◎ 隋永舉 趙俊 南海航海保障中心

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基于AIS技術(shù)的航標(biāo)遙測(cè)遙控系統(tǒng)框架研究

◎ 隋永舉 趙俊 南海航海保障中心

摘 要：針對(duì)南海海域AIS航標(biāo)監(jiān)測(cè)的需求，研究基于AIS技術(shù)的航標(biāo)監(jiān)測(cè)軟硬件系統(tǒng)，硬件上主要有AIS航標(biāo)終端、AIS基站以及AIS航標(biāo)基站測(cè)試儀；軟件上，開發(fā)了AIS電子海圖船舶、航標(biāo)及基站實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)軟件。

關(guān)鍵詞：AIS 航標(biāo) 遙測(cè) 系統(tǒng)

1.AIS簡(jiǎn)介

船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（AIS）是用于船-船、船-岸和岸-船之間的通信助航系統(tǒng)。它由船載設(shè)備與岸基設(shè)施組成。IMO把其定義為一種能夠自動(dòng)發(fā)送與接收交通信息進(jìn)而協(xié)助避碰的船載自備工具。它使得水域中的船舶可以相互識(shí)別。

據(jù)ITU的規(guī)定，用于航標(biāo)的AIS信息主要集中在信息21、信息12、信息8、信息6（標(biāo)準(zhǔn)ITU-R M .1371-4）?？衫煤綐?biāo)AIS提供以下信息和數(shù)據(jù)：航標(biāo)名稱、類型、尺度；時(shí)間標(biāo)記；定位設(shè)備類型；航標(biāo)設(shè)定位置和目前位置；虛擬航標(biāo)標(biāo)記；航標(biāo)技術(shù)狀況；浮動(dòng)航標(biāo)移位或故障狀況；天氣、潮汐和海況實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；性能監(jiān)控實(shí)時(shí)信息。

2.系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

AIS航標(biāo)檢測(cè)與監(jiān)控系統(tǒng)主要由AIS航標(biāo)終端，AIS基站，AIS航標(biāo)及基站檢測(cè)維護(hù)設(shè)備，AIS服務(wù)器，電子海圖AIS航標(biāo)基站位置狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)等幾部分組成。

（1）AIS航標(biāo)終端。航標(biāo)上直接安裝AIS裝置，利用源自航標(biāo)的本地?cái)?shù)據(jù)產(chǎn)生相應(yīng)的AIS信息，以NMEA0183 VDM Message21方式廣播發(fā)送本航標(biāo)位置及狀態(tài)信息。

（2）AIS基站。主要功能是將管轄范圍內(nèi)接收到的AIS船舶信息實(shí)時(shí)發(fā)送給數(shù)據(jù)管理中心，并根據(jù)數(shù)據(jù)管理中心指令，廣播AIS文本信息到船載AIS終端，廣播虛擬AIS航標(biāo)位置信息，協(xié)調(diào)管轄范圍內(nèi)AIS時(shí)隙使用。所有基站可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合。

（3）AIS檢測(cè)維護(hù)設(shè)備。主要功能測(cè)試AIS航標(biāo)及基站的發(fā)射功率、頻率、MMSI、發(fā)射各種語(yǔ)句、相應(yīng)的時(shí)隙數(shù)等。AIS檢測(cè)儀可用于上標(biāo)前對(duì)航標(biāo)AIS的檢驗(yàn)，也可用于安裝后現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)，對(duì)發(fā)布的虛擬航標(biāo)信息進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)采集和檢驗(yàn)。

（4）AIS服務(wù)器。包括AIS應(yīng)用服務(wù)器、AIS數(shù)據(jù)服務(wù)器、網(wǎng)管終端和交換機(jī)路由器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。基站數(shù)據(jù)處理軟件和基站系統(tǒng)管理配置軟件安裝于應(yīng)用服務(wù)器上。AIS基站信號(hào)通過(guò)專線與控制中心連接，在控制中心進(jìn)行AIS數(shù)據(jù)的處理和保存。AIS服務(wù)器采用雙機(jī)熱備份，過(guò)濾、解析、處理、入庫(kù)后，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)下發(fā)到海事工作站的監(jiān)控終端，預(yù)留一路數(shù)據(jù)接口到VTS船舶管理中心。

（5）電子海圖航標(biāo)基站監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)?；贏IS技術(shù)基礎(chǔ)的應(yīng)用類系統(tǒng)平臺(tái)軟件。它結(jié)合AIS、電子海圖顯示技術(shù)、Internet技術(shù)等，主要功能可在電子海圖上直觀監(jiān)控到AIS航標(biāo)、AIS基站、AIS船舶實(shí)時(shí)位置及航行信息，對(duì)AIS設(shè)備歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行列表統(tǒng)計(jì)和軌跡回放，同時(shí)結(jié)合歷史記錄分析轄區(qū)內(nèi)AIS設(shè)備工作狀態(tài)。圖1所示為AIS航標(biāo)檢測(cè)與監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖。

工作流程：在航標(biāo)上安裝AIS設(shè)備，將本航標(biāo)位置信息、ID信息和航標(biāo)燈狀態(tài)信息廣播發(fā)送周圍AIS船舶和陸地AIS接收基站。AIS基站將收到的船舶和航標(biāo)信息通過(guò)控制器發(fā)送到服務(wù)器端，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)解析入庫(kù)等工作，同時(shí)服務(wù)器端通過(guò)Socket方式將AIS信息發(fā)送到電子海圖AIS船舶航標(biāo)基站監(jiān)控系統(tǒng)，并實(shí)時(shí)刷新，組成整套AIS航標(biāo)及基站監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控AIS航標(biāo)和基站的功能。

因AIS航標(biāo)安裝于海上，AIS基站絕大多數(shù)安裝于沿海及島嶼上，工作環(huán)境惡劣，發(fā)射性能指標(biāo)需要定時(shí)測(cè)試及核查，本系統(tǒng)加入便攜式AIS航標(biāo)基站檢測(cè)儀，對(duì)AIS設(shè)備進(jìn)行全面系統(tǒng)檢測(cè)，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題設(shè)備，及時(shí)檢修更換。

整套系統(tǒng)集AIS航標(biāo)基站遠(yuǎn)程監(jiān)控，歷史數(shù)據(jù)回放，AIS航標(biāo)的性能維護(hù)于一體，采用模塊設(shè)計(jì)，將數(shù)據(jù)集中到海事數(shù)據(jù)中心和VTS中心，有利于數(shù)據(jù)安全、統(tǒng)一管理和優(yōu)化資源?？梢蕴峁┚W(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍所有安裝AIS設(shè)備的航標(biāo)基站工作狀況，是一種有效的航標(biāo)遠(yuǎn)程維護(hù)監(jiān)測(cè)手段。

3.系統(tǒng)硬件

（1）AIS航標(biāo)終端。AIS航標(biāo)終端組成包括五個(gè)部分：航標(biāo)AIS終端主單元、VHF天線、GPS天線、燈器、電池。

在航標(biāo)上安裝一體化AIS ATON設(shè)備，利用航標(biāo)自身能源供電。通過(guò)串行接入航標(biāo)燈燈器電路，采集燈器工作電流；通過(guò)并行接入電池電路，采集當(dāng)前電池電壓，同時(shí)AIS ATON將本航標(biāo)位置信息、ID信息和航標(biāo)燈狀態(tài)信息發(fā)送周圍AIS船舶和陸地AIS接收基站。

航標(biāo)AIS終端通信模式主要分RATDMA（隨機(jī)時(shí)隙時(shí)分多址）和FATDMA（定時(shí)隙時(shí)分多址）。需要指出的是，RATDMA可以離開基站獨(dú)立工作，而FATDMA必須依賴基站才能工作。后者每次信息發(fā)送時(shí)隙位置都是固定的，需要由基站協(xié)助廣播時(shí)隙保留指令，避免因周圍船載AIS或其他航標(biāo)AIS在相同時(shí)隙發(fā)送信息而造成時(shí)隙沖突。

AIS航標(biāo)設(shè)備主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示：

（2）AIS基站。AIS基站包括2臺(tái)AIS基站收信機(jī)和基站控制器、AIS基站天線、GPS天線、避雷器、天線安裝架、饋線和路由器。AIS基站主要將覆蓋范圍內(nèi)接收到的AIS數(shù)據(jù)通過(guò)基站控制器發(fā)送給AIS服務(wù)器端，基站控制器最多可以發(fā)送16個(gè)不同鏈路數(shù)據(jù)，AIS服務(wù)器端同時(shí)可以通過(guò)基站控制器下達(dá)對(duì)AIS收發(fā)基站的設(shè)置指令以及需要廣播或?qū)ぶ钒l(fā)送到船載AIS終端的中英文短信等?；究刂破魍瑫r(shí)還具備本地實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、本地AIS目標(biāo)監(jiān)控、本地AIS時(shí)隙表統(tǒng)計(jì)等功能。系統(tǒng)采用雙機(jī)備份并可以自動(dòng)切換，提高了數(shù)據(jù)可靠性和穩(wěn)定性。

目前我們沿海三大航海保障中心使用的AIS基站主要以瑞典SAAB公司生產(chǎn)的R40型號(hào)為主，今年來(lái)，國(guó)內(nèi)AIS生產(chǎn)商也陸續(xù)研發(fā)生產(chǎn)了多種功能的AIS基站，隨著國(guó)內(nèi)企業(yè)對(duì)AIS技術(shù)的不斷提高，國(guó)產(chǎn)基站將完全替代進(jìn)口產(chǎn)品。

（3）AIS航標(biāo)基站測(cè)試儀。航標(biāo)AIS的日常維護(hù)和現(xiàn)場(chǎng)檢修工作量不斷增加，航標(biāo)一線工作人員在AIS航標(biāo)、AIS基站巡檢時(shí)必須跟監(jiān)控中心聯(lián)系，依靠基站接收信號(hào)判斷航標(biāo)AIS是否工作正常。但這種方式不能檢測(cè)航標(biāo)AIS 的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，如AIS航標(biāo)AIS基站發(fā)射時(shí)隙數(shù)設(shè)置是否正確，發(fā)射功率是否達(dá)標(biāo)等。為此南海航海保障中心開發(fā)了一種手持無(wú)線AIS測(cè)試儀，可以測(cè)試AIS航標(biāo)基站的發(fā)射功率、頻率、MMSI、發(fā)射各種語(yǔ)句、相應(yīng)時(shí)隙數(shù)等。設(shè)備采用電池工作，可立即顯示測(cè)試數(shù)據(jù)，也可通過(guò)USB連接線跟電腦相連讀取數(shù)據(jù)。測(cè)試儀不僅用于AIS設(shè)備的檢驗(yàn)，亦可用于安裝后現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)，更可用于日常維護(hù)、檢修等。為AIS航標(biāo)和基站提供更多性能檢測(cè)和技術(shù)保障。

AIS航標(biāo)基站檢測(cè)儀主要性能：①工作頻道為AIS1（CH2087）和AIS2 （CH2088），以及DSC頻道。符合ITUR M-1371-4等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)；②能接收并顯示消息21、6、8、14等各種信息；③可以測(cè)試I、II、III型的AIS航標(biāo)；④檢測(cè)時(shí)可用同軸電纜直接連接（串衰減器）AIS設(shè)備或用天線無(wú)線方式；⑤檢測(cè)結(jié)果除顯示外，同時(shí)可存儲(chǔ)，最多可保存10次測(cè)試數(shù)據(jù)。所保存的測(cè)試數(shù)據(jù)可以通過(guò)軟件轉(zhuǎn)存到電腦上，以便打印測(cè)試報(bào)告；⑥采用時(shí)隙同步技術(shù)，不需要GPS時(shí)鐘信號(hào)。對(duì)于生成的VDL語(yǔ)句和查詢語(yǔ)句采用RATDMA通信模式。

表1

4.系統(tǒng)軟件

AIS航標(biāo)基站監(jiān)控系統(tǒng)使用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)S57格式電子海圖數(shù)據(jù)，符合IHOS52電子海圖顯示標(biāo)準(zhǔn)，整體模塊設(shè)計(jì)分為：①電子海圖功能模塊；②距離、面積計(jì)算功能模塊；③CPA/TCPA計(jì)算功能模塊；④AIS目標(biāo)分類顯示模塊；⑤AIS歷史數(shù)據(jù)查詢模塊；⑥AIS數(shù)據(jù)歷史軌跡回放模塊；⑦AIS航標(biāo)基站狀態(tài)分析模塊；⑧AIS航標(biāo)及基站發(fā)射統(tǒng)計(jì)模塊。

本文提出基于AIS技術(shù)的航標(biāo)檢測(cè)與監(jiān)控系統(tǒng)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)方式的不足，但在后續(xù)研究中應(yīng)關(guān)注提高終端穩(wěn)定性；加強(qiáng)設(shè)備兼容性，盡量在軟件上兼容大部分系統(tǒng)，硬件設(shè)備上也應(yīng)滿足北斗系統(tǒng)定位和其他AIS通信設(shè)備的兼容要求；提高報(bào)警信息可靠性；完善系統(tǒng)遙控功能，保證能源功耗下推進(jìn)航標(biāo)數(shù)據(jù)收集、統(tǒng)計(jì)、處理、分析和預(yù)警機(jī)制等功能，更加完善系統(tǒng)功能性。