崔晶瑩 葉 瑱

（1.上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院 上海200072；2.滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司 上海200129）

引 言

根據(jù)國(guó)際海事組織（International Maritime Organization，簡(jiǎn)稱IMO）于2012年5月22日召開(kāi)的海事安全會(huì)議提出的新規(guī)要求，自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（Automatic Identification System，簡(jiǎn)稱AIS）所輸出的數(shù)據(jù)將被航行數(shù)據(jù)記錄儀 （Voyage Data Recorder，簡(jiǎn)稱VDR）記錄，AIS接口傳輸?shù)男畔?nèi)容包含船舶航行的動(dòng)態(tài)以及本船的動(dòng)態(tài)等，其牽涉到航行的安全狀態(tài)，因此在新船建造或舊船年檢時(shí)，AIS設(shè)備是無(wú)線電安全檢驗(yàn)必檢項(xiàng)目。由于新規(guī)的要求，對(duì)于AIS輸出數(shù)據(jù)的分析和理解是必須的。本文從AIS設(shè)備開(kāi)始介紹，根據(jù)新規(guī)的要求，詳盡分析了AIS傳輸?shù)絍DR并被記錄的相關(guān)數(shù)據(jù)的格式標(biāo)準(zhǔn)以及其含義。

1 AIS設(shè)備簡(jiǎn)介

在1997年召開(kāi)的NAV43大會(huì)上，一種具備自組織通訊技術(shù)的設(shè)備AIS被正式立項(xiàng)認(rèn)可，這是依托通訊網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的新型導(dǎo)航設(shè)備。在次年舉行的第69屆航行安全會(huì)議上，與會(huì)者一致通過(guò)了該新型船舶導(dǎo)航設(shè)備的性能基準(zhǔn)指標(biāo)，即使用基于自組織時(shí)分多路鏈接（STDMA）技術(shù)，確立了AIS設(shè)備的性能基準(zhǔn)。在設(shè)備立項(xiàng)認(rèn)可以及性能基準(zhǔn)的確立之后，NAV45大會(huì)上全體成員一致通過(guò)船舶安裝AIS設(shè)備的強(qiáng)制執(zhí)行方案，從此AIS成為船舶航行時(shí)必不可少的導(dǎo)航設(shè)備，也成為船舶電氣制造方面研究的新對(duì)象。

1.1 AIS的定義

根據(jù)IMO 的規(guī)定，AIS 工作于其專屬的甚高頻頻段，并且具備符合其性能指標(biāo)的發(fā)送信息更新率。AIS可與其他船舶或者海事岸站互相收發(fā)諸如船舶識(shí)別、船舶位置等信息。

1.2 AIS收發(fā)的信息類型

根據(jù)AIS 的性能標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，AIS 向其他船只或岸臺(tái)提供4種類型的信息：

（1）本船處于系泊狀態(tài)下所發(fā)送的信息。具體海上移動(dòng)業(yè)務(wù)標(biāo)識(shí)碼、IMO固有船舶編號(hào)、船舶的無(wú)線電呼號(hào)、船舶名稱、船舶尺寸、船舶所屬類型等。

（2）本船處于航行狀態(tài)下所發(fā)送的信息。包括時(shí)刻變化的GPS坐標(biāo)數(shù)據(jù)、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)、船舶相對(duì)于大地的航向度數(shù)、船舶處于GPS系統(tǒng)內(nèi)的速度、本船自身船首方向度數(shù)、電羅經(jīng)的回轉(zhuǎn)率以及船舶處在何種動(dòng)態(tài)類型。

（3）船舶航次信息，包括首尾吃水?dāng)?shù)據(jù)、高危貨品情況、航行目的地以及整個(gè)航行的時(shí)間等。

（4）船員自行編輯的船舶航行安全文本信息。

1.3 AIS更新收發(fā)信息的速率

AIS在收發(fā)信息時(shí)，會(huì)依據(jù)信息的類別使用不同的更新速率，這是由于信息內(nèi)容完全不同，所以具有不同的時(shí)效性。使用不同更新速率是為了確保所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息及時(shí)可靠，以下是4種不同類型信息對(duì)應(yīng)的更新速率：

（1）系泊狀態(tài)下的信息。依據(jù)操作設(shè)備修改數(shù)據(jù)或其他設(shè)備發(fā)來(lái)新的請(qǐng)求信息，6分鐘更新一次。

（2）航行狀態(tài)下的信息。詳見(jiàn)表1中的 AIS信息更新速率 。

表1 AIS 信息更新速率

（3）船舶航次信息。 依據(jù)操作設(shè)備修改數(shù)據(jù)或其他設(shè)備發(fā)來(lái)新的請(qǐng)求信息，每分鐘更新一次。

（4）與航行安全有關(guān)的信息。當(dāng)本船需要時(shí)，由船員自行改變。

1.4 船舶報(bào)告容量

根據(jù)IMO所規(guī)定的性能指標(biāo)，AIS 應(yīng)能為所有設(shè)想到的操作情況提供至少每分鐘處理2 000個(gè)報(bào)告的能力，并能在兩個(gè)信道上每分鐘處理多達(dá)4 500 個(gè)報(bào)告。

以上是AIS設(shè)備相關(guān)簡(jiǎn)介，下面介紹AIS數(shù)據(jù)特點(diǎn)并分析為何新規(guī)要求VDR記錄AIS輸出數(shù)據(jù)。

2 AIS數(shù)據(jù)的特點(diǎn)以及新規(guī)實(shí)施的意義

首先簡(jiǎn)單介紹新規(guī)中提到的VDR設(shè)備情況。

2.1 VDR設(shè)備簡(jiǎn)介

VDR（航行數(shù)據(jù)記錄儀，又名“船用黑匣子”）是專門用于記錄船舶航行或者系泊時(shí)，船舶通導(dǎo)設(shè)備的數(shù)據(jù)。VDR記錄數(shù)據(jù)的作用是給船舶所屬公司以及船舶所處海事局等行政部門管理船舶航行、處理意外事故提供事實(shí)依據(jù)。根據(jù)VDR 相應(yīng)的性能標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定, VDR必須不間斷覆蓋式記錄船舶最近12 h內(nèi)本船通導(dǎo)設(shè)備所傳輸?shù)暮叫袛?shù)據(jù)，并且使用聲音采集系統(tǒng)記錄航行時(shí)駕駛室內(nèi)的真實(shí)情況，并且能隨時(shí)實(shí)現(xiàn)過(guò)往數(shù)據(jù)回放功能。

2.2 AIS數(shù)據(jù)特點(diǎn)

AIS 傳輸?shù)臄?shù)據(jù)具有以下特點(diǎn)：

（1）AIS使用的是專屬的VHF工作頻段，該頻段最大效用距離為25 n mile，所以從信息發(fā)射范圍來(lái)看，足以保證航道內(nèi)信號(hào)覆蓋。

（2）AIS不僅發(fā)送本船靜態(tài)或者動(dòng)態(tài)信息，還接受其他船舶發(fā)送的相關(guān)信息，這是VDR設(shè)備無(wú)法通過(guò)其他導(dǎo)航設(shè)備所能采集的，因此新規(guī)的制定和實(shí)施，足以確保VDR功能的完善以及AIS作用的完全體現(xiàn)。

（3）AIS具有固定的信息更新速率，參照表1的描述，除非船舶對(duì)地速度小于3 kn、其他狀態(tài)下速率都在10 s之內(nèi)，能高速更新信息，是AIS一大優(yōu)勢(shì)，因此若VDR記錄這些動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，那么能更精確分析船舶在過(guò)往航行中的歷史動(dòng)態(tài)。

（4）AIS具有相當(dāng)大的信息容量，只要在網(wǎng)絡(luò)通信范圍內(nèi)，無(wú)論船舶處于何種狀態(tài)，各船舶上安裝的AIS都能互相收發(fā)信息，共享船舶航行數(shù)據(jù)。新規(guī)對(duì)于VDR記錄AIS輸出數(shù)據(jù)提出要求之后，AIS數(shù)據(jù)可以更長(zhǎng)久妥善保存，這對(duì)于管理船舶航行、分析航道狀態(tài)或者在發(fā)生海事仲裁時(shí)將會(huì)提供完善的客觀事實(shí)依據(jù)。

（5）AIS的強(qiáng)制安裝決定要早于VDR設(shè)備，對(duì)于強(qiáng)制安裝的船舶要求也相對(duì)較少，很多小船都有AIS卻沒(méi)有VDR。新規(guī)的實(shí)施，一方面能確保VDR加快普及速度，另一方面也為VDR 記錄AIS數(shù)據(jù)提供很好的客觀條件且完善VDR的記錄功能。

2.3 新規(guī)實(shí)施的意義

當(dāng)明確VDR的功能和AIS數(shù)據(jù)特點(diǎn)之后，我們不難發(fā)現(xiàn)，船舶的有些信息原本就會(huì)記錄在VDR中。這些信息可分為兩類：一類為船舶注冊(cè)信息，如海上移動(dòng)業(yè)務(wù)標(biāo)識(shí)碼、IMO固有船舶編號(hào)、船舶的無(wú)線電呼號(hào)、船舶名稱、船舶尺寸、船舶所屬類型等，另一類為船舶動(dòng)態(tài)信息，如GPS位置、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)、船舶相對(duì)于大地的航向度數(shù)、船舶處于GPS系統(tǒng)內(nèi)的速度、本船自身船首方向度數(shù)及船舶處在何種動(dòng)態(tài)類型等。這些信息（如固有信息）可以簡(jiǎn)單地通過(guò)VDR進(jìn)行相關(guān)設(shè)置予以修改，而動(dòng)態(tài)信息無(wú)法提供其他船舶信息以及根據(jù)這些數(shù)據(jù)而描繪出的航行時(shí)的周遭環(huán)境，因此單從數(shù)據(jù)類型來(lái)看,VDR 記錄AIS 數(shù)據(jù)是完全必要的，因?yàn)锳IS數(shù)據(jù)是根據(jù)設(shè)置在AIS內(nèi)以及接受外部其他船舶AIS發(fā)出信息所產(chǎn)生的。若可以分析被VDR所記錄的AIS輸出數(shù)據(jù)，那將更好地掌握船舶航行的歷史記錄，這對(duì)于船舶航行安全或者海事仲裁都相當(dāng)有意義。

既然新規(guī)具有重大的意義，下面將介紹VDR記錄的AIS數(shù)據(jù)。

3 AIS輸出的數(shù)據(jù)

AIS輸出的數(shù)據(jù)可以分為明碼和暗碼，又稱為參數(shù)語(yǔ)句與封裝語(yǔ)句。AIS的明碼即參數(shù)語(yǔ)句，其格式為NEMA-0183，這是一種海事組織通用的規(guī)范協(xié)議。首先介紹該協(xié)議的內(nèi)容，隨后根據(jù)AIS設(shè)備輸出的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3.1 NEMA-0183協(xié)議簡(jiǎn)介

為了規(guī)范船舶導(dǎo)航設(shè)備之間數(shù)據(jù)傳輸格式，美國(guó)的海事電子協(xié)會(huì)（National Marine Electronics Association，簡(jiǎn)稱NMEA）提出一種能兼容所有設(shè)備以及標(biāo)準(zhǔn)電子通訊的最新協(xié)議，即NEMA-0183協(xié)議。相比NEMA-0180和NEMA-0182協(xié)議，NEMA-0183協(xié)議不僅增加了全球定位系統(tǒng)、羅經(jīng)方位系統(tǒng)等一系列運(yùn)用新科技的導(dǎo)航設(shè)備，并且對(duì)于個(gè)別小型廠商生產(chǎn)在特種船舶上應(yīng)用的設(shè)備（如Garmin GPS、Deso 20 等），可通過(guò)自定義的通訊協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)與大眾設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)。NMEA-0183協(xié)議的數(shù)據(jù)串采用SASCII 文本字符表示，以符號(hào)“＄”開(kāi)頭，隨后是語(yǔ)句頭。語(yǔ)句頭分為兩個(gè)部分，前兩個(gè)字母組成“系統(tǒng)ID”部分，即表示該語(yǔ)句是屬于何種導(dǎo)航通訊設(shè)備，后三個(gè)字母組成“語(yǔ)句ID”部分，表示該語(yǔ)句是描述該導(dǎo)航信息中具體數(shù)據(jù)。之后是數(shù)據(jù)體，包含不同的數(shù)據(jù)體字段，語(yǔ)句末尾為校驗(yàn)碼（可選），以 結(jié)束，也就是 ACSII 字符“回車”和“換行”。每個(gè)語(yǔ)句最多有82個(gè)字符（包括回車符、換行符、“ ＄”符號(hào)），不同字段之間用逗號(hào)分隔，若該字段為空，則保留逗號(hào)。

3.2 封裝語(yǔ)句格式簡(jiǎn)介

AIS的暗碼即封裝語(yǔ)句，區(qū)別于參數(shù)語(yǔ)句其以“！”開(kāi)始作為語(yǔ)句頭，同時(shí)增加了x1、x2、x3這3個(gè)標(biāo)識(shí)（見(jiàn)圖1），它主要用于傳輸數(shù)據(jù)量較大的數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)上下文未知的數(shù)據(jù)，其包含的數(shù)據(jù)信息需通過(guò)字符轉(zhuǎn)換和相應(yīng)的格式定義才能獲取。

圖1 封裝語(yǔ)句格式解析

AIS主要的封裝語(yǔ)句為VDM和VDO兩句。后文將詳細(xì)介紹這兩種語(yǔ)句的具體含義和格式解析。這兩句語(yǔ)句采用封裝語(yǔ)句的格式的原因在于VDM消息長(zhǎng)度受限制，但其消息內(nèi)容有很多超過(guò)單條語(yǔ)句82個(gè)字節(jié)的限制，因此通過(guò)將其封裝之后成為多條壓縮的通訊消息，然后使之成為多條子消息的形式在AIS數(shù)據(jù)鏈路中播發(fā)。同時(shí)，將每條子消息中的最多設(shè)置9個(gè)分解總條數(shù)，即圖2中的“x1”。隨后按順序進(jìn)行編號(hào)，這個(gè)編號(hào)就是x2“語(yǔ)句序號(hào)”，并且用x3“連續(xù)消息標(biāo)識(shí)域”明確該條拆分消息的標(biāo)識(shí)號(hào)，這個(gè)標(biāo)識(shí)號(hào)依照x2所存順序循環(huán)。

封裝語(yǔ)句其余部分與參數(shù)語(yǔ)句沒(méi)有什么差別，下面介紹AIS的硬件端口。

3.3 AIS硬件端口簡(jiǎn)介

AIS實(shí)現(xiàn)NMEA協(xié)議數(shù)據(jù)收發(fā)的端口在電氣標(biāo)準(zhǔn)上遵循IEC61162協(xié)議，這個(gè)協(xié)議是由國(guó)際電工委員會(huì)訂制的，所有數(shù)據(jù)端口都應(yīng)遵照協(xié)議進(jìn)行設(shè)計(jì)制造。現(xiàn)在各個(gè)AIS生產(chǎn)廠家所生產(chǎn)的AIS設(shè)備都采用IEC 61162-1/2標(biāo)準(zhǔn)與外部其他設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，AIS硬件端口依照RS422/RS485規(guī)范設(shè)計(jì)，大多以4 800 bps的波特率通過(guò)異步串行方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，其總共有8位數(shù)據(jù)，不使用奇偶校驗(yàn)位，而具備停止位。

VDR需要記錄AIS數(shù)據(jù)，那就必須在硬件層面將2臺(tái)設(shè)備相連接，按照NEMA協(xié)議以及IEC相關(guān)電氣標(biāo)準(zhǔn)，在硬件層面可以通過(guò)下頁(yè)圖2進(jìn)行簡(jiǎn)單連接。

AIS的輸出端采用運(yùn)算放大器，其將內(nèi)部NEMA-0183編碼語(yǔ)句轉(zhuǎn)化為電平信號(hào)輸出，大約是2～3 V的直流電壓。這里需要注意的是在AIS設(shè)備與VDR設(shè)備連接中信號(hào)公共端（或者信號(hào)地）需要雙向可靠連接，這樣可以確保無(wú)外部信號(hào)干擾以及達(dá)到一定程度的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)。輸出端的電氣設(shè)計(jì)需要符合ITU_T V.11標(biāo)準(zhǔn)。

VDR的接收端采用RS-422標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，同樣采用運(yùn)算放大器來(lái)處理接受過(guò)來(lái)的電平信號(hào)，并通過(guò)內(nèi)部編碼還原為NEMA-0183語(yǔ)句，通過(guò)VDR終端的軟件可以讀取標(biāo)準(zhǔn)格式的語(yǔ)句。在接收端一般為了先從直觀的角度觀察語(yǔ)句接受情況，是采用一個(gè)限流發(fā)光二極管的設(shè)計(jì)，當(dāng)輸出的電壓正常時(shí)，二極管會(huì)導(dǎo)通發(fā)光。

圖2 AIS與VDR進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸硬件簡(jiǎn)單示意圖

對(duì)于船東船檢而言，VDR終端接收到的數(shù)據(jù)才是希望讀取的實(shí)際數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)符合規(guī)范協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，可通過(guò)VDR本身的軟件來(lái)獲得。

3.4 AIS輸出的NEMA語(yǔ)句

VDR所記錄的AIS語(yǔ)句，幾乎就是AIS所有發(fā)射和接收的數(shù)據(jù)。其內(nèi)容包含：ABK、ACA、ACS、ALR、LRF、LR1、LR2、LR3、TXT、PIWWSPR、VDM、VDO這些標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)句。

3.5 語(yǔ)句內(nèi)容

ABK：AIS二進(jìn)制編碼廣播式發(fā)送情況的語(yǔ)句；

ACA：AIS區(qū)域頻道分配的信息；

ACS：區(qū)域頻道管理信息源；

ALR：報(bào)警狀態(tài)設(shè)置語(yǔ)句；

LRF：遠(yuǎn)程詢問(wèn)語(yǔ)句；

LRF1：A級(jí)的遠(yuǎn)程詢問(wèn)回應(yīng)報(bào)告語(yǔ)句；

LRF2：B、C、E和F級(jí)別的遠(yuǎn)程詢問(wèn)回應(yīng)報(bào)告語(yǔ)句；

LRF3：I、O、P、U和W級(jí)別的遠(yuǎn)程詢問(wèn)回應(yīng)報(bào)告語(yǔ)句；

TXT：文本數(shù)據(jù)；

PIWWSPR：內(nèi)陸AIS安全應(yīng)答密碼；

VDM：AIS在自身VHF數(shù)據(jù)鏈內(nèi)接受的其他船舶的信息；

VDO：AIS在自身VHF數(shù)據(jù)鏈內(nèi)向其他船舶傳輸?shù)谋敬瑘?bào)告信息。

3.6 語(yǔ)句分析

AIS傳輸至VDR的語(yǔ)句中，重要的是VDM、VDO、ABK三個(gè)語(yǔ)句，這也是新規(guī)實(shí)施的目的所在。下面細(xì)加分析。

3.6.1 VDM語(yǔ)句

AIS通過(guò)其專屬甚高頻頻段接收到信息之后，這些信息經(jīng)過(guò)內(nèi)部編碼處理之后生成VDM語(yǔ)句，然后該語(yǔ)句通過(guò)設(shè)備端口傳輸至VDR。VDM語(yǔ)句中包含ITU-R M.1371所規(guī)定的22種電文類型，由于該語(yǔ)句包含AIS接收到的外部所有信息，所以可以稱之為最重要的語(yǔ)句。語(yǔ)句格式解釋見(jiàn)圖3。

圖3 VDM語(yǔ)句格式解釋

3.6.2 VDO語(yǔ)句

船員操作AIS發(fā)送本船的信息以及一些尋求他船或者岸站關(guān)注的信息，這些信息就包含在VDO語(yǔ)句之中。其結(jié)構(gòu)與上面提到的VDM完全相同。但和接收不同的是，發(fā)送出去的電文無(wú)法包含所有22種類型，VDO語(yǔ)句內(nèi)容只能有1、 2、 3、5、 6、 7、8、10、11、12、13、14、15 號(hào)電文。語(yǔ)句格式見(jiàn)圖4。

圖4 VDO語(yǔ)句格式解釋

3.6.3 ABK語(yǔ)句

ABK語(yǔ)句是AIS二進(jìn)制編碼廣播式發(fā)送情況的語(yǔ)句，其格式見(jiàn)圖5。若設(shè)備在接收6號(hào)、7號(hào)、12號(hào)、13號(hào)電文失敗以及向外部進(jìn)行廣播播報(bào)ALR、BBM語(yǔ)句時(shí)，都會(huì)輸出ABK語(yǔ)句表示數(shù)據(jù)傳輸結(jié)果，該語(yǔ)句使用0～4共5個(gè)標(biāo)示來(lái)表明結(jié)果。

圖5 ABK語(yǔ)句格式解釋

0：確認(rèn)6號(hào)和12號(hào)成功被目標(biāo)接收；

1：確認(rèn)6號(hào)和12號(hào)電文被發(fā)送，但為獲得目標(biāo)接收確認(rèn)；

2：確認(rèn)6、12、8、14、15號(hào)電文發(fā)送失?。?/p>

3：確認(rèn)8、14、15號(hào)電文發(fā)送成功；

4：確認(rèn)接收到延誤的6號(hào)與12號(hào)電文。

4 結(jié) 論

本文簡(jiǎn)單介紹了AIS和VDR設(shè)備的IMO規(guī)定和實(shí)際應(yīng)用等相關(guān)情況，結(jié)合AIS的數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)更新頻率、安裝期限等特點(diǎn)，對(duì)比VDR內(nèi)記錄的靜態(tài)船舶數(shù)據(jù)，得出新規(guī)實(shí)施后VDR需要記錄AIS所傳輸?shù)膭?dòng)態(tài)數(shù)據(jù)；同時(shí)保持實(shí)時(shí)更新，為掌握船舶航行的歷史記錄、船舶航行安全、船舶航行管理和海事仲裁提供有利的支撐和保障。隨后文章詳盡分析了AIS向VDR設(shè)備傳輸語(yǔ)句的兩種格式：明碼參數(shù)語(yǔ)句和暗碼封裝語(yǔ)句。在介紹AIS所有輸出語(yǔ)句的含義后，又細(xì)致解析十分重要的VDM、VDO、ABK語(yǔ)句的格式和內(nèi)容。此外，本文還進(jìn)行語(yǔ)句標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，以及相應(yīng)的硬件端口介紹，為其他標(biāo)準(zhǔn)接口的設(shè)備接入VDR提供參考。

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