基于AIS的新一代船舶引航信息系統(tǒng)

文/ 集美大學航海學院 劉 洋 彭國均 張杏谷 柯冉絢

港口作為陸地和海洋兩大地理單元的結合點，已日漸成長為最具活力的經(jīng)濟實體，并成為國家、地區(qū)和城市發(fā)展的強大引擎。船舶引航是船舶與港口生產(chǎn)相連接的一個重要紐帶，對保證港口安全、船舶航行安全、維護航行秩序有著極其重要的意義。如今全球氣候變暖，雷暴、強風等突發(fā)天氣時有發(fā)生，給航行中的船舶造成極大的影響。引航員引領船舶在港口水域航行時，能夠隨時隨地準確判斷船位、讓船舶始終不偏離航道是保障船舶航行安全的關鍵。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，港口水域的船舶密度不斷增加，如果能夠準確地識別相關船舶，了解它們的動態(tài)，獲得包括船名、航向、速度、碰撞等參數(shù)在內(nèi)的信息，將有利于實現(xiàn)船舶避碰。此外，由于船方和系統(tǒng)的原因，老的引航系統(tǒng)往往不能滿足繁忙港口引航員工作的需要。為此，各個港口的引航員迫切需要一款新的引航信息系統(tǒng)，以時刻保障船舶引航的安全。

基于AIS的新一代船舶引航信息系統(tǒng)，配有電子海圖以及高分辨率衛(wèi)星遙感影像圖的雙背景圖層，引航員可根據(jù)自己的喜好隨時在電子海圖和遙感影像圖之間切換：一方面可以利用電子海圖展現(xiàn)詳細的海域范圍內(nèi)各種航行要素的分布情況，同時利用遙感影像圖展現(xiàn)直觀形象的陸域、港口及海島等范圍內(nèi)的各種要素分布情況；另一方面可以在此基礎上顯示修改后的最新海圖信息，還可以隨時疊加自定義的助航要素信息，使圖上的信息更加完整、生動，提高助航效果。與先前的單一電子海圖相比，遙感影像圖的添加使空間信息更加豐富、內(nèi)容層次更加分明，能夠為駕引人員提供直觀、翔實的信息。該系統(tǒng)可減輕引航員的工作壓力，降低視覺疲勞，為提高引航安全率提供有力的保障。該系統(tǒng)采用PDA作為硬件支持，體積小、攜帶方便，且具備兩種AIS信息獲取方式：與船舶AIS相應端口連接，接收無線局域網(wǎng)發(fā)布的AIS信息。后者數(shù)據(jù)的傳輸速度比前者要顯著提高，圖1為衛(wèi)星遙感影像圖與電子海圖的對比顯示（分別截圖后，系統(tǒng)每次支持一種顯示方式）。

圖1 電子海圖與衛(wèi)星遙感影像圖的對比

過去，引航員往往只依靠甚高頻（VHF）無線電話、雷達和望遠鏡進行船舶引航作業(yè)，如今隨著計算機技術的發(fā)展，這將成為歷史。目前，我國各大港口的引航站都為引航員配備了各種各樣的引航系統(tǒng)。早期的引航系統(tǒng)非常簡單，將通過GPS接收到的船位疊加在安裝了電子海圖系統(tǒng)（ECS）的便攜式電腦上，引航員可在任何時候獲得自己的船位，但不足之處是不能顯示其他船舶。隨著AIS在船上的強制安裝，新的引航系統(tǒng)是將AIS融合在安裝了電子海圖與信息系統(tǒng)（ECDIS）的便攜式電腦中，引航員除隨時隨地可獲得顯示在ECDIS的本船船位外，還可對周圍相關船舶進行跟蹤，及時獲

取相關船舶的動、靜態(tài)數(shù)據(jù)，為引航員提供船舶引航安全的大量信息。但是，部分船舶的AIS端口不能正常工作會影響引航系統(tǒng)作用的發(fā)揮，其不在合適的位置會影響引航員對相關船舶的觀察和跟蹤，使獲取的信息單一；同時，由于引航員在進行引航作業(yè)時需要背一個笨重的包或箱子爬引航梯上下船，不僅不方便而且很可能會威脅到引航員的人身安全。基于AIS的新一代引航信息系統(tǒng)不僅克服了上述不足，而且在獲得相關船舶動、靜態(tài)數(shù)據(jù)的同時，還能夠和調(diào)度中心隨時進行雙向通信獲取船舶進出港計劃。另外，安全監(jiān)督部門也可利用AIS、ECDIS監(jiān)控相關引航員引領船舶航行的安全等問題。

經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外引航系統(tǒng)都沒有疊加遙感影像圖，也很少采用掌上智能電腦（PDA）作為硬件設備。基于AIS的新一代引航信息系統(tǒng)采用高分辨衛(wèi)星遙感影像圖加電子海圖的雙背景圖層，以PDA作為硬件設備，采用3G通信系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)，具有信息實時、圖像生動、簡便易攜和通信方便等優(yōu)點，可為終端用戶提供完善的船舶引航、調(diào)度、監(jiān)控等應用軟件和系統(tǒng)集成服務。該系統(tǒng)已經(jīng)在實際應用中受到引航員的好評，并且越來越受到他們的青睞。

一、新一代引航信息系統(tǒng)的構成

PDA不僅可以在引航作業(yè)中使用，使引航員隨時隨地獲取本船船位，跟蹤、監(jiān)控周圍船舶的航行動態(tài)，獲取所需的安全信息，而且可以查詢調(diào)度中心的船舶進出港計劃、氣象、潮汐和航行警告等。

1. 硬件構成

新一代引航信息系統(tǒng)以PDA作為硬件支持，可以通過AIS接收模塊、機載移動通信模塊、GPS模塊等通信方式實時獲取周圍船舶信息，實現(xiàn)雙向通信。與便攜式電腦相比，PDA設備更加小巧、輕便，在其上安裝的引航信息系統(tǒng)功能也更加強大。當然引航員也可根據(jù)自己習慣，選擇便攜式電腦作為硬件支持。

2. 軟件構成

軟件設計采用面向對象技術，利用visual C++、Asp.net、OLE DB等技術為開發(fā)工具，基于S-52 ECDIS并疊加了高分辨率衛(wèi)星遙感影像圖，以 SQL server 2000（結構化語言查詢）數(shù)據(jù)庫和AIS信息作為后臺支持。該系統(tǒng)分為4大模塊——便攜式計算機移動引航系統(tǒng)、船舶3G移動引航系統(tǒng)、中心服務平臺、引航調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)。便攜式計算機移動引航系統(tǒng)與船舶3G移動引航系統(tǒng)主要為引航員提供船舶動態(tài)和周圍海上交通通航態(tài)勢等引航作業(yè)輔助功能。中心服務平臺實現(xiàn)引航調(diào)度信息、船舶AIS信息的內(nèi)外網(wǎng)獲取，并進行分類處理，最后通過AIS信息互聯(lián)網(wǎng)及3G手機通信服務平臺在調(diào)度中心、3G手機、調(diào)度系統(tǒng)和便攜式電腦之間實時流轉。引航調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)主要為調(diào)度和監(jiān)控人員在船舶引航調(diào)度、監(jiān)控時提供支持。

二、新一代引航信息系統(tǒng)的技術實現(xiàn)

1. 混合多級索引技術的應用

索引技術是空間數(shù)據(jù)引擎的一項關鍵技術，它直接影響空間數(shù)據(jù)訪問和查詢的效率。在大量研究和實驗的基礎上發(fā)現(xiàn)，任何一種索引技術都有其不足之處，采用單一索引不能滿足現(xiàn)在海量影像圖的繪制和矢量空間數(shù)據(jù)混合存儲時獲取數(shù)據(jù)的需求。在數(shù)據(jù)引擎中采用混合多級索引技術，即四叉樹索引、R樹索引、動態(tài)索引（或稱多級網(wǎng)格索引）和圖庫索引（原稱三級索引）4種索引，充分發(fā)揮每一種索引的優(yōu)勢，提高數(shù)據(jù)訪問和查詢效率。

2. 3G無線移動通信技術的應用

絕大部分引航系統(tǒng)采用與船舶的AIS相應端口連接，但存在端口不能正常工作或者端口不在合適位置的情況。新一代引航信息系統(tǒng)采用3G無線移動通信技術來實現(xiàn)AIS基站服務器與PDA終端之間的數(shù)據(jù)實時通信，通過將AIS基站、無線通信系統(tǒng)（AIS WLAN）與引航系統(tǒng)相結合，使AIS數(shù)據(jù)在無線網(wǎng)絡中得以實時傳輸。在上行鏈路中，WLAN通信模塊將AIS設備終端輸出的串行數(shù)據(jù)打包傳送，其傳輸速度的提升使引航員在引航時幾乎可以獲得無縫的數(shù)據(jù)接收服務，這對提高接收系統(tǒng)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性起到了至關重要的作用，從而進一步保障了船舶引航的安全。無線數(shù)據(jù)傳輸過程如圖2所示。

圖2 無線數(shù)據(jù)傳輸框圖

三、青島港新型船舶引航系統(tǒng)的應用

新一代引航信息系統(tǒng)總體結構設計如圖3所示。

圖3 總體結構設計框圖

1. 引航調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)

船舶數(shù)據(jù)通過中心服務平臺獲取后，顯示在電子海圖或遙感影像圖上，不僅可以使管理人員能夠實時掌握船舶的位置、航向、速度、港口水域船舶的通航密度以及重點船舶與他船的運動關系、通航態(tài)勢等，還可以在電子海圖或者遙感影像圖上回放顯示船舶運動軌跡，并且提供海圖操作、船舶監(jiān)控、引航調(diào)度等功能，為調(diào)度人員進行引航調(diào)度提供信息支持，為安全監(jiān)督人員的監(jiān)控提供現(xiàn)場交通信息支持。此外，系統(tǒng)還可以從中心服務平臺查詢當天的船舶引航調(diào)度計劃、潮汐、氣象等資料，為管理人員和引航員進行監(jiān)控、調(diào)度、引航作業(yè)提供幫助。

2. 青島港新型船舶引航信息系統(tǒng)介紹

該系統(tǒng)硬件設備采用智能手機，并專門為其建設一套應用系統(tǒng)，主要配備給引航站管理人員和引航員。通過3G無線通信網(wǎng)絡，“青島港引航員PDA引航系統(tǒng)”與“中心服務平臺”相連接，引航員可獲取實時船舶動態(tài)，查詢每天的引航調(diào)度計劃、氣象信息、潮汐信息、水流信息等，以便及時采取應對措施，克服風、流等對船舶操縱的不利影響，以確保安全引領船舶進出港。該系統(tǒng)支持電子海圖和疊加了航道、錨地、航標等助航要素的遙感影像圖的雙背景圖層，融電子海圖詳細的海域資料和遙感影像圖的直觀生動于一體，進一步提高了引航員引航作業(yè)的安全性，可以為船方提供更加安全、及時、優(yōu)質的引航服務，在實際應用中得到了引航員的認可。引航員PDA引航系統(tǒng)界面如圖4所示。

圖4 PDA引航系統(tǒng)操作界面

青島港是我國重要的港口和外貿(mào)口岸，2010年吞吐量突破了3.5億t，青島港引航站2010年共安全引領各類中外船舶23400艘次。要建設成為一流的引航站，各項服務必須處于領先地位，首先要著力提高引航安全率。青島港新型船舶引航信息系統(tǒng)的研制成功，為青島港引航站進一步提高引航作業(yè)工作的效率、增加調(diào)度工作的科學性、保證海上船舶航行的安全起到了積極的作用。

四、結束語

基于AIS的新一代船舶引航信息系統(tǒng)符合當前引航作業(yè)的需求，采用WLAN無線通信技術傳輸AIS信息，信號的穿透能力強、覆蓋范圍大以及PDA設備的便攜式特點，使得引航員能夠脫離船上設備獨立工作。但在船載AIS使用過程中，部分船舶的駕駛人員沒有正確輸入船舶的靜態(tài)信息和未更新船舶的動態(tài)信息、航次相關信息，AIS沒有按要求開機或者有故障等，導致本系統(tǒng)在發(fā)現(xiàn)、跟蹤這些船舶時有局限性，甚至根本發(fā)現(xiàn)不了這些船。但隨著船長、駕駛人員對船載AIS認識的提高和使用的進一步規(guī)范，本系統(tǒng)將具有更高的實用價值，能為港口船舶引航作業(yè)提供安全、高效和便捷的服務。

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