān)控等方面存在的不足，本文主要研究運(yùn)用信息融合算法促進(jìn)BDS與AIS信息融合，對傳統(tǒng)船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)實(shí)施改造。

首先，利用改進(jìn)信息融合算法，采用BDS/AIS定位方案，解決傳統(tǒng)船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)在定位精度上存在的不足，支持系統(tǒng)穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)船舶位置、速度等信息的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)傳遞［2］。其次，結(jié)合船舶定位監(jiān)控的需求，精心選擇船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的軟件設(shè)施，完成系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計(jì)。最后，基于Android設(shè)計(jì)船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的軟件部分，實(shí)現(xiàn)船舶定位監(jiān)控等功能。

（二）系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文研究的新型船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，根本目的是提高船舶定位精度和系統(tǒng)監(jiān)控能力，系統(tǒng)用戶為船員，根據(jù)系統(tǒng)監(jiān)控需求，硬件與軟件部分分別要實(shí)現(xiàn)以下功能，見圖1［3］。

根據(jù)新型船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的功能需求，本文將該系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)劃分為硬件和軟件兩個(gè)部分，各部分的內(nèi)容如下。

1.硬件部分

（1）負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)接收衛(wèi)星信號(hào)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位等功能。

（2）具備同時(shí)處理BDS和AIS子系統(tǒng)信息的能力，通過提取速度、加速度、經(jīng)緯度等基本信息進(jìn)行信息融合運(yùn)算，計(jì)算融合后的船舶位置最優(yōu)估值。

（3）系統(tǒng)能夠通過WiFi模塊將基于改進(jìn)信息融合算法的最優(yōu)軌跡值傳遞給用戶端，支持船員在任意位置了解船舶的航行情況、定位情況，以此為依據(jù)預(yù)測船舶未來航行情況，改進(jìn)船舶航行計(jì)劃。

（4）基于最優(yōu)估計(jì)值，在AIS系統(tǒng)中利用TDMA發(fā)射器向岸基AIS站臺(tái)和來往船舶發(fā)送信號(hào)，支持AIS站臺(tái)及來往船舶精準(zhǔn)掌握船舶航行狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上提高船舶航行的安全性。

2.軟件部分

（1）為保證系統(tǒng)內(nèi)部信息的安全性，系統(tǒng)應(yīng)具備用戶登錄功能，支持用戶在系統(tǒng)中注冊、登錄賬號(hào)密碼，系統(tǒng)通過安全驗(yàn)證授權(quán)各項(xiàng)操作功能。

（2）系統(tǒng)要設(shè)計(jì)高效、穩(wěn)定的通信模塊，支持通信模塊與硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通信，在船員需要監(jiān)控船舶航行狀態(tài)時(shí)，可以通過通信模塊實(shí)時(shí)獲取船舶的航行信息。

（3）系統(tǒng)可以通過移動(dòng)終端接收船舶航行信息，在電子地圖上實(shí)時(shí)顯示更新船舶位置，支持用戶實(shí)時(shí)掌握船舶航行路線，及時(shí)發(fā)現(xiàn)偏航問題，降低發(fā)生碰撞事故的概率。

（4）系統(tǒng)應(yīng)提供人機(jī)交互界面，此類操作界面的內(nèi)容要簡單易懂，方便用戶通過界面直接完成系統(tǒng)操作。人機(jī)交互界面盡量做到整潔美觀，同時(shí)要合理對系統(tǒng)功能進(jìn)行布局。

（三）系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)新型船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)對硬件部分的需求，本文選擇的系統(tǒng)硬件部分見表1。

1.主控模塊

該系統(tǒng)主控模塊選擇STM32F103C8T6芯片。該模塊具備北斗信息初步處理、解析等功能，采用改進(jìn)信息融合算法進(jìn)行BDS和AIS信息融合，將融合后的數(shù)據(jù)傳遞給WiFi模塊［4］。主控模塊提供四個(gè)串口，其中串口1與北斗模塊進(jìn)行通信，串口3與AIS模塊進(jìn)行通信，串口4則負(fù)責(zé)與WiFi模塊進(jìn)行通信，在WiFi模塊的支持下實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)將船舶定位信息發(fā)送給移動(dòng)終端，而船員則可以在船舶上使用手機(jī)查看船舶的位置信息。

2.北斗模塊

北斗模塊的主要功能是收集船舶的基本定位信息，如船舶經(jīng)緯度，為主控模塊提供船舶的航行狀態(tài)信息。該系統(tǒng)的北斗模塊選擇ATGM332D5N31芯片，該芯片可滿足多種衛(wèi)星定位需求，擁有32個(gè)獨(dú)立追蹤信道，支持從多種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中獲取GNSS數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)高精度定位，芯片基本參數(shù)見表2。

3.WiFi模塊

WiFi模塊選擇ESP8266芯片，主要功能是支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸，尤其是支持移動(dòng)終端與主控模塊的通信，可以將BDS和AIS融合后的信息傳遞給用戶的移動(dòng)終端，幫助用戶實(shí)時(shí)掌握船舶的航行狀態(tài)。ESP8266芯片是一種WiFi微控制器，可作為獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)行，也可以與其他主處理器連接［5］。該芯片集成802.11b/g/n網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，能與外部MCU通信串口或SPI接口進(jìn)行操作，內(nèi)置高度定制化自動(dòng)化引腳配置功能，支持用戶在芯片上連接外設(shè)。

4.操作界面

該系統(tǒng)的人機(jī)操作界面采用OLED屏幕，該屏幕分辨率為128×64，配置SSD1306驅(qū)動(dòng)集成電路，提供多種連接模式，如6800、8080兩種并行連接模塊，3線與4線串行外設(shè)接口連接模塊等。

5.USB轉(zhuǎn)TTL模塊

該模塊選擇CH340型號(hào)的芯片，能通過UART串口實(shí)現(xiàn)通信，也可以下載燒錄程序，支持3.3V和5.5V供電，能避免因驅(qū)動(dòng)或電腦不匹配引起的故障問題。

（四）電路設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的主機(jī)供電選擇DC8V供電電源，根據(jù)CH340芯片的特點(diǎn)經(jīng)轉(zhuǎn)換后得到DC3.3V和DC5.5V供電，為系統(tǒng)各硬件模塊的高效穩(wěn)定運(yùn)行提供支持，系統(tǒng)電路圖見圖2。

（五）系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1.主程序

根據(jù)船舶定位與監(jiān)控管理的需求，本文設(shè)計(jì)的新型船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的工作流程見圖3。

根據(jù)系統(tǒng)工作流程，主控模塊在同時(shí)接收到來自AIS和BDS模塊傳遞的數(shù)據(jù)信息后，在WiFi模塊的幫助下可以將各類數(shù)據(jù)傳遞給APP，支持用戶在移動(dòng)終端直接接收數(shù)據(jù)［6］，也可以在主控模塊直接將信息傳遞給改進(jìn)信息融合模型，經(jīng)AIS和BDS信息融合處理后，再由WiFi模塊將處理后的數(shù)據(jù)傳遞給APP，支持用戶直觀了解船舶定位信息。

在主控模塊中，本文選擇的信息融合算法為改進(jìn)IMMKF的AIS/BDS信息融合定位算法，該算法主要以聯(lián)邦卡爾曼濾波作為基礎(chǔ)，通過將BDS與AIS數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，得出精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)融合結(jié)果。

一是AIS和BDS作為兩套獨(dú)立的測量系統(tǒng)，擁有各自觀測值以及獨(dú)立的狀態(tài)工具，所以采用聯(lián)邦卡爾曼濾波結(jié)構(gòu)進(jìn)行濾波，在各自濾波后采用分布式結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的融合，計(jì)算出全局性的最優(yōu)估計(jì)值，融合流程見圖4。

二是濾波部分采用IMMKF濾波算法，提高非線性估計(jì)精度。

三是采用CI融合算法，實(shí)現(xiàn)多模型濾波，確保融合設(shè)備不局限于AIS和BDS，在船舶定位需要更高精度時(shí)還可以接入其他設(shè)備。

2.軟件流程

在以BDS和AIS為基礎(chǔ)的新型船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)中，系統(tǒng)所有代碼都采用C語言實(shí)現(xiàn)，先在PC終端上開發(fā)實(shí)現(xiàn)代碼，再以交叉編譯為基礎(chǔ)生成可執(zhí)行文件，隨后將該文件燒錄至MCU中運(yùn)行。系統(tǒng)在運(yùn)行前先要進(jìn)行初始化設(shè)置，在所有模塊正常運(yùn)作的基礎(chǔ)上基于串口調(diào)試打印系統(tǒng)工作日志，完成對BDS、AIS、WiFi等模塊運(yùn)行狀態(tài)的評估，在獲取兩類不同數(shù)據(jù)信息后，按照不同解碼規(guī)則對兩類數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，將無法再進(jìn)行信息融合的信息放入緩存緩沖區(qū)。

3.APP設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的一系列操作功能，都要通過系統(tǒng)專用APP來實(shí)現(xiàn)。本文根據(jù)船舶航行、定位、監(jiān)控等對新型船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的需求，設(shè)計(jì)具備多樣化功能的APP［7］。

（1）UI界面設(shè)計(jì)。將UI界面作為系統(tǒng)的人機(jī)交互界面，根據(jù)系統(tǒng)操作功能在UI界面設(shè)計(jì)基本的人機(jī)操作按鈕或功能窗口，如用戶登錄窗口，包含用戶登錄系統(tǒng)需要輸入的賬號(hào)、密碼，提供賬號(hào)注冊、密碼找回等多重功能，從源頭上控制好系統(tǒng)信息的安全。

（2）通信模塊設(shè)計(jì)。該模塊主要負(fù)責(zé)收發(fā)系統(tǒng)發(fā)送的定位信息，自動(dòng)對所接收數(shù)據(jù)進(jìn)行解析。在系統(tǒng)的人機(jī)操作界面上實(shí)時(shí)顯示船舶狀態(tài)信息，在可視化展示的基礎(chǔ)上提高用戶了解船舶航行狀態(tài)的程度。

（3）顯示定位模塊設(shè)計(jì)。其主要功能為顯示地圖和船舶的航行數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)的顯示定位模塊采用百度地圖的應(yīng)用開發(fā)進(jìn)行設(shè)計(jì)，先對百度地圖進(jìn)行初始化設(shè)置，再從地圖上讀取經(jīng)緯度坐標(biāo)數(shù)據(jù)，顯示船舶位置圖表，完成對船舶的顯示定位。

（4）監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)。本文采用SQL創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫，在存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)通過將Content Values對象傳遞給insert的方法，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行安全保存。根據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)特征，本文在數(shù)據(jù)庫中將數(shù)據(jù)劃分為船舶定位數(shù)據(jù)、船舶監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、用戶信息數(shù)據(jù)等類型。

結(jié)語

綜上所述，在當(dāng)代航海技術(shù)領(lǐng)域，AIS是一項(xiàng)應(yīng)用范圍廣、應(yīng)用價(jià)值大的技術(shù)手段，其在當(dāng)代航海技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用能顯著提高船舶航行監(jiān)控效果，提高船舶定位精度。本文認(rèn)為在AIS技術(shù)的應(yīng)用過程中，還存在因數(shù)據(jù)信息本身完整性、信息實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)共享不足等方面的問題，這些問題的存在會(huì)給AIS系統(tǒng)的正常功能造成影響，導(dǎo)致AIS無法滿足船舶定位和航行監(jiān)控等方面的要求?；贐DS和AIS的新型船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，能彌補(bǔ)單一AIS系統(tǒng)存在的不足，其在以傳統(tǒng)AIS系統(tǒng)為基礎(chǔ)的框架體系中引入BDS數(shù)據(jù)信息，并采用改進(jìn)信息融合算法，能同時(shí)發(fā)揮兩類數(shù)據(jù)信息的作用，大幅提高船舶航行定位精度和監(jiān)控水平。

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作者簡介：陳留遠(yuǎn)（1983— ），男，漢族，山東濟(jì)寧人，本科，講師，研究方向：航海技術(shù)；呂延川（1984— ），男，漢族，江蘇徐州人，本科，講師，研究方向：航海技術(shù)。