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基于AIS的航标助航信息服务技术分析pdf

发布日期:2019-09-13 09:33   来源:未知   阅读:

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  学术诚信声明 兹呈交的学位论文,是本人在导师指导下独立进行的研究工作及取 得的研究成果。除文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其 他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。本人依法享有和承担由此 论文产生的权利和责任。 声明人(签名) : 时 间: 保护知识产权声明 本人完全了解集美大学有关保留、使用学位论文的规定,即:学校 有权保留送交论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借阅,可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意集美大学可以 用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 作 者(签名) : 导 师(签名) : 时 间: 集美大学硕士学位论文 基于 AIS 的航标助航信息服务技术研究 第 1 章 引言 1.1 论文研究背景 航标是帮助船舶安全航行的重要标志,航标信息是海上交通必需的重要助航信 息,航标系统是海上交通安全保障体系的重要组成部分[1] 。对航标的有效监控和管 理,确保航标信息的准确性和可靠性,对船舶安全航行提供更好的助航服务是非常 必要的。 AIS 是工作在 VHF 海上移动频段的自主、连续广播系统,在船舶-船舶之间、船 舶-岸之间交换船舶静态信息(识别码、船型等)、动态信息(船位、航向及航速等)、 航次相关信息及安全信息[2] 。它采用时分多址(TDMA)通信技术,处理各种信息数据, 确保船舶操作运行安全可靠。AIS 的 出现带来了对传统助航和海事管理的新理念。 船舶可通过 AIS 获取更多的助航信息,对航行安全的自主作用将更强;海事管理部 门从以往监督管理为主的形式,转向更注重于对船舶提供助航安全信息服务,形成 海事管理与服务并重的局面。AIS 技术的发展有助形成具有现代信息时代特点的助 航服务体系的建设。 国际海事组织(IMO)近年提出了 E-航海(E-Navigation)概念和发展战略。E-航 海的诠释是:“通过电子的方式,在船上和岸上,收集、综合和显示海事信息,以 增强船舶泊位-泊位的全程航行能力,增强相应的海上服务、安全和保安能力,以 及海洋环境保护能力”[3-4] 。目前已出台了 E-航海发展与实施战略和 E-航海战略实 施计划框架两项重要建议。AIS 的应用也纳入实施计划之中。这都预示着世界航海 技术的发展正向着电子信息化的方向发展。通过 AIS 网络平台,实现航标管理和助 航服务信息化符合当代技术发展的趋势。研究基于 AIS 航标助航信息服务技术是非 常必要的。 论文依托交通运输部课题“航标助航新体系的研究”,以厦门港为研究背景, 探讨基于 AIS 的海上助航新技术,为实现航标数字、信息化助航服务开展有益的研 究。 1.2 航标的作用 为了引导船舶在正确的航道上航行,航道部门或海上安全监督部门在海上、海 岸或江河设置了各种不同类型和不同作用的航行标志或助航标志,它以特定的标 志、灯光、音响或无线电信号来指示或辅助航行,这些助航标志简称航标,其位置 [5] 在海图上加以标绘,并在航标表中加以记载和说明 。 航标可分为固定航标和水上标志。固定航标是设置在岛屿、礁石、海岸等上面 的航标。它包括灯塔、灯桩、导标和立标等。水上标志是浮在水面上,用锚或沉锤、 1 集美大学硕士学位论文 基于 AIS 的航标助航信息服务技术研究 锚链牢固地系留在预定点海床上的航标。水上标志除灯船及大型助航浮标外,其外 部涂色、顶标、灯质等均依其用途有统一规定。水上标志包括:灯船和浮标,其中 浮标包括:侧面标志、方位标志、孤立危险标志、安全水域标志、专用标志等[5-9]。 传统意义上的航标是通过外形、颜色、灯光、雷达应答器等手段实现对航海者 的帮助。航海者通过目视,眺望航标来获取相关的助航信息。航标的主要功能有四 项,即定位功能、危险警告功能、确认功能和指示交通功能[9] 。定位功能就是能确 定船舶相对航标的距离和方位;危险警告功能就是能标示航道中的危险物和碍航 物;确认功能就是能确认船舶相对航标的距离和方位;指示交通就是能指示船舶遵 循某些交通规则,如指示船舶分道通航制、指示深水航道和装载危险货物船舶的航 道、标示特殊水域如锚地、测量作业区、禁区、渔区等。航标除了能帮助船舶安全 航行外,在一定意义上还具有防止污染、保护海洋环境的作用。 近年来,随着大量先进技术被引入到航标建设和管理中,航标技术的发展,特 别是无线电航标的发展和航标信息的广泛应用,人类水上活动范围和方式的日益增 多,航标被赋予了新的内涵。因此,航标也有了新的定义:航标是为各种水上活动 提供安全信息的设施或系统。根据航标的新定义,航标的内涵和服务领域都有了很 大的变化。 1.3 AIS 通信技术特点 AIS 技术诞生于 20 世纪 90 年代,综合应用了信息技术、计算机技术、卫星导 航定位技术及无线电通信技术。它将 GPS 确定 的船位、船速等船舶动态信息,以及 船名、呼号等船舶静态信息,通过 VHF 频道向附近水域船舶及岸台广播,使邻近船 舶及岸台能及时掌握附近海面所有船舶的动静态信息,便于船舶之间的避让行动及 海上交通的监控,对船舶安全航行有很大帮助[10]。IMO 是这样定义该系统的: 是一种改善船舶安全性能的船载自备装置; 是一种无需雷达而使交通管理中心获得交通信息的工具; 是一种工作在 VHF 频段的船舶报告系统。 AIS 属于蜂窝无线通信系统,其核心思想是卫星定位数据的广播式转发器。系 统根据船舶自身的运动情况,无需人工介入,周期性地在海上 VHF 频道上自动广播 船舶的相关信息,并能接收和处理周围其他船舶广播的同样信息。其中用于卫星定 位的 GPS/DGPS 接收机能提供高精度的船位以及对地速度、对地航向和用于自组织 无线数据链路定时的协调世界时(UTC)。设备中的通信控制器则主要处理海上 VHF 移动通信频段规定的两个 AIS 频点收发规则。这两个频点是由世界无线 和 88。在该频段的无线电波具有准光学 性,即接近直线传播特性。其作用距离主要受限于无线电波的直线传播特性,也就 是受限于天线高度。AIS 在两个平行的 VHF 频道上使用时分多址通信,每分钟时间 2 集美大学硕士学位论文 基于 AIS 的航标助航信息服务技术研究 被等长度分为 2250 个时隙,且它们使用 UTC 的时间信息作为初相计时机制来实现 准确同步。系统也能够使用辅助独立的计时机制来工作,并且计时精度优于 10μs。 这些 2250 个时隙组成一个帧,且每个帧每分钟重复一次,其空中数据传输速率 9600bit/s[11] 。 根据 IMO 的 AIS 性能标准,AIS 系统要求的报告容量至少是每分钟 2000 个报告。 系统允许局部过载达 400-500%,且对船-船模式彼此靠近 8-10 海里或更近的船舶仍 提供 100%的通过量。由于系统工作于 VHF 无线电频段,它的通信范围为“视距”。 如果接受的 AIS 站“视距”内的 AIS 站数量超过帧容量,自组织时分多址(SOTDMA) 通信规则保证对每座 AIS 站的有效无线电台站逐渐减少。当频道接近过载状态时, SOTDMA 通信规则将无线电蜂窝容量降低,抛弃远距离的 AIS 站报告,目的是保持近 距离报告的优先完整性[12-14] 。 AIS 技术在航海领域日趋成熟的应用, 已经被证明是船舶识别和跟踪强有力的 手段。但它还有更大潜力进行有效的开发和利用,以提高船-岸双方对水域航行环 境的认知能力。航标助航信息与 AIS 技术的应用结合是当前国际上海上信息服务研 究的热点[15-19]。通过 AIS,航标助航信息以实现数据化信息化的方式传递到 AIS 船 台,航海者对船舶周围航行环境的掌握更加方便、实时、准确。因此,航标与 AIS 技术结合的应用研究是极具意义的。 1.4 论文内容 本文主要研究内容如下: (1) 二进制适用专用电文 以 IALA 航标助航信息服务标准建议和相关国际标准为依据,研究 AIS 二进制 适用专用电文(ASM)与助航服务信息有关的区域应用。 (2) AIS 通信资源 VDL 分析 基于 AIS 的电磁传播特性以及 VHF 蜂窝覆盖范围理论,分析了 AIS 通信网络数 据链路负载及链路容量,并以厦门港口数据为基础,对链路容量进行了统计分析, 为港口 AIS 技术应用工程提供参考。 (3) 航标助航信息播发技术研究 通过航标综合信息 GIS 平台后台应用服务器,获取航标助航信息,研究基于 AIS 的航标助航信息网络播发技术。 3 集美大学硕士学位论文 基于 AIS 的航标助航信息服务技术研究 第 2 章 AIS 电文信息 2.1 电文概述 2.1.1 电文种类 国际电信联盟(ITU)在 1998 年通过的《VHF 海上移动频段时分多址通用船载自 动识别系统(AIS)技术特性》(ITU-RM.1371-1)标准中,定义了 AIS 通信技术中 22 种电文,如表 2.1 所示[11]。 表 2.1 电文类型 电文 ID 名称 说明 1 位置报告 规定的位置报告(A 类船载移动设备) 2 位置报告 指配规定的位置报告(A类船载移动设备) 3 位置报告 响应询问的专用位置报告(A 类船载移动设备) 4 基站报告 基站位置,UTC,日期,基站时隙数 5 静态与航次相关数据 规定的船舶静态与航次相关数据(A类船载移动设备) 6 二进制寻址电文 寻址通信二进制数据 7 二进制确认 确认接收到寻址二进制数据 8 二进制广播电文 广播通信二进制数据 标准 SAR 飞机位置报 9 仅指 SAR 作业的机载设备的位置报告 告 10 UTC/日期查询 请求 UTC 和日期 11 UTC/日期应答 若有,指当前 UTC 和日期 12 寻址安全相关电文 寻址通信安全相关数据 13 安全相关确认 确认接收到寻址安全相关数据 14 安全相关广播电文 广播通信安全相关数据 15 询问 请求专用电文类型(可能得到一个或几个台站应答) 16 指配模式命令 主管当局用基站指配专用报告 DGNSS 广播二进制电 17 由基站提供 DGNSS 校正量 文 标准 B 类设备位置报 18 用 B 类船载移动设备标准位置报告代替电文 1,2,3 告 扩展 B 类设备位置报 19 B 类船载移动设备扩展位置报告;含有静态信息 告 20 数据链管理电文 基站保留时隙 21 航标报告 航标位置与状态报告 22 频道管理电文 基站对频道和收发机模式管理 AIS 技术在海上的实际应用中表现出其对改善船舶航行安全的效果明显。这种 有别于雷达的获取实时海上交通信息的新型航海系统已经被证明在航海领域有良 好的应用前景[19-20]。国际海事组织(IMO)和国际航标协会(IALA)抓住这项既能保证航 海安全又能提高效益的新技术,不断地研究和开发实验,极大地推进了 AIS 的发展。 在国际组织 IMO、IALA、ITU、IEC 的共 同努力下,AIS 的性能标准、技术特性、测 试标准、操作指南及各类船舶限期安装的决议不断地完善,并逐步实行。ITU 最新 4 集美大学硕士学位论文 基于 AIS 的航标助航信息服务技术研究 版本的《VHF 海上移动频段时分多址 通用船载自动识别系统(AIS)技术特性》 (ITU-RM.1371-4)标准中,AIS 的通信电文增加到 27 种,如表 2.2 所示[21]。这使得 AIS 技术有更大潜力等待进一步的应用开发。 表 2.2 电文类型续表 电文 ID 名称 说明 23 群组指配命令 基站作为主控实体时,控制移动台站的工作参数 与某个指定的 MMSI 相关的额外数据,包括二个部分:A 24 静态数据报告 部分(名称),B 部分(静态数据)。 25 单时隙二进制消息 按需求的短二进制数据传输报告(广播或寻址) 带有通信状态的多时 采用 SOTDMA方式的多时隙二进制数据传输报告(广播或 26 隙二进制消息 寻址) 有机制的位置报告(不在基站覆盖范围内的A类船载移动 27 远程应用的位置报告 设备) 2.1.2 电文信息 AIS 传输的船舶信息主要分为静态信息 、动态信息、与航次有关的信息和与安 全有关的短信息四大类。通过这些信息的交换,AIS 实现了船-船之间识别和跟踪, 并且船岸之间有了简单、有效的沟通方式,提高船舶航行安全以及海上交通效率。 信息的详细内容如表 2.3 所示[9-11]: 表 2.3 电文信息 信息 内容 备注 类型 海上移动业务识别码,用于识别船舶,在安装时设定;如 MMSI 果船舶的船东变更,可能需要修改。 呼号和船名 在安装时设定,如果船舶变更拥有者,可能需要修改。 静态 IMO 序号 安装时设定。 信息 船长和船宽 安装时设定,也可以改变设置。 船舶类型 ITU 规定的船舶类型,由二位数据识别码组成。 定位天线的位置 安装时设定 龙骨以上的高度 扩展电文,仅当船舶主动或被询问时发送的信息。 通过连接至 AIS 的位置传感器(GPS/DGPS) 自动更新,精度 船舶位置 指示优于或劣于 10m。 UTC 的船位时间标 通过连接至 AIS 的船舶主要位置传感器自动更新。 动态 记 信息 如果传感器计算对地航向,通过连接至 AIS 的船舶主要位 对地航向(COG) 置传感器自动更新。 对地航速(SOG) 通过连接至 AIS 的位置传感器自动更新。 船首方向 通过连接至 AIS 的船首方向传感器自动更新。 5 集美大学硕士学位论文 基于 AIS 的航标助航信息服务技术研究 续表 2.3 信息 内容 备注 类型 航行状态信息必须由值班驾驶人员人工输入和改变, 如: -主机动力航行; -锚泊; -失去控制(NUC) ; -操纵能力受到限制(RIATM) ; 动态 航行状态 -吃水受到限制; 信息 -系泊; -搁浅; -从事捕捞; -驶风航行; 实际上,这些均与避碰规则(COLREGS)有关,在灯光 和形状改变同时,应进行任何必需的改变 转向速率(ROT) 通过船舶转向传感器自动更新或通过陀螺罗经获得。 在航次开始时人工输入本航次的最大吃水,并根据需 船舶吃水 要更新。例如,在进港前排掉压载水。 在航次开始时人工输入,以确认是事装载着有害货物,即: -DG 危险货物; 航次 有害货物(种类) -HS 有害物质; 相关 -MP 海洋污染物。 信息 -数量指示不要求 目的港和预计到达 在航次开始时,人工输入和根据需要保持更新。 的时间 航线设计(转向点) 在航次开始时人工输入,船长自行处理和根据需要更新。 船上人员 扩展电文,仅当船舶主动或单元被询问时发送。 安全 自由格式的短电文人工输入,或标注有具体的地址或 安全相关文本信息 相关 向所有船舶和岸站广播。 本信息来源:根据国际航标协会助航指南、船载自动识别系统整理。 AIS 充分利用通过卫星定位导航技术所获取的高精度船舶位置信息,实现系统 信号覆盖范围内的船舶之间信息共享。系统根据船舶的自身运动情况,确定信息发 送的频率。典型的,静态信息和航次相关信息一般是 6 min 发送一次,动态信息则 需要根据船舶的航速与航向变化来确认。并且,信息还可以根据实际的需要或者船 舶请求发送。系统能够每分钟最少处理 2000 份报告,可以充分满足当前可预见的 运行情况。 2.2 AIS 航标报告 随着 AIS 岸基系统的建成及船用 AIS 的普及,AIS 技术已不仅用来船舶识别和 避碰,而是发展成为一个具有诸多海事功能的系统。AIS 技术与航标的结合,给航 标技术发展带来了深远影响,使得航标能够提供更多、更可靠的助航信息。 AIS 航标可以按 3 种方法实施,即真实,仿线) “真实”AIS 航标站安装在航标上,AIS 和航标一体化。 6 集美大学硕士学位论文 基于 AIS 的航标助航信息服务技术研究 (2) “仿真 AIS 航标”则是指有实体的航标存在,但是没有安装 AIS 台站。仿 真 AIS 航标可以分为 2 类,即“监控仿真 AIS 航标”和“预报仿真 AIS 航标”。“监 控仿真 AIS 航标站”在航标和远离航标的 AIS 站建立通信链接,由 AIS 站发射电文 21 并确认航标的工作状态。“预报仿真 AIS 航标”也是通过远离航标的 AIS 站发射 电文 21,但航标位置状态不是通过监测得到确认。 (3) “虚拟 AIS 航标”为物理上并不存在的,由经授权的助航服务提供部门发 布能在导航系统中显示的数字信息物标。虚拟航标可用于告知航海人员航行危险 物、安全航路、谨慎驾驶水域和规避水域。通过名称或其它属性清晰指向与虚拟航 标设置有关的航行警告、航海通告或其它形式的海上安全信息。 AIS 航标应在海上安全信息中发布,并且应采取适当形式在相关海图上标示。 IMO 对于 AIS 航标的显示,建议采用菱形符号,航标位置处采用“十”字型标识。 2.2.1 电文结构 AIS 航标报告—电文 21,可以由航标 AIS 站使用,也可以通过 AIS 基站发送。 它以每 3min 一次的报告率或者通过分配模式命令,经 VHF 数据链或外部命令指定 另一种报告率自主发射,并且可以在参数值发生改变后立即发射。电文的基本结构 如表 2.4[11,21]: 表 2.4 电文信息 参数 比特数 说明 电文ID 6 电文21 识别码 转发指示器 2 转发站用其指示转发次数:默认值=0 ;3=不再转发 ID 30 发射站的 MMSI 号码 航标类型 5 0=无效=默认 最多 20 个 6bitASCII 字符。 航标名称 120 “@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@”=无效=默 认,航标名称还可以用参数“航标扩展名”扩展。 位置精度 1 1=高(10 米) ;默认=0=低(10) 。 经度,1/10000 弧分为单位(东=正,西=负,181=默认=不 经度 28 可用) 。 纬度,1/10000 弧分为单位(北=正,南=负,91=默认=不 纬度 27 可用) 。 尺度/位置基准 30 报告位置基准点 0=未定义=默认;1=GPS;2=GLONASS ; 3=GPS/GLONASS 组合;4=LORAN-C ;5=CHAYKA; 电子定位设备类型 4 6=组合导航系统;7=大地测量。固定航标和虚拟航标 采用大地测量位置;8-15=不用。 生成报告时 EPFS 给出的 UTC 秒(0-59),若无时间可用, 则等于 60 。若电子定位设备工作在估计模式,则等于 62 。 时间标记 6 若定位系统为人工输入,等于 61,若定位系统不工作, 则等于 63 。 移位指示器 1 适用于浮标;0=在位,1=移位。 7 集美大学硕士学位论文 基于 AIS 的航标助航信息服务技术研究 续表 2.4 参数 比特数 说明 留待区域或当地使用 8 由当地主管当局规定,若不应用时,应置为0 。 电子定位设备RAIM(接收机自主完好性监测)标志: RAIM 标志 1 0=不用 RAIM ,1=使用。 0=默认=线=虚拟航标,实际不存在,根据主管 虚拟航标标志 1 当局指令,由附近的AIS 站发射 0= 自主和连续模式工作的台站=默认; 指配模式标志 1 1=指配模式工作的台站。 备用 1 不用,应置为 0. 0,6, 若航标名称超过 20 个字符,这个在 2 个时隙的电文中最 航标扩展名 12,18, 多可有 14 个附加 6bit 的ASCII 字符。若航标名称不到 20 24...84 个字符,该参数可略去。只需要发射必须的字符数。 0,2 ,4 , 填充比特 备用 6 总比特数 272 占用2 个时隙 [9] 电文 21 的内容表明 AIS 与航标结合是非常有用的。AIS 航标有以下特点 : • 精确、及时提供及显示航标信息; • 不分昼夜,以及在能见度不 良,视觉航标看不见的情况下工作; • 通常比白天视距和浮标视觉信号有更远的探测距离; • 向船员提供航标移位和故障信息; • 通过电子海图或现代雷达屏幕显示航标精确位置,AIS 用于航标能提供更 好的航标完善性信息; • AIS 应用虚拟航标时,信息设置方便、快捷,红财神报香港绿。且易于维护。 因此,AIS 可应用于处于下列情况的固定航标和浮动航标: • 重要航标; • 位于高风险或结冰、海流和碰撞危害位置的航标; • 必须明确指示在区域中为重要航标的航标; • 能见度经常不良的区域中的航标; • 要求昼夜可靠信号距离超过 10 海里的地方的航标。 2.2.2 航标远程监控 电文 21 中,有 8 比特保留给区域或当地使用的数据比特。如何使用这些数据 比特归航标管理部门负责。这样一来,世界各地就出现了各种各样的实施方法,显 示器上显示的结果也不同,这为当地特殊的应用提供了方便,但可能引起误解。为 解决这个问题,丹麦皇家航海水道测量局建议在 电文 21 中采用局部区域适用标志, [24] 8 页区域比特的分配如图 2.1 所示 : 8 集美大学硕士学位论文 基于 AIS 的航标助航信息服务技术研究 比特序号 7 6 5 4 3 2 1 0 页识别码 页面内容 000=综合页 001=局部页 010=局部页 011=局部页 100=局部页 101=局部页 110=局部页 111=局部页 图 2.1 综合页面与局部页面 其中第 000 页作为综合页,对所有地区,内容是一样的,向其周围发布航标的 工作状态。其余 7 页各自有不同的内容,航标管理部门可以用其监测航标的电源电 压等重要工作参数。 丹麦皇家航海水道测量局对页面 000、001 和 010 的应用提供了详细的应用建 议。丹麦的研究成果得到了 IALA 的响应。IALA 对 “航标状态比特”第 111 页应用 提出了标准建议。该页主要负责航标灯的健康状态的监测,赋予页面如图 2.2 所示 内容: 1 1 1 X X X X X 健康状况标志 页面识别码=111 0= 良好 1=报警 雷达应答器状态 灯器状态 00=未安装应答器 00=灯不亮或不受监测 01=安装应答器,不受监控 01=灯亮 10=应答器工作正常 10=灯灭 图 2.2 页面 111 的应用 页面识别码从 000 到 111,共 8 页。第 000 页不用于区域/国际应用,在 ITU-R M.1371 建议 中规定为默认的“不用”。第 111 页按上面的规定使用。第 000 到 110 页留待将来使用,可考虑应用于监测航标的电压,电流,温度等参数。各类 AIS 航 标站都可利用第 111 页面。最后 5 位数据比特,按上图的规定应用。健康标志报警 置为 1,表示 AIS 系统或 AIS 航标站有故障,故障细节的进一步指示可以用 8 位航 标状态比特的其他页面或寻址二进制电文 6。 通过电文 21 监测,主管部门可获取实时的航标状态信息。如果被监测到的航 标存在位移或者故障问题,一方面主管部门可以即时抢修故障航标,另一方面主管 部门通过基站向信号覆盖范围内的 AIS 船台发送相关信息,以便在航船舶及时了解 9 集美大学硕士学位论文 基于 AIS 的航标助航信息服务技术研究 航行水域航标实时信息,保障航行安全。 2.2.3 虚拟航标 “虚拟 AIS 航标”是物理上并不存在的航标。它是电子海图显示与信息系统 (ECDIS)和 AIS 结合的新型航标助航技术。航标符号能够出现在船舶 ECDIS 显示屏 上某个具地位置,但是这个特定的位置并没有实际的航标存在,而是通过 AIS 电文 21 播发的航标报告[23]。虚拟航标的应用,在很多紧急情况下作用非常明显。例如, 在新的沉船处设置永久性物理浮标之前,用虚拟 AIS 航标作为碍航物的临时标记是 非常有用的;其次在较窄的可航水域或不便设置物理航标水域,设置虚拟航标非常 有利于船舶的安全航行。虚拟航标的出现是航标和 AIS 技术一体化发展的重要成果, 将航标的概念拓展到一个全新的领域, 已经成为当前助航技术发展的热点[25-29]。 虚拟航标能预先告知航海人员紧急、临时或动态信息。虚拟航标虽然不能做为 替代其它形式海上安全信息,但能有效补充海上安全信息发布机制。它已经具备实 际应用的可行性,这主要表现在以下几点: (1) 在海上交通水域需要紧急设置航标的情况,如临时危险水域,临时需要规 避的水域,或者当前还没有安装实体航标的水域。 (2) 航标设置方便、快捷,信息可以及时通过AIS 网络播发,并且容易在电子 海图上实现精确显示,航海者能随时撑握水域的航行环境。 (3) 虚拟航标的设置不受天气条件,而影响其能见度,更不会出现标位漂移等 现象,并且播发虚拟航标信息的 AIS 网络,性能稳定,能有效传递信息。 (4) 虚拟航标的安装、维护成本低,只涉及到软件和基站的工作状态。 虚拟航标能够有效降低海上航行的风险,但它本身也存在一定的局限性,主要 表现在: (1) 虚拟航标信息通过 AIS 网络播发,并且信息播发是由全球导航卫星系统 (GNSS)同步,这将要求承载航标信息的网络稳定性非常高。 (2) 由于传输介质的原因,信息播发存在电子欺骗和网络阻塞的可能。比如在 服务区域内监控 MMSI 码,两个同样的 MMSI 码或不存在 MMSI 码可能表明存在电子 欺骗。 (3) 少数国际海上人命安全公约(SOLAS)入级船舶或其它设施并不能显示虚拟 航标。部分船舶或许永远也不能显示虚拟航标。 (4) 人对客观世界认知的时候,都有一种“眼见为实”的心理。小鱼儿马会资料大全,传统人工瞭望 依然是自始至终不间断地贯穿在航海者操纵船舶过程之中。虚拟航标无法代替实体 航标,给航海者心理上的完全信赖。 虚拟航标技术虽然存在这样一些局限性,但其应用优势非常明显。虚拟航标不 可能完全取代实体航标,但是可以做为海上安全航行的有效补充助航手段。 10 集美大学硕士学位论文 基于 AIS 的航标助航信息服务技术研究 播发虚拟航标的电文格式已经由 ITU-RM.1371 国际标准确定。因此,不能随意 定义电文 21 中的字段。用户可操作,输入信息的字段是航标名称、MMSI、航标扩 展名称等。AIS 船台用户仅能从航标报告中获取航标位置信息以及基本信息。而在 布设虚拟航标时,都是基于一些非常态的情况,仅仅传递虚拟航标的位置信息,信 息量不够充分。本文建议考虑利用“航标扩展名”字段。当“虚拟航标标志”标识 有效时,“航标扩展名”字段前 4 比特用于虚拟航标功能标识,后面定义一定数量 的比特用于功能说明,其建议如表 2.5 所示: 表 2.5 功能信息 功能 ID 字 备注 功能说明字段 段(4 比特) 0000 测试 6 比特,值为0 0001 临时代替功能 6 比特,实体航标应用前临时代替,值默认为0 0010 指示交通 6 比特,航道交汇,值默认为0 6 比特,交通流密度高,前 2 比特标识影响半径, 0011 交通密度 1-2 海里。后 4 比特标识密度,以 10 只船舶/海 里为步进,标识 10-150 只船舶/海里交通密度 0100 沉船标识 12 比特,影响半径,0-4.095 海里 12 比特,影响半径,0-4.094 海里,4095 0101 暗礁标识 表示影响半径等于或大于 4.095 海里。 12 比特,前3 标识流向,0=正东;1=正西;2= 正北;3=正南;4=东南;5=东北;6=西南;7= 0110 急流标识 西北。后 9 比特标识流速,0-51.1 节,511 表示 流速等于或大于 51.1 节。 6 比特,前 1 标识流向,0=逆时钟;1=顺时钟。 0111 旋涡流标识 后 5 比特标识影响半径,0-3.1 海里 18 比特,前4 比特标识规避类型。0=未知;1= 测量;2=疏浚;3=渔业;4=竞赛;5=环境保护; 1000 临时规避水域 6-15 暂不用,留保将来。后 14 比特标识影响半 径,0-16.384 海里 1000-1111 留待将来使用 2.3 AIS 适用专用电文 AIS 最初是作为一种主动辨识和跟踪船舶的方法研究的。通过发射和接收船舶 静态、动态和航次相关数据以及安全相关短电文实现对海上交通情况的监视与提供 各种基本服务,协助航行安全与环境保护功能。由于 AIS 寻址二进制电文 6 和广播 二进制电文 8 的结构可变,可以安排多项内容,而其它电文的结构是固定的,因此, 电文 6 和电文 8 成为挖掘 AIS 潜在应用的主要手段。 2004 年 5 月 IMO 海安会(MSC)SN/Circ.236 通函规定了国际通过的适用专用电 文(ASM)的应用导则,以指导基于电文 6、电文 8 的 ASM 试验,并选择 7 条试验电文: 11 集美大学硕士学位论文 基于 AIS 的航标助航信息服务技术研究 电文 8“气象与水文数据”电文、“航道关闭”电文、“伪 AIS 目标”电文、“扩 展船舶静态与航次相关数据”电文;电文 6“危险货指示”电文、“潮汐窗”电文、 “船上人数”电文。试验结果证明了 ASM 的应用潜力,电文为广大用户所接受。AIS 适用专用电文使用可减少语言通信,增强信息交换可靠性,并减轻操作人员的工作 负担。目前 IMO 已正式颁发《AIS 适用专用电文的应用导则》(IMO SN.1/Circ.289), 这将推进 AIS 在助航服务方面的应用[30]。 ASM 能提供各种预定信息包,例如:船舶向其他船和岸站报告信息;岸站发布 航行信息、航行状况和航行警告以及简化船舶报告。ASM 还可以向船舶询问适用专 用电文,并自动接收请求的信息。另外,二进制电文可以减少语音通信,提高信息 交换的可靠性和减轻操作人员的工作负担。ASM 还可应用于航标监控及航标信息播 发,其信息内容超过航标报告电文 21。ASM 很可能成为实现 E-航海核心目标的手段 [31] 。 2.3.1 电文结构 根据二进制电文的数据字段定义,ASM 长度是变化的。长度在 1-5 个时隙之间 [11,21] 变化。电文 6、8 的基本结构如表 2.6,2.7 所示 : 表 2.6 电文6 结构 参数 比特数 说明 电文ID 6 电文6 识别码 转发指示器 2 转发站用其指示转发次数:默认值=0 ;3=不再转发 源台站 ID 30 源台站的 MMSI 号码 序列号 2 由输入到台站的相应表示接口的电文指配 目标台站ID 30 目标台站的MMSI 号码 重发标志 1 0=不重发=默认;1=重发。 备用 1 不用应置为 0 最大 适用识别码(AI) 16bit 二进制数据 936 适用数据 最大 920bit 总比特数 1008 占用 1-5 个时隙 表 2.7 电文8 结构 参数 比特数 说明 电文ID 6 电文8 识别码 转发指示器 2 转发站用其指示转发次数:默认值=0 ;3=不再转发 源台站 ID 30 源台站的 MMSI 号码 备用 1 不用应置为 0 二进制数据 最大 适用识别码(AI) 16bit 968 适用数据 最大 952bit 总比特数 1008 占用 1-5 个时隙 ASM 在可自定义的二进制数据比特区域提出了适用识别码(AI)的概念。功能电 12 集美大学硕士学位论文 基于 AIS 的航标助航信息服务技术研究 文应用可以通过 AI 区分区域适用与本地适用,并且保证了国际的通用性以及助航 信息的多样性。ASM 的基本原理可以概括为[21]: 每一条二进制电文包含一个长度可变的二进制数据字段,不算标准 VHF 数据链 电文字头(电文 ID,转发指示器,用户源台站 ID 等),其长度可达给定的最大值。 二进制数据字段以 AI 开头。AI 唯一地标识出一条消息及其内容。它是一个 16 比 特的号码,用于定义构成数据内容的比特含义。每个 AI 和应用数据独特的结合构 成一个功能应用消息。 每条 AI 包括两部分: • 指定区域码(DAC); • 功能识别码(FI)。 DAC 是一个 10 比特的号码。DAC 的指配是: • 国际(DAC = 1-9),维持国际约定用于全球应用; • 区域(DAC 10),维持由区域权威部门控制; • 测试(DAC = 0),用于测试目的。 应用 ASM 的主管部门根据所在国家或区域的海事识别数字(MID)选择 DAC。任 何的 ASM 可在全球范围利用是未来的目标。DAC 的选择不受电文可使用地区的限制。 功能识别码(FI)是一个 6 比特的号码,它是在 DAC 指配下唯一标识数据功能结 构的。每个指定区域码(DAC)可以支持高达 64 种可用的功能识别码(FI)。 因此,二进制适用专用电文可以说是三部分组成: • 标准 AIS 结构(电文 ID、转发器识别码、源台站 ID,而对于寻址二进制 消息,还有一个目的台站 ID); • 16 比特 AI = DAC + FI,其组成为:10 比特 DAC—基于海事识别数字(MID); 6 比特 FI—可有 64 个独特应用专用消息; • 数据容量(可变长度,给定二进制数据的最大值)。 2.3.2 适用专用电文建议 自 IMO 颁发强制配备 AIS 设备的要求后,有关 ASM 应用的电文格式,国际有关 组织、研究机构以及公司做了大量的研究测试。 2002,Zeni Lite 公司在澳大利亚悉尼举行的 IALA 大会上展示了按照 AIS 标准 工作的首台 AIS 航标产品。该产品能够播发监测航标状态的 ASM 电文 6,并且于 2006 年在马六甲海岬进行了气象-水文区域性 ASM 研究。 2004 年,海安会(MSC)通过了 IMO 航行安全分委会第 49 次会议制订的 SN/ Circ.236 一 AIS 二进制电文应用指南。这项建议选择了 7 条二进制电文作为试验 电文。2006 年,根据瑞典的建议,海安全完成了 AIS 二进制信息应用指南,评估和 更新 AIS 适用专用电文的应用指南。 13 集美大学硕士学位论文 基于 AIS 的航标助航信息服务技术研究 2007 年,在芬兰 VTT 研究中心的主持下,芬兰、瑞典、爱沙尼亚海事主管部门、 芬兰环境协会以及芬兰海岸警卫队启动了一个项 目,成立了波罗的海适用专用电文 的测试项目。这个项目测试了 AIS 专用信息的技术可用性,也评估了这些信息的内 容。 2009 年,IMO 航行安全分委会第 55 次会议,由加拿大、中国等 12 个国家组成 的 AIS 二进制电文起草小组审议了 AIS 适用专用电文应用导则和 AIS 二进制电文信 息表述与显示导则的 SN 通函草案,以及制订 AIS 二进制国际适用电文目录格式草 案,并向全会提交了关于 AIS 二进制电文的报告。2010 年,IMO 的海上安全委员会 (MSC)在伦敦 IMO 总部召开第 87届会议,会议最终通过了航行安全分委会的有关 AIS 二进制国际适用电文的最新草案 SN/Circ.289。这种标准的建议将有利于国际 之间 AIS 设备显示标准的统一。 IALA 积极推进适用专用电文的应用,在适用专用 电文的研究中亦扮演着重要的 角色。在 A.126 建议中,IALA 提出了许多有关 AIS 在海上航标应用中的建议,并且 与纽罕布什尔大学合作,建立了一个可供搜索现有二进制电文的数据库,旨在阻止 [17,19] 大量重复制定同样用途的二进制电文和协调区域适用二进制电文 。 综合以上国际有关组织的研究成果和 1.1、1.2 节,本文主要研究有关区域性 (DAC10)适用的航标助航适用专用电文[30,32] 。 2.3.3.1 航标监测 电文 6 可以做为向航标管理部门提供航标监测数据的手段之一。AIS 航标设备 应发射专用航标状态电文 6。专用航标状态电文 6 可对雷康、灯光、蓄电池及辅助 设备的状态进行检测。电文 21 和 6 在航标监测功能相比,有以下特点: (1) 电文 21 应用为航标监测,仅提供最基本的航标工作状态数据;电文 6 可 以提供更全面的航标工作状态细节数据。 (2) 电文 21 仅 8 比特的数据,容易被破解篡改,对航标系统正常工作存在潜 在危险;电文 6 最大可达 926 比特数据可自行定义,数据的传输相对保密性较好, 相对不易受到干扰和恶意的电文内容篡改攻击。 (3) 当前,电文 21 应用于航标状态监测可以满足航标管理部门的基本需求。 增加 6 号状态电文的监测应用,会增加发送时隙,增加 VDL 负担。因此现阶段,利 用电文 6 检测航标不宜普遍使用,21 号电文可能更为适合。 (4) 根据 IEC 测试标准的初步规化,未来的船舶驾驶台设备能够解释 AIS 电文 21 中状态比特的简单数据。电文 21 的航标监测功能将可能供值班船员应用。例如, 安装在浮标上的 AIS 航标灯光故障,当船舶驶进 AIS 航标信号作用范围内时,驾驶 [19] 台显示器就会发出指示。未来,电文 6 和电文 21 在航标监测应用将各有侧重点 。 电文 21 和电文 6 应用于监测航标状态信息时,电文是由 AIS 航标终端向基站 14 集美大学硕士学位论文 基于 AIS 的航标助航信息服务技术研究 发送。国际上没有对这一 ASM 应用给出相关的标准规定。电文 6 的航标监控应用应 该与地区管理部门的实际需求相结合。因此,航标监测的电文格式随其生产厂家的 不同,格式也有所不同。附件 A 给出了 ZENI-LITE 浮标有限公司航标监测电文 6 的 参考格式。 2.3.3.2 气象与水文数据 水文气象对船舶安全航行至关重要。虽然现代航海技术飞速发展,船舶通信导 航相关技术和设备数字化、电子化程度越来越高,但是传统人工瞭望是自始至终不 间断地贯穿在船舶操纵之中。 气象的能见度直接影响船舶驾驶人员的视距。驾驶人员视距是指对船舶周围航 行水域的能见距离。该距离必须使观察者在白天能辨别物体的形状和颜色,在夜间 能区分灯光性质。而光在大气中行进的过程中,由于空气分子、云、雾、雨等的水 粒子和烟、灰、尘等的浮游粒子的作用,产生散射和被吸收,并逐渐衰减下去,因 此用于表征这些粒子作用程度的气象能见度对于辩识航标等助航设备有非常大的 影响,最终影响船舶驾驶员的决策。风、流、浪也是大自然中常见的现象。风是由 大气流动形成,我国沿海地区主要流行季风、寒潮大风和台风;波浪是海洋、江河、 湖泊中的水体在外力作用下,水质点离开平衡位置作往复运动,并向一定方向传输 的现象;而流主要是由潮流和风流合成的,它的流速随水深和时间而变化。这些自 然现象在一定程度上将会影响船舶的航向、航速,造成船舶偏离航道,同时还会影 [33] 响航标助航设备的正常工作 。 因此,以及时、准确、实用的水文气象信息为基础,为船舶安全航行提供多种 类、多手段、多层次的助航信息服务是未来海事服务的首要任务。安装在港口水域 的航标成了这种信息服务提供的最佳选择。 目前越来越多的航标上安装了水温、水 流、潮汐等各种水文传感器。航标可通过第三方通信技术将这些实时采集的信息直 接发送给船舶或者岸站。通过 AIS 适用专用电文发布气象与水文信息是可行的技术 手段,本文研究中测试采用的信息格式如表 2.8: 15 集美大学硕士学位论文 基于 AIS 的航标助航信息服务技术研究 表 2.8 电文结构 参数 比特数 说明 电文 8 识别码;同港口的各点气象特点,基本上是同步变化,8 号 电文 ID 6 电文广播水文气象信息更为有效率。 转发指示 2 转发器用于指示仪转发电文次数 器 源台站 ID 30 源台站 MMSI号码 备用 2 不用。应置为 0 IAI 16 DAC=412 ;FI==31 0=水文和气象信息,1=2 水文信息,2=2 气象信息,3=1 条水文信息, 信息标志 3 4=1 条气象信息,5-7=无效 测试点编 4 港口内一些重要、特殊点的固定测试位置编号 号 发射时间,小时,分,(hhmm,UTC) 日期和时 11 比特 10-6:时;0-23;24=无效=默认 间 比特 5-0:分;0-59;60=无效=默认。 风速 11 最近 10 min 平均风速。0-120 kts (数值大于 120应视为无效) 风向 9 0-359 度,1度(数值大于359 应视为无效) 0.0 至25.0 NM,0.1 NM 水平能见 0.0 至12.7 NM,0.1 NM最高有效位指示能 8 度 见度设备达到的最大距离,其读数被认为等于或大于 x.x NM.例如: 能见度等于或大于 5.0 NM) 3 0=保留,1=雨,2=雷雨,3=冻雨, 降水类型 4=混合/冰,5=雪,6=保留,7=无效 测试点编 4 港口内一些重要、特殊点的固定测试位置编号 号 发射时间,小时,分,(ddhhmm,UTC) 日期和时 11 比特 10-6:时;0-23;24=无效=默认 间 比特 5-0:分;0-59;60=无效=默认。 10 —10 至+50 度,0.1 度(编/译码采用 2 的补码)(数值小于—10 和大 水温 于 50 应视为无效) 流速 11 0.0 至20.46 kts,0.1 kt (数值等于 20.47 表示数值大于等 20.47) 流向 9 0-359 度,1度(数值大于359 应视为无效) 海平面以下测量深度,以米为单位,0—30 m,1 m 流深 5 (数值大于 30 应视为无效) 备用 0-2 总计 156 占用 1 时隙 2.3.3.3 潮汐数据 潮汐与人类的关系非常密切,因为日、月引潮力的作用,地球的岩石圈、水圈 和大气圈中分别产生的周期性的运动和变化的一种自然现象。海港工程,航运交通, 军事活动,渔、盐、水产业,近海环境研究与污染治理,都与潮汐现象密切相关[33]。 对于世界上众多受潮汐影响的港口来说,其早期设计的航道及泊位,部分可能 不满足船舶的满载正常进出、靠离和装卸作业的需求,常受航道或泊位的实际水深、 潮汐、风浪、季节等因素制约。若计划不周,将导致船舶不仅不能装到预期的最大 货量,损失可贵的船期,而且可能导致不该发生的船舶搁浅。因此,在港航行时, 16 集美大学硕士学位论文 基于 AIS 的航标助航信息服务技术研究 关注航道、泊位水深与潮汐资料,遵循充分利用潮汐资源。AIS 为船舶驾驶员提供 了一种方便的了解潮汐信息的手段。可使用适用专用二进制电文 6 播发潮汐信息, 根据船舶请求发送港口当前的潮汐信息,其电文格式如表 2.9: 表 2.9 电文结构 参数 比特数 说明 电文 6 识别码;船舶可以利用港口纸质或电子类的潮汐表,获取 电文 ID 6 潮汐信息。因此当船舶有需要时,可以采用 6号电文为船舶提供 潮汐信息。 转发指示器 2 转发器用于指示仪转发电文次数.0-3;0=默认,3=不再转发 源台站 ID 30 基站 ID 序列号 2 0-3;参考文献[] 目标台站 ID 30 目标台站MMSI 号码 重发标志 1 根据重发设置重发标志:0=不重发=默认;1=重发 备用 1 不用。应设置为 0 IAI 16 DAC=412 ;FI==14 潮汐状态标 1 0=涨潮;1=退潮 志 测试点编号 4 港口内一些重要、特殊点的固定测试位置编号 平均海面为基准,-10.22-10.22 m;数值等于正负 1023,表示潮高 当前潮高 11 大于等于 10.22m 或者小于等于-10.23m 平均海面为基准,当前时间段,历史潮高落差绝对值。数值等于 历史潮高 10 1023,表示潮高大于 10.23m 测量 UTC 时 5 0-23 ;24=UTC 时无效=默认;25-31 不用。 测量 UTC 分 6 0-59 ;60=UTC 分无效=默认;61-63 不用。 结束 UTC 时 5 涨潮/退潮估计结束时间,值含义同上 结束 UTC 时 6 涨潮/退潮估计结束时间,值含义同上 备用 2 00 总计 138 占用 1 个时隙 17 集美大学硕士学位论文 基于 AIS 的航标助航信息服务技术研究 第 3 章 AIS 网络链路资源容量分析 AIS 技术在航海领域应用,最初主要目 的是借助发射与接收船舶静态、动态和 航次