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基于公共通信网络的MIP-AIS系统关键技术研究

胡青  
【摘要】:自人类从事海上活动以来,海上船舶安全航行一直是航海人员面临的一项重要课题。随着电子信息技术的发展,海上航行安全保障技术发生了重要变化,无线电语音通信、雷达/ARPA导航、GNSS卫星导航、卫星通信、船舶自动识别系统、GMDSS系统等等都发挥了重要作用。在这些系统中,船舶自动识别系统是本世纪新兴的航行安全系统,自应用实施以来对船舶的避碰和安全航行发挥了重要作用。然而,基于VHF通信频段和SOTDMA通信协议的AIS系统存在两个关键缺陷:一是系统容量的限制,二是VHF通信系统9.6kbps的传输带宽限制,无法适应目前沿海和内河船舶越来越多的信息传输需求,特别是未来e-Navigation战略发展的需要。为此,本文提出了一种基于公网GPRS/CDMA/3G通信系统移动IP技术的自动识别技术,可以有效弥补通用AIS系统的不足,特别对内河和沿海小型船舶的自动识别具有十分重要的意义。基于此,本文的研究主要工作包括如下几个方面。 (1)基于公网GPRS/CDMA/3G移动IP通信系统的MIP-AIS (Mobile IP Automatic Identification System)技术模型。研究了公网MIP-AIS系统船舶自动识别模型,设计了S-C (Ship-Center)、S-CA (Ship-Center Assisting)和S-S(Ship-Ship)三种识别模型,系统的解决了公网MIP-AIS中船舶在不同情况下对其识别范围内的其他船舶进行自动识别的方法。定义了公网MIP-AIS系统功能,分析了S-C识别模型、S-CA识别模型和S-S识别模型的适用特征。理论分析表明,S-C识别模型虽然实现简单,但对船舶识别中心负载压力过大,通信带宽要求很高,不适合海量终端同时在线服务,而S-CA识别模型和S-S识别模型的组合有效解决了这一问题。 (2)三种自动识别搜索算法,分别是基于中心辅助的自动识别搜索算法(CAAISA, Center Assisting Automatic Identification Search Algorithm)、基于最优过渡识别节点辅助的自动识别搜索算法(ISAISA, base on Interim SIN Automatic Identification Search Algorithm)和迁移过程中船舶自动识别节点自组织搜索算法(SOAISA, Self Organization Automatic Identification Search Algorithm)可使公网MIP-AIS系统在不同情况下能够快速有效的识别和获取其识别范围内的其他船舶。详细设计了三种船舶自动识别搜索算法的关键函数、算法执行过程和适用的船舶分布拓扑结构,并从理论上分析了三种算法的执行效率。研究表明,该三种算法在公网MIP-AIS系统各个阶段的配合使用,有效提高了公网MIP-AIS系统船舶识别中心的服务效率。 (3)公网MIP-AIS系统下信息交换技术。首先按照ISO/OSI七层架构设计体系,设计了公网MIP-AIS系统信息交换协议和船载终端设备上的MINI移动IP协议栈技术。设计了公网MIP-AIS系统船载终端设备初次入网阶段、掉线重新识别阶段和平稳迁移阶段中工作状态迁移过程及对应的信息交换协议。研究了公网MIP-AIS终端设备技术架构,给出了MINI移动IP协议栈状态迁移实现过程和优化方法,使其更适合低端公网MIP-AIS船载终端设备的应用,有效保障了公网MIP-AIS系统的信息交换实时性,并大大提高了船载终端设备的性价比。 (4)基于PID控制算法的事务分配调度算法。针对公网MIP-AIS船舶识别中心海量事务处理分配调度难题,提出了基于PID控制算法的事务分配调度算法。该算法综合考虑了事务类型的处理复杂度和不同处理终端的熟练程度,有效平衡了公网MIP-AIS系统船舶识别中心各协作终端海量事务处理负载,并有效提高了事务处理效率。 (5)开发了公网MIP-AIS系统船舶识别中心平台和公网MIP-AIS船载终端设备,实际应用证明了本研究提出公网MIP-AIS系统能够有效弥补通用AIS系统的不足,实现船舶之间自动识别。


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