基于labview的AIS信息解码系统研究(7)

1基于labview的AIS信息解码系统研究黄洪琼,杜文胜,张萍（上海海事大学信息工程学院，上海200135）摘要：将基于虚拟仪器编程语言LABVIEW的开发环境引入到AIS信息的处理上，首先阐述了AIS信息的基本内容和解码的基本原理，然后对信息进行解码，以及解码信息的数据库存储等方面做了研究，完成了一个完整的AIS解码系统。实验结果证明该系统信息准确可靠，为后续基于AIS信息的研究和应用提供了重要的保证。其创新之处在于，首次将虚拟仪器开发环境引人进来，开发船舶交通方面的应用程序。关键词：LABVIEW；AutomaticIdentificationSystem(AIS)；信息解码；数据存储中图分类号：xxxxxx文献标识码：xTheresearchofAISinformationdecodingsystembasedonLabviewHuangHongqiong,DuWensheng,ZhangPing(CollegeofInformationEngineering,ShanghaiMaritimeUniversity,Shanghai200135,China)Abstract:BringthedevelopmentenvironmentofprogramminglanguageLABVIEWbasedvirtualinstrumentintoinformationprocessingofAIS.AccordingtotheinformationcontentandthebasicprinciplesofAISinformationdecoding,thispaperhasrealizedthedecodingofinformationandaresearchonstorageofdecodinginformationdatabase.Onthewhole,ithascompletedafully-formedAISdecodingsystem.Theexperimenthasprovedthatthemessageprovidebythissystemisaccurateandreliable,anditistheimportantfoundationoftheapplicationinfollowingAISinformation.TheinnovationisfirsttimetointroducevirtualinstrumentonVessel.Keywords:LABVIEW;AutomaticIdentificationSystem(AIS);informationdecoding;Datastorage引言船舶自动识别系统AIS(AutomaticidentificationSystem)作为一种新的助航设备，对增强航运安全，提供船舶交通管理系统的服务与监控能力具有不可替代的作用，基于AIS信息的数据挖掘，分析海上交通状况，找到内在隐藏的信息特征，都依赖于海量的数据。构建AIS信息处理系统，也需要对AIS信息有所了解。进行算法原型化与验证，可以说LABVIEW是不可缺少的工具，将LABVIEW开发环境引入，研究其信息的解码与数据存储等技术，对AIS信息的开发与应用具有十分重要的意义。1AIS介绍与信息解码1.1AIS介绍AIS作为一种助航设备，其主要目的是保障航行安全，起到船只避碰，增强海事管理等方面的作用，它是在海洋交通不断发展、通信技术不断发展的基础上出现的产物。其功能与应用范围不断扩大。其网络结构主要由AIS基站、网络中心、客户端等几部分组成[1]。AIS的作用主要体现在它能够报告船位等信息，在船舶与岸基交换的信息主要有以下几种：静态信息、动态信息、航次相关信息、安全相关信息。因此其应用方面也主要是基于这些信息的应用。1.2AIS报文分析AIS电文以数据帧格式发送，符合ITU-RM.137121和IEC6116222两种协议标准，根据电文类型有明码和暗码两种，明文以语句方式进行数据传输，主要是GPS天线---------------------------------------基金项目：上海市教委科研创新项目11YZ140，交通部应用基础研究项目2009-329-810-030作者简介：黄洪琼（1973-），女，副教授，博士，从事智能信息处理研究。[e-mail]杜文胜（1986-），男，研究生，硕士在读，[e-mail]张萍（1986-），女，研究生，硕士在读2接收的定位信息。明文比较简单，可直接读出信息，但信息传输量也有限[2]。暗码主要是通过VHF（甚高频）发出的信息，它比较复杂，但信息量丰富，而且保密性高。下面主要研究AIS暗码信息的解析。AIS数据传输采用面向比特的协议，共有256bit，其信息帧格式如表1所示[3]：表1AIS信息帧格式Table.1ThemessageformatofAIS导言信息主要是用于收发两端的时钟对齐；8bitHDLC帧标志（01111110），用于检测发射数据包的开始；要解析出来的数据就在包含在168比特里；然后是检测序列，采用循环冗余校验进行差错控制；接下来是结束标志；最后是缓冲位，用于使系统保持同步。AIS暗码是封装的信息包，以“!”开头，采用暗码的主要原因在于保密性好，而且能够按照特定的格式，发送更多的消息。其具体信息格式如下[4][5]：!abcd,x,y,z,u,v-v,s*hhCRLFabcd是标识符，指明是本船信息还是其它船只信息；x为传输这一消息的句子总数；y为本句在整个句子中的序号；z是连续信息的标识；u表示接受消息使用的通道；v-v为打包信息；s为填充字符；hh为检验和字段。下面将以实例具体说明其解码过程。通过AIS设备输出某一的电文信息如下：!AIVDM,1,1,,B,169ABpPP1h8eARbAqTGmJHa005sd,0*12x=1表示消息一个句子表达；y=1为信息第一句；z为空，表示属于同一个消息；由B通道接收消息。填充字符个数为0，其封装信息为：169ABpPP1h8eARbAqTGmJHa005sd。1.3AIS暗码解析上述对AIS报文信息进行了分析，是解码的基础，解码步骤：获得字符串，分别截取信息字段和校验字段，进行校验，如果正确则进行字符码转换。但数据是经过数字化或压缩编码，要获得文字信息，根据ITU-RM.1371和IEC61162-100协议,接口输出的是8bitASCII，首先要将每个字符表示的8bitASCII转化为6bitASCII,8bit转6bitASCII可以参照程序框图1[6],其子程序见图2。参照ASCII转换码程序，对输入的字符经过程序测试，结果正确，由此保证了压缩码转换的正确性。开始8位ASCII字符II80HI+28HII+20HII+28HI截取低6位ASCII即为所得的ASCII码图1ASCII转换框图Fig.1ConvertdiagramofASCII图2ASCII转换程序图Fig.2ConvertprogramofASCII信息正确后，调用编码转换程序，按照上述程序进行转换，封装信息有28个字符，则转换为168bit[7]，这些比特信息代表的含义见表2：表2：168比特数据段含义Table.2Themeansofsection168-bitdata区域1-6bit7-8bit9-38bit39-42bit43-50bit51-60bit61bit62-89bit含义报文ID转发次数MMSI航向状态转向率对地速度船位精度经度区域90-116bit117-128bit129-137bit138-143bit144-147bit148bit149bit150-168bit含义纬度对地航向真航向UTC时间应用保留备用位RAIM标志通信状态上表对AIS信息的分析，以及对解码步骤作了详尽描述。接下来就是利用LABVIEW良导言(32位)开始标志(8)数据(168)监测序列(16)结束标志(8)缓冲(24)3好的编程环境完成解码程序设计。编写的AIS暗码解析程序见图3：图3：信息解码程序框图Fig.3Theprogramofinformationdecoding在程序设计中，最后将各种信息捆绑为数组，便于程序的模块化，提高间接性，便于替它程序模块的调用。2数据存储实现在构建AIS信息处理系统，进行数据挖掘时，如交通流分析，船只轨迹分析等，就需要建立一个数据库用来存储大量的信息，同时对信息有一定的存储管理和查询功能，便于后续工作的进行，以及各种分析模型做准备。因此要将上述经过解码的AIS数据存储到数据库里面。基于LABVIEW的数据存储有多种实现方法[8],常用的有如下几种。1、调用动态链接库DLL，实现数据库访问；需要开发大量的顶层软件，开发难度大。2、利用NI公司的数据库接口工具包；该工具包里集成了大量的函数，但价格比较昂贵。3、利用第三方编写LABSQL工具包；该工具包免费开发，它将底层ADO（ActiveDataObject）和SQL操作封装成一系列的函数，只需要利用这些函数和SQL语言，就能完成大量的操作。因此，在这里选择第三种方法。ODBC（OpenDatabaseConnectivity）是微软开放服务的数据库相关部分，提供了一组对数据库访问的标准应用程序接口。利用它们就能实现对数据库的访问。下面具体介绍LABVIEW和数据库连接的步骤。2.1ACCESS数据库的建立首先为AIS信息建立一个ACCESS数据源，它是ODBC到数据库的接口形式，用于描述数据库的各种参数，下面以W7系统为例说明其操作步骤，如下：控制面板\系统和安全\管理工具通过添加数据源、选择数据驱动等来完成Access数据源的建立[9][10]。其主要的操作界面见图4：图4：数据库建立主要操作界面Fig.4ThemainestablishinterfaceofDatabase此时就建立了一个数据源名为AIS_DataBase的数据库，提供信息存储空间。2.2数据写入程序实现利用LABSQL工具包里面的函数构建数据库访问程序，它提供开放的接口，利用SQL语言就能完成数据的写入、查询、删除等操作。下面简单介绍几个主要的操作。4如果接收到的AIS数据信息正确，则调用图5的写入数据库程序，进行数据写入。图5数据写入数据库程序Fig.5TheprogramofdatastoretoDatabase在完善AIS信息处理系统，对数据信息进行分析时，还需要进行信息的搜索、删除等操作。鉴于篇幅限制，暂不做具体介绍，AIS信息处理前面板界面见图6。图6：前面板界面Fig.6Interfaceoffrontpanel3结束语通信技术的发展为航运安全的发展提供重要的保障，应此对AIS系统的研究具有十分重要的意义。LABVIEW开发工具具有编程方便，界面友好的特点，能够和其它语言相结合。本文首先对AIS作了介绍，然后对其信息进行分析，给出了信息解码与写入数据库的程序。对基于AIS信息的应用与开发提供数据保证，特别是对数据挖掘提供了重要数据来源，对AIS系统的研究具有重要的意义。参考文献：[1]LinChangchuan，LeJie，WangGaoyao．AISSystemandtheApplicationsattheHarborTrafficManagement.IEEE．2008：1-3．[2]张雷，王建宇，戴宁.GPS信息接收模拟器的研究与开发[J]．计算机测量与控制，2007．15(11)：1~2．ZhangLei，WangJiangyu，DaiNing，ResearchandDevelopmentoftheReceiverSimulatorofGPSInformation[J]．ComputerMeasurement&Control．2007，15(11)：1~2．[3]刘传润．AIS信息采集方式的研究[J]．天津航海．2007，(1)：58~59．[4]李林．基于ECDIS的AI