船舶自动识别网络系统设计及其性能仿真研究

摘要

随着通信技术和计算机技术的快速发展及应用，航海技术取得了长足的进步，逐步迈入了信息时代。在世界航运中，船舶技术正向着高速化、大型化发展，船舶数量不断增加，通航水域越来越拥挤，海损事故时有发生，对海上人命、财产安全以及海洋环境造成威胁。在不断研究船舶航行安全保障技术的过程中，人们逐渐认识到船舶间的通信和相互识别是海上安全航行和船舶交通管理的前提条件。船舶自动识别系统(Automatic Identification System，AIS)作为一种新型的助航系统，同时也是船舶信息化的网络系统，可以实现船舶之间的通信和避碰，保障船舶的航行安全，减少水上交通事故的发生；此外，AIS系统还可以与船舶交通管理系统(Vessel Traffic System，VTS)结合起来使用，有利于强化VTS的功能，加强覆盖水域内的船舶交通管理。
　　 目前，AIS系统已经开始在船舶上应用，为了更好地实现AIS的功能，充分发挥AIS的特点，需要与之同步的AIS岸台网络，对AIS岸台网络的建设提出了要求。国外一些发达国家已经开始对AIS网络进行研究，并先后建立了岸台AIS网络。我国目前也己开始了这方面的研究和建设，在长江口和珠江口这两个地区分别建立了AIS岸台网络，并准备在整个沿海、内河水域建设无缝的AIS网络，充分发挥AIS的作用，提高对船舶的识别能力，实现对进出我国水域船舶的有效管理。
　　 自动识别系统(AIS)是航海、航空领域里一项较新的研究成果，在航海史上具有里程碑的意义。AIS技术的正确使用可以提高船舶航行的安全性和效率，解决船岸信息传输的难题，成为数字化水上交通的基础支撑。本文就AIS网络系统中一些科学和实际问题开展了以下几个方面的研究工作：
　　 (1)本文对AIS的系统工作原理进行了深入分析，研究了AIS网络的层次模型、数据传输协议、消息报文标准格式以及数据解析方法，着重探讨了SOTDMA协议的时隙选择算法及时隙预约冲突，这是进行AIS网络系统研究的基础。
　　 (2)在航海技术领域，对于AIS网络的还处于研究阶段，目前国内外建设的AIS网络仍局限于小型的子网系统。本文通过比较移动自组网与AIS网络的异同，利用无线网络中的理论研究方法以及仿真实验工具，对AIS网络展开研究，深入分析了AIS网络的性能。
　　 (3)根据国内AIS网络的规划建设情况，本文抽象提出了基于中心节点的AIS网络模型，提出了服务区的概念。在此基础之上，分析了服务区及子网内节点的时隙状态表及时隙维护过程，提出了基于中心节点的无碰撞时隙选择算法。
　　 (4)在AIS网络性能的研究中，大部分文献从概率论的角度进行理论分析，假设的是理想条件，也有部分文献以有线网络(如TCP/IP中的WinSock编程)代替无线网络进行仿真实验，但差异性较大。本文利用NS-2仿真工具对AIS网络系统进行无线网络仿真建模，系统的相似度上有所改善，并且在WindowsXP和Cygwin平台上进行了仿真实验，根据实验的研究结果，进一步分析了AIS网络的性能。
　　 (5)智能交通系统(ITS)在航海上的应用是一个发展趋势，现有的ECDIS、GPS/GIS、GMDSS以及INMARSAT技术己经逐渐成熟，随着AIS网络技术的逐步完善，水上智能交通系统(MITS)也将孕育而生。本文提出了水上智能交通系统模型，分析了MITS的支撑技术平台和框架结构，提出了基于AIS网络的船舶动态监控系统设计框架，旨在为沿海港口AIS网络系统的设计与优化提供参考。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1研究背景

1.2国内外研究现状

1.3研究目的和意义

1.4主要研究内容

1.5论文组织结构

第2章船舶自动识别系统技术原理

2.1船舶自动识别系统简介

2.1.1 AIS的产生与发展

2.1.2 AIS的系统组成

2.1.3 AIS的基本功能

2.1.4 AIS的工作方式及特点

2.2 AIS通信原理

2.2.1 TDMA访问

2.2.2报文通信

2.2.3数据链路同步

2.2.4时隙选择方法

2.3 SOTDMA协议

2.3.1技术特点

2.3.2协议参数

2.3.3自组织接入过程

2.4 AIS的应用

2.5本章小结

第3章基于NMEA协议的AIS数据解析

3.1 NMEA协议

3.1.1 NMEA0183协议

3.1.2 NMEA2000协议

3.2 AIS数据帧格式

3.3 AIS数据解析

3.3.1用户接口

3.3.2硬件连接

3.3.3数据采集方法

3.3.4帧校验算法

3.4本章小结

第4章船舶自动识别网络及应用系统设计

4.1 AIS网络的定位与布局

4.2 AIS网络的系统结构

4.3 AIS网络的组成

4.3.1岸基AIS系统

4.3.2 AIS网络服务器

4.3.3网络互连设备

4.3.4网络传输技术

4.4基于AIS网络的水上智能交通系统

4.4.1智能交通系统ITS

4.4.2水上智能交通系统的概念

4.4.3 MITS支撑平台

4.4.4 MITS体系结构

4.4.5船载移动网络系统

4.4.6舶动态监控系统

4.5本章小结

第5章船舶自动识别网络性能仿真分析

5.1 AIS网络参考模型

5.1.1物理层

5.1.2数据链路层

5.1.3网络层

5.1.4传输层

5.2 AIS网络的性能指标

5.2.1网络吞吐量

5.2.2网络容量

5.2.3信道负载

5.2.4时隙冲突率

5.2.5报文传输时延

5.3 AIS网络与移动自组网比较

5.4 AIS网络仿真建模

5.4.1研究目标

5.4.2 NS2仿真工具

5.4.3无线网络仿真

5.5 AIS网络仿真实验

5.5.1网络仿真平台

5.5.2仿真结果分析

5.6本章小结

第6章SOTDMA时隙预约冲突解决算法及仿真

6.1 SOTDMA时隙预约及冲突分析

6.1.1时隙预约算法

6.1.2时隙预约冲突

6.1.3时隙冲突率分析

6.2基于中心节点的无碰撞时隙选择算法

6.2.1TDMA时隙分配算法

6.2.2基于中心节点的AIS网络模型

6.2.3时隙选择算法

6.3仿真环境及实验分析

6.3.1仿真环境

6.3.2仿真实验分析

6.4本章小结

第7章总结与展望

7.1论文工作总结

7.2今后研究展望

致 谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文

攻读博士学位期间参加的科研项目