基于便攜式AIS設(shè)備的小型漁船救助系統(tǒng)

文/陳榕魁

表1：CM X 7042芯片主要參數(shù)及應(yīng)用

隨著船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（Automatic Identidication System，即AIS）設(shè)備終端的廣泛使用，使得海上航行安全性以及運(yùn)營(yíng)效率得到大幅度的提升，船舶海上發(fā)生意外事故的頻率明顯降低。但對(duì)于小型漁船救助系統(tǒng)，其發(fā)展進(jìn)程緩慢，內(nèi)河小型船只以及沿近海小型漁船AIS安裝、使用問題顯著，安全問題突出，不利于小型船只的安全、高效航行與運(yùn)營(yíng)。主要表現(xiàn)為：針對(duì)質(zhì)量小于100總噸的內(nèi)河船只以及小于300總噸的沿海船只，海事局未發(fā)布強(qiáng)制安裝AIS系統(tǒng)的規(guī)定；小型漁船受船舶電源、AIS系統(tǒng)安裝環(huán)境等條件的限制，無(wú)法配備有效的救助設(shè)備。如何解決小型漁船高效生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)的安全性問題，是當(dāng)前各級(jí)部門亟待解決的重點(diǎn)。

針對(duì)小型漁船救助系統(tǒng)發(fā)展緩慢，其安全運(yùn)營(yíng)得不到保障的現(xiàn)狀，本文從便攜角度出發(fā)，結(jié)合AIS技術(shù)基礎(chǔ)，針對(duì)小型漁船進(jìn)行救助系統(tǒng)的研究，實(shí)現(xiàn)小型漁船的導(dǎo)航、避碰以及安全救助，解決大船舶救助系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高昂，不適于小型漁船安裝使用的問題。

1　AIS小型漁船救助系統(tǒng)分析

1.1　AIS工作原理

AIS是船舶數(shù)字助航裝備以及系統(tǒng)的統(tǒng)一稱謂，其主要組成部分為船載裝備和基站設(shè)施。通過定位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)船舶動(dòng)態(tài)信息（如航速、航向）以及靜態(tài)信息（船舶編號(hào)、類型）的組合封裝，并通過近海水域船舶及海岸基站等在VHF頻道以SOTDMA方式傳播，以便海水域船舶及海岸基站實(shí)時(shí)掌控船舶信息，實(shí)現(xiàn)船舶互相協(xié)調(diào)、及時(shí)避讓以及安全救助。AIS系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理與系統(tǒng)控制、信息輸出以及VHF四部分組成。

1.2　AIS系統(tǒng)需求分析

1.2.1功耗需求

目前海上AIS收發(fā)信機(jī)工作時(shí)使用船電或太陽(yáng)能充電，可保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，為防止電量不足影響設(shè)備工作，在進(jìn)行便攜設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)限制設(shè)備收發(fā)信號(hào)的功耗，應(yīng)盡可能選擇低功耗方案，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定持續(xù)運(yùn)行。

1.2.2通信和識(shí)別需求

現(xiàn)有AIS系統(tǒng)僅能實(shí)現(xiàn)動(dòng)力60馬力以上且安裝AIS設(shè)備的大型船舶-大型船舶以及大型船舶-海岸基站之間的通信、識(shí)別，小型船舶因動(dòng)力不足等原因，未安裝AIS系統(tǒng)，因而無(wú)法實(shí)現(xiàn)與大型船舶及基站之間的通信、識(shí)別，易發(fā)生被碰危險(xiǎn)，使得海事的實(shí)施監(jiān)管以及應(yīng)急救助等難以及時(shí)展開，難以保證船舶，尤其小型船舶的安全運(yùn)行，應(yīng)借助便攜式AIS的通信功能，實(shí)現(xiàn)危急情況的及時(shí)通訊。

1.2.3容量需求

AIS收發(fā)裝置包含船舶動(dòng)態(tài)以及靜態(tài)信息，需要一定的空間容量，為保證系統(tǒng)正常運(yùn)行，需保證信道利用以及系統(tǒng)阻塞控制在合理范圍，而單個(gè)AIS基站容量較小，約為300-500，因此，為滿足收發(fā)裝置容量需求，應(yīng)對(duì)系統(tǒng)容量進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，保留一定余量，滿足系統(tǒng)運(yùn)行要求。

2　系統(tǒng)功能及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文對(duì)信息網(wǎng)絡(luò)與AIS進(jìn)行技術(shù)融合，采用能手機(jī)與AIS硬件模塊相結(jié)合形式，實(shí)現(xiàn)基于AIS的小型船舶防撞、實(shí)時(shí)監(jiān)控以及應(yīng)急救助等應(yīng)用目的，滿足相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，實(shí)現(xiàn)性和操作性較強(qiáng)。其主要組成部分為：AIS中轉(zhuǎn)基站、數(shù)據(jù)互換裝置、AIS實(shí)時(shí)監(jiān)管系統(tǒng)以及便攜終端四部分組成。

2.1　系統(tǒng)架構(gòu)

2.1.1AIS中轉(zhuǎn)基站

AIS中轉(zhuǎn)基站與相關(guān)海事部門AIS基站有所區(qū)別，其主要功能是AIS數(shù)據(jù)的接受、中轉(zhuǎn)，對(duì)船舶AIS和手機(jī)終端AIS進(jìn)行結(jié)合，主要功能為：接收船舶AIS數(shù)據(jù)并借助無(wú)線或有線局域網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)裝置，與此同時(shí)，數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)裝置將船舶AIS數(shù)據(jù)傳動(dòng)中轉(zhuǎn)基站，轉(zhuǎn)發(fā)基站通過VHF，以廣播形式進(jìn)行信息傳送以便周圍船舶接收信息。

AIS轉(zhuǎn)發(fā)基站在滿足系統(tǒng)容量需求的同時(shí)，擴(kuò)大通信覆蓋范圍，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)大、小船舶之間的即時(shí)通信，保障小型漁船的安全運(yùn)營(yíng)。

2.1.2 數(shù)據(jù)互換裝置

安裝了便攜終端的小型漁船，可以通過AIS自組網(wǎng)的特性進(jìn)行通信和安全識(shí)別，其數(shù)據(jù)流程如下：

大型船舶AIS----小型船舶便攜AIS

小型船舶便攜AIS----小型船舶便攜AIS

為滿足數(shù)據(jù)應(yīng)用要求，并充分利用大數(shù)據(jù)提高對(duì)小型漁船救助的覆蓋率和成功率，系統(tǒng)同時(shí)增加數(shù)據(jù)互換裝置。該系統(tǒng)裝置主要功能為：對(duì)船船只等海上航行實(shí)體的系統(tǒng)數(shù)據(jù)與便攜終端數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)結(jié)合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)船只動(dòng)態(tài)、靜態(tài)資料的日常管理，滿足后期海量數(shù)據(jù)解析與處理要求。數(shù)據(jù)主要實(shí)現(xiàn)流程如下：

大型船舶AIS----數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)裝置----小型船舶便攜AIS

小型船舶便攜AIS----數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)裝置----大型船舶便攜AIS

小型船舶便攜AIS----數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)裝置----小型船舶便攜AIS

2.1.3AIS實(shí)時(shí)監(jiān)管系統(tǒng)

實(shí)時(shí)監(jiān)管平臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)針對(duì)船舶動(dòng)態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，其主要對(duì)象是大型船舶的AIS終端、小型漁船手機(jī)終端等不同類型的AIS目標(biāo)。

2.1.4便攜終端

小型通訊設(shè)備是AIS終端的主要載體，通過定制手機(jī)中置入AIS模塊硬件模塊實(shí)現(xiàn)便攜終端的設(shè)計(jì)。

2.2　AIS模塊功能實(shí)現(xiàn)

2.2.1實(shí)時(shí)通訊功能實(shí)現(xiàn)

為滿足大量數(shù)據(jù)處理及低功耗的要求，本文的便攜式系統(tǒng)采用ARM嵌入式控制芯片SMT32F103CBT6，該芯片適用于零下40至80攝氏度的溫度區(qū)間，供電電壓低，特殊的停機(jī)、待機(jī)以及睡眠模式等保證其低功耗，同時(shí)，該芯片擁有7通道DMA控制器。在低功耗、瞬時(shí)啟動(dòng)以及多喚醒事件中可達(dá)到最佳平衡狀態(tài)。

2.2.2北斗定位功能實(shí)現(xiàn)

本文選用NEO-6M作為定位模塊，通過將接收到的北斗信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，通過功率放大器進(jìn)行信號(hào)放大，進(jìn)而對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。分析北斗衛(wèi)星導(dǎo)航位置信息，可實(shí)時(shí)計(jì)算小型漁船的時(shí)間、速度以及具體位置。

2.2.3無(wú)線發(fā)送功能實(shí)現(xiàn)

為保證救助系統(tǒng)的有效性，通過嵌入硬件AIS模塊的方式，實(shí)現(xiàn)在小型漁船遇險(xiǎn)時(shí)將其信息發(fā)送至附近船舶或港岸基臺(tái)，即時(shí)通信，保證救援開展的及時(shí)性、高效性，無(wú)線發(fā)送功能主要實(shí)現(xiàn)：AIS無(wú)線信號(hào)發(fā)送，距離6海里（半徑）；AIS無(wú)線信號(hào)搜索接受，距離4海里（半徑）。AIS無(wú)線發(fā)送模塊采用CM X 7042 芯片，實(shí)現(xiàn)AIS報(bào)文的接收和發(fā)送。其相關(guān)參數(shù)如表1所示。

3　系統(tǒng)應(yīng)用

經(jīng)實(shí)際調(diào)查、研討，本文開發(fā)出適用小型漁船的便攜式AIS系統(tǒng)，終端可實(shí)現(xiàn)AIS無(wú)線通信功能通話語(yǔ)音/短信功能，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)通訊交互、搜索顯示、報(bào)警通知以及周邊搜救等功能。

通過手機(jī)嵌入硬件AIS模塊的方式，保證船舶在沒有3G/4G甚至基站信號(hào)的情況下，借助其自組網(wǎng)的特性，仍可實(shí)現(xiàn)通信。船舶不論大小，在其安全范圍內(nèi)均可互相識(shí)別，及時(shí)通訊，避免碰撞事故的發(fā)生，保證事故發(fā)生率。本文設(shè)計(jì)的AIS系統(tǒng)增加了中轉(zhuǎn)基站和數(shù)據(jù)互換裝置，對(duì)基站容量進(jìn)行了擴(kuò)容，同時(shí)可以記錄相關(guān)的數(shù)據(jù)，可以從整個(gè)系統(tǒng)的角度多渠道對(duì)漁船險(xiǎn)情提前通知，并對(duì)救援行動(dòng)進(jìn)行整體調(diào)度，提高救援效率。

4　結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的便攜式AIS小型漁船救助系統(tǒng)結(jié)合定位技術(shù)，采用AIS硬件模塊嵌入智能手機(jī)的方式，利用AIS系統(tǒng)的自組網(wǎng)特性，不依賴3G/4G網(wǎng)絡(luò)通信同時(shí)保證不同船舶之間及時(shí)通訊，針對(duì)航海區(qū)域大型船舶較多，小型船舶動(dòng)力不足難以安裝AIS系統(tǒng)等問題，實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新，為小型船舶海上航行提供了安全保障。