內(nèi)河船舶操縱模擬器中AIS的仿真

叢 琳，任鴻翔，張新宇

（大連海事大學 航海動態(tài)仿真與控制交通運輸部重點實驗室，遼寧 大連 116026）

電氣與自動化

內(nèi)河船舶操縱模擬器中AIS的仿真

叢 琳，任鴻翔，張新宇

（大連海事大學 航海動態(tài)仿真與控制交通運輸部重點實驗室，遼寧 大連 116026）

在內(nèi)河航運中，船舶自動識別系統(tǒng)（AIS）能實時提供本船及他船的航行信息，為船舶安全航行提供有力的保障。當前內(nèi)河船舶操縱模擬器已廣泛應用于船員培訓中，其中AIS仿真設備的地位尤為突出?；诖耍瑢?nèi)河船舶使用的B類AIS的功能需求進行分析，采用VC-MFC軟件搭建AIS仿真軟件平臺，采用動態(tài)鏈接庫設計AIS仿真軟件的架構(gòu)，采用半透明方法實現(xiàn)亮度和對比度調(diào)整、內(nèi)存共享、多輸入法切換及船舶間的距離計算等關鍵技術，完成內(nèi)河船舶操縱模擬器中AIS的仿真。

內(nèi)河船舶；自動識別系統(tǒng)；仿真；船舶操縱模擬器

0 引 言

船舶自動識別系統(tǒng)[1-3]（Automatic Identification System，AIS）能實現(xiàn)船與船之間及船與岸之間的信息交互，對船舶之間避碰及岸上相關部門監(jiān)控船舶具有重要作用，是我國目前水上交通安全管理的有效技術手段之一。

國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）已充分肯定AIS的作用，并在SOLAS公約[4]中強制要求：自2002年7月起至2008年7月1日，所有300總噸及以上的國際航行船舶和500總噸及以上的非國際航行船舶，以及所有客船，都必須安裝AIS設備。2009年10月10日，國家海事局[5]在“關于頒布《中華人民共和國海船船員適任評估大綱和規(guī)范》的通知（海船員［2009］558號）”中明確要求，自2010年1月1日起，將AIS設備的使用納入到海船船員適任評估的內(nèi)容中。

當前，用船舶操縱模擬器代替實船進行船員培訓已成為適應e-Navigation時代新形勢的必然趨勢，但內(nèi)河船員培訓所使用的內(nèi)河船舶操縱模擬器不同于遠洋船舶操縱模擬器。由于內(nèi)河航道狹窄，因此內(nèi)河船舶航行安全問題尤為突出。AIS設備能提供本船及目標船的實時信息，為內(nèi)河船舶提前采取避碰措施提供數(shù)據(jù)支持，是內(nèi)河航運不可或缺的設備。對此，主要根據(jù)海事局印發(fā)的《中華人民共和國內(nèi)河船舶船員適任實際操作考試辦法》[6]和《中華人民共和國內(nèi)河船舶船員適任實際操作考試大綱》[7]對AIS設備的要求，對AIS設備的功能進行仿真，并將其加入到內(nèi)河船舶操縱模擬器中，通過與模擬器進行數(shù)據(jù)交互實現(xiàn)AIS仿真設備的數(shù)據(jù)通信。AIS仿真設備的加入可使內(nèi)河船舶操縱模擬器的功能更加完善。

1 模擬器中AIS仿真設備的功能需求

模擬器中AIS仿真設備采用的是HM-5912/HM-5917 AIS B類船載設備（見圖1），需實現(xiàn)的功能包括：

1 ) AIS的基本操作，包括開機、關機、亮度調(diào)整和對比度調(diào)整；

2 ) AIS靜態(tài)信息和動態(tài)信息的查詢與修改；

3 ) 目標船相關信息的查詢及目標船與本船之間的方位和距離等航行安全數(shù)據(jù)的查詢。

2 模擬器中AIS仿真設備的需求分析及架構(gòu)設計

分析AIS的功能需求，根據(jù)AIS的性能及功能擴展的需要，在Visual Studio 2010編輯環(huán)境下設計AIS仿真軟件的架構(gòu)。

1 ) 以動態(tài)鏈接庫（Dynamic Link Library，DLL）的形式實現(xiàn)AIS的仿真。

2 ) 創(chuàng)建一個管理文件，并為其分配一個管理模塊；在該模塊內(nèi)部調(diào)用AIS的DLL，實現(xiàn)AIS設備的顯示。這樣設計是為了便于日后擴展該管理文件的功能，通過控制各個模塊調(diào)用DLL（1個DLL代表1臺設備），達到多設備同時工作的仿真效果。

3 ) 通過旋鈕打開AIS設備，設備開啟后，屏幕上顯示AIS的電子海圖（標準S57電子海圖）界面及船舶，通過操縱遙控器實現(xiàn)對AIS功能的控制。

4 ) 由于使用的電子海圖為DLL，AIS亦為DLL，因此需實現(xiàn)在DLL中調(diào)用DLL。

5 ) AIS需實時獲取數(shù)據(jù)（包括本船信息及目標船信息），只有如此才能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示與修改功能。因此，采用TCP-IP通信方式，將AIS的數(shù)據(jù)通信部分加入到內(nèi)河船舶模擬器中，而在 AIS內(nèi)部也需進行數(shù)據(jù)交互。整個AIS的數(shù)據(jù)通信流程見圖2。

圖2中，教練員站用于發(fā)送數(shù)據(jù)，而本船海圖機會針對各個設備的數(shù)據(jù)需求分發(fā)數(shù)據(jù)。當數(shù)據(jù)進入到 AIS設備之后，需將數(shù)據(jù)分別讀入到手柄端和顯示屏中。

3 模擬器中AIS仿真設備的關鍵技術

3.1 對話框類中加入視圖類

由于AIS為基于對話框類的微軟基礎類庫（Microsoft Foundation Classes，MFC）擴展DLL，而電子海圖為基于視圖類的DLL，因此需實現(xiàn)在對話框類中顯示視圖類，方法為：

1 ) 創(chuàng)建電子海圖文檔類及視圖類；

2 ) 在對話框類的初始化函數(shù)中創(chuàng)建窗口pContext并獲取對話框句柄；

3 ) 將 pContext中創(chuàng)建視圖的文檔和待創(chuàng)建的視圖設置為電子海圖對應的文檔類及視圖類，并設置其位置和范圍。

圖3為加入電子海圖后AIS屏幕的效果。

3.2 調(diào)整亮度和對比度

亮度和對比度調(diào)整是AIS培訓與考試的內(nèi)容之一。由于屏幕背景本身是電子海圖而不是單色屏幕，不能通過更換屏幕背景色實現(xiàn)亮度和對比度調(diào)整，因此采用“半透明”的方式來實現(xiàn)。

1 ) 實現(xiàn)“半透明”的函數(shù)為AlphaBlend：

2 ) 實現(xiàn)“半透明”的方法為：在原有圖像的基礎上疊加一層“模糊”效果，使圖像的亮度和對比度產(chǎn)生變化，“模糊”的程度可通過調(diào)整函數(shù)AlphaBlend的參數(shù)blendFunction來控制。AIS的亮度和對比度效果見圖4。

3.3 實現(xiàn)輸入法功能

船舶的靜態(tài)信息和動態(tài)信息可通過通信架構(gòu)來獲取，但若要修改上述信息，需使用輸入法功能來實現(xiàn)。由于所仿真的設備支持數(shù)字、小寫字母、大寫字母、拼音及符號的輸入，因此設計輸入法功能時需支持上述5種輸入法。

在上述5種輸入法中，拼音輸入法需重點關注。受仿真設備型號的限制，拼音輸入法只能通過遙控器完成，即必須通過模擬T9拼音輸入法來完成漢字的輸入。在采用T9拼音輸入法時，首先需加載T9數(shù)字字母索引表及拼音輸入法漢字排列表，然后將遙控器傳遞來的數(shù)字轉(zhuǎn)換成字母，并通過遍歷字母索引表查詢字母對應的拼音組合（可能有多個），最后將這些拼音組合顯示在屏幕上方。同時，選擇某個拼音組合（默認選擇第一個，但可通過遙控器對選擇的拼音組合進行切換），查詢其在拼音輸入法漢字排列表中對應的漢字，將這些漢字顯示在屏幕下方。T9拼音輸入法效果見圖5。

3.4 獲取數(shù)據(jù)

創(chuàng)建共享內(nèi)存，并將其中的內(nèi)容分配到不同的菜單中，通過操縱遙控器實現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示與操作，完成船舶數(shù)據(jù)查詢功能仿真。圖6為AIS本船靜態(tài)參數(shù)的查詢與修改界面，圖7為AIS本船航行參數(shù)的查詢與修改界面。

3.5 計算目標船與本船的距離和方位角及距離

AIS需實現(xiàn)目標船相關信息的查詢及目標船與本船之間的方位和距離等航行安全數(shù)據(jù)的查詢。這其中，目標船與本船的距離信息、方位信息及目標船GPS位置信息需通過計算獲得。圖8為AIS目標船信息查詢界面。

設本船船位坐標為 (x0,y0)，目標船船位坐標為(x1,y1)，經(jīng)緯儀以分(′)為單位，則目標船與本船之間的航行安全數(shù)據(jù)的計算方法如下。

1 ) 目標船與本船的距離D（單位為n mile）的計算式為

3 ) 距離A，B，C和D：設船長為L，船寬為W，船載GPS的位置為P，則距離A為dA=P，距離B為dB=L-P，距離C為dC=W/2，距離D為dD=W/2。

4 AIS的最終仿真效果

AIS最終的仿真效果見圖9。

5 結(jié) 語

目前，該AIS仿真軟件仍存在一些不足，只能滿足B類AIS設備的功能要求。因此，日后需完善該設備的功能，使其達到A類標準。另外，可基于該設備設計AIS桌面培訓系統(tǒng)。

[1] 劉世長.淺談AIS系統(tǒng)在海事監(jiān)管中的作用[J].中國水運，2010, 10 (3): 29-30.

[2] 馮燕爾，沈曉群.基于AIS的船舶避碰系統(tǒng)研究[J].現(xiàn)代電子技術，2009 (17): 160-161.

[3] 劉暢.船舶自動識別系統(tǒng)(AIS)關鍵技術研究[D].大連：大連海事大學，2013.

[4] 陸悅銘.關于制定“AIS設備安裝、設置和使用規(guī)則”的建議[C].中國航?？萍純?yōu)秀論文集，2009: 107-114.

[5] 中華人民共和國海事局.中華人民共和國海員適任評估規(guī)范[M].大連：大連海事大學出版社，2012.

[6] 中華人民共和國海事局.中華人民共和國內(nèi)河船舶船員適任實際操作考試辦法[EB/OL].[2012-02-14].http://www.ntmsa.gov.cn/art/2012/2/14/art_3612_294072.html.

[7] 中華人民共和國海事局.中華人民共和國內(nèi)河船舶船員適任考試大綱[M].大連：大連海事大學出版社，2010.

Simulation of AIS in Inland Waterway Ship Handling Simulator

CONG Lin，REN Hong-xiang，ZHANG Xin-yu

（Key Laboratory of Maritime Dynamic Simulation and Control of Ministry of Transportation, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China）

Automatic Identification System (AIS) offers real-time navigation information of a ship and its surrounding ships in inland waterway transportation so it provides strong support for safe navigation.As inland waterway ship handling simulator is commonly used in crew training nowadays AIS simulation equipment becomes even more important.This paper analyzes the functional requirements of Type B AIS for inland waterway applications, in which VC-MFC software is used to establish the AIS simulation software platform, Dynamic Link Library (DLL) is used to design the AIS simulation software framework and some key technologies such as memory share, multiple input switch, distance calculation between two ships and brightness and contrast adjustment achieved by translucent method are used to realize the AIS simulation in the inland waterway ship handling simulator.

inland waterway ship; AIS; simulation; ship handling simulator

U666.158

A

2095-4069 (2017) 04-0052-04

10.14056/j.cnki.naoe.2017.04.011

2016-06-07

國家高技術研究發(fā)展計劃（“八六三”計劃）課題(2015AA016404；2015AA010504)；海洋公益性行業(yè)科研專項(201505017-4)；交通運輸部應用基礎研究項目(2015329225240)；中央高?；究蒲袠I(yè)務費(3132016310)；遼寧省教育廳重點實驗室項目(LZ2015009)

叢琳，女，碩士，1984年生。 2010年畢業(yè)于大連海事大學交通信息工程及控制專業(yè)，現(xiàn)主要從事航海模擬器中的GMDSS模擬器研發(fā)。