基于AIS技術的航標遙測遙控系統框架研究

◎ 隋永舉 趙俊 南海航海保障中心

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基于AIS技術的航標遙測遙控系統框架研究

◎ 隋永舉 趙俊 南海航海保障中心

摘 要：針對南海海域AIS航標監測的需求，研究基于AIS技術的航標監測軟硬件系統，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，開發了AIS電子海圖船舶、航標及基站實時監控系統軟件。

關鍵詞：AIS 航標 遙測 系統

1.AIS簡介

船舶自動識別系統（AIS）是用于船-船、船-岸和岸-船之間的通信助航系統。它由船載設備與岸基設施組成。IMO把其定義為一種能夠自動發送與接收交通信息進而協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ITU的規定，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）。可利用航標AIS提供以下信息和數據：航標名稱、類型、尺度；時間標記；定位設備類型；航標設定位置和目前位置；虛擬航標標記；航標技術狀況；浮動航標移位或故障狀況；天氣、潮汐和海況實時數據；性能監控實時信息。

2.系統整體設計

AIS航標檢測與監控系統主要由AIS航標終端，AIS基站，AIS航標及基站檢測維護設備，AIS服務器，電子海圖AIS航標基站位置狀態監控系統等幾部分組成。

（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據產生相應的AIS信息，以NMEA0183 VDM Message21方式廣播發送本航標位置及狀態信息。

（2）AIS基站。主要功能是將管轄范圍內接收到的AIS船舶信息實時發送給數據管理中心，并根據數據管理中心指令，廣播AIS文本信息到船載AIS終端，廣播虛擬AIS航標位置信息，協調管轄范圍內AIS時隙使用。所有基站可實現網絡數據融合。

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

（4）AIS服務器。包括AIS應用服務器、AIS數據服務器、網管終端和交換機路由器等網絡設備。基站數據處理軟件和基站系統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數據的處理和保存。AIS服務器采用雙機熱備份，過濾、解析、處理、入庫后，將實時數據下發到海事工作站的監控終端，預留一路數據接口到VTS船舶管理中心。

（5）電子海圖航標基站監控系統平臺。基于AIS技術基礎的應用類系統平臺軟件。它結合AIS、電子海圖顯示技術、Internet技術等，主要功能可在電子海圖上直觀監控到AIS航標、AIS基站、AIS船舶實時位置及航行信息，對AIS設備歷史數據進行列表統計和軌跡回放，同時結合歷史記錄分析轄區內AIS設備工作狀態。圖1所示為AIS航標檢測與監控系統總體設計框圖。

工作流程：在航標上安裝AIS設備，將本航標位置信息、ID信息和航標燈狀態信息廣播發送周圍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送到服務器端，進行數據處理和數據解析入庫等工作，同時服務器端通過Socket方式將AIS信息發送到電子海圖AIS船舶航標基站監控系統，并實時刷新，組成整套AIS航標及基站監控系統，實現遠程監控AIS航標和基站的功能。

因AIS航標安裝于海上，AIS基站絕大多數安裝于沿海及島嶼上，工作環境惡劣，發射性能指標需要定時測試及核查，本系統加入便攜式AIS航標基站檢測儀，對AIS設備進行全面系統檢測，以便及時發現問題設備，及時檢修更換。

整套系統集AIS航標基站遠程監控，歷史數據回放，AIS航標的性能維護于一體，采用模塊設計，將數據集中到海事數據中心和VTS中心，有利于數據安全、統一管理和優化資源。可以提供網絡覆蓋范圍所有安裝AIS設備的航標基站工作狀況，是一種有效的航標遠程維護監測手段。

3.系統硬件

（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信息和航標燈狀態信息發送周圍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。后者每次信息發送時隙位置都是固定的，需要由基站協助廣播時隙保留指令，避免因周圍船載AIS或其他航標AIS在相同時隙發送信息而造成時隙沖突。

AIS航標設備主要技術指標如表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接收到的AIS數據通過基站控制器發送給AIS服務器端，基站控制器最多可以發送16個不同鏈路數據，AIS服務器端同時可以通過基站控制器下達對AIS收發基站的設置指令以及需要廣播或尋址發送到船載AIS終端的中英文短信等。基站控制器同時還具備本地實時數據存儲、本地AIS目標監控、本地AIS時隙表統計等功能。系統采用雙機備份并可以自動切換，提高了數據可靠性和穩定性。

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公司生產的R40型號為主，今年來，國內AIS生產商也陸續研發生產了多種功能的AIS基站，隨著國內企業對AIS技術的不斷提高，國產基站將完全替代進口產品。

（3）AIS航標基站測試儀。航標AIS的日常維護和現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控中心聯系，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 的關鍵技術指標，如AIS航標AIS基站發射時隙數設置是否正確，發射功率是否達標等。為此南海航海保障中心開發了一種手持無線AIS測試儀，可以測試AIS航標基站的發射功率、頻率、MMSI、發射各種語句、相應時隙數等。設備采用電池工作，可立即顯示測試數據，也可通過USB連接線跟電腦相連讀取數據。測試儀不僅用于AIS設備的檢驗，亦可用于安裝后現場檢驗，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設備或用天線無線方式；⑤檢測結果除顯示外，同時可存儲，最多可保存10次測試數據。所保存的測試數據可以通過軟件轉存到電腦上，以便打印測試報告；⑥采用時隙同步技術，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.系統軟件

AIS航標基站監控系統使用國際標準S57格式電子海圖數據，符合IHOS52電子海圖顯示標準，整體模塊設計分為：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歷史數據查詢模塊；⑥AIS數據歷史軌跡回放模塊；⑦AIS航標基站狀態分析模塊；⑧AIS航標及基站發射統計模塊。

本文提出基于AIS技術的航標檢測與監控系統，彌補了傳統方式的不足，但在后續研究中應關注提高終端穩定性；加強設備兼容性，盡量在軟件上兼容大部分系統，硬件設備上也應滿足北斗系統定位和其他AIS通信設備的兼容要求；提高報警信息可靠性；完善系統遙控功能，保證能源功耗下推進航標數據收集、統計、處理、分析和預警機制等功能，更加完善系統功能性。