虛擬航標及其應用研究

鄭祥鑫+劉梟

摘 要：虛擬航標是現代化船舶助航服務新技術，該技術涵蓋了計算機技術、衛星導航定位新技術、電子海圖以及船舶自動識別系統（Automatic Identification System， 簡稱AIS系統）等高新技術手段。本文主要介紹了虛擬航標的定義、優點以及使用局限性，并對虛擬航標的實際應用及未來發展趨勢進行分析。

關鍵詞：虛擬航標 AIS 應用

1.引言

航標是保障船舶航行安全以及航行效率的重要設施，航標通常設于通航水域或其近處，以標示航道、錨地、灘險及其他礙航物的位置，是幫助引導船舶航行、定位和標示礙航物與表示警告的人工標志。傳統的船舶航行方向確定依賴岸邊的燈塔、燈浮以及燈船等提示性的航海指標，然而受海上天氣多變的影響，在濃霧、暴風、暴雨等天氣環境中，傳統視覺航標的功能會受到很大的影響。而隨著航海技術的不斷提升，AIS岸基系統以及船用AIS得到普及，該技術突破了傳統航標燈的視覺局限性，并且通過航標動態信息發布，能夠在最短的時間將航標信息發布到附近在航船舶，從而為船舶的安全航行提供更好的服務。

2.虛擬航標及分類

2.1基于AIS的虛擬航標

虛擬航標完全基于AIS設立的，基于AIS的虛擬航標指的是在航標上安裝AIS設備，航標的工作模式與商船上面安裝的AIS大致相同，工作方式是點對點的方式。AIS設備運行過程中，在信號覆蓋的區域商船接收到船舶發出的航行信號后，船舶依賴自己的系統將彼此之間的信息顯示在計算機控制系統終端中，最終達到船舶安全航行的目的。虛擬航標與海上航行的大商船類似，只不過虛擬航標往往設置在規定的位置，通過其中的信號發布功能，能夠使數據快速準確的傳輸，達到船舶安全航行的目的。虛擬航標綜合應用多項高新技術，包括現代計算機技術、AIS技術、電子海圖技術以及衛星導航定位技術等，借助基站以及發射機等設備，能夠在船舶電子海圖上顯示各種助航標志。AIS用于航標中以保證航行安全的功能發揮主要表現為以下措施：（1）提供AIS與船用雷達顯示器上用于辨識航標的全天候指示手段；（2）補充航標現有信號；（3）將浮標位置使用信號發生，顯示與終端位置；（4）為船用雷達提供基準點；（5）為航跡、航路、區域以及禁區作出標記或者勾畫出界線；（6）提供氣象、潮汐以及海況等具體數據；（7）對航標的工作狀態進行系統分析與信息收集；（8）標注近海建筑物，如海上鉆井平臺、海上風力發電廠等。

2.2虛擬航標分類

基于AIS的虛擬航標通常包括兩種類型，一種是有實體的虛擬航標，另一種是無實體的虛擬航標。

有實體的虛擬航標有稱作“仿真航標”，本身是真實存在的，而能夠用于航標信息發送的AIS站卻經常設立在遠離航標的位置。仿真航標所發出的AIS電文需要從另外地方進行發射，但是航標實際上位于AIS電文中給出的位置。在一些情況下，為了達到經濟實用的目的，往往不在航標上安裝AIS設備，在此時就可以采取仿真航標進行單獨設立，仿真航標通常有兩種，一種是“監控仿真航標”，另一種是“預防仿真航標”，前一種航標使從遠離航標的AIS站進行電文發送的，因此航標與AIS之間存在通信鏈路，并且還航標中常常包括了GNSS接收機、處理器以及非AIS數據鏈，通過航標與AIS之間構成通信鏈路來確認航標位置以及狀態。而后一種仿真航標則從遠離航標的AIS站發射電文，但是航標不受監控，其位置與運行狀態不能很好的掌控。

無實體的虛擬航標指的是AIS電文系航標電文，AIS中所指示的位置并不存在物理航標，通常情況下，在視覺顯示器上產生視在或者“虛擬航標”更為合適。這個時候，顯示器上的規定位置出現實際上并不存在的物理航標，在顯示器上也會標準該信號所對應的航標為虛擬航標。比如，在新的沉船出設置物理浮標之前，如果無實物浮標，可以使用虛擬浮標進行替代，或者用于航道的臨時劃分，在緊急情況下能夠表現出巨大作用。

3.虛擬航標的優點以及局限性

3.1虛擬航標的優點

（1）虛擬航標與實體航標同樣具有良好輔助船舶安全航行的功能。

（2）虛擬航標具有設置、更改以及取消功能，并且這些操作都是借助軟件來完成，因而成本往往較低。

（3）虛擬航標的設置、更改以及取消非常迅速，在突發海上時間需要快速設置航標時，虛擬航標表現出更大的優勢。如某一海域出現沉船事故，就可以使用軟件在該處設立虛擬航標，提示附近的船舶注意。

（4）相比實體航標，虛擬航標不受各種天氣條件的限制。與海上實體的燈浮相比，實體燈浮需要航標船進行拋標與撤出，并且航標的設置與取消需要在天氣良好并且海上條件相對平穩的時候進行，在大風大浪等惡劣天氣下根本不能進行實體航標的設置。而虛擬航標的設置及更改通過AIS無線數字通信技術來實現，因此無論在航標的設置還是更改上都不會受到天氣的影響，且航標設計后也具有安全性、穩定性、排他性、抗干擾性等優勢。

（5）虛擬航標設置完成后不會出現實體航標的漂移問題，因此具有更高的導航精確度。而實體航標在設置完成后，還容易受天氣、船舶碰撞等因素的影響，出現標位嚴重漂移的情況。并且虛擬航標能夠通過軟件來實現助航功能，能夠確保標位的準確性，從而為船舶提供更加準確的導航助航服務。

3.2虛擬航標的局限性

（1）虛擬航標對AIS網絡系統可靠性有非常高的要求。然而實際中AIS網絡系統的可靠性卻容易受到諸多因素的影響，比如電源系數、數據鏈路、設備質量以及強電磁干擾等。

（2）一些船舶駕駛人員往往會因為不能直接觀察到實際航標發出的燈光而產生恐懼心理，因此虛擬航標的實際推廣存在一些問題。

（3）虛擬航標要求船舶上裝有AIS設備以及電子海圖，這些設備的購買成本較高，因此虛擬航標往往只局限于大型船舶，小型船舶因為設備條件的限制，無法使用虛擬航標。

（4）虛擬航標的使用往往缺乏相應的法律依據，海事航標部門工作的重心往往放在實體航標的法律構建上，這使得虛擬航標的設置缺乏相應法律法規支持，使得航標的可信度及可依賴度不高。

（5）虛擬航標使用成功取決與航海者，但是目前對于航海者而言，其掌握的方向性航標僅僅為傳統的燈塔、燈浮等，因此使用虛擬航標需要相應的海事培訓支持，以保證航海者能夠正確的解讀虛擬航標信息。

4.虛擬航標的應用及未來發展趨勢

虛擬航標通常因為沒有實際航標的存在，常常使用AIS信息顯示屏上所設置的特定位置航標來進行航行方位的判斷。在船舶航行過程中，虛擬航標是非常重要的助航標志，實際應用主要包括以下幾個方面：（1）在船舶沉海后，往往不是第一時間使用實體航標進行標注，此時就可以使用虛擬航標作為新城川的緊急標記，用來提示附近船舶注意航道的變更；（2）需要設置永久性的航標，在設置前可以使用虛擬航標來臨時標記航道的危險區；（3）在船舶運輸繁忙的航道，往往交通流比較復雜，如果在區域內設置實體航標，往往會出現高度的漂移，并且實體航標常常被看成是阻礙航行的障礙物，此時就可以設置虛擬航標用來代替實物航標。

隨著信息技術的快速發展，AIS的功能在不斷完善，此外電子海圖也在船舶中不斷普及，航海人員將原先依賴紙質海圖上表示的航標變為使用電子海圖實施顯示的虛擬航標，使得駕駛過程中只需根據航標進行航道的調整。虛擬航標中各種助航標志在電子海圖中清晰的標識出來，這將大大提升船舶航行安全及航行效率。

此外，傳統的航標在提供安全助航的同時，需要消耗大量的電池或者蓄電池，并且在航標的設置上要用到大量的航標作業船，會產生大量的能源。而虛擬航標的應用則能夠節約大量的人力、物力及資源，大大減少環境污染。

5.結語

AIS技術在航標系統中的應用，推進了航海事業的發展。然而基于AIS的虛擬航標的應用以及普及取決于計算機、衛星定位等一些高新技術的應用，相信隨著科學技術的進一步發展，AIS網絡系統將全面建成，虛擬航標也將得到更好的推廣及應用，從而為海上船舶提供安全、便捷、穩定的助航服務。

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