基于AIS在航标系统上的应用探讨

基于AIS在航标系统上的应用探讨The application and discussion of the Navigation-aids system based on AIS专 业： 航 海 技 术Major : Navigation作 者： 罗 育 彬Author : Luo Yubin指导教师： 潘 家 财Supervisor： Pan Jiacai学位授予单位：集美大学University: Ji Mei University学号 No.： 2003110215基于AIS在航标系统上的应用探讨摘 要 航标是航道的基础助航设施，直接影响船舶的航行安全。对于沿海航道的航标，雷达一直作为主要的观测设备，用来监测和识别航标。虽然随着技术的进步，雷达的性能得到了一定的提高，但始终难以克服其自身的局限性。随着通信技术和计算机技术的飞速发展，应运而生的AIS技术显示出了卓越的优势。AIS系统与当前的雷达相比具有提供信息量大、实时性好、抗干扰能力强和越障碍传输等优点AIS系统将会给海上航标监视带来革命性的进步。本文针对当前航标(沿海航道航标)数字化的迫切要求和AIS技术的发展趋势，通过深入研究AIS的技术特点，仔细分析IALA所述作为航标的AIS的潜在应用，归纳了基于AIS的航标无线监控系统的总体功能，设计了系统的总体框架和航标AIS系统构成，并对航标AIS应用的优缺点进行了分析和进一步展望。关键词 航标 数字化 AIS AIS航标 VTSThe application and discussion of theNavigation-aids system based on AISAbstract Navigation-aids is the basic establishment of the sea-route for assisting navigation straightly effecting on the safety of shipping. For the Navigation-aids of seashore sea-route radar is always the main observation establishment for watching and identifying Navigation-aids. With the progressing of technology the capability of radar is improved but it is difficult to overcoming itself shortcomings. Along with the fast increasing of communication and computer technology the advantage of AIS emerge as the times require appears Contrasted with the current radar AIS system is provided with the excellence such as large information quantity, good real-time, strong anti-jamming and across-obstacle transmission and it will bring revolutionary progress in the surveillance of Navigation-aids. Aim at the requirement of Navigation-aids digitization and the development of AIS technology, through researching deeply the characteristic of AIS technology and analyzing carefully the potential application of AIS as saying as IALA the paper sums up the whole functions based on the system of the wireless surveillance and design the whole frame of system, the Navigation-aids AIS system and make a analysis and further prospects on the advantages and disadvantages of the application on Navigation-aids AIS. keyword Navigation-aids Digitization AIS AISNavigation-aids VTS目 录目 录IV引 言1第 1 章现行航标技术概况21.1航标的作用21.2航标的传统助航方式21.3航标的传统管理模式31.4航标数字化的需求和意义41.5AIS技术应用于航标系统的必要性和可行性5第 2 章AIS系统概述72.1AIS的基本组成72.2AIS的主要功能92.3AIS的技术特性9第 3 章AIS技术在航标中的应用分析113.1航标AIS系统总体功能113.2航标AIS系统的总体结构设计13第 4 章航标AIS的优缺点及其进一步应用探索204.1航标AIS的一些优越性204.2航标AIS的几点问题214.3AIS技术在航标中的进一步应用22结 论23致谢语24参考文献25IV引 言在引言中，应提到AIS的发展及在航标中的可能应用。而你的论文只是论述AIS的情况，没有涉及到航标，因为你的主题是AIS航标，所以也应涉及到航标。从上世纪70年代以来，船舶朝着大型化，高速化的方向发展，船舶数量与水域交通密度及危险货物载量不断增加，海损事故时有发生，严重威胁船舶航行安全及海洋生态环境。人们在长期不断研究船舶航行安全保障技术中越来越深刻地认识到船舶间，船岸间相互交换信息及船舶识别的重要性，同时也看到相关的通信导航现状存在着诸多局限性。尽管船用雷达，ARPA具有避碰功能，但提供的信息有限，不能识别船舶，不能告知船名、呼号、国籍与操船意图，并且其工作常常受到气象、海况及地形的影响，越是需要雷达、ARPA发挥作用的狭水道、船舶密度大的水域以及遭遇恶劣气象、海况环境时，雷达、ARPA却显得无能为力。航行中相遇船舶间通讯，至今仍沿用VHF无线电话，由于这种靠人工操作的通信方式不能自动获得相遇船标识，不能掌握对方的操船意图，实际上难以在船舶实操前达成双方避碰协议，往往因延误宝贵的时间或不明对方真正的操船意图而采取不相协调的避让动作，而造成海事事故。在港口VTS中，采用VHF-DF及雷达观测进行船舶识别 ，难于解决船舶自动识别问题，这些都影响了船舶航行安全，船舶交通管理。此外，基于港口交管雷达信号的VTS雷达数据处理子系统，由于采用常规恒载频非相参脉冲雷达信号体制的局限性，导致对动态目标跟踪的精度、分辨率及可靠性均不如人意，这种目标信息源的缺陷和先进的计算机处理能力已越来越不相称，也不能适应现代港口VTS技术发展的需求，实际已经成为VTS目标跟踪处理技术的瓶颈。AIS作为一种新型的船舶导航通信设备，将在船舶导航、船舶避碰、船船通信，船岸通信中发挥重要作用。在国际有关组织IMO，IALA，ITU，IEC的努力下，从1992年开始在国际会议上研讨AIS至今正式发布了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，发展之迅速反映了客观迫切需要，十分令人瞩目。目前，船舶AIS设备已进入实质性的强制安装阶段。我国沿海、沿江AIS台站的建设也已渐展开。AIS的迅速普及与应用，必将从多个方面对传统的航海模式和观念产生深远的影响。第 1 章 现行航标技术概况1.1 航标的作用 航标是指供船舶定位、导航或者用于其他专用目的的助航设施，包括视觉航标、无线电导航设施和音响航标。它主要用于船舶往来频繁、水文地理复杂的水域及港口，为船舶指示航线、转向点、浅滩、暗礁、沉船和禁航区等，是保障船舶安全航行的重要设施，对发展水上交通运输、海洋资源开发、渔业捕捞、国防建设和维护国家主权起着重要作用1。1随着无线电导航技术飞速发展，很多船舶配备了先进的航海仪器，可以利用全球卫星导航系统(GPS)进行全天候的实时高精度的船位测定，保证了船舶的安全航行。但在船舶来往频繁、水文地理情况复杂的狭窄航道或港口水域，仅靠无线电导航在屏幕终端或电子海图上显示船位航线是远远不够的。航海人员还必须根据航标所标示的航线、航道界限和障碍物，一目了然地全面掌握航道的情况，当机立断作出正确判断指挥航行。而且，在当今的中国，设备简陋的小型船舶仍占大多数，它们没有专用的无线电接收设备，仅凭肉眼观察视觉航标以保证航行安全。因此，视觉航标在新技术飞速发展时期仍然具有其独特的助航作用和不可替代的重要地位，是近海和海港在良好视距条件下不可忽视的重要助航手段。1.2 航标的传统助航方式水运与公路的最大不同就是，水道是天然或人工航道，会随时间进行改变;公路可以看到坡度，水面则难以看出水深，因此所有航行船只必须根据航道图进行航行，否则就可能出现搁浅或触损等危险。一年内要对航道进行多次的局部或整体的测量，每次都会出现数据更新，几年时间甚至就要重新绘制新的航道图版本。但各种船只以前都是通过邮寄或购买人工绘制的纸制航道图的方式，不可能及时得到更新信息。利用了电子航道图之后则可以完全改观，它最基础的功能就是让行轮可以通过AIS, GPS等通信方式在驾驶台的电脑上实时观测航行水域内的航道情况来确定船位，从而躲避浅滩暗礁，实现真正意义上的安全自动导航。而普通的纸质海图受尺寸、印刷等限制难以达到全水域浏览，一个图幅只能显示一段航道水域，即使分页也会受图比的限制，难以揭示更多的信息，特别是无法和海轮等现代的航海导航设施动态结合。1.3 航标的传统管理模式视觉航标是人们视觉可直接观察到的助航标志，具有易辨认的形状与颜色，并装有灯器及其它附属设备。在白昼，常用其标身的形状、颜色和顶标供航行人员观察:而夜间，则用灯质，即用灯光颜色、灯光节奏和灯光周期作为识别的特征。因此，维护人员在检查航标时，往往需要检查航标的标位、外形结构及标灯 (含电源)各部件的技术性能。在我国，航道的视觉航标管理和维护一般采用人工定期巡检、定期检修的方式。航道管理部门设立专门的航标维护人员队伍，每十天派出一次日航船和每月派出一次夜航船，靠人员目测来检查航标灯的闪亮状态和位置漂移情况，每个季度还要对航标灯和蓄电池的各项技术性能指标进行一次全面地检测。这种落后的航标管理模式带来很多弊端: 21) 实时性差：采用周期巡查，对于在两次巡航检查之间出现航标灯故障，管理部门很难及时发现和迅速维修处理，这给日益繁忙的航运留下了事故隐患。2) 可靠性低：巡查过程中，靠人员目测检查航标灯的闪亮状态和位置漂移情况，很大程度上依赖巡查人员的工作经验，准确度低、可靠性不高。3) 效率较低：航道里程长，航标分布范围广，需要巡查的地点多，出航巡查的船舶需要花费大量的时间，而且每次巡查都是周期的例行检查，缺乏明确的维护目的。这导致了周期巡查的效率低下。4) 费用较高：定期派出船只和人员对整个航道的所有航标进行巡查，消耗大量的燃油和人力，附加上船只的维护费用，船只和人员的开销费用极大。5) 安全隐患较多：航道分布广，有些地方的水文地理情况复杂，派出船只巡查，有一定的风险，尤其是在夜航查灯一以及恶劣气候和环境的条件下更为突出。1.4 航标数字化的需求和意义在这节中最后，应很自然地引入AIS。这样的文章的连贯性比较好。综上所述，传统的航标管理模式由于自身固有的弊端，已经很难满足日益繁忙的水路运输所提出的高质量安全航行的要求。航道管理部门期待一个高效、可靠的航道管理系统。交通部在公路、水路交通信息化“十五”发展规划中明确指出:“十五”期间，要着力解决交通发展的质量、效率、安全及服务等根本性问题，加快产业优化升级和结构调整，全面推进公路、水路交通信息化。要把信息化放在优先位置，加强现代信息基础设施建设，广泛应用信息技术，提高运输方式、运输技术、运输组织管理和交通基础设施建设的现代化水平，发挥后发优势，实现公路、水路交通的跨越式发展，航道作为我国水路交通运输的重要组成部分，航道管理业务的发展和振兴更是离不开信息化这个大方向。建设海上数字交通系统是水上交通信息化发展的必然趋势，也是我国从海运大国向海运强国转变的技术保证之一，建设我国海上数字交通系统势在必行。它的实现将大大提高我国海上交通的安全水平、通航能力和航运效率。希望在政府部门的支持与领导下，集中人力、物力，加快研发步伐尽快建成我国的海上数字交通系统。AIS的是这个数字化工程中很重要的一方面。1.5 AIS技术应用于航标系统的必要性和可行性这节应适当分段，自然段太长，看了很累。AIS（Automatic Identification System）诞生于20世纪新经济崛起的90年代，是集现代通信、网络和信息技术于一体的多门类高科技新型航海助航设备和安全信息系统。AIS是一种工作在VHF频段采用SOTDMA现代通讯技术的广播式自动报告系统，全称为国际通用船舶自动识别系统(Automatic Identification System 缩写为AIS )。AIS系统由船台、基站组成。船台可向他船及基站自动播发本船的动态信息(船位、航速、航向等)，静态信息(船名、目的港等)、航次信息和安全短消息等相关资料，同时也可自动接收他船及基站的资讯。基站则可依靠所获取的信息，拓展主管机关的服务、管理范围，及时掌握海域交通动态，提高海域管理效率等等。AIS系统的特性和能力，将使其成为促进航行安全，提高航运交通管理效率的先进工具。IMO, IALA, ITU, IEC对AIS相应规约的及时制定，对AIS产品的成熟与发展、兼容性和推广使用起到了决定性作用，AIS己进入产品化的实用性阶段。AIS系统所具备的性能与潜力，促使全世界AIS基站的技术与建设发展迅速。目前国际上AIS基站系统的建设理念、技术内涵和运行模式已经历了三代，即VTS增强型、网络型、信息化型。目前，AIS的功能越来越完善，越来越多地被安装到船舶上使用，这为开发航标AIS和航标AIS得以广泛应用准备了良好的设备基础（后面的文字应紧紧围绕这个主题来写，关联性差就少写）。2002年7月1日起，按照SOLAS公约的修订案的要求，国际航线的部分船舶将强制配备AIS设备。具体要求是:国际航线船舶，所有客船2003年7月1日前安装，所有液货船2003年7月1日起安装设备检验前安装，所有50000总吨以上船舶2004年7月1日前安装，最迟在2004年12月31日前安装。非国际航线船舶，所有客船2004年7月1日前安装，所有500总吨以上货船，2008年7月1日前安装。2002年7月1日起新造船舶立即适用。中国海事局是我国沿海海上交通安全的主管机关，负有我国沿海航海保障系统的建设与管理职能，鉴于AIS系统的特点和功能，海事局一直非常关注AIS系统的发展，早于20世纪90年代就开始跟踪国际AIS动态，参与国际AIS相关会议，以研究我国AIS系统的建设、规划与发展。AIS对于海上船舶导助航、海上交通安全、沿海防恐等具有重要意义，加快我国AIS系统的建设是当务之急。符合定位我国的AIS系统建设，如何与现有航海保障系统相结合，通过研究工作，借鉴国际组织相关成果，中国海事局将AIS定位为一种新型的信息化助航系统，其依托GPS所构建的数字空间平台，通过ECDIS、现代信息网络等先进手段实现船一船，船一岸的信息沟通，实现信息的可视化、多维化，将成为我国沿海数字航标、数字航海的一个重要的基础平台，将丰富海事管理手段，海事管理模式，构筑我国海上智能交通系统。为使我国沿海AIS系统的建设科学、有序，中国海事局已着手制定了中国沿海AIS基站配布规划。根据规划将建设覆盖我国沿海的AIS系统，建设“网络化与信息化”的AIS网络，其建设应与水运发展战略和港口、航道的发展布局相适应，以促进我国海上经济贸易的发展，促进海上交通安全服务与管理水平的提升、促进海上智能交通的实现;同时满足行使国家主权，维护我国海洋权益，保护海洋环境之需。为尽快形成我国AIS履约能力，履行国家的主权，中国海事局制定了有关具体实施计划，即以重要水域、港口、海峡等航行密集区域，水上交通重点管制区域、沿海经济发达地区就(如长江口、珠江口、渤海湾、琼州海峡、台湾海峡等)为配布重点;充分利用现有海事基础设施，形成沿海AIS网络框架，建立多个地区级网络及国家级网络中心，最终将建成国家级AIS网络，其信息资源将向社会公众开放。在2003年中国海事局开展了长江口、珠江口的AIS网络工程建设，并已于2004年建设了琼州海峡、长江口、渤海湾的AIS基站网络，并将在短期内迅速实现我国重点水上交通控制区域“四区一线”AIS覆盖。长江口、珠江口AIS工程本着采用成熟、先进技术，网络化结构，信息开放的原则，经过有关专家论证和比选，最终选择瑞典SAAB公司产品，该公司是全球最早研发和制造AIS船台、基站系统的厂商，己销售了20多套基站设备，占有国际AIS基站市场95%的份额，其产品在先进性、成熟性方面具备优势。因此，长江口、珠江口AIS网络具有世界先进水平。2008年，据不完全统计，全世界己建或在建的有瑞典、挪威、芬兰、美国、加拿大、马六甲海峡国家和地区性AIS基站系统，我国的AIS建设在世界上已处于先进行列，在亚洲地区其规模、技术均为领先。第 2 章 AIS系统概述2.1 AIS的基本组成概括起来，AIS(自动识别系统)的概念包括以下三个方面:(1)自动识别系统是自主的改善避碰的设备:(2)交管中心独立于雷达获得交通图景的设备;(3)船舶和航标报告制的一种设备。自动识别系统的目的是使所有装备无线电应答器的船舶和交管中心能看到装有这种设备的其他船舶和航标，“看见”意味着交换船舶当前的航行状况以及操纵等重要的航行数据，这些数据连续交换而不需人工干预。需交换的信息在发送船上虽是己知的，但是其中大部分接收船无法取得。最重要的数据项包括船舶识别码、船上的位置传感器测出的精确船位、航向、航速、船首向以及转弯速度发送这些信息对船舶的避碰都是非常有利的。雷达有时候“助碰”的原因多数是在雷达上难以分清船舶转弯的方向，也就是说自动识别系统能够为装备这种系统的船舶提供良好的避碰手段，显著地提高和补充船上和交管中心雷达的作用。对于VTS中心来说，AIS增强了监控功能，在V HF通信距离内的所有应答物会自动显示和识别在数字海图上。为了获得AIS的最大效益，沿岸监测用网络可以沿着海岸线建立。沿海岸线的基站可以通过地面岸基网络、VTS网络甚至个人用户连接，不同存取水平的功能都可以利用AIS信息。同时AIS与电子海图组合在一起能使值班员或VTS操作员大大的改善对船舶交通环境的了解，实际上，例如船首向附近的变化情况AIS能比ARPA技术更快的检测出来，从这一点AIS系统的实施是对现有VTS系统的补充和完善。 当然AIS系统的使用己经完全可以代替通过VHF和值班人员通过语音识别的手段，既减轻了VTS操作员的负担，又避免人工操作的误识别，特别是当两条相距很近的船在雷达图像上容易引起识别错误。AIS系统是利用先进的通信技术和计算机技术结合海上交通的实际情况而建立的一个相对比较独立的系统，系统的设备基本组成如下：4(1)通信处理器，覆盖指定范围的海上频率，适当的频道选择和转换方法。(2)独立的VHF发射机，两个VHF接收机，收发都工作在指定的频率(87B88B两个频率)上。(3)提供相关数据的输入平台，可以是独立I/O设备或者集成在AIS设备中。(4)提供从其他传感器接收动态数据的接口。(5)装有6个频道的GPS引擎，用差分校正，位置精度可达米级以下，在差分网以外的位置精度也优于雷达的定位精度。VHF DSCVHF 接收VHF 接收VHF 发射雷达ARPAAIS显示器AIS信息处理器船用电子通信接 口GPS/DGPS/GNSS电罗经ECDIS输入装置图2.1 AIS原理框图2.2 AIS的主要功能(1)自动向合适配备的岸台，其它船舶提供与安全有关的静态和动态信息(2)自动接受来自岸台和其它船舶的有关信息(3)检测识别船舶并能自动跟踪目标 (4)与岸基设施交换数据(5)简化信息交流和提供其它辅助信息以避免碰撞发生系统能够在所有区域内自主连续工作并由交管监视中心指配工作模式，以便主管部门控制数据传输的间隔和时隙，数据的传输响应来自于船舶或主管部门的问询，有轮询和受控两种模式。2.3 AIS的技术特性2.3.1 AIS信息的播发方式及内容信息播放的方式：（1）主动、连续地向他船或岸台自动发送本船的静态和动态信息；（2）接收特定的轮询呼叫，传输和处理附加的安全信息；（3）在航行中或锚定状态下能连续运行；信息内容：（1）静态信息：船舶识别MMSI 码、IMO 号码、呼号和船名、船长与型宽、船舶类型、船上定位天线的位置；（2）动态信息：协调世界时（UTC）、对地航向（COG）、对地航速（SOC）、航首向、转向率、航行状态；（3）与航次相关的信息：船舶吃水、危险物品，由船长自主决定的目的地、估计到达时间、航行计划、人员数量（这些信息对船队管理有用）；（4）安全信息AIS提供了不同的信息更新率，具体如表3-1所示。对于动态信息的更新率，取决于船舶的速度和航向变化率，具体如表3-2所示。2.3.2 AIS的无线（VHF）通信特性（1）通用工作频率：VHF87/88 频道，AIS1：156.025MHZ，AIS2：162.025MHZ （2）工作频率：156.025162.025MHZ（3）频带宽度：25KHZ 或12.5KHZ（4）发射功率：5W/25W（20 海里有效）（5）工作模式：开放系统互联方式（OSI）（6）调制方式：高斯最小频移键控/ 调频（GMSK/FM）（7）数据编码方式：NRZI（8）数据传输率：9.6KB/S（9）通信方式：时分多址（TDMA）（10）通信规则：高级数据链路控制规程（HDLC）AIS的核心技术是海上自组织无线数据链路。该链路工作于VHF海上移动频段，利用自组织时分多址算法，具有自组织通信能力。所谓“自组织通信”的含义是指加入到该数据链路上的每个移动台能在没有基地台控制的条件下，自主地选择自己的发射方案，并能自动地避免和解决通信冲突问题。AIS采用OSI七层工作模式中低四层:物理层、数据链路层、网络层和传输层。物理层主要实现数据流的传输，提供必要的物理设备。数据链路层定义数据的工作技术，用于校验数据和数据的同步收发。网络层负责建立和维持信道的连续，控制信道上的数据流向，优化信道的使用。传输层负责将数据转换成大小正确的发射信息包、数据分组排序和与较高层的接口规程。第 3 章 AIS技术在航标中的应用分析AIS是现代信息技术在航海领域应用的产物，它为海上交通安全又提供了技术保障。随着AIS的实施，研究AIS在航标系统的应用是非常必要的。航标信息AIS发布子系统是以AIS作为通信平台，实时发布航标信息。系统通过与AIS设备的连接，按照AIS的通信协议向A IS设备传输要发送的航标信息，由AIS系统向外播发.。这为船舶及时获取航标实时信息提供了新途径，同时也将为AIS航标的实现建立了技术平台。3.1 航标AIS系统总体功能是“AIS航标”或是“航标AIS”？3.1.1 AIS航标的潜在应用 AIS技术应用于船舶并不断发展的同时，IALA也注意到AIS技术在航标中的应用前景，它建议了作为航标的AIS的潜在应用。设备提供的信息和数据能够3：(1)补充和替代现有的航标，向周围船舶或向岸上管理当局提供识别码、“健康”状况和其他信息如实时的潮高、本地气象等;；(2)通过发射准确的位置(经DNGSS修正)，以监测它们是否在标位上，可以提供航标(主要是浮标)的位置;；(3)对航标的性能监测，提供实时信息，利用连接的数据链进行遥控，改变航标的参数或开启备份设备;；(4)取代雷达信标(雷达应答器)和在各种气象条件下提供较远程的探测和识别;(5)收集装备有AIS的航运交通的数据，以便未来航标规划。3.1.2 系统总体功能归纳 基于AIS的航标无线监控系统的功能(数据的搜集、信息管理、助航服务)从信息的角度而言概括起来就是对信息的搜集、整理、传播和运用。随着信息技术的飞速发展，其对航标无线监控系统的影响也在不断扩大。基于系统研究的需要，我们可以从以下几大方面来详细描述系统所必备的功能： 1.数据的采集 数据采集是管理航标必不可少的步骤，如果没有数据，航标数据管理系统就处于瘫痪的状态。航标通过GPS获得航标的经纬度信息，通过控制器接口电路采集电源电压、灯器电流、灯开关状态等运行信息，通过AIS接收机获得邻近的船载AIS信息与航标遥控命令信息。数据采集是系统最基本的功能，为以后的数据的评估，信息管理和助航服务提供了一些必要的数据。 2.信息管理 负责提供和维护助航条件的管理当局被要求尽可能高效和经济的配置高可用性、高可靠性和适当准确度的助航系统，以帮助航海人员安全和迅速地完成航程。监控中心能够对各个航标进行实时监控，收集整个监控系统的数据，并用友好的人性化人机界面将各个航标的状态显示出来，辅助操作人员分析各个航标的工作状态。在航标发生故障时，监控中心要及时向有关负责人员发送警报信息。通过监控中心还可以灵活地设定各个航标的监控终端的工作参数。对录入的各种基本资料和接收到的信息进行分类汇总，方便操作人员查询与打印，主要包括维护记录、航标历史状态、航标数据和通信记录。 3.助航服务航标的作用是要解决船舶导航、定位以及避碰问题。船舶接收航标的位置信息，并在自己的海图或电子海图上面确定航标的实时位置，继而确定航道信息，确定最佳、最经济航线，以及避开障航物。岸台也可广播安全相关的信息，包括影响船舶航行的因素(气象、能见度情况)，助航设备的状况(航标离位、夜间航标灯灭)等助航信息。3.2 航标AIS系统的总体结构设计根据系统功能得出系统的构成主要由AIS航标站、AIS基站、AIS区域中心及航标管理部门组合而成。AIS航标站主要是在航标上配置一台AIS应答器即可，当然它与装载在船舶上的有所不同，具体将在下面进行论述。AIS基站可利用现有己建AIS基站，一般来说，AIS工作区域基本上都可以覆盖区域内的助航标志。如果有个别的标志超出AIS的工作区域，仍可以用中继方式接入AIS的网络。基站AIS覆盖范围内实时采集所有AIS航标站的位置信息和运行状况信息，并将信息发送给AIS区域中心。AIS区域中心通过信息通道采集航标AIS信息将其存储在数据中，并向其它系统提供数据库资源。AIS的信息发送和接收范围一般在20至25海里。要控制大港湾的船舶交通和覆盖所有的航标，一个AIS基站是不够用的，一个AIS区域控制中心可支持多个AIS基站，形成区域网络，建成AIS区域控制中心，监控整个港湾水域船舶的航行和航标的工作状况。系统的结构框图如图3.1所示：图3.1 基于AIS的航标系统框图3.2.1 系统的工作原理 航标AIS有两种工作模式，自主连续工作模式和非自主连续(呼叫应答式)工作模式。在自主连续工作模式下，航标AIS通过搜集由GPS获得的位置信息，再加上航标本身的健康状况信息形成电文，定时广播地发送给基站AIS，同时船载AIS也能接收到此信息，以获得电子航道图。航标AIS也通过控制器搜集航标的工作状态信息形成电文后，通过寻址方式只发送给基站AIS,基站AIS把搜集到的航标位置信息和工作状态信息，通过网络传送给航标监控中心。监控中心接收到航标AIS发回来的航标信息后，进行分类汇总，存储入数据库，并生成各种统计报表，还要进行报警。在另外一种工作模式下，管理人员可以通过监控中心采用主动查询的方式，向航标AIS询问航标的工作参数和位置信息，快速确认航标的工作状态。航标AIS还可以执行监控中心发送的控制指令，按照管理人员的指示控制航标工作，实现航标的遥控。同时，航标AIS也可搜集邻近的、装备有AIS的船舶的信息，定时的通过寻址方式发送给基站AIS，以备航标未来规划。3.2.2 航标AIS子系统的构成IEC国际AIS技术标准允许航标AIS工作在FATDMA模式。以航标位置信息为例来介绍FATDMA工作模式，航标位置信息一般占用两个时隙。一个航标AIS单元操作在FATDMA模式将发射信息在基站AIS保留的两个时隙。船舶从基站接收到信息，指示这两个时隙被保留。船舶AIS传感器存储这个时隙在它们的时隙图中，在这些时隙不发射信息。FATDMA模式极大地减少了航标AIS的电源负载，因为不需要接收周期去建立时隙图。3.2.2.1 航标AIS子系统的主要功能安装了AIS的航标不仅可以与船舶通信，而且还可以与航标管理部门通信，这对船舶安全航行和航标管理无疑带来了更多的方便。(1)播发位置信息 灯浮是容易漂移的航标，一旦漂移，容易造成船舶的搁浅。系统可在无需人工介入的情况下，主动连续地向配备AIS的船舶和岸台提供信息，包括航标识别码、航标类型、航标位置、离位指示等信息。IALA规定AIS信息21为航标位置报告电文。检查航标的位置是否移位，即超出警戒圈，警戒圈的半径由航标管理部门指定。如果航标离位，消息21的离位标志置位。 (2)播发工作状态信息 工作状态信息内容的传输可以通过AIS航标站播发AIS信息6(寻址二进制电文)传送到AIS基站，而且它不必频繁发送，当状态改变或报警状态启动发送就足够了。通过这种方式能够使此信息对时隙的占用达到最小，典型地每天两个报告一灯亮与灯灭，所以，一天发送2个工作状态报告即可。 (3)播发气象信息分段，太长了 当前海上船舶所能取得的气象信息的主要方式有通过EGC和NAVTEX等渠道接受的气象文字信息，还有通过气象传真机接受的图形形式的气象信息。船舶驾驶员使用起来简单明了，但是它的使用必须要求船舶驾驶员具有一定的气象知识。限于信息较为固定单一并难以结合本船实际，而且驾驶员气象水平所限，使得船舶驾驶员难以对它进行更为复杂的运用，例如气象导航。由于这种信息不能用计算机进行运算分析，也使得这种气象信息不能融入其他电子信息平台(电子海图系统)。如果将航海气象信息数字化，即对气象信息内容进行分类编码，这样就易于计算机的处理。气象信息内容的传输可以通过AIS航标站播发AIS信息(二进制广播电文)传送到AIS船站，如果气象专业领域各种标准的制定与5-57结合，那么收到的气象信息还可以直接在电子海图上实时反映出来。AIS航标站播发气象信息的关键在于航海气象信息的编码及船站相应的解码。航海气象信息的编码需要遵循统一的标准。我国航海气象领域经过长期的科研和生产实践，积累了大量的航海气象数据信息，然而由于对航海气象信息描述、定义、获取、表示形式和信息应用环境等尚未形成统一的标准，致使大量的数据信息处于分散的、部门所有的和各自为政的状态，很难在广域和一个集成环境下使用，实现全社会的数据共享。因此，开展航海气象信息标准化工作，有利于AIS航标站播发气象信息应用的推广。(4)搜集邻近船舶信息系统能接收来自邻近配备AIS的船舶信息并处理船舶AIS信息。这需专门的存储器及控制器，数据经处理后形成电文，按一定的时间间隔发送给航标管理部门，时间间隔由管理部门制定。航标管理部门获得数据存储在数据库，留为未来航标规划使用。此功能只是系统的附加功能，具体实现留在将来研究。(5)接收遥控命令信息系统能接收基站AIS发射的航标遥控命令信息，通过调用相应的解包、解码程序，提取有关控制信息，从而改变航标的参数。利用这种方式实现航标的远程遥控，减少了人力、物力，使航标的维护和管理更加智能化。3.2.2.2 航标AIS子系统的设计现在没有专门应用于航标的AIS设备，如果把船载AIS应用于航标，不仅造价昂贵、增加成本，而且会造成很大的资源浪费，因为船载AIS的很多功能在航标中是不适用的，而且体积和能源供应也是问题。因为航标体积本来就很小，如果在其上面安置的AIS体积或者重量很大，势必会增加航标的不稳定性。航标的电源设备多来源于蓄电池等供航标灯或是航标音响的电源，而船载AIS是基于船载能源设计的，应用于航标上不仅达不到要求，不能使AIS正常运转，甚至会影响航标本身的功能或者寿命。所以要设计专门应用于航标的AIS要求耗电量少、体积小、重量轻、防水性能良好、安装牢固。AIS航标站主要由航标设备、控制器、航标AIS应答器和电源四部分组成。安装在航标上的AIS应答器一般由VHF天线(包括GPS天线)、AIS收发器、连接器、AIS自动识别控制器和供电器组成。每个收发器由一个发射机、两个AIS接收机和天线组成。不同于船载AIS，它没有专用的显示器。如图3.2所示: 11控制器: 通过接口，自动采集航标自动化设备的工作状态数据，如灯光周期、供电系统工作状态(电压、电流是否正常)、日光控制开关的工作状态等动态数据至AIS子系统。Data处理器: Data处理器主要接收来自GPS/DGPS的航标位置、同步世界时UTC及来自航标控制器的航标工作状态数据，数字化后加到信息处理器。GPS采用NEMA-0183格式，通信接口采用RS232, RS485/422标准。信息处理器: 信息处理器包括两个TDMA解码器和一个TDMA编码器。它是AIS的核心部分，主要用于存储本航标识别码、名称、类型等静态信息;处理存储本航标动态信息;将存储的本航标最新位置和工作状态数据及必要的静态数据进行编码后送VHF发射;对接收到的来自岸台的控制和查询命令信息进行解码并存储解码后的数据。为使广播式AIS系统具有可靠、有序的信息通信，要求各航标AIS设备和基站AIS设备时间严格同步，从而避免内部干扰。通常用于同步的参考时间均采用来自GPS的UTC，也可采用与UTC相关的时间源。VHF收发机: 包括一台VHF发射机和两台VHF接收机。由系统信息处理器控制，用CH87B, CH88B两个国际专用频段自动发射和接收按协议通信方案规定的己调信号，频带为25KHz/12.SKHz，采用半双工通信方式。己调信号中含有本航标的位置与工作状态信息，发送信息的编码和接收信息的解码均由信息处理器完成。AIS可以同时在两个频率上交替进行，可以避免RF干扰和增加系统容量。此外，主管部门还可以指配AIS的区域性使用频率，使AIS可工作于一组频率并具有频道选择和切换手段，既可以工作于近程，也可工作于远程。3.2.3 AIS航标基站网络的构建AIS基站网络的构建如图3.3:AIS基站接收海上AIS船站和AIS航标站的信息，如果个别航标站超出AIS的工作范围，可设立中继站介入AIS的网络。为方便管理AIS基站，一个港口应建设一个基站控制中心BSC，它负责该港口所有AIS基站信息的处理，同时将数据存入基站控制中心的数据库。这些信息可供VTS部门和港口安全部门参考。基站控制中心与基站间的通信，可采用公用通信手段如Internet, GSM/GPRS、微波通信等方式。基站控制中心与VTS，港口部门的通信可采用Internet或专线。港口的基站控制中心与地区级的AIS网络中心相连，如环渤海地区可建立一个地区级的AIS网络中心，它可与大连港、天津港、烟台港等港口基站控制中心连接，全国沿海还可在珠江口、长江口地区建立地区级的AIS网络中心，最后地区级的AIS网络中心可与国家级的AIS网络中心(如可建在北京)联网，通过国家级的AIS网络中心一方面接入国际AIS网络，一方面与Internet相连。港航企业、船东、航标管理部门、海事部门可通过Internet访问AIS基站网络上的任何一个节点9。9第 4 章 航标AIS的优缺点及其进一步应用探索4.1 航标AIS的一些优越性与传统航标系统(主要为视觉航标系统)比较，航标AIS的优越性及其主要作用表现在以下几个方面:(1) 传统航标的维护需要投入大量的人力和船只，且只能是定时维护，难以实现实时维护。而装有AIS的航标能向航标管理部门传输含有航标名称、位置及健康状况信息的AIS电文，便于管理人员实时监测航标，根据检测结果进行及时维护，因而可以提高管理效率，节省维护成本。(2) 弥补传统航标信号不足,加强航标的助航功能。传统的导航系统主要依靠灯光，声音等进行定位和导航，不能向船舶提供位置数据，对于浮标还存在移位的问题。由于AIS是在VHF海上移动频段传输数据,其传播特性可弥补传统航标不足, 集成AIS的航标可在AIS显示器上全天候识别。对于具有AIS船台的船舶,在AIS的显示屏上就可以一目了然地获取浮标和航道状况，这对于船舶流量密集的通航水域尤其重要。(3) 传统灯光航标的视觉效果要受到天气的影响，而航标AIS信号通过VHF传播，几乎不受外界气候的干扰。(4) 减少船舶碰撞航标事故,减少肇事船舶逃逸所造成的损失。装有AIS 的航标,即使灯光熄灭仍可正常工作。船舶可以及时发现周围的航标物标,避免碰撞。在船舶碰撞航标逃逸后,可以随时提取存贮在AIS信息处理器中的数据,查明擎事船的信息,减少经济损失。(5) 拓展航标的助航功能。通过与DGPS差分台和其他传感器的物理或无线链接,AIS 航标可以向船舶提供DGPS精确差分信息,提供当地天气、潮汐和海况数据。这使航海者多了一种了解相关信息的手段。(6)实现区域航标“遥测遥控”,提高航标管理水平。航标管理部门利用AIS 基站和中继站所形成的AIS网络,可以接收AIS 航标运行状态的实时信息,监控航标状况(如电池电压、灯光、是否移位等),当航标故障时能及时了解并进行修复,当航标发生移位时能跟踪并利用AIS信息及时发布航行警告；同时,航标管理部门也可以向AIS 航标发布指令,遥控航标参数的改变,控制航标信息的播发,在紧急情况下可设置虚拟航标标识临时危险。综上，将AIS技术应用于航标中弥补了视觉航标的许多不足，使航标功能得到很大提高，为海上交通安全提供更有力的保证。4.2 航标AIS的几点问题将AIS技术应用于航标中，需要考虑一些实际中的问题:1. AIS的普及化问题,虽然航标AIS可以实现很多功能，但并不能替代原有的视觉航标，因为毕竟现在的条件还无法实现所有的船只都安装AIS。同样的,构建完善的航标AIS系统需要大量的资金投入,建成一个网络化,系统化的更需要各级主管部门,政府和船舶营运公司的合作支持,通过一段长时间的发展,才能更全面有效的发挥作用。2. 航标AIS对信道容量的影响。航标AIS电文发送过程中虽然属于静态电文，间隔相对较长，但还是会占用信道的一定时隙。对于航标AIS系统来说，对信道时隙的占用应该从其作用范围来考虑，比如对于船只和航标管理中心的AIS站，其覆盖范围是不同的。由于岸台AIS天线一般架设在水平面较高的地方，所以覆盖范围较船舶AIS要大得多。同样在港口等船舶密度较大的地方，航标AIS会占用一部分时隙，这些时隙会对AIS的信息容量产生影响8。83. 航标天线高度与虚拟航标设置的关系。在一些不方便设置真实航标的地方，可在其附近的固定航标电文里设置虚拟航标的经纬度信息及相应的助航信息。但虚拟航标在设置过程中对其作用范围有一定限制。比如在船舶收到虚拟航标信号后，应该能够依此信号行驶下一段航线，如果收到虚拟航标信号以后，所标示的航标位置距当前位置还有一段距离或者己经行驶过，那这个虚拟航标就没有意义了。所以需要根据AIS信号的覆盖范围考虑虚拟航标的设置规则。4.3 AIS技术在航标中的进一步应用4.3.1 灯光报警技术当航标发现自己移位之后，会在AIS电文中发射报警信息，但是没有安装AIS的船只就不会得知航标己经移位。所以可以开发技术使航标在探测到自己移位之后在灯光上有替告显示，告诫那些没有安装AIS，还是靠灯光助航的船只航标已经移位。实现这项技术并不难，只要把灯光控制器与AIS的中央处理器相连接即可。如果实现，不光可以实现对灯光报警的控制，还可以用灯光传递更多的信息，为人们提供更多的便利。4.3.2 同步闪技术利用航标AIS中的GPS时间标准，航标系统可以根据UTC准确时间，同步闪光或者按规律闪光，清晰地显示出航道宽度和左右边界线。规范了船只在穿越航道时的操作，警示出安全速度，为航道的航行安全提供了有力保证。4.3.3 声呐探底技术在长江口岸曾经有一艘船搁浅，但是这艘船却是按照航标指示航行的。为什么按照航标航行却会搁浅呢?深入后发现，原来是长江口岸泥沙突然增多，导致航道底部变化，原来位置水深变浅，而航标却一直在原来位置.在航标中安装AIS之后，可以在某些特殊警戒位置上的航标里，安装上声呐进行航道底部探察，当发现航道底部发生变化或者有异物突起在航道底部位置上时，可以实现自动报警。有了这项技术之后，可以充分利用航标AIS的信息容量，实现对航行环境更全面的监视8。8以上技术有一定的前瞻性，但由于目前造价很高还没有太大的实现价值，但当高新技术普及到一定程度，人们对航标的要求提高之后，可以考虑对航标功能的扩展。结 论随着数字技术的飞速发展和社会信息化程度的日益提高，“数字航标”这一崭新的概念历史性地提到了我们的面前。而AIS凭其本身的特点为航标数字信息的传输提供了较好的平台，并且随着全球自动识别系统岸基网络的建立，具有很大兼容性的AIS的开放系统互联工作模式，为航标的应用奠定了良好的基础。总之，AIS技术在航标中应用，将给航标带来革命性的变化，是数字化航标和数字化航海不可或缺的组成部分。本文通过介绍现行航标和AIS的特点，分析了AIS技术应用于航标系统的必要性和可行性，对AIS在航标系统的应用进行了总体的概述，最后探讨了航标AIS的作用和一些问题，并对航标AIS的进一步应用进行了展望。在将来的探索中，我们还会通过实践来发现问题，解决问题。相信在不久的将来，航标AIS会在船舶的管理和航行中起到很大的作用。致谢语在本文编写过程中潘家财老师给予了悉心的指导，在选题、构思以及资料的选择过程中，都倾注了潘老师的大量心血。他严谨的治学态度，孜孜不倦、勤恳踏实的工作精神，还有平易近人的为人都给学生留下了深刻的印象，使我在顺利完成该篇论文的同时，也受益匪浅。我谨在此对潘老师严谨的治学态度表示崇高的敬意，并深切感谢他的大力支持和帮助。参考文献1王英志，航标学，大连海事大学出版社，19972广东省航道局，广东省航道局航标维护管理办法，2000.33助航指南，国际航标协会编写，中华人民共和国海事局译，国际航标协会助航指南(第四版)，人民交通出版社，20034王世远 许开宇, AIS系统的功能及应用前景, 现代航海应用技术2007(5)5孔恒 刘波，航标上的AIS，科技，2006(8)6张杏谷 彭国均,航标信息系统的研究，中国航海学会2005年度学术交流会7王伟时，基于AIS技术的航标应用，航海技术，2003(4)8张炜 刘人杰，AIS技术在航标中的应用分析，中国航海学会通信导专业委员会2005年学术年会论文集9赵丽宁 赵德鹏 ，AIS与现代航海技术的关系及对未来航海的影响，大连海事大学学报，2002(4)10青岛航标处 , AIS系统在青岛港航标管理中的应用,航测技术，2005(3):151-15311王健，基于AIS的航标无线监控系统的应用研究 ，大连海事大学学报，2006(5)12钟建军 孙文远 ,PLC在“数字航标”中的应用 , 航测技术，2005(1):41-4713Benny P , The implication of AIS-Automatic Identification System (Transporters) on ship and shore , FNI .Sweden ,200214Mike S , The automatic identification system and vessel traffic services , IMO/IALA Seminar on AIS , Newyork , 200215The future of universal AIS , Proceedings of the marine safety counci1 ,1999(4):29-3227