摘 要

船舶实时监控对于个人、企业、海事主管部门和港口监管部门来说都是非常重要的。通过雷达来搜索目标信号的船舶管理系统被称为船舶交通管理系统（Vessel Traffic Service System，VTS），通过船载雷达来搜索目标信号并结合船载的陀罗经和计程仪等传感器的所提供的自身信息，分析处理后提供预警信息给船长的这套系统被称为自动雷达标绘仪（Automatic radar plotting aid，ARPA）,上世纪七八十年代，VTS和APRA迅猛发展，但因为它们均不能直接标识目标，而且定位精度有限，所以一个能够快速传递更多信息，方便使用，定位精确的船舶自动识别系统（Automatic Identification System，AIS）应运而生，AIS使用甚高频（Very High Frequency，VHF）波段，它能够自主连续的进行广播并接收信息，与附近船舶、岸台交换符合标准的船舶的动静态信息，在对这些信息进行接收、存储和分析后就可以对船舶的实时动态进行监控了。

论文建立在AIS数据的基础上，开发一个船舶的航迹监控系统，该系统利用数据库技术、电子海图系统。论文介绍了AIS的硬件组成与信息体系结构以及与AIS信息解码相关的标准及方法，提出了总的系统设计目标，以Microsoft visual studio 2017为开发工具，系统涉及到了解码AIS电文，利用ADO.NET操作数据库进行相关信息的存储，最后完成船舶显示工作。

关键词：自动识别系统（AIS）；C#Windows窗体开发；数据库

ABSTRACT

Real-time monitoring of vessels is very important for individuals, companies, maritime authorities and port authorities. The vessel management system that searches for target signals through radar is called the Vessel Traffic Service System (VTS). The system used the onboard radar to search for the target signal and combines the information provided by the sensors such as the on-board gyro and log, and analyzes and processes the warning information to the captain is called Automatic Radar Plotting Aid (ARPA). In the 1970s and 1980s, VTS and APRA developed rapidly, but because of them can’t to directly identify the target, and the positioning accuracy is limited. Therefore, an Automatic Identification System (AIS) comes into being, which can quickly transmit more information and is convenient to use, and has accurate positioning. AIS uses Very High Frequency(VHF)band, which can broadcast and receive information autonomously and continuously, exchanges dynamic and static information of ships conforming to standards with nearby ships and shore stations, and can receive real-time dynamics of ships after receiving, storing and analyzing such information. Monitored.

Based on the AIS data, the thesis develops a ship's track monitoring system, which uses database technology and electronic chart system. The thesis introduces the hardware composition and information architecture of AIS and the standards and methods related to AIS information decoding, and proposes the overall system design goals. The Microsoft visual studio 2017 is used as a development tool. The system involves decoding AIS messages and using ADO.NET. The operation database is used to store relevant information, and finally the ship display work is completed.

Key Words: Automatic Identification System; C#Windows Form development; Database

目录

第1章 绪论 1

1.1研究背景与意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.3论文主要研究内容 3

1.4论文组织结构 4

第2章 基础知识介绍 5

2.1自动识别系统（AIS）的设备结构 5

2.2 AIS运作方式 6

2.3 AIS主要功能 8

2.4 AIS的信息类型及体系结构 9

2.5 AIS数据传输 10

2.6电子海图简介 11

2.6.1电子海图的显示特征 11

2.6.2电子海图的国内发展现状 12

第3章 系统总体设计 13

3.1系统设计目标 13

3.2系统运行环境 13

3.3 AIS数据解析 13

3.4数据库设计 15

3.4.1数据库种类 15

3.4.2常用关系型数据库 16

3.4.3数据库访问接口的选择 16

3.4.4数据库的封装 17

3.5系统功能实现 18

3.5.1登陆模块 19

3.5.2用户管理模块 20

3.5.3海图缩放模块 21

3.5.4船舶显示模块 22

3.5.5预警模块 22

第4章 总结与展望 23

4.1 总结 23

4.2 展望 23

参考文献 24

致谢 25

附录 26

第1章 绪论

1.1研究背景与意义

在世界经济全球化的大环境下，海上交通增长迅猛，航运业发生了巨大的变化，各种海上活动层出不穷，尤其是随着中国经济的迅猛发展，我国港口的不断增加、扩大，而今年又是中国人民解放军海军成立70周年，我国的海上实力不断增加，这势必会增加我国在海上的经济活动的范围与频率，导致出现了越来越多的船舶轨迹。增加了水域航道上的负载，使通道变得拥挤。如此复杂的海洋环境是对中国海事管理的严峻考验。 在船舶驾驶过程中，有许多情况会导致航道异常。例如，硬件故障（雷达，GPS，陀罗经故障等），恶劣天气影响（台风等），甚至恐怖事件如海盗劫持，这都可能导致船舶轨迹的异常或完全偏离预定的路线。不言而喻，这些因素可能导致灾难性后果^[1]。

保障船舶安全航行，港口正常生产作业的迫切，需要加强监测管理海上交通，及时发现安全隐患，并采取相应措施，同时也要防止各种海上违法活动，维护水域安全、保护我国的主权。船舶的实时监控同时也具有更加重要的商业价值意义。在一方面，船舶公司、租赁船舶者等经营人可以从远程实时监控船舶的动态，进而对船舶安全的管理，并对船期的执行情况有深入的了解。而另一方面，对于港口管理部门而言，可以实现对港区内船舶的全面监控，这样能更好地安排工作计划、保障港口内安全。除此之外，对于船舶服务的辅助行业，如船舶代理公司和备件物料供应公司能够通过掌握所在港口的船舶动态，提前去联系船东，以此来获得更多的业务。

在AIS系统普及应用之前，海上碰撞事故频繁发生，对人身安全以及海洋生物和海洋安全构成严重威胁。造成这种现象的主要原因是由于船舶管理和避碰的导航设备不能完全满足海上监视和通信的需要，没有办法实时快速地完成信息获取及警报。一般来说，雷达系统无法准确计算目标的方向和速度，但是这些参数是船舶安全导航的必要参数。另外，单靠雷达直观识别目标的大小也是行不通的，因为雷达的工作原理是根据屏幕上的物体回波来实现目标的识别，但这只能反映出在前面有存在的目标，无法知道目标大小^[2]。此外，虽然目前的航船通常使用甚高频无线电话相互通信，但由于方法不当，他们无法及时获得对方的识别信息、对方的位置。通过这些信息相互识别，在某些水域航行时，当船舶数量很大，这种方法的可靠性就大大下降。

因此，要快速提高海事部门和航行船舶的信息获取和决策能力。需要海事部门能够在船舶航运的管理中，准确、及时地获取船舶交通信息，并及时发现和解决船舶异常轨迹情况，实现海上智能交通管理。在这样的情况下，新一代的VTS因此产生。VTS利用雷达、无线电话、AIS、闭路电视监控系统(Closed Circuit Television, CCTV)，以及其他船载的通讯设备备监控船舶的各种动静态信息，并提供给船舶在航行中所需的各种信息，如沉船预警，大船拖航预警等^[3]。

AIS系统的快速发展已广泛应用于海事领域。AIS是一种先进的无线电技术，它结合了GPS，VHF和数据处理技术^[4]，可以在不同的海洋实体（如渔船、货轮、军舰、潜艇等）之间以严格定义的格式交换相关信息。这可能是各个船只之间的位置，航向，速度和身份信息的简单交换，或者是特殊岸和浮标设备之间更复杂的数据交换。船舶能够在VHF公用无线信道上向附近船舶和岸上主管机关持续发送其身份、位置、航向、航速和其它数据^[5]。按历史沿革来说AIS是一种被称为DSC（数字选择呼叫）的VHF无线电设备和一种被称为SOTDMA（自组织时分多址）的软件程序相融合的设备。SOTDMA的概念来源于瑞典学者Hakan Lans，他于20世纪80年代进行了一项先驱性的工作——发展了一项自发、自主的通信技术,该技术将多台发射机的数据传输过程同步到精确的时间标准，从而允许这些发射机通过单一的窄带无线信道发送数据子帧。

1.2国内外研究现状

与其他海上导航技术相比，AIS是一项相对较新的创新。然而，在短短十多年的时间里，该技术已经走过了漫长的道路，包括国际任务，技术发展和国际标准。从历史上看，其他技术形式的对于从一个地方到另一个地方的海上航行的导航是有效的，但是那些技术的安全性仍然有待增强，例如，缺乏船只识别，加上时间延迟，无法看到船首向和对地航速，以上因素促进了AIS的发展，并因此增加了繁忙水域中的船舶航行的安全性。

AIS的国际要求由国际海事组织（IMO）制定，该组织规定了A类搜索和救援应答器（SART）的安装要求。然后由国际航海和航标协会（IALA）和国际电信联盟（ITU）制定AIS标准。国际电工委员会（IEC）根据IALA和ITU制定的法规为AIS制定测试标准。 然后由国家机构在创建自己的批准时解释这些标准。但是，各国可以进一步采取这些法规，并制定自己的国家标准，产品需要满足这些标准才能在这些国家销售。

2002年IMO的国际海上人命安全公约（International Convention for Safety of Life at Sea，SOLAS）协议包括一项授权，要求大多数国际航行总吨位超过300的船舶装配A类AIS收发器。这是使用AIS设备的第一项要求，影响了约十万艘船只。

2006年，AIS标准委员会发布了B类AIS收发器规范，旨在实现更简单，成本更低的AIS设备。同年，低成本的B类收发器开始得到许多国家的使用授权，使大规模安装AIS设备到各种规模的船舶上具有商业可行性。

自2006年以来，AIS技术标准委员会不断发展AIS标准和产品类型，涵盖从最大的船只到小型渔船和救生艇的广泛应用。与此同时，政府和当局已经启动了一些项目，以便使用AIS设备适应不同类别的船只，以提高安全性。大多数任务都集中在商业船只上，只有少部分适用休闲船只。2010年，大多数在欧洲内陆水道上运营的商船必须符合内陆航道认证的A级，所有超过15米的欧盟渔船必须在2014年5月之前获得A级，美国对其现有的AIS适配规则有一个长期的延期，预计将在2013年生效。据估计，截至2012年，约25万艘船舶安装了某种类型的AIS收发器，在不久的将来还需要100万台设备，甚至有更大的项目在考虑^[6]。

国内目前有中国海事局的官方AIS信息服务平台，船讯网等平台提供船舶实时动态监控服务。

AIS信息服务平台是中国国家海事局为航运相关企、事业单位及从业人员提供的一套以电子海图为基础，可实时查看中国沿海、沿江实时船位及船舶信息的一套公共信息服务平台。AIS公众服务平台基于海事三大海区汇总的实时AIS数据，在进行敏感数据过滤及脱密的基础上，结合海图平台为社会公众用户提供如下服务：

船舶动态服务：交通运输部海事局AIS公众服务平台基于权威数据实时发布，通过船舶实时定位、船舶动态跟踪、船舶轨迹查询等功能为用户提供准确、及时、可视化的船舶位置服务，极大的满足了航运从业者的需求。

助航信息服务：在满足基本位置服务的基础上，通过港口信息、水文气象信息、海事禁航信息以及港口、航道交通流量信息等板块为平台用户提供立体化、全方位的综合助航信息服务。

但AIS信息服务平台仅能查询国内海域及港口的船舶情况，对于驶出我国领海的船只讯息，可以在船讯网上查询，船讯网具有全球船舶AIS数据。

目前，已经对AIS的信息传输、获取、显示等有了较好的应用，各国对于船舶的实时动态监控已经做得很完善了。因为神经网络和深度学习的发展，大数据的应用，AIS信息就是一个很好的大数据^[7]，目前主流的学术界关于AIS数据的分析与应用的主要方面是将AIS数据和神经网络、深度学习结合起来，例如通过BP神经网络来训练船舶轨迹预测模型^[8]，然后将测试数据输入训练后的模型，计算误差，从而根据轨迹预测模型来对那些异常AIS数据进行报警。

还有专门针对一个大型港口的船舶轨迹分析，因为港口这种区域的内部情况是随时间、季节等因素变化的，要想更加合理的利用港口空间，充分发挥港口效率，可以通过分析港口的长时间的船舶轨迹数据，结合分布式机器学习来定义海港的扩展操作区域^[9]。

1.3论文主要研究内容

本文研究船舶自动识别系统、数据库技术的相关理论、标准基础和电子海图，首先介绍了AIS的相关基础知识，在此基础上，设计一种以AIS为数据来源的船舶航行轨迹分析系统。实现对AIS信息电文解析处理后在电子海图中的显示和存储

1.4论文组织结构

本文一共包括4个章节，详细结构如下：

第1章为论文的绪论，介绍了关于自动识别系统的历史、现状和影响。

第2章为所设计系统的基础知识的概述，包括AIS设备结构、功能和数据的相关理论。

第3章为系统的总体性设计，包括了系统目标、运行环境和AIS数据的具体解析，SQL Server的数据存储与读取，基于C#的Windows Forms的窗体程序设计。

第4章对论文工作做了一个全面的总结以及对后续的展望，总结了程序设计方面的不足之处与课题研究方面的不足之处，对未来该方向以及结合神经网络的研究提出了展望。

第2章 基础知识介绍

2.1自动识别系统（AIS）的设备结构

按照ITU-1371标准的规定，AIS设备分为AIS VHF数据链路（VDL）主控台和非主控台两种。两者的区别就是对AIS VHF信道的控制能力。除了AIS基站外其他所有AIS台站均无权发布轮询、指配指令或对信道时隙进行固定操作，而这些权限均为AIS VHF主控台所特有。除此之外所有的AIS台站在功能和构成上基本一致。AIS设备包括以下种类：AIS船载台，助航AIS台，受限基站，搜救移动航空器设备，转发台，AIS搜救发射机（AIS-SART台）基站。

AIS系统的硬件部分一般由四部分组成，分别为显示部分、通信部分、信息处理部分与接口电路部分。如图2.1所示

图2.1 AIS组成原理框图

（1）信息监视器

用来显示状态信息、各类数据，显示系统的运行状况，实际应用的信息监视器将可能是多个系统公用的综合信息显示终端，即将ARPA、ECDIS、IBS等监视器集成到一体。

（2）甚高频收发机

包括一台甚高频信号发射机、两台甚高频自组织时分多址（TDMA）接收机和一台甚高频数字选择性呼叫（DSC）接收机。国际频段CH87B和CH88B由信息处理器控制，以自动发送和接收修改后的信号。 这些信号根据协议通信计划确定，频率范围为25 kHz / 12.5 kHz，并支持单向连接。 这些信号包含有关船舶和其他船舶的静态和动态信息。这些信号中包含了本船和他船的船舶动、静态信息，信息处理器负责编码将要发送的信息以及解码接收到的信息。TDMA发射机可以交替使用两个频率来发送数据，而两个接收机则分别工作在两个频率用于接收数据。DSC接收机常用来接收DSC报警信息等。

（3）信息处理器

信息处理器包括两个TDMA解码，一个TDMA加密，DSC加密和DSC解码。这些组件是系统的基本部分。它主要用于存储固定的船舶信息和导航信息，处理和存储动态船舶信息，编码和存储数据到VHF进行传输，解密和存储附近的数据，其他船舶的导航数据，在屏幕上显示船舶和其他船舶的导航数据信息。

信息处理器包含一个可以管理和控制信息的数据库，以及基于SOTDMA技术的相关协议，如通信协议，通信方法和数据视图。为了使AIS传输信息可靠有序，标准AIS协议要求每个AIS船的设备时间严格同步，以避免内部干扰。通常要求采用来自GPS的世界标准时间（UTC）用于同步的参考时间，也可采用与UTC相关的时间源。

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