摘要:针对目前存在的AIS信息共享范围有限、共享模式比较单一、适应不同类型用户需求存在困难的问题,提出了基于INTERNET的AIS信息的多样化共享模式,并对其中的关键技术、模式的比较及选择做了深入的阐述。实践表明,基于INTERNET的AIS信息多样化的共享模式为避免系统重复建设、缩短研究和应用周期、节省费用、促进AIS研究和应用的协同合作起到了切实可行的良好效果。
关键词:水路运输;互联网;船舶自动识别系统;信息;共享模式
AIS(Automatic Identification System)信息在海上数字交通建设中起到了非常重要的作用。当前,AIS信息在船舶避碰、港口领航、交通调查、海事信息监测及数据分析等方面的研究和应用都取得了重要进展[1-4],分析其原理和流程,共同的基础均为AIS信息全面可靠的获取,都离不开一个可靠稳定的AIS信息采集系统,这无形之中给系统的建设和普及推广增加了一定的费用和难度。因此提出能否利用飞速发展的INTERNET技术平台,充分共享已采集的AIS信息的问题。AIS信息共享的基础包括政策机制、商业规范和技术模式等方面内容。关于AIS信息普及共享的政策机制,目前国内基本上还是空白;在商业规范方面,一些专业公司已经开始逐步探讨和推广基于互惠合作的有尝的AIS信息服务;而在AIS信息发布和共享的平台技术方面,国内外专业的研究机构、科研院所、大型航运公司及航运主管部门的研究和应用已逐步普及[5-7]。主要存在的问题是共享范围有限、共享模式比较单一、适应不同用户的各类需求还有困难。为此,本文将从技术角度总结、探讨基于INTERNET的AIS信息的多样化共享模式,并对其中的关键技术及选择策略做深入的论述。
1 多样化的共享模式
AIS信息的多样化共享模式取决于用户的多样化需求,并为最终用户的特定需求服务。共享模式可依据共享的信息层次或共享的技术协议划分。依信息层次划分,可分为应用层信息共享和原始数据共享;依共享的技术协议可以分为基于TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol)协议和基于HTTPC Hypertext Transfer Protocol)协议的共享模式。本文将以技术协议为主要分类依据并结合共享的信息层次对多样化的共享模式进行阐述。
1.1 基于TCP/IP协议的共享模式
TCP/IP是INTERNET上的主要通信协议,基于TCP/IP协议的共享模式如图1所示,由采集服务器、数据库服务器和AIS共享服务器构成(在服务器速度、可靠性、稳定性均满足条件的情况下,三者也可驻留在同一台机器上)。在此共享模式下,共享的内容主要为原始的AIS数据或解码之后的AIS数据,远程客户端主要为ECDIS(Electronic hart Display and Information System)应用或数据分析等应用(也可能是WebGIS(Web Geographic Information System)服务器)[8-9]。此模式的技术基础为远程客户端与各个服务器之间、各服务器之间基于TCP/IP协议进行数据传输。AIS采集服务器负责采集来自远程AIS信息采集点的信息,经过记录分解后,把AIS记录直接存到数据库;同时也实现对AIS信息进行解码,并把解码之后的动态信息、静态信息(包括航次信息)存入数据库。AIS采集服务器接受远程客户端基于TCP/IP的数据访问请求,主要工作流程包括针对远程用户的认证、授权、AIS信息检索、AIS信息发送等环节。其中,AIS信息检索处理负责定时从数据库中的静态和动态AIS信息表或原始AIS信息表中读取信息并写入AIS数据服务队列等待发送。认证处理根据配置的认证信息实现对远程用户的名称和密码进行认证,而AIS信息发送处理则根据认证结果、用户被授权信息以及用户请求的数据类型(请求原始AIS信息或者请求解码之后的数据)进行数据过滤,并把符合条件的AIS信息基于TCP/IP通信机制发送给请求数据服务的远程客户端。该模式要求AIS共享服务器具有静态的公网IP,在费用有限的情况下,也可以采用利用第三方服务器的IP交换技术实现基于动态IP接受数据访问的请求。
在远程客户端拥有静态公网IP的情况下,AIS共享服务器也可以采用主动推送数据的模式。基本流程包括:
1)从本机配置文件(或数据库中的用户信息表)获取远程客户端的IP、端口号及授权信息。
2)向远程客户端主动发起TCP/IP连接请求。
3)读取AIS信息数据。
4)过滤数据并基于TCP/IP发送数据给远程客户端。
还有一种方案是远程客户端基于TCP/IP协议直接访问数据库服务器、直接读取数据库中的有关信息表,认证和授权信息配置在数据库服务器上面,并由数据库管理系统完成。
1.2基于HTTP协议的共享模式
INTERNET上的另外一个主流数据传输协议为HTTPC Hypertext Transfer Protocol)协议(全称为超文本传输协议),它定义了服务端和客户端的数据传输方式,是基于TCP/IP之上的应用层协议,也是目前浏览器和网站之间通信的标准协议。基于HTTP协议的共享模式的网络拓扑结构与基于TCP/IP协议的共享模式基本相同(如图1所示),主要区别在于AIS共享服务器不是安装着TCP/IP通信的服务端软件,而安装着运行WebGIS的WebServer。最终用户在远程客户端以IEC Internet Explorer)或FIREFORX等客户端的浏览器通过HTTP协议访问WebServer及其上面的WebGIS服务,因此在此模式下,最终用户可以直接接收到应用层信息的共享服务(如图2所示)。WebGIS服务器可以从AIS采集服务器获取实时的AIS信息,也可以从数据库服务器获取历史数据。此外,Web GIS上面也可以叠加航标助航等信息。
基于HTTP协议共享模式也可以为各类应用程序提供原始AIS信息的共享服务。主要包括4个步骤:
1)客户端应用程序(非浏览器)通过HTTP的GET或POST方式向WebServer上的数据服务程序发起数据请求[10]。
2)数据服务程序接受请求,分解其中的请求参数。
3)进行认证和授权信息的验证,并形成数据检索条件。
4)从数据库中检索数据并返回给客户端应用程序。
2关键技术
通过INTERNET实现AIS信息的多样化共享所涉及的技术非常之广,涵盖从硬件到软件,从信息采集到信息发布、信息接收等方方面面的内容,本节将重点探讨其中的网络编程技术、数据库技术及Web发布技术。
网络通讯技术是基于TCP/IP协议共享数据的基础,在网络硬件平台搭建完成之后,基于Socket的网络编程是实现数据通信的首要问题。Socket是应用程序与TCP/IP协议族通信的中间软件抽象层,它负责实现所传输数据的组织及协议的选择,是一组面向用户的编程接口,它把复杂的TCP/IP协议族隐藏在Socket接口后面,对用户来说,通过调用接口就可以实现网络通信功能,而不必关心网络通信各层协议之间的细节问题。在具体实现时,需要建立Socket通信的服务端和客户端,服务端首先创建监听Socket,接着客户端向服务端发起连接请求,通过三次“握手”并成功之后,服务端和客户端可通过通信Socket实现双向的数据通信(也可以看出,Socket服务端不一定是提供AIS信息的数据服务器端)。
数据库是数据文件的集合,在数据库管理软件的作用下,数据库系统和纯粹的数据文件相比具有一致性好、方便管理、易于共享和分析等优势。在AIS信息共享体系中,数据库可以存放当前或历史的原始AIS信息记录或解码之后的静态信息、动态信息、电子海图数据、其它空间数据及属性数据,也可以存放用户的相关信息,因此AIS数据库是AIS信息共享、数据查询、数据分析及数据挖掘的基础和形成决策的前提。在一定意义上,AIS信息数据库的结构和内容决定了整个共享体系功能的实现程度。建设一个合理的AIS信息数据库需要在需求分析的基础上经历概念模型、逻辑模型和物理模型设计等步骤,而数据库的具体应用则涉及系统管理、系统安全、系统备份和恢复、网络设置、SQL(Structured Query Language)编程等方面的技术问题。目前比较流行的大型数据库有Oracle、SqlServer、DB2等,在跨平台的情况下,Oracle是比较理想的选择。
Web服务器是Web应用的发布平台,常用的Web服务器有IIS(Internet Information Services)、Tomcat、apache等。而Web应用的开发可以选择包括JSP(Java Server Pages)、ASP(Active Server Pages)和PHP C Hypertext Preprocessor)等流行的动态网页技术语言。在系统设计时必须考虑开发语言、Web服务器和操作系统之间的匹配问题(比如,IIS只能运行于Windows平台之上,而ASP基本上只运行于IIS之上),同时也要考虑系统的容量、功能、性能以及开发人员的技术水平和技术倾向、开发周期等因素。关于WebGIS应用的发布,有许多现成的平台供使用(包括ArcIMS、MapInfo、intergraph等)。基于现成的WebGIS平台进行二次开发的优势在于开发人员可以直接调用WebGIS工具软件提供的功能,并实现放大、缩小、漫游、空间分 析、空间查询、鹰眼等电子海图的各类功能,开发周期较短。
3模式的比较及选择
基于INTERNET的不同数据共享模式具有不同的特点和适应性。首先,直接基于TCP/IP协议的数据共享模式具有较好的可靠性和较高的效率,具有提供“专门”服务的性质,适合较为重要的应用或用户;共享的内容为原始的或经解码的AIS数据信息,用户可以根据自己的研究或生产管理用途进行灵活地“二次加工”。不足之处在于原始数据的直接共享对数据提供方来说存在数据流失难以预计、数据最终用途难以控制、商业价值元法充分实现的问题。而对只需简单应用的普通用户来说,接收AIS数据信息并不是其目的,为了使用AIS信息还需要开发或购买客户端应用软件,存在使用或升级维护困难、便利性明显不足的问题。另外,由于TCPI IP为面向连接的通信方式,直接基于TCP/IP协议的数据共享模式在用户数量较大时资源占用较为明显,因此不太适合提供面向广大用户的开放服务。
基于HTTP协议的共享模式需要在服务端安装WebServer,最适合于共享WebGIS服务。由于HTTP协议特点为无连接,因此通信资源占用少,适合大量的并发用户,同时用户的客户端只需要普通的浏览器,而无需静态公网IP等要求,也没有软件升级维护困难,因此该模式对普通用户来说,成本低廉、使用便利,对服务提供商来说,其经济效益和社会效益也都能充分实现。因此该模式适合为广大用户提供现成的基于AIS的各类信息服务。不足之处在于元法对数据进行“二次加工”,对高端用户来说,其自主性受到限制。
综合前述共享模式的优势和不足,基于HTTP协议提供原始数据的共享模式也逐步受到重视,该模式消除了基于HTTP协议只能提供网页服务的误区,其关键技术在于构建运行在WebServer之上的应受数据请求的服务程序,另外客户端也需要采用相应的Web访问技术,有一定的编程复杂度。在数据传输可靠性和效率要求不是特别高的情况下,该模式较为实用。
4结语
随着航运事业跨国、跨区域合作趋势的增强,基于INTERNET进行AIS信息的充分共享,促进AIS研究和应用的合作共进,实现数字海洋建设,也理应成为国内及国际的潮流。而基于INTERNET的多样化AIS信息共享模式则为AIS信息的共享提供了不同的解决方案。实际应用表明,多样化的共享模式为避免系统重复建设、缩短研究和应用周期、节省费用、促进AIS研究和应用的协同合作起到了切实可行的良好效果。未来随着AIS信息采集技术的发展、采集点数量的增加和采集区域的不断扩大,AIS信息量必然不断增加,因此积极探索基于分布式架构的数据共享技术将是今后研究工作的新课题。
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作者:纪贤标,邵哲平,潘家财,唐存宝 来源:中国航海