对于IMO新规中VDR记录AIS语句的研究分析
2014-01-04崔晶莹
崔晶莹 叶 瑱
（1.上海大学 机电工程与自动化学院 上海200072；2.沪东中华造船（集团）有限公司 上海200129）
引 言
根据国际海事组织（International Maritime Organization，简称IMO）于2012年5月22日召开的海事安全会议提出的新规要求，自动识别系统（Automatic Identification System，简称AIS）所输出的数据将被航行数据记录仪 （Voyage Data Recorder，简称VDR）记录，AIS接口传输的信息内容包含船舶航行的动态以及本船的动态等，其牵涉到航行的安全状态，因此在新船建造或旧船年检时，AIS设备是无线电安全检验必检项目。由于新规的要求，对于AIS输出数据的分析和理解是必须的。本文从AIS设备开始介绍，根据新规的要求，详尽分析了AIS传输到VDR并被记录的相关数据的格式标准以及其含义。
1 AIS设备简介
在1997年召开的NAV43大会上，一种具备自组织通讯技术的设备AIS被正式立项认可，这是依托通讯网络运行的新型导航设备。在次年举行的第69届航行安全会议上，与会者一致通过了该新型船舶导航设备的性能基准指标，即使用基于自组织时分多路链接（STDMA）技术，确立了AIS设备的性能基准。在设备立项认可以及性能基准的确立之后，NAV45大会上全体成员一致通过船舶安装AIS设备的强制执行方案，从此AIS成为船舶航行时必不可少的导航设备，也成为船舶电气制造方面研究的新对象。
1.1 AIS的定义
根据IMO 的规定，AIS 工作于其专属的甚高频频段，并且具备符合其性能指标的发送信息更新率。AIS可与其他船舶或者海事岸站互相收发诸如船舶识别、船舶位置等信息。
1.2 AIS收发的信息类型
根据AIS 的性能标准的规定，AIS 向其他船只或岸台提供4种类型的信息：
（1）本船处于系泊状态下所发送的信息。具体海上移动业务标识码、IMO固有船舶编号、船舶的无线电呼号、船舶名称、船舶尺寸、船舶所属类型等。
（2）本船处于航行状态下所发送的信息。包括时刻变化的GPS坐标数据、国际标准时、船舶相对于大地的航向度数、船舶处于GPS系统内的速度、本船自身船首方向度数、电罗经的回转率以及船舶处在何种动态类型。
（3）船舶航次信息，包括首尾吃水数据、高危货品情况、航行目的地以及整个航行的时间等。
（4）船员自行编辑的船舶航行安全文本信息。
1.3 AIS更新收发信息的速率
AIS在收发信息时，会依据信息的类别使用不同的更新速率，这是由于信息内容完全不同，所以具有不同的时效性。使用不同更新速率是为了确保所传输的数据信息及时可靠，以下是4种不同类型信息对应的更新速率：
（1）系泊状态下的信息。依据操作设备修改数据或其他设备发来新的请求信息，6分钟更新一次。
（2）航行状态下的信息。详见表1中的 AIS信息更新速率 。
表1 AIS 信息更新速率
（3）船舶航次信息。 依据操作设备修改数据或其他设备发来新的请求信息，每分钟更新一次。
（4）与航行安全有关的信息。当本船需要时，由船员自行改变。
1.4 船舶报告容量
根据IMO所规定的性能指标，AIS 应能为所有设想到的操作情况提供至少每分钟处理2 000个报告的能力，并能在两个信道上每分钟处理多达4 500 个报告。
以上是AIS设备相关简介，下面介绍AIS数据特点并分析为何新规要求VDR记录AIS输出数据。
2 AIS数据的特点以及新规实施的意义
首先简单介绍新规中提到的VDR设备情况。
2.1 VDR设备简介
VDR（航行数据记录仪，又名“船用黑匣子”）是专门用于记录船舶航行或者系泊时，船舶通导设备的数据。VDR记录数据的作用是给船舶所属公司以及船舶所处海事局等行政部门管理船舶航行、处理意外事故提供事实依据。根据VDR 相应的性能标准规定, VDR必须不间断覆盖式记录船舶最近12 h内本船通导设备所传输的航行数据，并且使用声音采集系统记录航行时驾驶室内的真实情况，并且能随时实现过往数据回放功能。
2.2 AIS数据特点
AIS 传输的数据具有以下特点：
（1）AIS使用的是专属的VHF工作频段，该频段最大效用距离为25 n mile，所以从信息发射范围来看，足以保证航道内信号覆盖。
（2）AIS不仅发送本船静态或者动态信息，还接受其他船舶发送的相关信息，这是VDR设备无法通过其他导航设备所能采集的，因此新规的制定和实施，足以确保VDR功能的完善以及AIS作用的完全体现。
（3）AIS具有固定的信息更新速率，参照表1的描述，除非船舶对地速度小于3 kn、其他状态下速率都在10 s之内，能高速更新信息，是AIS一大优势，因此若VDR记录这些动态数据，那么能更精确分析船舶在过往航行中的历史动态。
（4）AIS具有相当大的信息容量，只要在网络通信范围内，无论船舶处于何种状态，各船舶上安装的AIS都能互相收发信息，共享船舶航行数据。新规对于VDR记录AIS输出数据提出要求之后，AIS数据可以更长久妥善保存，这对于管理船舶航行、分析航道状态或者在发生海事仲裁时将会提供完善的客观事实依据。
（5）AIS的强制安装决定要早于VDR设备，对于强制安装的船舶要求也相对较少，很多小船都有AIS却没有VDR。新规的实施，一方面能确保VDR加快普及速度，另一方面也为VDR 记录AIS数据提供很好的客观条件且完善VDR的记录功能。
2.3 新规实施的意义
当明确VDR的功能和AIS数据特点之后，我们不难发现，船舶的有些信息原本就会记录在VDR中。这些信息可分为两类：一类为船舶注册信息，如海上移动业务标识码、IMO固有船舶编号、船舶的无线电呼号、船舶名称、船舶尺寸、船舶所属类型等，另一类为船舶动态信息，如GPS位置、国际标准时、船舶相对于大地的航向度数、船舶处于GPS系统内的速度、本船自身船首方向度数及船舶处在何种动态类型等。这些信息（如固有信息）可以简单地通过VDR进行相关设置予以修改，而动态信息无法提供其他船舶信息以及根据这些数据而描绘出的航行时的周遭环境，因此单从数据类型来看,VDR 记录AIS 数据是完全必要的，因为AIS数据是根据设置在AIS内以及接受外部其他船舶AIS发出信息所产生的。若可以分析被VDR所记录的AIS输出数据，那将更好地掌握船舶航行的历史记录，这对于船舶航行安全或者海事仲裁都相当有意义。
既然新规具有重大的意义，下面将介绍VDR记录的AIS数据。
3 AIS输出的数据
AIS输出的数据可以分为明码和暗码，又称为参数语句与封装语句。AIS的明码即参数语句，其格式为NEMA-0183，这是一种海事组织通用的规范协议。首先介绍该协议的内容，随后根据AIS设备输出的各种数据进行分析。
3.1 NEMA-0183协议简介
为了规范船舶导航设备之间数据传输格式，美国的海事电子协会（National Marine Electronics Association，简称NMEA）提出一种能兼容所有设备以及标准电子通讯的最新协议，即NEMA-0183协议。相比NEMA-0180和NEMA-0182协议，NEMA-0183协议不仅增加了全球定位系统、罗经方位系统等一系列运用新科技的导航设备，并且对于个别小型厂商生产在特种船舶上应用的设备（如Garmin GPS、Deso 20 等），可通过自定义的通讯协议来实现与大众设备传输数据。NMEA-0183协议的数据串采用SASCII 文本字符表示，以符号“＄”开头，随后是语句头。语句头分为两个部分，前两个字母组成“系统ID”部分，即表示该语句是属于何种导航通讯设备，后三个字母组成“语句ID”部分，表示该语句是描述该导航信息中具体数据。之后是数据体，包含不同的数据体字段，语句末尾为校验码（可选），以
3.2 封装语句格式简介
AIS的暗码即封装语句，区别于参数语句其以“！”开始作为语句头，同时增加了x1、x2、x3这3个标识（见图1），它主要用于传输数据量较大的数据或数据上下文未知的数据，其包含的数据信息需通过字符转换和相应的格式定义才能获取。
图1 封装语句格式解析
AIS主要的封装语句为VDM和VDO两句。后文将详细介绍这两种语句的具体含义和格式解析。这两句语句采用封装语句的格式的原因在于VDM消息长度受限制，但其消息内容有很多超过单条语句82个字节的限制，因此通过将其封装之后成为多条压缩的通讯消息，然后使之成为多条子消息的形式在AIS数据链路中播发。同时，将每条子消息中的最多设置9个分解总条数，即图2中的“x1”。随后按顺序进行编号，这个编号就是x2“语句序号”，并且用x3“连续消息标识域”明确该条拆分消息的标识号，这个标识号依照x2所存顺序循环。
封装语句其余部分与参数语句没有什么差别，下面介绍AIS的硬件端口。
3.3 AIS硬件端口简介
AIS实现NMEA协议数据收发的端口在电气标准上遵循IEC61162协议，这个协议是由国际电工委员会订制的，所有数据端口都应遵照协议进行设计制造。现在各个AIS生产厂家所生产的AIS设备都采用IEC 61162-1/2标准与外部其他设备进行数据传输，AIS硬件端口依照RS422/RS485规范设计，大多以4 800 bps的波特率通过异步串行方式进行数据交互，其总共有8位数据，不使用奇偶校验位，而具备停止位。
VDR需要记录AIS数据，那就必须在硬件层面将2台设备相连接，按照NEMA协议以及IEC相关电气标准，在硬件层面可以通过下页图2进行简单连接。
AIS的输出端采用运算放大器，其将内部NEMA-0183编码语句转化为电平信号输出，大约是2～3 V的直流电压。这里需要注意的是在AIS设备与VDR设备连接中信号公共端（或者信号地）需要双向可靠连接，这样可以确保无外部信号干扰以及达到一定程度的电磁兼容标准。输出端的电气设计需要符合ITU_T V.11标准。
VDR的接收端采用RS-422标准设计，同样采用运算放大器来处理接受过来的电平信号，并通过内部编码还原为NEMA-0183语句，通过VDR终端的软件可以读取标准格式的语句。在接收端一般为了先从直观的角度观察语句接受情况，是采用一个限流发光二极管的设计，当输出的电压正常时，二极管会导通发光。
图2 AIS与VDR进行数据传输硬件简单示意图
对于船东船检而言，VDR终端接收到的数据才是希望读取的实际数据，这些数据符合规范协议标准，可通过VDR本身的软件来获得。
3.4 AIS输出的NEMA语句
VDR所记录的AIS语句，几乎就是AIS所有发射和接收的数据。其内容包含：ABK、ACA、ACS、ALR、LRF、LR1、LR2、LR3、TXT、PIWWSPR、VDM、VDO这些标准语句。
3.5 语句内容
ABK：AIS二进制编码广播式发送情况的语句；
ACA：AIS区域频道分配的信息；
ACS：区域频道管理信息源；
ALR：报警状态设置语句；
LRF：远程询问语句；
LRF1：A级的远程询问回应报告语句；
LRF2：B、C、E和F级别的远程询问回应报告语句；
LRF3：I、O、P、U和W级别的远程询问回应报告语句；
TXT：文本数据；
PIWWSPR：内陆AIS安全应答密码；
VDM：AIS在自身VHF数据链内接受的其他船舶的信息；
VDO：AIS在自身VHF数据链内向其他船舶传输的本船报告信息。
3.6 语句分析
AIS传输至VDR的语句中，重要的是VDM、VDO、ABK三个语句，这也是新规实施的目的所在。下面细加分析。
3.6.1 VDM语句
AIS通过其专属甚高频频段接收到信息之后，这些信息经过内部编码处理之后生成VDM语句，然后该语句通过设备端口传输至VDR。VDM语句中包含ITU-R M.1371所规定的22种电文类型，由于该语句包含AIS接收到的外部所有信息，所以可以称之为最重要的语句。语句格式解释见图3。
图3 VDM语句格式解释
3.6.2 VDO语句
船员操作AIS发送本船的信息以及一些寻求他船或者岸站关注的信息，这些信息就包含在VDO语句之中。其结构与上面提到的VDM完全相同。但和接收不同的是，发送出去的电文无法包含所有22种类型，VDO语句内容只能有1、 2、 3、5、 6、 7、8、10、11、12、13、14、15 号电文。语句格式见图4。
图4 VDO语句格式解释
3.6.3 ABK语句
ABK语句是AIS二进制编码广播式发送情况的语句，其格式见图5。若设备在接收6号、7号、12号、13号电文失败以及向外部进行广播播报ALR、BBM语句时，都会输出ABK语句表示数据传输结果，该语句使用0～4共5个标示来表明结果。
图5 ABK语句格式解释
0：确认6号和12号成功被目标接收；
1：确认6号和12号电文被发送，但为获得目标接收确认；
2：确认6、12、8、14、15号电文发送失败；
3：确认8、14、15号电文发送成功；
4：确认接收到延误的6号与12号电文。
4 结 论
本文简单介绍了AIS和VDR设备的IMO规定和实际应用等相关情况，结合AIS的数据类型、数据更新频率、安装期限等特点，对比VDR内记录的静态船舶数据，得出新规实施后VDR需要记录AIS所传输的动态数据；同时保持实时更新，为掌握船舶航行的历史记录、船舶航行安全、船舶航行管理和海事仲裁提供有利的支撑和保障。随后文章详尽分析了AIS向VDR设备传输语句的两种格式：明码参数语句和暗码封装语句。在介绍AIS所有输出语句的含义后，又细致解析十分重要的VDM、VDO、ABK语句的格式和内容。此外，本文还进行语句标准协议，以及相应的硬件端口介绍，为其他标准接口的设备接入VDR提供参考。
［1］ 中国船级社.船舶自动识别系统检验指南（AIS）［S］.北京：人民交通出版社，2003.
［2］ IMO.Adoption of Revised Performance Standards for Shipborne Voyage Data Recorders （VDRs）［C］.2012.
［3］ 喻方平，李 立，金华标，等.IEC61162标准扩充定义及船用数据接收器设计［J］.船舶工程，2008（1）：54-56.
［4］ 徐忠，万载东.AIS电文解析技术研究［J］.江苏船舶，2012（1）：15-17.
［5］ IEC61162-1/2.International Standard［C］.IEC Central Office.
［6］ 陈宇里.关于VDR记录AIS数据的研究［J］.航海技术，2006（5）：29-31.
