崔晶瑩 葉 瑱

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

引 言

根據(jù)國際海事組織（International Maritime Organization，簡稱IMO）于2012年5月22日召開的海事安全會議提出的新規(guī)要求，自動識別系統(tǒng)（Automatic Identification System，簡稱AIS）所輸出的數(shù)據(jù)將被航行數(shù)據(jù)記錄儀 （Voyage Data Recorder，簡稱VDR）記錄，AIS接口傳輸?shù)男畔?nèi)容包含船舶航行的動態(tài)以及本船的動態(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，AIS設(shè)備是無線電安全檢驗必檢項目。由于新規(guī)的要求，對于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)的格式標準以及其含義。

1 AIS設(shè)備簡介

在1997年召開的NAV43大會上，一種具備自組織通訊技術(shù)的設(shè)備AIS被正式立項認可，這是依托通訊網(wǎng)絡(luò)運行的新型導(dǎo)航設(shè)備。在次年舉行的第69屆航行安全會議上，與會者一致通過了該新型船舶導(dǎo)航設(shè)備的性能基準指標，即使用基于自組織時分多路鏈接（STDMA）技術(shù)，確立了AIS設(shè)備的性能基準。在設(shè)備立項認可以及性能基準的確立之后，NAV45大會上全體成員一致通過船舶安裝AIS設(shè)備的強制執(zhí)行方案，從此AIS成為船舶航行時必不可少的導(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 的性能標準的規(guī)定，AIS 向其他船只或岸臺提供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。具體海上移動業(yè)務(wù)標識碼、IMO固有船舶編號、船舶的無線電呼號、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。包括時刻變化的GPS坐標數(shù)據(jù)、國際標準時、船舶相對于大地的航向度數(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航行的時間等。

（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，會依據(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)信息及時可靠，以下是4種不同類型信息對應(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)來新的請求信息，6分鐘更新一次。

（2）航行狀態(tài)下的信息。詳見表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)來新的請求信息，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，由船員自行改變。

1.4 船舶報告容量

根據(jù)IMO所規(guī)定的性能指標，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個報告的能力，并能在兩個信道上每分鐘處理多達4 500 個報告。

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

2 AIS數(shù)據(jù)的特點以及新規(guī)實施的意義

首先簡單介紹新規(guī)中提到的VDR設(shè)備情況。

2.1 VDR設(shè)備簡介

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，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依據(jù)。根據(jù)VDR 相應(yīng)的性能標準規(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)記錄航行時駕駛室內(nèi)的真實情況，并且能隨時實現(xiàn)過往數(shù)據(jù)回放功能。

2.2 AIS數(shù)據(jù)特點

AIS 傳輸?shù)臄?shù)據(jù)具有以下特點：

（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)射范圍來看，足以保證航道內(nèi)信號覆蓋。

（2）AIS不僅發(fā)送本船靜態(tài)或者動態(tài)信息，還接受其他船舶發(fā)送的相關(guān)信息，這是VDR設(shè)備無法通過其他導(dǎo)航設(shè)備所能采集的，因此新規(guī)的制定和實施，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，因此若VDR記錄這些動態(tài)數(shù)據(jù)，那么能更精確分析船舶在過往航行中的歷史動態(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)可以更長久妥善保存，這對于管理船舶航行、分析航道狀態(tài)或者在發(fā)生海事仲裁時將會提供完善的客觀事實依據(jù)。

（5）AIS的強制安裝決定要早于VDR設(shè)備，對于強制安裝的船舶要求也相對較少，很多小船都有AIS卻沒有VDR。新規(guī)的實施，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)實施的意義

當(dāng)明確VDR的功能和AIS數(shù)據(jù)特點之后，我們不難發(fā)現(xiàn)，船舶的有些信息原本就會記錄在VDR中。這些信息可分為兩類：一類為船舶注冊信息，如海上移動業(yè)務(wù)標識碼、IMO固有船舶編號、船舶的無線電呼號、船舶名稱、船舶尺寸、船舶所屬類型等，另一類為船舶動態(tài)信息，如GPS位置、國際標準時、船舶相對于大地的航向度數(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)及船舶處在何種動態(tài)類型等。這些信息（如固有信息）可以簡單地通過VDR進行相關(guān)設(shè)置予以修改，而動態(tài)信息無法提供其他船舶信息以及根據(jù)這些數(shù)據(jù)而描繪出的航行時的周遭環(huán)境，因此單從數(shù)據(jù)類型來看,VDR 記錄AIS 數(shù)據(jù)是完全必要的，因為AIS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)語句與封裝語句。AIS的明碼即參數(shù)語句，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)進行分析。

3.1 NEMA-0183協(xié)議簡介

為了規(guī)范船舶導(dǎo)航設(shè)備之間數(shù)據(jù)傳輸格式，美國的海事電子協(xié)會（National Marine Electronics Association，簡稱NMEA）提出一種能兼容所有設(shè)備以及標準電子通訊的最新協(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)等一系列運用新科技的導(dǎo)航設(shè)備，并且對于個別小型廠商生產(chǎn)在特種船舶上應(yīng)用的設(shè)備（如Garmin GPS、Deso 20 等），可通過自定義的通訊協(xié)議來實現(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“＄”開頭，隨后是語句頭。語句頭分為兩個部分，前兩個字母組成“系統(tǒng)ID”部分，即表示該語句是屬于何種導(dǎo)航通訊設(shè)備，后三個字母組成“語句ID”部分，表示該語句是描述該導(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，語句末尾為校驗碼（可選），以 結(jié)束，也就是 ACSII 字符“回車”和“換行”。每個語句最多有82個字符（包括回車符、換行符、“ ＄”符號），不同字段之間用逗號分隔，若該字段為空，則保留逗號。

3.2 封裝語句格式簡介

AIS的暗碼即封裝語句，區(qū)別于參數(shù)語句其以“！”開始作為語句頭，同時增加了x1、x2、x3這3個標識（見圖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)信息需通過字符轉(zhuǎn)換和相應(yīng)的格式定義才能獲取。

圖1 封裝語句格式解析

AIS主要的封裝語句為VDM和VDO兩句。后文將詳細介紹這兩種語句的具體含義和格式解析。這兩句語句采用封裝語句的格式的原因在于VDM消息長度受限制，但其消息內(nèi)容有很多超過單條語句82個字節(jié)的限制，因此通過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，將每條子消息中的最多設(shè)置9個分解總條數(shù)，即圖2中的“x1”。隨后按順序進行編號，這個編號就是x2“語句序號”，并且用x3“連續(xù)消息標識域”明確該條拆分消息的標識號，這個標識號依照x2所存順序循環(huán)。

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

3.3 AIS硬件端口簡介

AIS實現(xiàn)NMEA協(xié)議數(shù)據(jù)收發(fā)的端口在電氣標準上遵循IEC61162協(xié)議，這個協(xié)議是由國際電工委員會訂制的，所有數(shù)據(jù)端口都應(yīng)遵照協(xié)議進行設(shè)計制造?，F(xiàn)在各個AIS生產(chǎn)廠家所生產(chǎn)的AIS設(shè)備都采用IEC 61162-1/2標準與外部其他設(shè)備進行數(shù)據(jù)傳輸，AIS硬件端口依照RS422/RS485規(guī)范設(shè)計，大多以4 800 bps的波特率通過異步串行方式進行數(shù)據(jù)交互，其總共有8位數(shù)據(jù)，不使用奇偶校驗位，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臺設(shè)備相連接，按照NEMA協(xié)議以及IEC相關(guān)電氣標準，在硬件層面可以通過下頁圖2進行簡單連接。

AIS的輸出端采用運算放大器，其將內(nèi)部NEMA-0183編碼語句轉(zhuǎn)化為電平信號輸出，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)備連接中信號公共端（或者信號地）需要雙向可靠連接，這樣可以確保無外部信號干擾以及達到一定程度的電磁兼容標準。輸出端的電氣設(shè)計需要符合ITU_T V.11標準。

VDR的接收端采用RS-422標準設(shè)計，同樣采用運算放大器來處理接受過來的電平信號，并通過內(nèi)部編碼還原為NEMA-0183語句，通過VDR終端的軟件可以讀取標準格式的語句。在接收端一般為了先從直觀的角度觀察語句接受情況，是采用一個限流發(fā)光二極管的設(shè)計，當(dāng)輸出的電壓正常時，二極管會導(dǎo)通發(fā)光。

圖2 AIS與VDR進行數(shù)據(jù)傳輸硬件簡單示意圖

對于船東船檢而言，VDR終端接收到的數(shù)據(jù)才是希望讀取的實際數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)符合規(guī)范協(xié)議標準，可通過VDR本身的軟件來獲得。

3.4 AIS輸出的NEMA語句

VDR所記錄的AIS語句，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這些標準語句。

3.5 語句內(nèi)容

ABK：AIS二進制編碼廣播式發(fā)送情況的語句；

ACA：AIS區(qū)域頻道分配的信息；

ACS：區(qū)域頻道管理信息源；

ALR：報警狀態(tài)設(shè)置語句；

LRF：遠程詢問語句；

LRF1：A級的遠程詢問回應(yīng)報告語句；

LRF2：B、C、E和F級別的遠程詢問回應(yīng)報告語句；

LRF3：I、O、P、U和W級別的遠程詢問回應(yīng)報告語句；

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)谋敬瑘蟾嫘畔ⅰ?/p>

3.6 語句分析

AIS傳輸至VDR的語句中，重要的是VDM、VDO、ABK三個語句，這也是新規(guī)實施的目的所在。下面細加分析。

3.6.1 VDM語句

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

圖3 VDM語句格式解釋

3.6.2 VDO語句

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)送出去的電文無法包含所有22種類型，VDO語句內(nèi)容只能有1、 2、 3、5、 6、 7、8、10、11、12、13、14、15 號電文。語句格式見圖4。

圖4 VDO語句格式解釋

3.6.3 ABK語句

ABK語句是AIS二進制編碼廣播式發(fā)送情況的語句，其格式見圖5。若設(shè)備在接收6號、7號、12號、13號電文失敗以及向外部進行廣播播報ALR、BBM語句時，都會輸出ABK語句表示數(shù)據(jù)傳輸結(jié)果，該語句使用0～4共5個標示來表明結(jié)果。

圖5 ABK語句格式解釋

0：確認6號和12號成功被目標接收；

1：確認6號和12號電文被發(fā)送，但為獲得目標接收確認；

2：確認6、12、8、14、15號電文發(fā)送失?。?/p>

3：確認8、14、15號電文發(fā)送成功；

4：確認接收到延誤的6號與12號電文。

4 結(jié) 論

本文簡單介紹了AIS和VDR設(shè)備的IMO規(guī)定和實際應(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，對比VDR內(nèi)記錄的靜態(tài)船舶數(shù)據(jù)，得出新規(guī)實施后VDR需要記錄AIS所傳輸?shù)膭討B(tài)數(shù)據(jù)；同時保持實時更新，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)備傳輸語句的兩種格式：明碼參數(shù)語句和暗碼封裝語句。在介紹AIS所有輸出語句的含義后，又細致解析十分重要的VDM、VDO、ABK語句的格式和內(nèi)容。此外，本文還進行語句標準協(xié)議，以及相應(yīng)的硬件端口介紹，為其他標準接口的設(shè)備接入VDR提供參考。

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