（交通信息工程及控制专业论文）船舶导航一体化应用数据传输技术的研究.pdf

中文摘要 摘要 随着长江航运的日趋繁忙，长江航运向现代服务业转型势在必行。为更好的为 船舶提供导航服务，长江航运急需建立船舶导航一体化应用系统。在船舶导航一 体化应用系统中，服务的对象包括基于w e b 的船舶客户端和基于应用程序的船舶 客户端，无论是基于w e b 的船舶客户端或是基于应用程序的船舶客户端都需要和 服务器端进行频繁的信息交换和数据传输。本文针对船舶导航一体化应用系统的 需要，深入地研究了客户端与服务器端之间的网络数据传输技术。 首先，根据船舶客户端和服务器端之间的实际业务数据流，设计了系统的应用 层通信协议，定义各种消息类型以及文件信息、船舶静态信息、船舶动态信息和 监控指令等消息体结构，实现了可靠、灵活的船舶客户端和服务器端之间的信息 交换模式。 其次，基于应用层通信协议，利用s o c k e t 技术设计实现了船舶客户端与服务 器端之间信息交互。客户端需要发送连接请求，而服务器端返回连接响应。为了 获取导航服务而浏览航道图以及船长通告等，客户端需要发送文件下载请求，而 服务器端返回文件下载信息。客户端需要向服务器发送本船的静态信息，并定期 发送本船的动态信息，而服务器则需要将其它船舶的静态信息和动态信息返回到 各个客户端。此外，客户端可以向服务器端发送应急救助信号，而服务器端根据 情况可向客户端发送监控等指令以及通知通告等信息。对于航道图、船长通告等 文件下载，由于数据量大则需要通过专门的数据文件传输技术来实现。本文利用 h 郇以及p 2 p 的数据传输技术分别实现了基于w e b 的船舶客户端和基于应用程序 的船舶客户端从服务器下载航道图、船长通告等文件。 最后，实现了航道图数据的加密和保护。对于面向基于应用程序客户端的服 务信息，由于客户端应用程序的多样化，所提供的数据则必须采用开放标准的格 式。为了保证这些标准格式的数据文件被合法安全的利用，有必要对这些文件进 行数据加密的保护。本文使用了了长江电子航道图的s 6 3 数据保护方案对航道图 数据进行保护。 关键词：船舶导航；通信协议；航道图；数据传输 英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h ey a n g t z er i v e rb u s ym o r ea n dm o r e ，y a n g t z er i v e rs h i p p i n gi si m p e r a t i v e t ot h em o d e r us e r v i c ei n d u s t r yi nt r a n s i t i o n t op r o v i d eb e t t e rn a v i g a t i o ns e r v i c e sf o r t h es h i p ，t h ey a n g t z er i v e rs h i p p i n gu r g e n t l yn e e de s t a b l i s h i n gt h es h i pn a v i g a t i o n i n t e g r a t i o na p p l i c a t i o n ss y s t e m i nt h es y s t e m ，s e r v i c ec l i e n t si n c l u d i n gs h i pc l i e n t w e b - b a s e da n da p p l i c a t i o n b a s e d ，t h e yn e e de x c h a n g et h ei n f o r m a t i o na n dt r a n s m i t d a t e sf r e q u e n t l yw i t ht h es e r v e i nt h i sp a p e r ，a c c o r d i n gt ot h en e e do fs h i pn a v i g a t i o n i n t e g r a t i o ns y s t e m ，d oai n - d e p t hs t u d yo fn e t w o r kd a t at r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y b e t w e e nc l i e n ta n ds e r v e r f i r s to fa l l ，a c c o r d i n gt ot h ea c t u a ld a t af l o wb e t w e e ns h i pc l i e n ta n ds e r v e r ，t h e s y s t e ma p p l i c a t i o nl a y e rc o m m u n i c a t i o np r o t o c o li sd e s i g n e da n dav a r i e t yo fm e s s a g e t y p e s ，a n df i l ei n f o r m a t i o n ，s h i p ss t a t i ci n f o r m a t i o n ，s h i p sd y n a m i ci n f o r m a t i o na n d s u p e r v i s o r yc o n t r o lo r d e rs t r u c t u r ew e r ea l s od e f i n e d ，t oa c h i e v ear e l i a b l e ，f l e x i b l es h i p c l i e n ta n ds e r v e re x c h a n g eo fi n f o r m a t i o n s e c o n d l y ，b a s e do nt h ea p p l i c a t i o n l a y e rc o m m u m c a t i o np r o t o c o l ，t h ei n f o r m a t i o n i n t e r a c t i o nb e t w e e ns h i pc l i e n ta n ds e r v e ri sa c h i e v e db ys o c k e tt e c h n o l o g y c l i e n t s n e e dt os e n dc o n n e c t i o nr e q u e s t s ，a n ds e r v e rr e s p o n s et oc o n n e c t i no r d e rt oo b t a i n n a v i g a t i o ns e r v i c e s ，t h en a u t i c a lc h a r ta n dn o t i c e st os k i p p e r sa n do t h e r si n f o r m a t i o n s h o u l db ev i e w e d ；t h ec l i e n tn e e d st os e n dt h ed o w n l o a dr e q u e s t ，a n ds e r v e rr e s p o n s e w i mf i l ed o w n l o a di n f o r m a t i o n c l i e n tn e e dt os e n dt h es h i p ss t a t i ci n f o r m a t i o n 。a n d r e g u l a r l ys e n dt h es h i p sd y n a m i ci n f o r m a t i o nt ot h es e r v e r t h es e r v e rm u s ts e n do t h e r s h i p s s t a t i ci n f o r m a t i o na n dd y n a m i ci n f o r m a t i o nb a c kt ot h ec l i e n t i na d d i t i o n ，t h e c l i e n tc a ns e n dt h ee m e r g e n c ys i g n a l st ot h es e r v e r ，a n dt h es e r v e rc a r ls e n dt h ec l i e n t s u p e r v i s o r yc o n t r o lo ro t h e ro r d e r sa n dn o t i c e sa c c o r d i n gt oc i r c u m s t a n c e s a st h el a r g e a m o u n to fd a t e r ，i tn e e d sas p e c i a ld a t af i l et r a n s f e rt e c h n o l o g yt od o w n l o a dn a u t i c a l c h a r ta n dn o t i c e st os k i p p e r s i nt h i sp a p e r ，h t t pa n dp 2 pd a t at r a n s f e rt e c h n o l o g i e sa r e u s e dt od o w n l o a dn a u t i c a lc h a r ta n dn o t i c e st os k i p p e r sf r o mt h es e r v e rf o rt h es h i p c l i e n tw e b - b a s e da n da p p l i c a t i o n b a s e d f i n a l y ，r e a l i z et h ee n cd a t ae n e n c r y p t i o na n dp r o t e c t i o n c o n s i d e rt h es e r v i c e i n f o r m a t i o nf o rc l i e n tb a s e do na p p l i c a t i o n ，a st h ec l i e n ta p p l i c a t i o ni sd i v e r s i f i e d ，t h e d a t ap r o v i d e di sn e c e s s a r yt oa d o p to p e ns t a n d a r d sf o r m a t i no r d e rt oe n s u r et h e s e s t a n d a r df o r m a td a t af i l e sa r es a f et ou s el e g i t i m a t e l y ，i ti sn e c e s s a r yt op r o t e c tt h e s e 英文摘要 f i l e su s i n gd a t ae n c r y p t i o n i nt h i sp a p e r ，u s et h ey a n g t z er i v e re l e c t r o n i cc h a n n e l c h a r ts - 6 3d a t ap r o t e c t i o np r o g r a mf o rt h ep r o t e c t i o no ft h ee n cd a t a k e yw o r d s ：s h i pn a v i g a t i o n ；c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l se l e c t r o n i c ；n a v i g a t i o n a l c h a r t ；d a t et r a n s m i s s i o n 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文竺丝艟昱魑= 佳丝廛旦数堡笾箍撞苤的研究：。除论文中 已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其它个人或集体已经公开 发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：占：2 盏塑 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论 文全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式 出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密口( 请在以上方框内打“，) 论文作者躲知弓叭导师躲心 日期：年月日 船舶导航一体化应用数据传输技术的研究 1 1 课题背景及意义 第1 章绪论 1 1 1 长江航运信息化的发展 长江是我国唯一贯穿东、中、西部的水路交通大通道，其巨大运能和重要区 位优势一直发挥着其它运输方式不可替代的作用；长江干线港口货物吞吐量由 2 0 0 5 年的6 5 亿吨增加到2 0 0 8 年的1 2 亿吨，年均增长2 2 7 。2 0 0 8 年长江干线 货运量是美国密西西比河的2 倍、欧洲莱茵河的3 倍，稳居世界内河货运量第一。 到2 0 0 8 年底，长江干线规模以上港口吞吐量已达1 0 1 5 亿吨，是1 9 7 8 年的1 3 倍， 南京、苏州、南通跻身亿吨大港行列；长江省际运输船舶运力达3 4 1 2 万吨，是1 9 7 8 年的1 7 倍，长江航运实现了江海直达、干支直达，跨入了蓬勃发展的新时期。长 江黄金水道作用进一步发挥，运输生产持续快速增长，各项指标创出历史新高， 为沿江地区经济的发展提供了重要的支撑【l 】。 ”十五”以来，长江航运相关各单位开展了一系列信息化项目的建设，这些项目 投入到实际的航运业务应用中，取得了较好成效。这些信息化项目有： ( 1 ) 长江航务管理局( 以下简称长航局) 系统建立了包括船舶、船员、航道维 护、航运企业在内的长江干线信息采集和数据处理体系，初步实现了运政、海事、 航道、三峡通航以及水上治安等业务工作的计算机处理。 ( 2 ) 沿江各省市的港航管理部门的运政业务基本实现信息化管理，部分单位还 应用了办公自动化、公众服务、船舶检验、安全监督等信息系统，取得了较好效 果。 ( 3 ) 长江沿线主要港口企业建设了港e l 物流、生产调度和货物监控等应用系统， 提高了港口装卸和作业效率。 ( 4 ) 长江部分大型航运企业实现了基于g p s 定位的船舶监控系统、综合物流系 统和财务管理系统等，部分航运企业还实现了与通航管理部门信息系统的互联。 然而长江航运信息化发展仍存在明显的不足【2 】，主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 基础网络和信息系统建设各自为政，存在条块分割、重复投入现象，信息 资源得不到充分有效的利用，业务应用系统的功能得不到充分发挥。各单位为数 第1 章绪论 众多的信息系统建设标准不统一、规范不一致，单位间、甚至是在单位内部，无 法实现互联互通。 ( 2 ) 缺少统一的信息服务平台，不能方便获取信息。长江航运各专业、各地区 的信息服务存在平台不统一、流程不一致、社会综合职能协调性不够等问题，港 航企业获取服务信息的难度增大，不够快捷方便。此外，港航企业之间缺少互通 业务信息的渠道，电子商务等方便高效的信息化商业服务模式在长江航运经济活 动中没有得到广泛应用，缺少统一的航运商务信息平台，传统的市场竞争方式导 致了商务信息的不对称，在某种程度上浪费了运输能力和行业资源。 ( 3 ) 是行业信息化标准和规范的制定不能满足现实需要。在航道地理数据的采 集、显示以及传输方面缺乏统一的标准，无法使长江全线在一个统一的电子航道 图平台上开展应用；在业务系统基础数据的存储、展示等方面由于没有统一标准， 不能方便传输和共享；各业务应用系统没有统一的接口标准，不能实现互联互通。 目前长江的信息化程度已难以满足长江众多船舶、码头、公司，以及航务、 航道、海事、公安、通信等航运管理部门的需求。因此，长江亟需建设一个以信 息服务为基础的一体化应用体系。为进一步发挥长江航运的优势，针对长江航运 现状，长江航务管理局和大连海事大学联合提出“通过搭建集行业管理、运输组 织及运输服务于一体的、面向全行业及社会公众的长江航运综合信息服务系统平 台，建立长江航运信息资源比较充足、应用集成比较完整、信息资源数据传输快 捷的长江航运综合信息服务体系，以信息化带动长江航运现代化，实现长江航运业 务电子化、航运信息网络化，引领长江航运业向现代服务业转型，推动长江航运 现代化”。 1 1 2 长江航运综合服务信息一体化系统 ( 1 ) 系统概念 长江航运综合服务信息一体化系统是指长江航运各参与方利用计算机技术 ( 软硬件技术) 、网络技术、信息处理技术、通信技术、电子航道图技术、g p s 、 a i s 等信息技术以及现代管理技术，通过相关信息资源交换与共享，为长江航运行 业管理、运输组织、通航安全及公共服务等活动提供数字化、网络化服务的信息 系统。如图1 1 所示，长江航运综合服务信息一体化系统提供长江航道、港口、船 船舶导航一体化应用数据传输技术的研究 舶船员、航运管理、水上安全、三蛱通航信息、航运市场、公共服务等各种信息 服务，实现长江航运行业各参与方信息发布、信息交互与信息共享。它是长江港 航企业、航运服务企业、航道及支持保障单位和各级行政管理单位处理和交换航 运相关数据、信息，实现长江航运参与者业务应用联动的纽带。系统具有整体性、 针对性、服务性、包容性、相关性和广泛性在功能上涵盖了行政管理、企业经 营、公共服务等各项具体业务。 图l _ i 一体化服务系统框图 f i gi it h e f r a n m o f i 砷g r 枷s e r v i c es y s t e m ( 2 ) 系统目标与意义 长江航运综合服务信息一体化系统将充分利用长江航运现有的信息资源和业 务系统，进行有效集成、整合和扩充，形成一个开放的综合服务信息平台，和一 系列一体化应用基础平台。为长江航运各参与方提供完善的信息查询和业务应用 服务，建立长江航运信息交换共享机制，逐步构建盖长江航运各项业务的一体 化应用体系，全面提升长江航运生产组织、运输管理、安全管理和行政管理的手 第1 章绪论 段，全面提高长江航运公共服务能力， 支撑环境，实现长江航运业务电子化、 服务业转型。 为长江黄金水道的建设和发展提供信息化 航运信息网络化，引领长江航运业向现代 长江航运综合服务信息一体化体系把整个长江的航运相关业务纳入到一 个集成平台上，减小由于长江地理跨度大、信息流不畅、体制复杂、船岸 通信不便等方面产生的问题，减少长江航运应用系统建设的盲目性，降低 系统建设成本，保证其实施效果和质量。长江航运综合服务信息一体化系 统的建立，具有几个作用： 为整个长江航运各种应用提供一体化服务，提升港航管理水平，降低水运 安全事故，使长江航运资源和旅游优势得到发挥，运输与物流效率提高， 为长江沿江经济带的发展提供良好的发展环境和安全保障，提高长江沿江 地区经济竞争能力； 可以带动我国整个内河航运数字化、信息化建设，促进航运向节能环保和 更加安全的方向发展，对水上生态环境的保护和可持续发展起着积极的推 动作用； 可以带动以长江黄金水道和沿江港口群为中心的综合集疏运体系的发展； 带动长江沿江经济带物流、金融、通信、旅游、农业、能源等产业健康发 展。 ( 3 ) 总体构架及功能 船舶导航一体化应用教据传输技术的研究 ：害；i 盖霉警：篓 田1 2 长江航运综合服务信息一体化体系结构瑚 f i g , 1 2 z k d l , m m o f i n t e g r a t i o ns y s t e m o f c o m p m h e n s l o ns e r v i c e i n f o n e a t i o n ，c i - r i g l i a n g s h i p p i 罐 长江航运综合服务信息一体化系统的体系结构如图1 2 所示。系统由一个服务 信息门户平台和一系列一体化应用基础平台组成。一体化应用基础平台包括： 船舶导航一体化应用 船舶引航一体化应用 船舶监控一体化应用 船舶交管一体化应用 船舶调度一体化应用 船舶过闸一体化应用 港口讽度一体化应用 海事应急一体化应用 航标管理一体化应用 航道管理一体化应用 这些平台分别向通航船舶、引航中心、船舶动态监控中心、苫中心、船舶 公司、三峡通航管理局、港口、水上应急指挥中心、航标遥测遥控系统和长江电 子航道圈系统等提供所需的一切静态厦动态信息服务，实现一体化应用。 第1 章绪论 因此系统提供的信息服务主要包括：船舶动态跟踪服务、港口信息查询服务、 气象信息发布与查询服务、电子航道图信息发布、电子航道图改正与航行通告查 询服务、港口里程查询服务、航线查询服务、航运应用系统服务、长江主要港口 水情查询服务、长江运价指数查询服务、长江航运景气指数查询服务、长江船东 满意度指数查询服务、航行通告查询服务、航路指南查询服务、航道通告查询服 务、航标通电查询服务、水位信息查询服务、潮汐信息查询服务、应急指南查询 服务、事故记录查询服务、航运业务与法规查询服务、船长通告信息包下载服务、 航标及其动态信息查询服务、过闸申报及排挡图查看等。 1 2 研究课题的提出 船舶导航一体化应用是长江航运综合服务信息一体化系统的一个核心组成部 分，其通过无线通信网络可为长江上近十万条大大小小的运输船舶提供全方位的 导航服务，同时采集船舶动态数据供其他一体化应用平台利用。 在长江近1 0 万条运输船舶中，有许多小型船舶，小型船舶大多没有安装基于 客户端技术的电子航道图导航平台。针对这些船舶船用户，舶导航一体化应用系 统提供b s 结构的船舶导航平台。该平台具有廉价易用的特点，船舶只需接入 i n t e m e t 通过w e b 浏览器，就可接受全方位的导航服务。由于小型船舶的机动性强， 动态信息难以提取，利用b s 导航系统还便于提取小型船舶的动态信息，对维护 长江航运的安全起到重要作用。同时由于已有相当多的船舶( 一些相对大型的船 舶) 装备了基于客户端技术的电子航道图平台，然而这些平台却面临着航道图数 据陈旧，不能及时更新等问题，影响船舶安全航行。因此船舶导航一体化应用系 统同样必须实现对这些平台提供数据更新等服务的功能。 为了实现对各种船舶客户端提供导航服务，构建船舶导航一体化应用基础平 台主要涉及到了以下几个方面的关键技术： 1 1 基于网络的电子航道图平台开发 2 ) 船舶导航报警算法 3 、) 网络通信协议的设计 4 ) 网络数据传输 5 ) 数据加密保护 船舶导航一体化应用数据传输技术的研究 6 ) 基于s 5 7 国际标准的数据组织技术 7 ) 船长通告的数据组织与文件设计 8 ) 船长通告的信息发布与服务模式 在船舶导航一体化应用系统中，无论是基于w e b 的船舶客户端或是基于应用 程序的船舶客户端都需要和服务器端进行频繁的信息交换和数据传输。根据船舶 客户端和服务器端之间的实际数据流，设计系统的应用层通信协议，实现可靠、 灵活的船舶客户端和服务器之间的信息交换和数据传输模式对于整个船舶导航一 体化应用系统的实现具有至关重要的作用。因此本文主要针对上述关键技术的第 三、第四和第五个方面，对系统中的网络通信协议、各种客户端与服务器之间的 数据传输和管理以及数据的保护进行了深入的研究并加以实现。 1 3 国内外研究现状 电子海图系统的发展过程，经历了一个从初始阶段作为简单的航行图形显示 终端，到具有航线设计、信息查询等复杂功能的过程，电子海图系统的功能得到 不断完善和强大。尽管电子海图技术出现才短短的几十年，但是各种针对电子海 图技术的法规和研究却极其活跃，在国外能够提供符合国际标准的电子海图生产 厂家不下十几家，他们中较为著名的有英国船商公司、德国a t l a s 公司和7 c s 公司、加拿大o f f s h o p d 三公司等。除此之外能够提供非国际标准的电子海图系统 ( e c s ) 的公司不下千家。国内有关单位也在电子海图应用技术方面取得了可喜的成 果，除军用外，远洋公司、海事局、港口管理部门等都从自身出发研制出了不同 的电子海图应用系统。 美国从1 9 9 3 年就开始研究国家智能交通系统体系结构，并开展了智能航运信 息服务网络系统的研究。该系统主要从水上运输安全和水上运输管理两个方面， 研究了船舶自动识别系统、数据信息自动交换系统、先进导航系统和运输信息网 络，并开发了一套相对完善的i w s 系统，在水上交通监管与综合信息服务方面发挥 了重要作用【3 4 1 。 欧盟各成员国都根据本国的实际情况建立了国内航运信息系统，如德国的 e l w i s 系统、荷兰的a g r o 系统。这套系统对航道和船舶按照不同等级进行分类， 搜集整理了航道动态、船舶流量和货物信息等信息并通过互联网等信息手段即时 第1 章绪论 发布，方便了有关各方的查询【5 1 。但是，随着跨国航运量的大幅度增加，各国建立 的航运信息系统的弊端不断显现，比如不同国家之间的信息交流还不够完善，信 息的可靠性和统一性还无法保证。为了进一步提高航运效率、保证航运安全，欧 盟提出构建泛欧统一的内河航运信息服务系统( r i v e ri n f o r m a t i o ns e r v i c e s r i s ) 6 - 7 ，系统提供了河海直达、河海联运的综合信息服务，实现了各国不同的航运信 息系统的无缝集成与共享协同的工作流程【8 - 9 】。结合r i s 实施运作经验与欧洲内河 航运发展实际，欧盟组建了相应的专家团，提出了四大核心技术标准，即：内河电 子航道图标准、船舶电子报文标准、船长信息通告标准、船舶识别跟踪技术标准忉 【l o 】 o r i s 为船长提供有关航道和港口的最新在线信息。r i s 主要为内河航运服务， 但也可以供海船、渡轮和游乐船舶使用，因为在航海界诸如国际海事组织f a l 信 息标准以及电子海图等应用都已积累了广泛的知识和经验。采用r i s 将有助于内 陆航运的交通运输管理，并为与其它运输模式的衔接提供界面，还将降低安全与 环境风险。r i s 有助于内陆水运与物流的现代化发展接轨，并提供一条龙管理服务。 因此，r i s 有助于内陆水运成为多种运输模式链条不可分割的一部分，这是内陆水 运争取更高运输份额的前提条件【l 。 欧美内河航运信息化发展状况，尤其欧盟内河航运信息服务系统建设方面，一 定程度上代表了当今世界内河航运科技发展的最高水平【_ 7 1 。 交通运输部作为行业主管部门，十分重视内河航运的发展，积极组织开展了内 河航运信息化相关的基础研究与示范应用工作。在充分利用政务网站、信息公告 牌、公众媒体、移动执法宣传等多种信息服务形式的基础上，逐步从理论框架、 技术支撑体系、运作模式等方面推进“一站式”航运综合信息服务。近年来，开 展的中荷内河航运综合信息服务研究国际合作、重庆三峡航运综合信息服务 关键技术研究、长江数字航道与智能航运工程等，为我国内河航运综合信息服务理 论体系建设与完善奠定了良好基础1 7 1 。 总体而言，我国内河航运信息化的整体水平还相对落后，内河航运信息服务体 系相关研究还处于起步阶段，在理论体系、技术装备、管理水平及认识理念等方面， 与欧美发达国家还有一定的差距。现阶段，我国追切需要引进与消化国外先进的理 船舶导航一体化应用数据传输技术的研究 念与技术，通过发挥科技创新的引领作用，促进内河航运现代化的进程1 2 1 。 1 4 本文组织结构 本文按照长江航运综合服务信息系统项目要求着力于船舶导航一体化应用系 统的数据传输、管理与保护研究。船舶导航一体化应用服务平台包括基于浏览器 的客户端、服务器端，基于应用程序的客户端及服务器端，客户端向服务器发送 包括航道图文件等数据请求以及自身的动态信息，并从服务器端下载获取包括航 道图文件、船长通告数据包、船舶动态信息等数据。设计快速、准确、安全的网 络数据传输、管理和保护方案对于该平台的实用性和可靠性具有十分重要的意义。 本文首先对系统基本框架作了介绍，然后设计了船舶导航一体化应用系统数 据传输的应用层协议，并对基于浏览器导航和基于应用程序导航的客户端与服务 器端分别进行了设计，最后对基于应用程序导航数据传输拟定了保护方案。 本文章节的具体安排如下： 第l 章绪论，提出了课题研究的背景及意义，对长江航运信息现状及发展进 行了分析，提出了本文课题。 第2 章介绍了船舶导航一体化应用系统的基本框架。 第3 章设计了船舶导航一体化应用系统数据传输的通信协议。 第4 章航道图数据传输与管理，对数据的传输和管理进行了相关探索。 第5 章航道图数据保护方案，主要针对基于应用程序系统传输的数据。 第6 章总结了本文所做的工作，并分析了今后系统的进一步完善所要解决的 问题。 第2 章船舶导航一体化应用系统基本框架 第2 章船舶导航一体化应用系统基本框架 2 1 系统硬件结构 船舶导航一体化应用系统包含基于浏览器导航的b s ( b r o w s e f f s e r v e r ) 系统和 基于应用程序的c s ( c l i e n t s e r v e r ) 系统。船舶导航一体化应用系统硬件由服务器和 客户端组成，服务器发布各种导航信息，客户端通过各自的网络连接服务器端获 取导航服务。 b s 体系结构是一种以w e b 技术为基础的架构模式。把传统c s 模式中的服 务器部分分解为一个数据服务器与一个或多个应用服务器( w e b 服务器) ，从而构成 一个三层结构的客户服务器体系。第一层客户机是用户与整个系统的接口。客户 的应用程序精简到一个通用的浏览器软件，如n e t s c a p en a v i g a t o r ，微软公司的i e 等。浏览器将h t m l j s p 代码转化成图文并茂的网页。网页还具备一定的交互功 能，允许用户在网页提供的申请表上输入信息提交给后台，并提出处理请求。这 个后台就是第二层的w e b 服务器。第二层w e b 服务器应用服务器将启动相应的 进程来响应这一请求，并动态生成一串h t m l j s p 代码，其中嵌入处理的结果， 返回给客户机的浏览器。如果客户机提交的请求包括数据的存取，w e b 服务器还 需与数据库服务器协同完成这一处理工作。第三层数据库服务器的任务类似于c s 模式，负责协调不同的w e b 服务器发出的s q l 请求，管理数据库【1 3 】。 如图2 1 所示，b s 服务器端布有w e b 服务器、应用服务器、数据库服务器， 负责发布各种导航信息。b 终端功能集成于一个基于浏览器的船舶导航平台，船舶 用户利用g p r s c d m a 等无线上网设备通过i n t e m e t 连接到信息服务平台，与信息 服务平台进行信息交换，获取实时的船舶导航服务【1 4 1 5 1 。 船舶导航一体化应用数据传输技术的研究 b 终端 一 i n t e r n e t 麻用服务器j 图2 i 船舶导航系统硬件结构 田 b 终端用户需配备一台电脑，通过g p r s c d m a 无线上网连入h t e m e t ，然后 通过浏览器访n , q g ：务中心的w e b 服务器，亦即在m 测览器上访问“长江新干 线”航运综合信息服务门户网站( h t t p ：w w w c j 2 8 3 8 c o i n o n ) ，船舶导航功能程序 将作为i e 插件自动下载并启动，把g p s ( 串口或者u s b 接口) 接收机连接到电 脑后，即可在二维的航道图平台上获取导航服务，获取最新的港口、航道、气象 等航运信息。 本系统的c s 结构如图2 1 所示，c s 模式由客户端、应用服务器和数据库服务 器三个部分组成。基于应用程序的终端必需安装有专门的船舶导航系统，通过v p n 网络连接到服务器获取航道图更新以及船长通告等服务。 2 2 系统软件结构 船舶导航一体化应用系统包括基于测览器的客户端、基于应用程序的客户端 以及服务器端，客户端向服务器发送包括航道图文件等数据请求以及自身的动态 信息，并从服务器端下载获取包括航道图文件、船长通告数据包、船舶动态信息 等数据。 2 21 b $ 系统软件结构 如图2 2 所示。b s 系统分为w e b 服务器、应用服务器、数据库服务器、客 户端。 蕴 第2 章船舶导航一体化应用系统基本框架 # p 蚺 应用服务器 图2 2 船舶导航系统软件结构 f i 9 2 2 s 甜揪府咖o f s p m v i g 丽吨m ( 1 ) w c h 服务罂运行w e b l o 西c ，部署“长江新干线”航运综合信息服务j i p 两站提供所有服务信息的发布功能。w e b 服务器提供各级用户获取服务的门户入 口，对用户进行管理，提供统一的用户登陆与认证，提供各种信息浏览和查询服 务。 ( 2 ) 应用层服务器运行w e b 船舶导航系统的服务器端应用程序以厦航道图、 船舶导航一体化应用数据传输技术的研究 船长通告等数据管理程序。 w e b 船舶导航系统的服务器端在指定端口进行监听，等待客户端的连接请求。 当客户端通过网站进入导航平台页面时，建立与该客户端的s o c k e t 连接，并对客户 端的航道图、船长通告等数据的更新下载请求做出响应。负责与客户端交换船舶 静态和动态信息，更新数据库服务器中的船舶数据库。 数据管理程序负责电子航道图、船长通告等数据的更新维护。生成最新电子 航道图和船长通告文件，并维护文件的版本和更新日期，保证船舶客户端能够获 取最新的航道以及船长通告信息。 ( 3 ) 数据库服务器端有船舶数据库、航道图数据文件，是系统的数据来源。 s - 5 7 数据作为电子海图数据存储和传输的国际标准，已经逐渐应用到电子航道图数 据领域，但是出于数据组织和显示效率，大多数电子航道图系统的开发公司，都 有自己的内部数据标准，在数据服务器端的数据格式转换器就是负责进行数据格 式转换的工作【l 引。数据库服务器运行o r a c l e 数据库管理系统，存储和管理用户数据、 船舶数据、航标动态数据、电子航道图数据以及船长通告数据等。 ( 4 ) 船舶客户端运行浏览器，访问系统门户网站，注册登陆即可进入船舶用 户页面。选择导航平台项，连上g p s 即可进行导航。 w e b 船舶导航系统运行于一个j s p 页面，该页面通过a c t i v e x 技术嵌入船舶 导航系统控件，同时以图形和文字的形式为船舶客户端提供导航服务。客户端运 行的模块是服务器返回给客户端运行的控件。其中，航道图显示模块负责在客户 端浏览器上显示航道图；航道图基本操作模块实现航道图的基本操作；航道图信 息更新模块负责检验当前航道图单元是否满足覆盖要求，决定是否需要读取新数 据；导航应用模块完成系统与本船导航设备( 如g p s ) 的通信、对数据进行解析 并实现船舶导航应用功能。 2 2 2o s 系统软件结构 如图2 2 所示。c s 系统分为c s 客户端、应用服务器、数据库服务器。 c s 客户端运行船舶导航平台，向服务器发送本船信息，从服务器端接收它船 信息及指令信息，从服务器点对点下载电子航道图，船长通告等数据，将采集到 的传感器信息叠加到电子航道图上进行导航。 第2 章船舶导航一体化应用系统基本框架 c s 客户端数据采集模块的外部接口是含有c p u 的智能接口，保证从外部传 感器接收信息，包括g p s 、罗经、计程仪、风速风向仪、测深仪、a i s 、雷达a r p a 、 卫星船站、自动舵等设备的信息。c s 客户端只要安装了客户端程序，就可以从 服务器上下载所需要的电子航道图、船长通告等文件。 应用层服务器提供航道图的下载，及时对航道图进行更新。应用层服务器运 行基于应用程序的服务器端应用程序以及航道图、船长通告等数据管理程序。 服务器端在指定端口进行监听，等待客户端的连接请求。当有许可i p 范围内的 客户端通过v p n 连入时，建立与该客户端的s o c k e t 连接，并对客户端的航道图、船 长通告等数据的更新下载请求做出响应。 数据管理程序负责电子航道图、船长通告等数据的更新维护。生成最新电子 航道图和船长通告文件，并维护文件的版本和更新日期，保证船舶客户端能够获 取最新的航道以及船长通告信息。 2 3c s 模式与b s 模式比较 c s 与b s 具有以下以下几个不同【1 7 】 ( 1 ) 硬件环境不同：本系统c s 结构建立在专用的网络上，网络环境范围小， 局域网之间通过专门服务器提供连接和数据交换服务。b s 建立在广域网之上，不 需专门的网络硬件环境，比c s 的适应范围更大，船舶客户端只需浏览器就可获 得导航服务。 ( 2 ) 对安全要求不同：b s 系统由于不存在与其它系统的接口，数据格式无须 公开，因此本系统采用了内部格式数据结构进行数据的优化加密保护。而在c s 结构系统中，为了使其它公司开发的电子航道图平台能够利用服务平台提供的导 航服务，必须采用公开的数据格式，因此，采用$ 5 7 标准数据格式，同时为了保 证数据的安全，数据传输采用v p n 模式，利用$ 6 3 对数据进行加密保护。 ( 3 ) 软件重用不同：c s 需要整体考虑，构件的重用性不如在b s 要求下的构 件的重用性好。b s 是多重结构，构件相对独立，能够相对较好的重用。 ( 4 ) 系统维护不同：系统维护是软件生存周期中，开销大，相当重要。c s 程 序处理出现的问题要考虑整体性，系统升级难，更新可能要做一个全新的系统。 b s 构件组成方面构件个别的更换，实现系统的无缝升级。系统维护开销减到最小， 船舶导航一体化应用数据传输技术的研究 用户从网上自己下载安装就可以实现升级。 ( 5 ) 处理问题不同：c s 结构可以处理的用户面固定，面向长江船舶用户群， 安全要求比较高，要求专门的操作系统，导航平台。b s 建立在广域网上，面向 不同的用户群，分散地域，与操作系统平台关系小。 ( 6 ) 用户接口不同：本系统c s 结构是建立在w i n d o w 平台上，表现方法有限。 b s 建立在浏览器上，有更加丰富和生动的表现方式与用户交流，并且难度减低， 降低开发成本。 第3 章通信协议的设计 第3 章通信协议的设计 在船舶导航一体化应用系统中，无论是基于w e b 的船舶客户端或是基于应用程 序的船舶客户端都需要和服务器端进行频繁的信息交换和数据传输，本章将根据 船舶客户端和服务器端之间的实际数据流，设计系统的应用层通信协议，以实现 可靠、灵活的船舶客户端和服务器端之间的信息交换模式。 3 1 船舶导航一体化应用系统中的数据流 3 1 1b s 系统的数据流 基于w e b 的船舶客户端是通过b s 结构的子系统获取导航服务的。这些客户 端利用g p r s c d m a 3 g 等手段连接到互联网上，通过i ew e b 浏览器访问“长江 新干线”航运综合信息服务门户网站可以获取航行通告、航路指南、潮汐信息、 港口信息、航道图信息、气象信息、应急指南、法律法规和水位信息等信息浏览 和查询服务，更重要的是通过基于c o m 组件的w e b 导航平台，还可以获取全方 位的导航服务。 航行通告、航路指南等这些信息通过j s p 技术，可由i e 浏览器基于h t t p 协 议自动解析传输。然而基于c o m 组件实现的w e b 导航平台与服务器端之间的航 道图数据传输、指令下达等信息交互则需要通过自定义的应用层协议来实现。 基于w e b 的导航平台与服务器端之间的信息交互如图3 1 所示。首先客户端 需要发送连接请求，而服务器端返回连接响应。其次为了获取导航服务而浏览航 道图以及船长通告等，客户端需要发送文件下载请求，而服务器端返回文件下载 信息，客户端再根据该下载信息下载具体的文件。客户端在连接g p s 后，需要向 服务器发送本船的静态信息，并定期发送本船的动态信息，而服务器则需要将其 它船舶的静态信息和动态信息返回到各个客户端。此外，客户端可以向服务器端 发送应急救助信号，而服务器端根据情况可向客户端发送p o l l i n g 监控等指令以及 通知通告等信息。 船舶导航一体化应用数据传输技术的研究 b s 连接请求 b s 客服 卢 连接响应务 端 文件下载请求 器 端 文件下载信息 本船静态信息 它船静态信息 本船动态信息 它船动态信息 应急救助信号 指令信息 图3 18 s 系统通信流程 f i g 3 1t h ed a t af l o wd i a g r a mofb ss y s t e m 3 1 2c s 系统的数据流 基于应用程序的船舶客户端是通过c s 结构的子系统获取导航服务的。这些 客户端利用g p r s c d m a 3 g 等手段连接到船舶导航一体化应用系统的v p n 网络， 应用程序通过网络数据传输与管理功能模块与服务器端连接，获取航道图以及船 长通告的下载更新等服务。 船舶客户端应用程序与服务器端之间的信息交互如图3 2 所示，与基于w e b 的导航平台一致。 第3 章通信协议的设计 c s 连接请求 c s 客 服