基于AIS和GIS的海上风电场船舶监控系统软件设计

基于AIS和GIS的海上风电场船舶监控系统软件设计

沈思曦;陈元林;安博文;卢学佳

【摘 要】海上船舶进入海上风电场海域后,连接海上风电站的海底电缆可能因过往

船只抛锚、钩锚而损坏.为此设计一种基于船舶自动识别系统(AIS)和地理信息系统

(GIS)的海上风电场船舶监控系统,将目标船舶显示在GIS地图上,对其进行实时监控.

描述系统实现中的若干关键技术,包括AIS编解码与自动发送短消息、警戒区判断

算法、GIS可视化、地理信息数据库、多客户端与消息发布订阅机制等;并对监测

软件进行压力测试,结果表明系统能够有效显示、处理船舶信息.

【期刊名称】《现代计算机（专业版）》

【年(卷),期】2018(000)020

【总页数】6页(P91-95,100)

【关键词】AIS;GIS;发布订阅;MapWinGIS;PostGIS

【作 者】沈思曦;陈元林;安博文;卢学佳

【作者单位】上海海事大学信息工程学院,上海 201306;上海海事大学信息工程学

院,上海 201306;上海海事大学信息工程学院,上海 201306;国网衡水供电公司,衡水

053000

【正文语种】中 文

0 引言

海上风电系统由陆上集控中心、海上升压站和海上风机组成。陆上集控中心与海上

升压站之间、海上升压站与各个风机之间分别用用220kv和35kv的海缆进行串

接。风电场工作人员需要对所有铺设海缆的海域进行船舶监控，保护海缆不受锚害。

文献[1]提出了一种单机版的海上船舶监控系统，其能够对海域内传播进行有效监

控。文献[2]在文献[1]的基础上提出了基于C/S结构的多客户端监控系统的想法，

但其只有想法没有具体的实施方案。文献[3]将文献[2]中的想法成功实现，且系统

能够稳定运行，但文献[1-3]的系统均只支持单个AIS设备进行数据采集，使得系

统稳定性得不到保障，且其告警系统不够完善，均只能系统报警而不能向目标船舶

发送告警信息。这些不足点在文献[4]中被提及，作者提出了一系列方案来完善系

统，但最终只有部分功能完成模拟测试，且系统整体设计没有完成。本系统完成了

文献[1-4]中的设计，并对其中部分功能进行补充和优化。

本系统采用的技术主要包括AIS解码编码技术、MapWinGIS地图开发技术、

PostGIS地理信息空间数据库管理技术、基于分布式数据库（MySQL）的数据发

布订阅技术、基于分布式数据库（MySQL）的配置信息管理技术和多线程技术。

1 需求分析

（1）支持多个AIS设备同时接入

单个AIS设备监测海域的范围有限，且稳定性较差。因此要求系统支持多个设备

同时接入和动态可配置。

（2）GIS电子海图形式的表示层

以电子海图的形式显示观测海域、警戒区和海上船舶，使用户更直观地了解海上船

舶的航行情况。

（3）多客户端设计

工程上需要在海上升压站、陆上集控中心等地点查看监控系统信息，所以系统需满

足多客户端同时在线访问。

（4）船舶告警功能

系统需要有自动告警功能（系统界面弹出告警框并产生警报），并向滞航船舶自动

发送告警信息和向目标船舶手动发送短消息的功能。

（5）历史信息查询功能

系统应包含船舶历史信息和历史航迹绘制的功能，方便用户对历史船舶进行数据查

询和事故追责。

本系统要求的系统指标如表1所示。

表1 技术指标?

2 系统设计

2.1 硬件框架

硬件设备主要包含AIS设备、服务器和客户端，其连接框架如图1所示。

图1 硬件框架

2.2 软件结构

本系统软件结构如图2所示，包含以下功能模块：AIS数据采集模块、AIS数据编

解码模块、AIS可视化模块、预警与报警模块、AIS数据发送模块、报表管理模块、

历史数据查询模块和用户管理模块。

3 关键技术分析

3.1 AIS信息采集/编解码模块

系统中的AIS设备包括A类设备、B类设备和基站。系统通过RS-232串口/RJ-

45网口接收AIS信息并进行解码。AIS消息的接收和解码流程如图3所示。

数据进入串口缓冲区后，服务器对缓冲区数据进行提取解析，解码信息通过安全队

列送至服务器处理模块进行处理；当有消息发送给目标船舶时，服务器处理模块将

短消息通过安全队列发送给数据编码线程进行编码，再通过串口将编码数据进行发

送。

图2 软件结构

图3 数据采集/编解码流程

数据采集模块会根据系统连接AIS设备的数量设置线程数，每个AIS设备设一个

独立线程，并通过相应的串口将数据发送至服务器，在服务器收发控制层中进行与

处理。

系统的信息处理主要包括AIS解码、AIS编码、基于UDP协议的数据发送。

（1）AIS解码

本系统严格按照ITU-1371[4]标准的规定进行AIS解码，对于包含多条AIVDM的

信息（如5号报文），系统将对其语句信号和连续消息标识进行识别，将同一组

的多条消息进行自动整合再进行解码。

（2）AIS编码

本系统对AIS设备进行二次开发，使得其可以接受上位机的短消息发送指令，具

备向海域船舶自动发送短消息功能。本文自主设计了一套AIS编码技术，用于短

消息指令编码和传输，其格式为：

$XNMSG,短信 ID，九位码,短信类型,语句内容*校验码

短消息ID：使用三位数字代表所发消息ID

短消息类型：如表2所示。

表2 短消息类型?

校验码：取$和*之间的字符串异或校验，为两位16进制数。

（3）基于UDP协议的数据收发

系统对客户端与服务器端之间数据传输的实时性要求很高，考虑到UDP协议的无

连接、高速率、占用资源少等一系列优点，系统采用UDP协议而不是TCP协议进

行数据发送，但是UDP存在丢包的问题，不能保证传输数据的正确性，为此，系

统在发送端的UDP数据尾部加上校验码进行传输数据校验。

3.2 多线程技术

系统中的线程主要分为服务器主线程、数据采集/处理线程、UDP数据发送线程和

UDP数据接收线程。各线程之间相互独立，互不影响。

服务器主线程主要负责控制用户界面的控件、加载INI配置文件和开设其它线程的

工作。

数据采集/处理线程的数量与串口数（AIS设备数）一致。系统会根据如表3所示

的INI配置文件，设置AIS设备的数目并自动分配串口数据处理线程，每个串口数

据处理线程分配两个线程安全队列，分别用于数据发送和数据接收。

表3 双机双客户端系统INI配置文件?

系统各线程间采用线程安全队列进行数据传输，如图4所示，在程序中设置一个

轮询，服务器端发送数据时，各个串口数据处理线程的数据发送安全队列将依次向

UDP数据发送线程发送数据，不断循环。避免使用线程锁时，线程数量过多导致

的数据传输效率低下和死锁的情况。服务器接受数据时，UDP数据接收线程将依

次向各个串口数据处理线程的数据接受安全队列发送消息，无需等待，提高了系统

的运行速度。

图4 多线程间数据传输流程

3.3 GIS可视化

（1）MapWinGIS

MapWinGIS是一个功能强大的开源GIS平台，是为小中型GIS应用开发的免费

开源的组件及桌面的集合。本系统使用MapWinGIS实现GIS可视化。GIS可视

化由如图5所示的四个图层绘制而成，分别为：海图图层、海缆图层、观测警戒

图层和AIS船舶图层。不同的图层全部设置在同一坐标系（WGS1984坐标系）

下，使得不同图层的各个位置在同一个坐标系下叠加并对应起来。

图5 系统海图图层

①海图图层

海图图层主要功能是为整个系统提供海缆所在海域的地理信息，并将相关海域以地

图的方式绘制出来。

传统地图文件往往只使用一份地图文件来表示整个地图，这样会导致若地图文件太

小则分辨率低；若地图文件过大系统运行速度降低。

本系统将多张不同文件格式、不同分辨率的文件叠加在一起，组成一份新的地图文

件，既解决了地图分辨率的问题，又提高了系统的运行速率。

海图图层是整个系统表示层的基础，海缆图层、观测警戒图层和AIS图层均绘制

在该图层上面。

②海缆图层

海缆图层是覆盖在海图图层上的第一张图层，在该图层中要显示海缆的起点、所经

过的坐标和终点，绘制出海缆的形状。

③观测警戒图层

观测警戒图层包括观测区和警区域。警戒区在观测区内部，其区域形状均为封闭的

不规则多边形。

绘制警戒区时，先确定警戒区所有顶点的经纬度坐标，将它们固定在绘制层上，再

将这些顶点依次连接起来。观测区的设置与警戒区相同，此处不再赘述。

④AIS船舶图层的绘制

AIS图层按照坐标信息将船舶显示到绘制层上，根据船舶的坐标和实际航向进行贴

图，将船舶的形状绘制在坐标上。该图层上的AIS船舶信息会根据数据库的刷新

进行实时更新。

用户浏览GIS表示层时，可以使用GIS地图的所有功能，包括对地图的放大、缩

小、平移，对一些关键位置的标记、测距，通过坐标定位等功能，还能单击目标船

船舶警戒区为闭合区域，将其抽象为具有N个顶点（Xi，Yi）（i=0…N-1）的多

边形。

设一船舶所在点为（Xp，Yp），向右作一条平行于X轴的射线，通过该射线与该

多边形的交点数量（记作C）判断（Xp，Yp）是否在闭合区域内。判断方法如下：

若（Xp，Yp）在多边形的边线或顶点上，则船舶在警戒区域；若不在，定义C%2

为交点数量C对2取余数，进而利用余数的奇偶性进行判断：

如图6所示，第一条射线与多边形交点为2，点在警戒区外；第二条射线与多边形

交点为4，点在警戒区外；第三条射线与多边形交点为3，点在警戒区内。

图6 船舶位置模拟图

3.4 多客户端设计

（1）PostGIS地理信息数据库

PostGIS是一种支持分布式网络访问的对象-关系型开源空间信息数据库。本系统

选用PostGIS地理信息数据库来存储电子海图地理数据信息和警戒区空间数据信

息。

由于系统采用多客户端设计，客户端只能通过网络交互的方法对服务器端进行数据

访问，无法对服务器端本地文件进行访问。普通地图文件以shape格式进行本地

存储，客户端无法对其进行有效读取。选用PostGIS地理信息数据库可以有效解

决这一问题，对电子海图地理数据信息进行存储，使得服务器和客户端都能够访问

当前的地理信息数据，进行信息读取。

系统设置两级权限，分别为普通员工和管理员。只有管理员拥有权限对电子海图数

据信息和警戒区位置、大小信息进行修改。

（2）基于分布式数据库（MySQL）的数据发布订阅机制

本系统所有的船舶数据经解码后将统一存放到在服务器端的MySQL数据库的数据

表中。服务器端数据处理流程如图7所示，功能包括船舶数据更新和船舶冗余数

据删除。

①船舶数据更新

为优化系统设计，减轻数据表的访问负担，数据库中采用数据表与日志表相结合的

方式来处理数据。数据库船舶数据周期性进行刷新，每5秒刷新一次，刷新完成

后，数据库将刷新时的时间信息存入日志表中，客户端不断访问日志表。日志表更

新后，客户端访问数据表，将船舶数据和PostGIS中的地理数据衔接客户端，在

电子海图上显示出各个船舶当前的位置并将其符号化。

②船舶冗余数据删除

船舶数据必须具有一定的时效性，在线程中，系统会启动定时器，定时遍历船舶信

息，将获取到的船舶信息的时间与服务器时间进行对比，删除数据库中不具有时效

性的船舶进行船舶历史航迹绘制。

系统客户端进行历史航迹绘制时，会从MySQL数据库中调用船舶历史信息，在电

子海图上进行模拟航迹显示[5-6]。

图7 数据流处理流程图

4 系统测试

系统通过测试软件进行数据源模拟实验。从现场采集到的AIS报文数据中提取样

本，将其作为数据源进行压力测试。设置模拟数据源船舶数量、警戒区同时报警船

舶数量样本均为系统指标的1.5倍，计算解析出的船舶数量与样本数量的比值，判

断其是否达到系统指标。

经过多次测试，实验结果如表4所示，各项数据均达到系统技术指标要求。

表4 实验结果?

5 结语

运用上述思路设计的海上风电场船舶监控系统软件，成功弥补了海上风电场周边海

域自动监控领域的行业空白。将模块化设计和多线程技术运用于该软件设计，不但

提高了系统的扩展性，而且提高了系统的执行效率。该软件已成功应用于江苏龙源

蒋家沙海上风电项目，能够很好地满足监控要求。

参考文献：

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