◎ 隋永舉 趙俊 南海航海保障中心

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基于AIS技術(shù)的航標遙測遙控系統(tǒng)框架研究

◎ 隋永舉 趙俊 南海航海保障中心

摘 要：針對南海海域AIS航標監(jiān)測的需求，研究基于AIS技術(shù)的航標監(jiān)測軟硬件系統(tǒng)，硬件上主要有AIS航標終端、AIS基站以及AIS航標基站測試儀；軟件上，開發(fā)了AIS電子海圖船舶、航標及基站實時監(jiān)控系統(tǒng)軟件。

關(guān)鍵詞：AIS 航標 遙測 系統(tǒng)

1.AIS簡介

船舶自動識別系統(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發(fā)送與接收交通信息進而協(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別。

據(jù)ITU的規(guī)定，用于航標的AIS信息主要集中在信息21、信息12、信息8、信息6（標準ITU-R M .1371-4）?？衫煤綐薃IS提供以下信息和數(shù)據(jù)：航標名稱、類型、尺度；時間標記；定位設(shè)備類型；航標設(shè)定位置和目前位置；虛擬航標標記；航標技術(shù)狀況；浮動航標移位或故障狀況；天氣、潮汐和海況實時數(shù)據(jù)；性能監(jiān)控實時信息。

2.系統(tǒng)整體設(shè)計

AIS航標檢測與監(jiān)控系統(tǒng)主要由AIS航標終端，AIS基站，AIS航標及基站檢測維護設(shè)備，AIS服務器，電子海圖AIS航標基站位置狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)等幾部分組成。

（1）AIS航標終端。航標上直接安裝AIS裝置，利用源自航標的本地數(shù)據(jù)產(chǎn)生相應的AIS信息，以NMEA0183 VDM Message21方式廣播發(fā)送本航標位置及狀態(tài)信息。

（2）AIS基站。主要功能是將管轄范圍內(nèi)接收到的AIS船舶信息實時發(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航標位置信息，協(xié)調(diào)管轄范圍內(nèi)AIS時隙使用。所有基站可實現(xiàn)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)融合。

（3）AIS檢測維護設(shè)備。主要功能測試AIS航標及基站的發(fā)射功率、頻率、MMSI、發(fā)射各種語句、相應的時隙數(shù)等。AIS檢測儀可用于上標前對航標AIS的檢驗，也可用于安裝后現(xiàn)場檢驗，對發(fā)布的虛擬航標信息進行現(xiàn)場采集和檢驗。

（4）AIS服務器。包括AIS應用服務器、AIS數(shù)據(jù)服務器、網(wǎng)管終端和交換機路由器等網(wǎng)絡設(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用服務器上。AIS基站信號通過專線與控制中心連接，在控制中心進行AIS數(shù)據(jù)的處理和保存。AIS服務器采用雙機熱備份，過濾、解析、處理、入庫后，將實時數(shù)據(jù)下發(fā)到海事工作站的監(jiān)控終端，預留一路數(shù)據(jù)接口到VTS船舶管理中心。

（5）電子海圖航標基站監(jiān)控系統(tǒng)平臺?；贏IS技術(shù)基礎(chǔ)的應用類系統(tǒng)平臺軟件。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、AIS基站、AIS船舶實時位置及航行信息，對AIS設(shè)備歷史數(shù)據(jù)進行列表統(tǒng)計和軌跡回放，同時結(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航標檢測與監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計框圖。

工作流程：在航標上安裝AIS設(shè)備，將本航標位置信息、ID信息和航標燈狀態(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信息通過控制器發(fā)送到服務器端，進行數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)解析入庫等工作，同時服務器端通過Socket方式將AIS信息發(fā)送到電子海圖AIS船舶航標基站監(jiān)控系統(tǒng)，并實時刷新，組成整套AIS航標及基站監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)遠程監(jiān)控AIS航標和基站的功能。

因AIS航標安裝于海上，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)射性能指標需要定時測試及核查，本系統(tǒng)加入便攜式AIS航標基站檢測儀，對AIS設(shè)備進行全面系統(tǒng)檢測，以便及時發(fā)現(xiàn)問題設(shè)備，及時檢修更換。

整套系統(tǒng)集AIS航標基站遠程監(jiān)控，歷史數(shù)據(jù)回放，AIS航標的性能維護于一體，采用模塊設(shè)計，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)絡覆蓋范圍所有安裝AIS設(shè)備的航標基站工作狀況，是一種有效的航標遠程維護監(jiān)測手段。

3.系統(tǒng)硬件

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

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

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

AIS航標設(shè)備主要技術(shù)指標如表1所示：

（2）AIS基站。AIS基站包括2臺AIS基站收信機和基站控制器、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)通過基站控制器發(fā)送給AIS服務器端，基站控制器最多可以發(fā)送16個不同鏈路數(shù)據(jù)，AIS服務器端同時可以通過基站控制器下達對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還具備本地實時數(shù)據(jù)存儲、本地AIS目標監(jiān)控、本地AIS時隙表統(tǒng)計等功能。系統(tǒng)采用雙機備份并可以自動切換，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型號為主，今年來，國內(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，隨著國內(nèi)企業(yè)對AIS技術(shù)的不斷提高，國產(chǎn)基站將完全替代進口產(chǎn)品。

（3）AIS航標基站測試儀。航標AIS的日常維護和現(xiàn)場檢修工作量不斷增加，航標一線工作人員在AIS航標、AIS基站巡檢時必須跟監(jiān)控中心聯(lián)系，依靠基站接收信號判斷航標AIS是否工作正常。但這種方式不能檢測航標AIS 的關(guān)鍵技術(shù)指標，如AIS航標AIS基站發(fā)射時隙數(shù)設(shè)置是否正確，發(fā)射功率是否達標等。為此南海航海保障中心開發(fā)了一種手持無線AIS測試儀，可以測試AIS航標基站的發(fā)射功率、頻率、MMSI、發(fā)射各種語句、相應時隙數(shù)等。設(shè)備采用電池工作，可立即顯示測試數(shù)據(jù)，也可通過USB連接線跟電腦相連讀取數(shù)據(jù)。測試儀不僅用于AIS設(shè)備的檢驗，亦可用于安裝后現(xiàn)場檢驗，更可用于日常維護、檢修等。為AIS航標和基站提供更多性能檢測和技術(shù)保障。

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

表1

4.系統(tǒng)軟件

AIS航標基站監(jiān)控系統(tǒng)使用國際標準S57格式電子海圖數(shù)據(jù)，符合IHOS52電子海圖顯示標準，整體模塊設(shè)計分為：①電子海圖功能模塊；②距離、面積計算功能模塊；③CPA/TCPA計算功能模塊；④AIS目標分類顯示模塊；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航標基站狀態(tài)分析模塊；⑧AIS航標及基站發(fā)射統(tǒng)計模塊。

本文提出基于AIS技術(shù)的航標檢測與監(jiān)控系統(tǒng)，彌補了傳統(tǒng)方式的不足，但在后續(xù)研究中應關(guān)注提高終端穩(wěn)定性；加強設(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；提高報警信息可靠性；完善系統(tǒng)遙控功能，保證能源功耗下推進航標數(shù)據(jù)收集、統(tǒng)計、處理、分析和預警機制等功能，更加完善系統(tǒng)功能性。