內容提要：介紹一種基于COM擴展接口模式的AIS模擬器設計方案，該方案可方便地實現AIS模擬界面操作、基于電子海圖的AIS導航訓練等功能，并詳細地進行了實船借鑒應用分析。
關鍵詞：AIS模擬器 設計方案 應用研究
0引言
船舶自動識別系統(AIS)是一種新型的輔助導航設備，它可有效地使船舶與船舶之間、船舶與基站之間、船舶與岸上用戶之間進行信息交互，保障船舶航行安全。近年來船用AIS設備發展迅速，為了使航海技術專業畢業學員能夠很好地掌握AIS設備，必須對學員進行AIS設備培訓。然而，完全購置AIS真機設備達不到培養學生掌握AIS設備的目的，因為AIS真機設備要在航海真實環境下有船舶、有基站才能夠正常工作，而在學校不可能有航海真實環境。
為了滿足AIS教學訓練的需要，本文設計了一種基于COM擴展接口模式的AIS模擬器。該模擬器模擬FURUNO FA-100型AIS設備的完整界面和全部操作功能，并能接收和顯示真實的AIS信息以及仿真模擬AIS通信網絡，構建AIS模擬系統，開展AIS操作培訓，同時可方便地接入雷達模擬器和操舵模擬器等設備，實現AIS設備與雷達設備的融合，對學生有效掌握AIS設備具有現實意義。
1系統設計
1．1系統框架構建
FURUNO FA-100型AIS模擬器的設計從工作原理、界面到實現功能都盡量與真實設備相符，并能通過串口接收并顯示真實的AIS信息，同時又能方便地進行功能擴展。如與雷達模擬器、操舵模擬器等其它模擬器互連。因此，本系統設計考慮能夠獨立運行同時也能支持COM擴展接口的模式。技術實現方面采用基于IP的多播來模擬AIS設備的通信，實現同組AIS模擬設備的報文在組內可廣播發送，不同組的AIS模擬設備之間不能互相通信。系統開發工具選擇Microsoft Visual Studio．NET 2003：系統運行環境為Windows XP Professional(簡體中文版)+SP2。系統總體構成如圖1所示。
圖1 FURUNO FA-100型AIS模擬器總體設計方案
1．2程序設計
1．2．1數據結構定義
FURUNO FA-100型AIS模擬器的主要功能是完整地模擬AIS設備的界面操作功能和AIS網絡通信功能。因此，需要對各類型AIS報文進行解析、顯示。根據IEC-61 162-100(AIS數字接口的特別要求)和ITU-R M．1371-1(AIS系統技術特性的推薦標準)，系統對AIS信息進行了解析，并定義了相應的數據結構，舉例如下：
動態數據定義：
typedef struct__ Position Report
{
unsigned char Message ID； ／*消息ID*／
unsigned char Repeat Indicator； ／*消息標識*／
unsigned int MMSI； ／*MMSI*／
unsigned char Navigation Status； ／*航行狀態*／
unsigned char RaimFlag； ／**／
CommState Communication State；／*通信狀態*／
}Position Report ； ／*船舶位置報告*／
與此類似，本系統還對靜態數據的消息ID、消息標識、MMSI、IMO NO、船名、呼號等數據種類進行定義；對系統運行模式如：單機運行、學生機分組模式、教師機控制模式等參數進行定義；對仿真AIS通信SOTDMA協議的WINSOCK的收發觸發方式參數進行了定義。在FURUNO FA-100型AIS模擬器系統開發中借助對各模塊中的參數進行賦值與傳遞，控制AIS設備的界面操作功能和AIS網絡通信功能。
1．2．2可共用的UAIS模擬器終端控件設計
界面和操作功能設計：界面布局如圖2所示，與同型號的實船設備一致。左邊的顯示區域模擬AIS設備的顯示屏：右邊為16個功能按鈕，所有的操作功能都通過鼠標左鍵點擊來實現。需要使用同時按下2個鍵的功能。通過鼠標右鍵點擊其中一個按鈕以后再用鼠標左鍵點擊按鈕來模擬。
圖2 FURUNO FA-100型AIS模擬器界面
通過按鍵，模擬器完整地模擬真機設備的全部功能菜單，其菜單樹狀結構最多層次為7層，涉及可操作菜單58個。
控件工作的主要線程：一個是串口通信線程，一個是SOCKET通信線程。兩個線程的工作模式基本一致，首先都阻塞偵聽線程控制事件，如果線程退出事件觸發(由主程序退出時通知控件觸發)，則退出線程；如果線程工作事件觸發(由設置工作模式觸發)，則繼續下面的工作。
1．2．3網絡運行環境及COM擴展接口設計
系統采用IP多播通信方式。主要工作端口為60000，模擬設備在該端口上接收訓練配置信息。各訓練分組模擬設備的AIS信息都在各自的多播組上進行廣播發送。本模擬器為了適應擴展的需要，提供一個COM接口IAIS。IAIS接口提供了外部應用程序對本模擬器的控制和數據傳遞接口。
2 AIS模擬器訓練與相當實船環境的借鑒應用
2．1訓練項目配置
系統由l臺教師機和若干臺學生機組成。教師機軟件設置AIS模擬器為教師機運行模式，支持從串口接收真實AIS設備報文并在局域網內廣播，同時支持接受網絡傳遞的AIS報文并可編制和發送練習給學生機。學生機軟件設置AIS模擬器為學生機運行模式，接收網絡傳來的AIS報文，教師機收到學生機發送的AIS信息后，通過事件在電子海圖模塊上進行顯示。學生機軟件運行后．向教師機發送登錄信息，在收到教師機返回的登錄確認信息后才能正常工作。學生機在正確設置后，按照設置的要求，在局域網內廣播發送AIS信息，學生機收到AIS信息后，在AIS模擬器上進行顯示；同時通過事件通知電子海圖模塊，在電子海圖上顯示AIS目標。系統運行界面如圖3所示。
2．2相當于實船環境的應用訓練
2．2．1本系統的UAIS終端控件實現了FURUNO FA-100型AIS顯示單元的大部分功能的仿真，通過模擬器操作，能促進學員對相應設備操作方法的熟悉，解決了學員作業人次與設備數量之間、實驗室載體與實船情境差異、訓練項目需要與實船設備限制等矛盾。
圖3系統運行過程及典型界面
2．2．2通過教師機對練習的科學配置，對照海圖模塊、雷達ARPA模塊，設置特殊區域，如過大橋、彎道、航道交匯區、岬角等的練習。使學員更好理解AIS設備在雷達避碰問題上可以有效彌補雷達陰影、盲區的影響。如船過大橋時大尺寸橋墩形成的臨時陰影，影響陰影區中的小目標探測，在受限水域、緊迫局面時的危害很大，AIS目標的效用在訓練中一目了然。
2．2．3利用AIS目標比對法解決雷達假回波識別難題。2002年一艘從南非開出的船舶在船首方位1 n mile處出現回波，船長右轉避讓時回波隨轉。最后在右轉90º后與它船碰撞。這是一種典型的間接反射假回波，傳統轉向識別中提出了移動速度估算的思想，但具體操作中也有相當大的難度，如機動受限、動作大小等依然會影響估值判斷的正確性。現在利用AIS系統，通過訓練，補以海圖地理信息對照，對各類假回波的識別將起到好的作用。
2．2．4應用本系統進行訓練還能使學員進一步領會AIS系統，這種以信息技術與通信技術為基礎的助航系統，它在信息的全面性上超越了雷達，它能提供快速避碰數據、關鍵輔助數據，如ROT、船舶尺寸、預設航線等識別與短信功能，有利于船間協調。
2．2．5通過對本系統進行一些AIS導航傳感器誤差的設置，還能使學員進一步從原理上認識AIS系統對傳感器的依賴，從而養成與雷達及海圖正確比對的習慣，對雷達與AIS各自給出的避碰核心數據CPA/TCPA的可信度科學判斷，提高風險意識。
3意義
本項目研究為開展AIS專項培訓提供了技術基礎，通過對訓練科目的合理配置，能使學員對傳統助航儀器與現代航海儀器的優缺點正確認識，在應用中優勢互補。本項目還考慮了對實船AIS串口數據采集的研究，以便進一步實現駕駛臺數據資源的集成化、數字化、虛擬化、圖形化。
作者：南通航運職業技術學院 李軍 來源：航海技術
