基于AIS和GIS的海上風電場船舶監控系統軟件設計

基于AIS和GIS的海上風電場船舶監控系統軟件設計

沈思曦;陳元林;安博文;盧學佳

【摘 要】海上船舶進入海上風電場海域后,連接海上風電站的海底電纜可能因過往

船只拋錨、鉤錨而損壞.為此設計一種基于船舶自動識別系統(AIS)和地理信息系統

(GIS)的海上風電場船舶監控系統,將目標船舶顯示在GIS地圖上,對其進行實時監控.

描述系統實現中的若干關鍵技術,包括AIS編解碼與自動發送短消息、警戒區判斷

算法、GIS可視化、地理信息數據庫、多客戶端與消息發布訂閱機制等;并對監測

軟件進行壓力測試,結果表明系統能夠有效顯示、處理船舶信息.

【期刊名稱】《現代計算機（專業版）》

【年(卷),期】2018(000)020

【總頁數】6頁(P91-95,100)

【關鍵詞】AIS;GIS;發布訂閱;MapWinGIS;PostGIS

【作 者】沈思曦;陳元林;安博文;盧學佳

【作者單位】上海海事大學信息工程學院,上海 201306;上海海事大學信息工程學

院,上海 201306;上海海事大學信息工程學院,上海 201306;國網衡水供電公司,衡水

053000

【正文語種】中 文

0 引言

海上風電系統由陸上集控中心、海上升壓站和海上風機組成。陸上集控中心與海上

升壓站之間、海上升壓站與各個風機之間分別用用220kv和35kv的海纜進行串

接。風電場工作人員需要對所有鋪設海纜的海域進行船舶監控，保護海纜不受錨害。

文獻[1]提出了一種單機版的海上船舶監控系統，其能夠對海域內傳播進行有效監

控。文獻[2]在文獻[1]的基礎上提出了基于C/S結構的多客戶端監控系統的想法，

但其只有想法沒有具體的實施方案。文獻[3]將文獻[2]中的想法成功實現，且系統

能夠穩定運行，但文獻[1-3]的系統均只支持單個AIS設備進行數據采集，使得系

統穩定性得不到保障，且其告警系統不夠完善，均只能系統報警而不能向目標船舶

發送告警信息。這些不足點在文獻[4]中被提及，作者提出了一系列方案來完善系

統，但最終只有部分功能完成模擬測試，且系統整體設計沒有完成。本系統完成了

文獻[1-4]中的設計，并對其中部分功能進行補充和優化。

本系統采用的技術主要包括AIS解碼編碼技術、MapWinGIS地圖開發技術、

PostGIS地理信息空間數據庫管理技術、基于分布式數據庫（MySQL）的數據發

布訂閱技術、基于分布式數據庫（MySQL）的配置信息管理技術和多線程技術。

1 需求分析

（1）支持多個AIS設備同時接入

單個AIS設備監測海域的范圍有限，且穩定性較差。因此要求系統支持多個設備

同時接入和動態可配置。

（2）GIS電子海圖形式的表示層

以電子海圖的形式顯示觀測海域、警戒區和海上船舶，使用戶更直觀地了解海上船

舶的航行情況。

（3）多客戶端設計

工程上需要在海上升壓站、陸上集控中心等地點查看監控系統信息，所以系統需滿

足多客戶端同時在線訪問。

（4）船舶告警功能

系統需要有自動告警功能（系統界面彈出告警框并產生警報），并向滯航船舶自動

發送告警信息和向目標船舶手動發送短消息的功能。

（5）歷史信息查詢功能

系統應包含船舶歷史信息和歷史航跡繪制的功能，方便用戶對歷史船舶進行數據查

詢和事故追責。

本系統要求的系統指標如表1所示。

表1 技術指標?

2 系統設計

2.1 硬件框架

硬件設備主要包含AIS設備、服務器和客戶端，其連接框架如圖1所示。

圖1 硬件框架

2.2 軟件結構

本系統軟件結構如圖2所示，包含以下功能模塊：AIS數據采集模塊、AIS數據編

解碼模塊、AIS可視化模塊、預警與報警模塊、AIS數據發送模塊、報表管理模塊、

歷史數據查詢模塊和用戶管理模塊。

3 關鍵技術分析

3.1 AIS信息采集/編解碼模塊

系統中的AIS設備包括A類設備、B類設備和基站。系統通過RS-232串口/RJ-

45網口接收AIS信息并進行解碼。AIS消息的接收和解碼流程如圖3所示。

數據進入串口緩沖區后，服務器對緩沖區數據進行提取解析，解碼信息通過安全隊

列送至服務器處理模塊進行處理；當有消息發送給目標船舶時，服務器處理模塊將

短消息通過安全隊列發送給數據編碼線程進行編碼，再通過串口將編碼數據進行發

送。

圖2 軟件結構

圖3 數據采集/編解碼流程

數據采集模塊會根據系統連接AIS設備的數量設置線程數，每個AIS設備設一個

獨立線程，并通過相應的串口將數據發送至服務器，在服務器收發控制層中進行與

處理。

系統的信息處理主要包括AIS解碼、AIS編碼、基于UDP協議的數據發送。

（1）AIS解碼

本系統嚴格按照ITU-1371[4]標準的規定進行AIS解碼，對于包含多條AIVDM的

信息（如5號報文），系統將對其語句信號和連續消息標識進行識別，將同一組

的多條消息進行自動整合再進行解碼。

（2）AIS編碼

本系統對AIS設備進行二次開發，使得其可以接受上位機的短消息發送指令，具

備向海域船舶自動發送短消息功能。本文自主設計了一套AIS編碼技術，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,語句內容*校驗碼

短消息ID：使用三位數字代表所發消息ID

短消息類型：如表2所示。

表2 短消息類型?

校驗碼：取$和*之間的字符串異或校驗，為兩位16進制數。

（3）基于UDP協議的數據收發

系統對客戶端與服務器端之間數據傳輸的實時性要求很高，考慮到UDP協議的無

連接、高速率、占用資源少等一系列優點，系統采用UDP協議而不是TCP協議進

行數據發送，但是UDP存在丟包的問題，不能保證傳輸數據的正確性，為此，系

統在發送端的UDP數據尾部加上校驗碼進行傳輸數據校驗。

3.2 多線程技術

系統中的線程主要分為服務器主線程、數據采集/處理線程、UDP數據發送線程和

UDP數據接收線程。各線程之間相互獨立，互不影響。

服務器主線程主要負責控制用戶界面的控件、加載INI配置文件和開設其它線程的

工作。

數據采集/處理線程的數量與串口數（AIS設備數）一致。系統會根據如表3所示

的INI配置文件，設置AIS設備的數目并自動分配串口數據處理線程，每個串口數

據處理線程分配兩個線程安全隊列，分別用于數據發送和數據接收。

表3 雙機雙客戶端系統INI配置文件?

系統各線程間采用線程安全隊列進行數據傳輸，如圖4所示，在程序中設置一個

輪詢，服務器端發送數據時，各個串口數據處理線程的數據發送安全隊列將依次向

UDP數據發送線程發送數據，不斷循環。避免使用線程鎖時，線程數量過多導致

的數據傳輸效率低下和死鎖的情況。服務器接受數據時，UDP數據接收線程將依

次向各個串口數據處理線程的數據接受安全隊列發送消息，無需等待，提高了系統

的運行速度。

圖4 多線程間數據傳輸流程

3.3 GIS可視化

（1）MapWinGIS

MapWinGIS是一個功能強大的開源GIS平臺，是為小中型GIS應用開發的免費

開源的組件及桌面的集合。本系統使用MapWinGIS實現GIS可視化。GIS可視

化由如圖5所示的四個圖層繪制而成，分別為：海圖圖層、海纜圖層、觀測警戒

圖層和AIS船舶圖層。不同的圖層全部設置在同一坐標系（WGS1984坐標系）

下，使得不同圖層的各個位置在同一個坐標系下疊加并對應起來。

圖5 系統海圖圖層

①海圖圖層

海圖圖層主要功能是為整個系統提供海纜所在海域的地理信息，并將相關海域以地

圖的方式繪制出來。

傳統地圖文件往往只使用一份地圖文件來表示整個地圖，這樣會導致若地圖文件太

小則分辨率低；若地圖文件過大系統運行速度降低。

本系統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題，又提高了系統的運行速率。

海圖圖層是整個系統表示層的基礎，海纜圖層、觀測警戒圖層和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、所經

過的坐標和終點，繪制出海纜的形狀。

③觀測警戒圖層

觀測警戒圖層包括觀測區和警區域。警戒區在觀測區內部，其區域形狀均為封閉的

不規則多邊形。

繪制警戒區時，先確定警戒區所有頂點的經緯度坐標，將它們固定在繪制層上，再

將這些頂點依次連接起來。觀測區的設置與警戒區相同，此處不再贅述。

④AIS船舶圖層的繪制

AIS圖層按照坐標信息將船舶顯示到繪制層上，根據船舶的坐標和實際航向進行貼

圖，將船舶的形狀繪制在坐標上。該圖層上的AIS船舶信息會根據數據庫的刷新

進行實時更新。

用戶瀏覽GIS表示層時，可以使用GIS地圖的所有功能，包括對地圖的放大、縮

小、平移，對一些關鍵位置的標記、測距，通過坐標定位等功能，還能單擊目標船

船舶警戒區為閉合區域，將其抽象為具有N個頂點（Xi，Yi）（i=0…N-1）的多

邊形。

設一船舶所在點為（Xp，Yp），向右作一條平行于X軸的射線，通過該射線與該

多邊形的交點數量（記作C）判斷（Xp，Yp）是否在閉合區域內。判斷方法如下：

若（Xp，Yp）在多邊形的邊線或頂點上，則船舶在警戒區域；若不在，定義C%2

為交點數量C對2取余數，進而利用余數的奇偶性進行判斷：

如圖6所示，第一條射線與多邊形交點為2，點在警戒區外；第二條射線與多邊形

交點為4，點在警戒區外；第三條射線與多邊形交點為3，點在警戒區內。

圖6 船舶位置模擬圖

3.4 多客戶端設計

（1）PostGIS地理信息數據庫

PostGIS是一種支持分布式網絡訪問的對象-關系型開源空間信息數據庫。本系統

選用PostGIS地理信息數據庫來存儲電子海圖地理數據信息和警戒區空間數據信

息。

由于系統采用多客戶端設計，客戶端只能通過網絡交互的方法對服務器端進行數據

訪問，無法對服務器端本地文件進行訪問。普通地圖文件以shape格式進行本地

存儲，客戶端無法對其進行有效讀取。選用PostGIS地理信息數據庫可以有效解

決這一問題，對電子海圖地理數據信息進行存儲，使得服務器和客戶端都能夠訪問

當前的地理信息數據，進行信息讀取。

系統設置兩級權限，分別為普通員工和管理員。只有管理員擁有權限對電子海圖數

據信息和警戒區位置、大小信息進行修改。

（2）基于分布式數據庫（MySQL）的數據發布訂閱機制

本系統所有的船舶數據經解碼后將統一存放到在服務器端的MySQL數據庫的數據

表中。服務器端數據處理流程如圖7所示，功能包括船舶數據更新和船舶冗余數

據刪除。

①船舶數據更新

為優化系統設計，減輕數據表的訪問負擔，數據庫中采用數據表與日志表相結合的

方式來處理數據。數據庫船舶數據周期性進行刷新，每5秒刷新一次，刷新完成

后，數據庫將刷新時的時間信息存入日志表中，客戶端不斷訪問日志表。日志表更

新后，客戶端訪問數據表，將船舶數據和PostGIS中的地理數據銜接客戶端，在

電子海圖上顯示出各個船舶當前的位置并將其符號化。

②船舶冗余數據刪除

船舶數據必須具有一定的時效性，在線程中，系統會啟動定時器，定時遍歷船舶信

息，將獲取到的船舶信息的時間與服務器時間進行對比，刪除數據庫中不具有時效

性的船舶進行船舶歷史航跡繪制。

系統客戶端進行歷史航跡繪制時，會從MySQL數據庫中調用船舶歷史信息，在電

子海圖上進行模擬航跡顯示[5-6]。

圖7 數據流處理流程圖

4 系統測試

系統通過測試軟件進行數據源模擬實驗。從現場采集到的AIS報文數據中提取樣

本，將其作為數據源進行壓力測試。設置模擬數據源船舶數量、警戒區同時報警船

舶數量樣本均為系統指標的1.5倍，計算解析出的船舶數量與樣本數量的比值，判

斷其是否達到系統指標。

經過多次測試，實驗結果如表4所示，各項數據均達到系統技術指標要求。

表4 實驗結果?

5 結語

運用上述思路設計的海上風電場船舶監控系統軟件，成功彌補了海上風電場周邊海

域自動監控領域的行業空白。將模塊化設計和多線程技術運用于該軟件設計，不但

提高了系統的擴展性，而且提高了系統的執行效率。該軟件已成功應用于江蘇龍源

蔣家沙海上風電項目，能夠很好地滿足監控要求。

參考文獻：

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