基于AIS的近海水上智能交通系统

张玲新，季本山

(南通航运职业技术学院现代教育技术中心，江苏南通 226010)

基于AIS的近海水上智能交通系统

张玲新，季本山

(南通航运职业技术学院现代教育技术中心，江苏南通 226010)

随着物联网技术运用范围的不断扩展，水上交通管理的自动化、智能化程度也不断提高，由此将逐步实现对交通运输船舶的实时监控与管理。文中以AIS作为物联网的数据采集传感单元，对近海水上智能交通系统的设计方案作了介绍。并通过实践证明该方案的可行性，分析了以AIS组建物联网的优势，以及近海水上智能交通系统的运用前景。

AIS;物联网;智能交通系统

物联网(Internet of Things)，指通过无线射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)、红外传感器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，实时采集需要监控、连接、互动的物品或过程信息，以此进行信息交换和通信、实现物与物、物与人的泛在连接，以及对物品和过程的智能化感知、识别和管理［1］。我国物联网技术的研究起步于1999年，如今物联网已被我国政府列为5个要重点发展的战略性新兴产业之一。

国际电信联盟(ITU)发布的《ITU互联网报告2005:物联网》中提出，物联网有4个关键性的应用技术——RFID、传感器、智能技术以及纳米技术。根据国际海事组织(IMO)的要求，在2004年7月之前，所有300总吨以上的国际航行船舶均配备一种船载自动识别系统(Automatic Identification System，AIS)。并规定2008年7月1日以后装船的雷达应能够处理和显示AIS信息，即AIS信息将组合显示在雷达或电子海图显示与信息系统(ECDIS)上，使AIS的信息资源能得到充分的利用。

海上船舶航行的实践证明，AIS提高了船舶驾驶人员对船舶的识别能力及海上航行安全性。因此我国海事局要求2011年12月以后总吨在100以上的内河船舶也都要安装AIS。AIS在运输船舶上的成功应用为建立近海水上智能交通系统(ITS)创造了条件，并为解决近海水上物联网关键技术提供了成功案例。

1 船载自动识别系统(AIS)

国际航行船舶采用雷达对海上的目标进行测定与跟踪，但因其自身的局限性，雷达不能识别目标船舶的船名、呼号、船舶大小、吃水及操纵意图等信息，并且雷达的工作性能受气象、海况及周围地形的影响［2］。为解决船舶跟踪与识别问题，国际航标协会及西北欧的有关国家率先进行了AIS研究与开发，最终得到国际海事组织(IMO)采纳与推行。

AIS采用甚高频(VHF)无线电通信技术，系统包括船载AIS发射机和岸基AIS电台，VHF的传输特性决定了AIS系统的作用范围在25 n mile(1 n mile=1 852 m)，沿海各国政府都相继建立了岸基台，确保AIS系统的正常运行。

AIS在ITU规定的两个专用VHF频道上，Channel87B(AIS 1)，161.975 MHz和Channel88B(AIS 2)，162.025 MHz，采用自组织时分多址接续(SOTDMA)技术，使得多用户可以按照时间分割制度，使用一个频道以送信息而互不干扰。

船载AIS发送的数据有3种不同类型:(1)静态或固定信息，此类信息在设备安装时被输入到AIS，如海上移动业务识别(MMSI)、呼号与船名、船舶类型、IOM编号等信息。(2)动态信息，此类信息除“航行状态”信息外，其余者是通过连接AIS的船舶传感器提供与更新，如船舶对地航向、位置、船首向、对地航速、航行状态等。(3)与航次有关的信息，此类信息是在航行中通过手动录入与更新。

2 近海水上智能交通系统构思

根据《1974年国际海上人命安全公约》修正案的要求，国际海事组织(IMO)推行的全球海上遇险与安全系统(GMDSS)全面实施已近10年，对于远洋运输船舶而言，船舶都配备了卫星通信包括INMARSATB、INMARSAT－C、INMARSAT－F船站和地面通信包括中高频、甚高频等设备，建立了高效、可靠的海上通信网，为执行远洋搜救任务、保障海上人命和财产安全。

文中以现有的AIS技术为基础，在海岸线以每间隔约50 n mile距离点，建立一个岸基数据采集站，构成系统数据采集网络，完成近海运输船舶动态信息的采集工作。岸基服务器对采集的数据进行分析、处理并存储，第一次被岸基数据采集站获得的船舶数据，被提取后将船位数据实时传送给船舶公司的指定邮箱，使船舶公司及时掌握船舶动态，组织调度港口、货物等工作;其后系统会跟踪船舶航行状态，定时或定距离向船公司发送船位报告，直到船舶离开岸基站的作用范围。并将最后一次采集到的数据传送给下一个岸基站。系统一旦失去跟踪的目标船，会根据船舶的目的港进行判断，对于外贸船舶会离开系统的作用范围，这时将该船舶最后一次数据存储并传送给海岸电台或交通管制中心(VTS)，说明该船舶已离开系统监控范围;对于内贸船舶则继续查询下一个岸基站对该船采集数据，经2小时后仍然查询不到相关信息，系统自动将该船舶航行状态设为异常，并通知船公司查核该船的航行动态;6小时后无信息，系统将通知岸基站附近的交通管制中心，用无线电话呼叫查询该船舶;12小时后系统自动打开甚高频数字选择性呼叫设备(VHF DSC)紧急呼叫失踪船舶;超过24小时系统将船舶数据自动传送给海上搜救中心(RCC)，采取全面搜救行动。被系统将航行状态设置为异常的船舶，解除异常状态，由本船通过VHF DSC向系统申请消除异常或船公司登录到系统网站上消除异常状态。

近海水上智能交通系统主要由船载AIS、岸基数据采集站和系统服务器3部分组成。船载AIS属于标准配置，有Class A AIS和Class B AIS两种类型，设备结构基本相同，功能上存在细微差别，前者完全满足IMO关于AIS性能标准的要求，为远洋运输船舶所使用。后者是一种简易型的AIS，可使用在内河或近海运输船舶上。系统与船舶公司、交通管制中心(VTS)和海上搜救中心互联网进行数据交换，系统构成如图1所示。

图1 近海水上智能交通系统框图

3 近海水上智能交通系统实现

岸基数据采集站的组成如图2所示，在图中岸基AIS采用标准Class A AIS作无线电射频识别(RFID)单元，为减少硬件的投入，提高系统的可靠性和稳定性，每个岸上数据采集站的地理位置数据不用GPS或DGPS直接产生，而是用DGPS实地测得每个岸基数据采集站的经纬度，再用MCS－51单片机或数字信号处理器(DSP)按规定的通信协议模拟地理位置信号发送给AIS的数据输入接口。甚高频数字呼叫设备(VHF DSC)用于船舶失踪12小时后紧急呼叫。

图2 岸基数据采集站组成框图

在船舶电子通导设备中一般采用国际电工委员会(IEC)制订的IEC61162［3］通信协议或美国航海电子协会的 NMEA0183协议，GPS输出接口常采用的是NMEA0183协议。AIS常用的输入输出接口是采用IEC61162通信协议与外部设备进行通信，因此地理数据信号发生器与AIS通讯也应采用IEC61162协议。

IEC61162协议是一个单个发话器、多个收话器的标准，规定了硬件电气特性、数据传输格式、字符及语句，其中包括正式语句(Approval Sentences)、询问语句(Query Sentences)、私有语句(Propriety Sentences)。AIS定义了6位ASCII码进行通信，每条语句以“$”或“!”开始，以 ＜CR＞ ＜LF＞结束，即:回车、换行。语句中每个数据域使用“，”作为分隔符，符号“*”表示后跟校验数据。语句格式为:$＜地址域＞，＜数据域＞，…..＜数据域＞* ＜校验域＞＜CR＞＜LF＞。地址域由发送设备代码和数据形式代码组成，用于区分设备类型与数据表示的内容。

数据处理服务器通过硬件采集电路如图3所示［4］，获得AIS的输出信息。服务器对AIS的信息进行转换，取出不同数据域中的数据，存入数据库，以供网络用户共享。建立数据库，数据库的关键为:海上移动业务标志(MMSI)、船名、呼号、船舶IMO编号、船长、船宽、船舶类型、船舶吃水、目的港、预计抵达时间、在船人数、船舶状态、航行状态、船舶位置、航速、航向等。

图3 RS422/232转换电路原理图

根据上述近海水上智能交通系统构思方案，组建一个岸上AIS数据采集站，用高配置的PC机作为服务器，用SQL建立数据库，并按流程图设计程序，如图4所示。以一台Class A型的AIS置于长江边，可将在长江中航行的过往船舶的静动态信息数据完整地采集到数据库中，图5所示为以船名查询的船舶相关信息。

4 AIS近海水上智能交通系统的优势

使用AIS作为数据采集的传感器组成物联网—近海水上智能交通系统，具有以下几方面的优势:

(1)硬件资源投入少。AIS已投入使用多年，沿海岸的AIS基站已完全形成网络，在此基础上建立物联网投入相对较少。

(2)不占IP地址资源。IMO给每一艘远洋运输船赋予一个海上移动业务识别码(MMSI)，使每艘船与MMSI唯一对应，这样用AIS作为物联网的数据采集传感器，就不需要给每艘船再设一IP地址，节省了IP资源。

图4 近海水上智能交通系统流程图

(3)稳定、可靠。自2004年7月，AIS在300吨以上船舶配置使用以来，AIS为船舶航行安全、提高交通管制效率作出贡献。因此用AIS作为物联网的数据采集传感器，为整个系统的稳定奠定了基础。

图5 近海水上智能交通系统程序界面

5 近海水上智能交通系统的展望

AIS的基本功能是为了实现船舶的自动识别，减少和避免船舶之间的碰撞。目前除实现了AIS基本功能外，在海上搜寻与救助、交通管制、海上安全信息和识别助航设备、监控船舶排污等方面也发挥着积极的作用。用AIS作为数据传感器组成的近海水上智能交通系统，将具有全球联网特性，采用开放式系统互联的工作模式，实现实时动态的海事管理功能，岸上管理部门可以对船舶进行适时、全过程监控，为提高航运管理水平，保证航运安全具有广阔的开发与应用前景。

［1］王宇.物联网技术在智能智能港口中的应用前景［J］.集装箱化，2010(12):28－30.

［2］鲍君忠，周尊山，徐东华，等.船载自动识别系统应用［M］.大连:大连海事大学出版社，2006.

［3］IEC.IEC 61996 －2 ED.1 －2006.2.Maritime navigation and radio communication equipment and system－Shipborne voyage data recorder(VDR)［S］.USA:FDIS(IEC):2006.

［4］徐志京，周薇娜.AIS输出信息的采集及处理技术研究［J］.航海技术，2006(2):29 －31.

Intelligent Coastal Waters Transportation System Based on AIS

ZHANG Lingxin，JI Benshan
(Modern Educational Technology Center，Nantong Shipping Vocational and Technical College，Nantong 226001，China)

With the increasing application of the technology of the internet of things，the automation and intelligent level of coastal waters transportation management is improving continuously，and hence the merchant ship real time monitoring and management can be realized gradually.This paper discusses the design of a coastal waters intelligent transportation system by taking AIS(Automatic Identification System)as a data acquisition sensing unit of the internet of things.The advantages of AIS-based internet of things and the application prospects of the coastal waters intelligent transportation system are analyzed.The scheme is proved to be feasible.

AIS;internet of things;intelligent transportation system

TP27

A

1007－7820(2012)08－104－03

2012-03-20

张玲新(1970—)，男，讲师。研究方向:信息技术。