虚拟船舶自动识别系统仿真实验系统研究

韩云东　袁群哲　杨常青　王海波　蒋永馨

摘 要 针对船舶自动识别系统（AIS）设备的功能特点，利用虚拟仪器技术设计并开发虚拟AIS仿真实验系统，该系统包含登录模块和功能模块，在功能模块中包括时间计算、暗码解算、人员落水标记、报文记录复视、目标标记等多个子模块，系统界面接近实物，操作界面简洁明了，能够实现AIS的模拟仿真运行，学员通过应用该系统，可加深对AIS设备的理解。

关键词 船舶自动识别系统；LabVIEW；虚拟AIS仿真实验系统

中图分类号：TP391.9 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2017）08-0009-03

Abstract According to the features of the AIS equipment， the Virtual

AIS Simulation Experiment System was developed through virtual instrument technology. The AIS system included login module and

the function module， and the function module included time calcu-lation module， code calculation module， overboard marking module， message recording repeater module， target labeling module， and so

on. The system interface was close to the real equipment， and it is simple and clear， and the simulation of AIS could realized on the computer. The students could deepen the understanding of AIS equip-

ment through the application of the system.

Key words automatic identification system； LabVIEW； virtual AIS simulation experiment system

1 前言

實验在航海信息系统课程教学中占有十分重要的地位，通过实验，可以加深学员对航海仪器理论知识的理解，增强学习兴趣，提高理论联系实际的能力。但是近年来随着学员数量不断增加，现有的实验室设备和规模都难以满足需要[1]。因此，实验室常常只能做一些最简单的验证性实验，学员很少有机会去反复熟悉专业设备的使用，这对调动学生的学习积极性、培养创新精神、加强实践动手能力都十分不利。

船舶自动识别系统（Automatic Identification System，

简称AIS）是继ARPA、ECDIS系统之后，在航海信息技术领域中的又一大助航系统，在保障航行安全、提高航行效率等各个方面发挥着十分重要的作用[2]。本文依靠LabVIEW平台强大的数据处理能力[3]，编程实现AIS的软件仿真系统，整个系统按照模块化的设计思路进行编写，以单个功能为目标编写功能模块，以数据流向为线索连接函数，最终整合形成功能完整的系统整体。

2 虚拟AIS仿真实验系统设计

在虚拟AIS仿真实验系统的编程过程中，引入模块化的设计思想，即按照功能去设计模块，最终形成以各种结构方框为分界的功能模块，将各个模块组合成完整的程序系统。系统结构如图1所示。

在具体设计时，每一模块都以LabVIEW结构（包括while

结构、条件结构、事件结构、循环结构等）为框架，依靠结构对数据流向的控制能力，确保数据按照指定顺序循环，实现数据处理。

登录模块设计 其设置目的是为明码的解码单独开辟空间，因为用明码传递的消息一般为系统工作状态等，不会在主屏幕上显示辅助信息。因此，设置登录模块，使其在登录时完成显示，同时也模拟了实际使用时的开机过程。基于这些功能，登录模块的设计必须包含明码解码模块，实现对明码电文的自动接收和解码；进度显示模块，模拟开机进度；启动模块，实现自动启动主界面的功能。

功能模块设计 功能模块是整个系统的核心部分，必须具备与系统功能相对应的功能模块。首先，界面设计从模拟仿真的原则出发，系统界面尽可能接近实际装备。其次是功能按键，功能在实现的基础上尽量做全。本系统中规划了海图缩放功能、航线显示功能、人员落水告警功能、短消息发送功能、亮度调节功能等其他功能，也应该设计相应的功能模块。

3 功能模块的功能实现

功能模块包含了系统的主要功能，并按模块进行实现，由关联度不高的多个子模块组成，可划分为时间计算模块、暗码解算模块、人员落水标记模块、短消息发送及复示模块、目标标记模块以及其他模块。

时间计算模块 功能为获取本地时间及计算UTC时间，主要运用本地时间获取函数、格式化日期时间函数、while结构、条件结构以及相应的字符串处理与转化函数。主要实现方法为从本地获取时间后，通过格式化时间函数规定时间字符串格式，输出字符串认为是本地时间，然后对本地时间进行计算（东八区），判断时值是否超过8，如是则进行减8操作后用返回值替换原值，如不是则对日期进行减一后对时值进行加十六操作后替换原值输出，进而得到UTC时间。

暗码解算模块 该模块为本仿真系统的重要组成部分之一，负责解算暗码电文，提供目标的各种动态信息与静态信息。本系统中主要对消息编号为1、3、5的三种电文进行解算，其中1、3号电文中分别携带定时船位报告与询问船位报告，而5号电文中携带静态和航行相关数据报告，分别对应AIS系统中的动态信息与静态信息。

落水标记模块 该模块实现的功能主要是模拟MOB功能，即在人员落水的瞬间标记人员落水位置并将落水坐标存储于本机之中，主要实现方法为当MOB按钮按下时，系统要自动记录当前的坐标地点，并在海图上完成红色标记，主面板上的告警灯要同时点亮，且弹出对话框询问是否显示坐标位置，是则显示记录点坐标，否则关闭对话框，当再次按下MOB键时，标记点消失。

短消息发送及复示模块 该模块实现功能是模拟AIS系统中的短消息发送功能，并且搭配复视功能对已编辑的报文内容进行显示，其实现思路与人员落水点的模拟过程大体相同，也需要依赖后台的数据文件进行存储，主体操作均为文件创建写入和读取。

目标标记模块 该模块实现功能是对海图上显示的各个目标进行标记。当目标被标记时，目标会以黄色和不同颜色交替闪烁；取消标记后，目标恢复原状。其功能实现过程为标记按钮按下时，需要完成以下两点操作：

1）显示对话框，提示用户选择想要标记的对象；

2）运行目标标记程序。

其他模块 除了主要模块之外，本系统还包括一些其他模块，比如：航线显示模块，主要用于航线模拟；目标信息装订模块，主要运用于设置初始信息以及之后的某些固定信息的显示；为了减小系统的冗余度，还在其中集成了帮助信息的显示以及模拟系统的停止按钮。

4 系统实现

本系统开发完成后，主体由两部分VI组成，分别为登录模块与功能模块。

登录模块 其目的主要是进行明码的解码任务。由于明码一般用来进行时间、工作状态等信息的播发，因此在AIS主界面中并没有相应的显示区域。为完善AIS模拟系统的功能，增加其美观程度，特设登录界面，且将登录界面与主界面相关联，实现主界面的自动开启。登录模块显示效果如图2所示。

功能模块实现 为了维持二者的正常工作，在系统文件夹中加入人员落水位置记录文件、报文记录文件以及子VI数据库。模拟AIS系统接收电文由*.txt文件提供，分为明码电文与暗码电文，以暗码电文为主，电文由程序自动解算并显示。设备功能方面，成功模拟了AIS系统常见的航线显示、人员落水标记、目标标记、海图缩放、短报文发送、亮度调节等其他功能。AIS功能模块界面如图3所示。

使用介绍 本系统的主要研制目的是模拟AIS系统的工作特征和功能，让学习者对AIS的使用效果有一个具体的体验，有助于学习人员了解AIS的使用方法甚至部分工作原理，其使用方法如下。

第一步：系统初始化。打开登录模块，系统自动进入登录界面，在登录界面中，用户可以看到系统时间及AIS系统的工作状态。同时为了便于使用者了解其明码的解码过程，特设源码窗口显示未经解码的电文信息。除此之外，在界面下端顯示有进度条，便于用户掌握进入主界面的时间。

第二步：主界面操作。系统的主界面是模拟新阳升电气300型AIS而设计的界面，主界面分为显示区域、按键区域以及指示灯三大部分。

1）显示区域以海域为显示背景，显示内容主要是目标、航行及其他信息、根据按键功能显示的其他窗口三部分。航行及其他信息主要显示在屏幕的四个角上，左上角为系统时间，右上角为本船位置及航向航速信息，左下角为当前目标位置以及相对于本船的方位距离信息，右下角为目标船的四类基本信息。显示目标由不同颜色的小方块代表。

2）按键区域由数字键盘和功能键组成，数字键盘主要用于目标的选择，功能键主要用于激发不同功能。

3）指示灯主要用于指示和报警功能。

5 结束语

本文以LabVIEW软件为平台，从AIS系统的实际功能出发，立足其功能特性，对AIS系统的主要功能进行模拟仿真。整套模拟系统能够动态模拟显示AIS系统的工作数据，并能够实现目标标记、人员落水报警等辅助功能，真实地展现了AIS系统的各种主要功能及实际工作状态，为软件使用者提供了一个直观的使用感受，对于学习掌握该AIS设备提供了一个很好的辅助工具。目前该系统已应用到相关课程的实验教学中，获得较好的效果。

参考文献

[1]杨敏，叶宏，倪继峰，等.虚拟仪器在电子专业教学中的应用[J].中国教育技术装备，2010（36）：146-147.

[2]韩云东，蒋永馨.航海信息系统[M].大连：海军大连舰艇学院，2015.

[3]章佳荣，王粲，赵国宇.精通LabVIEW虚拟仪器程序设计与案例实现[M].北京：人民邮电出版社，2013.