王當(dāng)利 黃曉龍 劉振坤 朱蘇皖

摘? 要：隨著通信導(dǎo)航技術(shù)在長(zhǎng)江航道的發(fā)展和應(yīng)用，已給越來(lái)越多的航運(yùn)船舶提供了先進(jìn)的信息溝通和導(dǎo)航服務(wù)。針對(duì)傳統(tǒng)實(shí)體航標(biāo)占用可航行水域、設(shè)標(biāo)周期長(zhǎng)和難以維護(hù)的短板，結(jié)合長(zhǎng)江干線實(shí)際情況，充分發(fā)揮虛擬航標(biāo)的特點(diǎn)，探索電子航道圖虛擬航標(biāo)和AIS虛擬航標(biāo)的發(fā)布方式，并進(jìn)行發(fā)布實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證船舶通過(guò)連續(xù)橋區(qū)的安全性和提升了航道尺度利用率。兩種虛擬航標(biāo)的發(fā)布方式能有效的彌補(bǔ)各自的局限性，達(dá)到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，為虛擬航標(biāo)在長(zhǎng)江干線航道的推廣提供保障。

關(guān)鍵詞：虛擬航標(biāo);AIS;電子航道圖;發(fā)布方式

中圖分類號(hào)：U644.4? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）33-0009-04

Abstract： With the development and application of communication and navigation technology in the Yangtze River channel， more and more shipping ships have provided advanced information communication and navigation services. In view of the facts， i.e.， the traditional physical navigation mark occupying the navigable waters， the long period of calibration and the difficulty inmaintenance， this study considers the actual situation of the Yangtze River trunk line and the characteristics of the virtual navigation mark， explores the release method of the virtual navigation mark and the AIS virtual navigation mark， and experiments to verify the safety of the ship through the continuous bridge area and improve the channel size utilization. The release methods of the two virtual navigation aids can effectively compensate for their respective limitations and complement each other， so as to provide guarantee for the promotion of virtual navigation marks on the Yangtze River.Keywords： aids to navigation; AIS; electronic channel map; release method

引言

虛擬航標(biāo)技術(shù)是航道信息化發(fā)展的必然產(chǎn)物，在電子航海（E-Navigation）戰(zhàn)略體系下[1]，虛擬航標(biāo)技術(shù)是傳統(tǒng)航標(biāo)助航設(shè)備或系統(tǒng)體系的有效補(bǔ)充，充分體現(xiàn)了整合、共享與服務(wù)的本質(zhì)特征。針對(duì)傳統(tǒng)實(shí)體航標(biāo)占用可航水域、設(shè)置周期長(zhǎng)等劣勢(shì)，結(jié)合虛擬航標(biāo)技術(shù)在長(zhǎng)江干線航道的適應(yīng)性分析，探索電子航道圖虛擬航標(biāo)和AIS虛擬航標(biāo)的發(fā)布方式，并在武漢選取具特色的試驗(yàn)河段進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證這兩種虛擬航標(biāo)在長(zhǎng)江干線的適用性與有效性。為推動(dòng)虛擬航標(biāo)技術(shù)更好地應(yīng)用于長(zhǎng)江航道，確保船舶航行安全提供保障。

1 虛擬航標(biāo)

虛擬航標(biāo)（Virtual Aid to Navigation）是指物理上不存在，由經(jīng)授權(quán)的助航服務(wù)提供部門發(fā)布能在導(dǎo)航系統(tǒng)中顯示的數(shù)字信息物標(biāo)[2]。（IALA定義）它是繼視覺(jué)航標(biāo)、無(wú)線電航標(biāo)之后國(guó)際航標(biāo)學(xué)會(huì)認(rèn)可的，旨在提升和增強(qiáng)航標(biāo)管理機(jī)關(guān)的航標(biāo)助航服務(wù)能力的現(xiàn)代化技術(shù)手段。

1.1 虛擬航標(biāo)涵義

（1）虛擬航標(biāo)可用于告知航海人員航行危險(xiǎn)物、安全航路、謹(jǐn)慎駕駛水域和規(guī)避水域等與航行相關(guān)的安全信息[3]。

（2）虛擬航標(biāo)可用于標(biāo)識(shí)能用圖形表示的線、區(qū)域、位置及其它形式。

（3）虛擬航標(biāo)承載的信息，包括地理位置，可以固化也可以隨時(shí)（動(dòng)態(tài)）變更。

（4）虛擬航標(biāo)不應(yīng)理解為替代其他形式的航行警告、航道通電或海上安全信息（MSI），而是海上（江上）安全信息發(fā)布的一種有效的補(bǔ)充機(jī)制，使得MSI的發(fā)布以及應(yīng)用更加方便和豐富。

1.2 虛擬航標(biāo)與實(shí)體航標(biāo)特點(diǎn)

1.2.1 虛擬航標(biāo)與實(shí)體航標(biāo)優(yōu)劣勢(shì)分析（如表1）

實(shí)體航標(biāo)的功能很容易受到視線，天氣，海況，礙航物，航標(biāo)故障等因素的影響，虛擬航標(biāo)彌補(bǔ)了實(shí)體航標(biāo)的不足，還可以幫助航標(biāo)管理部門實(shí)現(xiàn)主動(dòng)式服務(wù)和管理[4]。虛擬航標(biāo)的大量應(yīng)用，將會(huì)節(jié)約大量的人力物力和能源，減少或杜絕了各種環(huán)境污染。在時(shí)間關(guān)鍵的情形、標(biāo)示航行條件頻繁變化的動(dòng)態(tài)區(qū)域以及設(shè)置實(shí)體航標(biāo)不可行或不可能的情況下，虛擬航標(biāo)作用尤其明顯。例如，在永久航標(biāo)設(shè)置前，臨時(shí)設(shè)置虛擬航標(biāo)標(biāo)示航行危險(xiǎn)物比較適宜。此外，虛擬航標(biāo)可用于標(biāo)示航行條件頻繁變化的區(qū)域，這些區(qū)域需要?jiǎng)討B(tài)標(biāo)識(shí)。

1.2.2 虛擬航標(biāo)與實(shí)體航標(biāo)優(yōu)劣互補(bǔ)

虛擬航標(biāo)并不是為了取代實(shí)體航標(biāo)，也不可能全面取代傳統(tǒng)航標(biāo)，未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)應(yīng)是由少到多，逐漸占據(jù)優(yōu)勢(shì)[4]。虛擬航標(biāo)用來(lái)補(bǔ)充和完善、增強(qiáng)實(shí)體航標(biāo)提供的助航服務(wù)，或者用來(lái)監(jiān)控實(shí)體航標(biāo)提供的工作情況，及早地發(fā)現(xiàn)實(shí)體航標(biāo)故障并加以解決，優(yōu)化航標(biāo)配布，改善通航條件。可以為船舶安全航行提供更好的服務(wù)，為長(zhǎng)江航道智能與高效提供科技支持。虛擬航標(biāo)的普及程度取決于下列因素：

（1）社會(huì)對(duì)虛擬航標(biāo)、虛擬航道的認(rèn)知程度。

（2）虛擬航標(biāo)的技術(shù)保障體系。例如標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范化的虛擬航標(biāo)定義和顯示;健全的虛擬航標(biāo)運(yùn)行管理體系。

（3）虛擬航標(biāo)的輔助保障體系。例如法律法規(guī)、軟硬件網(wǎng)絡(luò)環(huán)境航道管理體系以及人員隊(duì)伍。

2 長(zhǎng)江干線虛擬航標(biāo)發(fā)布方式的探索

結(jié)合長(zhǎng)江干線實(shí)際情況，探索電子航道圖虛擬航標(biāo)和AIS虛擬航標(biāo)的發(fā)布方式，并進(jìn)行發(fā)布實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證這兩種虛擬航標(biāo)在長(zhǎng)江干線的適用性與有效性。

2.1 基于電子航道圖虛擬航標(biāo)發(fā)布的方式

2.1.1 試驗(yàn)河段概況

選取長(zhǎng)江武漢航道局武漢航道管理處轄區(qū)進(jìn)行虛擬航標(biāo)的示范應(yīng)用。武漢航道管理處轄區(qū)航道界限上起鄧家口下迄泥磯，維護(hù)管理長(zhǎng)江中、下游120.2公里的主航道和11公里的緩流航道。武漢航道處轄區(qū)航道圖如圖1所示。

目前已在武漢航道管理處轄區(qū)設(shè)置虛擬助航標(biāo)志8座，應(yīng)用水道總長(zhǎng)44.2km，各虛擬航標(biāo)其名稱及編碼見(jiàn)表2和圖2。? 虛擬航標(biāo)管理系統(tǒng)及信息查詢界面如圖3、圖4所示。

2.1.2 虛擬航標(biāo)試驗(yàn)效果

運(yùn)用虛擬航標(biāo)管理系統(tǒng)，一方面實(shí)現(xiàn)了虛擬航標(biāo)的在線管理維護(hù)，另一方面也使得裝有長(zhǎng)江電子航道圖終端的船舶可在駕駛過(guò)程中按照虛擬航標(biāo)標(biāo)識(shí)的航線行駛，充分發(fā)揮了虛擬航標(biāo)的助航作用。虛擬航標(biāo)在長(zhǎng)江電子航道圖船舶終端上顯示的界面如圖5所示。

（1）提高了船舶通過(guò)連續(xù)橋區(qū)的安全性

通過(guò)在連續(xù)橋區(qū)布設(shè)虛擬航標(biāo)，航行船舶可根據(jù)虛擬航標(biāo)標(biāo)示的航道安全通過(guò)，確保了橋區(qū)船舶通行的安全。試驗(yàn)期間，試驗(yàn)河段未發(fā)生因航道導(dǎo)致的船舶事故，而且通過(guò)船舶駕駛?cè)藛T反映，基于虛擬航標(biāo)駕駛船舶通行連續(xù)橋區(qū)，駕駛操作相對(duì)更簡(jiǎn)單，安全保障程度更高。

（2）提升了航道尺度利用率

虛擬航標(biāo)位置調(diào)整更新更加及時(shí)，在航道尺度變化后，虛擬航標(biāo)可在第一時(shí)間完成位置調(diào)整，因此為船舶提供的航道尺度更加準(zhǔn)確，結(jié)合長(zhǎng)江電子航道圖系統(tǒng)的應(yīng)用，船舶對(duì)可利用航道水深更加了解，便于其貨物配載，進(jìn)一步提升了航道尺度的利用率。

2.2 基于AIS虛擬航標(biāo)發(fā)布的方式

選擇長(zhǎng)江南京航道局下屬上海航道處的瀏河口至蕩茜閘之間大約23公里范圍的河段作為試驗(yàn)河段，AIS虛擬航標(biāo)系統(tǒng)為虛擬航標(biāo)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的設(shè)置、管理以及應(yīng)用監(jiān)視的窗口，從而實(shí)現(xiàn)虛擬AIS航標(biāo)與實(shí)體航標(biāo)的統(tǒng)一管理。

采用的4層體系結(jié)構(gòu)如圖6。用戶層主要是面對(duì)用戶的航標(biāo)業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)以及綜合監(jiān)控系統(tǒng);數(shù)據(jù)層為位于航道處的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器;應(yīng)用層為位于航道處的AIS服務(wù)器;物理層為位于航道處管轄內(nèi)的一個(gè)虛擬航標(biāo)收發(fā)單元。

2.2.1 物理層

在示范應(yīng)用河段內(nèi)，至少需要一個(gè)作用范圍在二十公里以上的AIS基站來(lái)播發(fā)虛擬航標(biāo)信息。因此，采用一個(gè)AIS虛擬航標(biāo)收發(fā)單元來(lái)實(shí)現(xiàn)虛擬航標(biāo)的示范應(yīng)用。

2.2.2 應(yīng)用層

應(yīng)用層內(nèi)是處虛擬AIS航標(biāo)應(yīng)用系統(tǒng)的核心，位于航道處內(nèi)的AIS服務(wù)器。AIS服務(wù)器中運(yùn)行的AIS信息收發(fā)系統(tǒng)將以最長(zhǎng)3分鐘的時(shí)間間隔（管理者可以配置參數(shù)進(jìn)行調(diào)整）連續(xù)不斷地從航道處的數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取由處航標(biāo)業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)好的虛擬航標(biāo)信息，并根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換和處理，形成標(biāo)準(zhǔn)的21號(hào)AIS報(bào)文，形如：！AIVDM，1，1，， B，E：W1U：Gpq6h： 2ab0000000 0000043mQ48sI90000000000，4*70，然后，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接口傳送給AIS基站，完成虛擬航標(biāo)信息的播發(fā)。AIS服務(wù)器還將同時(shí)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接口接收AIS驗(yàn)證基站接收的AIS目標(biāo)信息包括AIS基站播發(fā)的虛擬航標(biāo)信息以及過(guò)往船舶的動(dòng)態(tài)信息，并根據(jù)各自的報(bào)文格式進(jìn)行解析和處理，存入航道處數(shù)據(jù)庫(kù)中的相關(guān)數(shù)據(jù)表中，供監(jiān)控系統(tǒng)顯示和查詢。

2.2.3 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層主要包括以下數(shù)據(jù)表：虛擬航標(biāo)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表 （m_virtual_pharos）、AIS基站基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表（m_ais_base）、虛擬航標(biāo)明細(xì)類別表（m_virtual_sort）。虛擬航標(biāo)明細(xì)類別表根據(jù)ITU RM-1371中MSG 21報(bào)文中規(guī)定的ATON類別進(jìn)行定義。

2.2.4 用戶層

用戶層主要包括兩個(gè)部分：航標(biāo)業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)和綜合監(jiān)控系統(tǒng)。

（1）航標(biāo)業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)

在現(xiàn)有航標(biāo)業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上新增的虛擬航標(biāo)信息管理、AIS基站數(shù)據(jù)維護(hù)和虛擬航標(biāo)明細(xì)分類三個(gè)模塊的詳細(xì)情況如下：

a. 虛擬航標(biāo)信息管理

虛擬航標(biāo)基礎(chǔ)信息管理主要依據(jù)虛擬航標(biāo)基礎(chǔ)信息表，內(nèi)容主要包括航標(biāo)編碼、航標(biāo)類型、航標(biāo)名稱、航標(biāo)位置、播發(fā)驗(yàn)證標(biāo)志等。

虛擬航標(biāo)信息的新建、修改、刪除、查詢：通過(guò)可視化界面編輯虛擬航標(biāo)信息，包括新增、修改、刪除、查詢等操作，虛擬AIS航標(biāo)報(bào)文編碼規(guī)則生成模塊的界面。

b. AIS基站數(shù)據(jù)維護(hù)

AIS基站數(shù)據(jù)維護(hù)依據(jù)AIS基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表，信息內(nèi)容主要包括基站MMSI、基站名稱、所屬部門、IP地址、基站經(jīng)度、基站緯度、工作狀態(tài)等，能夠?qū)崿F(xiàn)AIS基站的新建、刪除、修改和查詢功能。

c. 虛擬航標(biāo)明細(xì)分類

虛擬航標(biāo)明細(xì)分類模塊依據(jù)虛擬航標(biāo)明細(xì)分類表，信息內(nèi)容包括類型編號(hào)、類型名稱等，能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬航標(biāo)類別的添加、刪除、修改和查詢功能。

（2）綜合監(jiān)控系統(tǒng)

綜合監(jiān)控系統(tǒng)是現(xiàn)有的實(shí)體航標(biāo)以及通航船舶的動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，其基于電子航道圖顯示平臺(tái)運(yùn)行，能夠在航道圖上實(shí)時(shí)顯示通航船舶以及實(shí)體航標(biāo)的動(dòng)態(tài)。為了實(shí)現(xiàn)虛擬航標(biāo)與實(shí)體航標(biāo)的統(tǒng)一監(jiān)管，將在綜合監(jiān)控系統(tǒng)增設(shè)虛擬航標(biāo)監(jiān)控功能，以在航道圖上顯示虛擬航標(biāo)的位置以及虛擬航標(biāo)信息的播發(fā)狀態(tài)。綜合監(jiān)控系統(tǒng)將從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取從AIS服務(wù)器接收到的虛擬航標(biāo)驗(yàn)證數(shù)據(jù)與虛擬航標(biāo)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如果出現(xiàn)虛擬航標(biāo)驗(yàn)證數(shù)據(jù)丟失或者虛擬航標(biāo)驗(yàn)證數(shù)據(jù)異常則自動(dòng)啟動(dòng)報(bào)警，以聲光方式提醒管理人員及時(shí)排查處理。

2.3 兩種發(fā)布方式的特點(diǎn)

基于對(duì)長(zhǎng)江干線虛擬航標(biāo)的理解，本文描述了兩種發(fā)布虛擬航標(biāo)的方法。兩者的比較如表3。

基于AIS虛擬航標(biāo)的設(shè)置方法和將虛擬航標(biāo)作為航道基本數(shù)據(jù)要素應(yīng)用于電子航道圖生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)置方法相結(jié)合，能有效的彌補(bǔ)兩種方法各自的局限性，達(dá)到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。

3 結(jié)束語(yǔ)

虛擬航標(biāo)技術(shù)作為一門綜合多種信息技術(shù)手段的新興航標(biāo)應(yīng)用技術(shù)，是對(duì)傳統(tǒng)的視覺(jué)航標(biāo)的有效補(bǔ)充，是現(xiàn)代化航標(biāo)體系的重要組成部分[2]。虛擬航標(biāo)技術(shù)是新時(shí)期對(duì)長(zhǎng)江航標(biāo)助航體系的有效擴(kuò)展，是航道信息化的必然產(chǎn)物，更是社會(huì)各界對(duì)確保航行安全，保障流域環(huán)境的強(qiáng)烈需求。為了推動(dòng)虛擬航標(biāo)技術(shù)更好地應(yīng)用于長(zhǎng)江航道，建議如下：

（1）進(jìn)一步完善長(zhǎng)江干線電子航道圖系統(tǒng)，建立基于長(zhǎng)江電子航道圖系統(tǒng)的虛擬航標(biāo)生產(chǎn)體系和應(yīng)用體系。

（2）協(xié)調(diào)并充分利用長(zhǎng)江干線AIS基站網(wǎng)絡(luò)資源，將動(dòng)態(tài)的航道助航信息借助虛擬AIS航標(biāo)技術(shù)體系實(shí)時(shí)為通航船舶、港行企事業(yè)單位服務(wù)。

（3）研究虛擬航標(biāo)與航道通告（通電）以及其他航道動(dòng)態(tài)發(fā)布方式的互補(bǔ)性，以期待虛擬航標(biāo)技術(shù)全面融入長(zhǎng)江航標(biāo)助航及其服務(wù)體系。

（4）協(xié)調(diào)并整合長(zhǎng)江干線電子航道圖應(yīng)用平臺(tái)規(guī)范，以便長(zhǎng)江內(nèi)河航運(yùn)用戶能夠正確規(guī)范顯示虛擬航標(biāo)。

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