基于AIS技术的航标遥测遥控系统框架研究

◎ 隋永举 赵俊 南海航海保障中心



基于AIS技术的航标遥测遥控系统框架研究

◎ 隋永举 赵俊 南海航海保障中心

摘 要：针对南海海域AIS航标监测的需求，研究基于AIS技术的航标监测软硬件系统，硬件上主要有AIS航标终端、AIS基站以及AIS航标基站测试仪；软件上，开发了AIS电子海图船舶、航标及基站实时监控系统软件。

关键词：AIS 航标 遥测 系统

1.AIS简介

船舶自动识别系统（AIS）是用于船-船、船-岸和岸-船之间的通信助航系统。它由船载设备与岸基设施组成。IMO把其定义为一种能够自动发送与接收交通信息进而协助避碰的船载自备工具。它使得水域中的船舶可以相互识别。

据ITU的规定，用于航标的AIS信息主要集中在信息21、信息12、信息8、信息6（标准ITU-R M .1371-4）。可利用航标AIS提供以下信息和数据：航标名称、类型、尺度；时间标记；定位设备类型；航标设定位置和目前位置；虚拟航标标记；航标技术状况；浮动航标移位或故障状况；天气、潮汐和海况实时数据；性能监控实时信息。

2.系统整体设计

AIS航标检测与监控系统主要由AIS航标终端，AIS基站，AIS航标及基站检测维护设备，AIS服务器，电子海图AIS航标基站位置状态监控系统等几部分组成。

（1）AIS航标终端。航标上直接安装AIS装置，利用源自航标的本地数据产生相应的AIS信息，以NMEA0183 VDM Message21方式广播发送本航标位置及状态信息。

（2）AIS基站。主要功能是将管辖范围内接收到的AIS船舶信息实时发送给数据管理中心，并根据数据管理中心指令，广播AIS文本信息到船载AIS终端，广播虚拟AIS航标位置信息，协调管辖范围内AIS时隙使用。所有基站可实现网络数据融合。

（3）AIS检测维护设备。主要功能测试AIS航标及基站的发射功率、频率、MMSI、发射各种语句、相应的时隙数等。AIS检测仪可用于上标前对航标AIS的检验，也可用于安装后现场检验，对发布的虚拟航标信息进行现场采集和检验。

（4）AIS服务器。包括AIS应用服务器、AIS数据服务器、网管终端和交换机路由器等网络设备。基站数据处理软件和基站系统管理配置软件安装于应用服务器上。AIS基站信号通过专线与控制中心连接，在控制中心进行AIS数据的处理和保存。AIS服务器采用双机热备份，过滤、解析、处理、入库后，将实时数据下发到海事工作站的监控终端，预留一路数据接口到VTS船舶管理中心。

（5）电子海图航标基站监控系统平台。基于AIS技术基础的应用类系统平台软件。它结合AIS、电子海图显示技术、Internet技术等，主要功能可在电子海图上直观监控到AIS航标、AIS基站、AIS船舶实时位置及航行信息，对AIS设备历史数据进行列表统计和轨迹回放，同时结合历史记录分析辖区内AIS设备工作状态。图1所示为AIS航标检测与监控系统总体设计框图。

工作流程：在航标上安装AIS设备，将本航标位置信息、ID信息和航标灯状态信息广播发送周围AIS船舶和陆地AIS接收基站。AIS基站将收到的船舶和航标信息通过控制器发送到服务器端，进行数据处理和数据解析入库等工作，同时服务器端通过Socket方式将AIS信息发送到电子海图AIS船舶航标基站监控系统，并实时刷新，组成整套AIS航标及基站监控系统，实现远程监控AIS航标和基站的功能。

因AIS航标安装于海上，AIS基站绝大多数安装于沿海及岛屿上，工作环境恶劣，发射性能指标需要定时测试及核查，本系统加入便携式AIS航标基站检测仪，对AIS设备进行全面系统检测，以便及时发现问题设备，及时检修更换。

整套系统集AIS航标基站远程监控，历史数据回放，AIS航标的性能维护于一体，采用模块设计，将数据集中到海事数据中心和VTS中心，有利于数据安全、统一管理和优化资源。可以提供网络覆盖范围所有安装AIS设备的航标基站工作状况，是一种有效的航标远程维护监测手段。

3.系统硬件

（1）AIS航标终端。AIS航标终端组成包括五个部分：航标AIS终端主单元、VHF天线、GPS天线、灯器、电池。

在航标上安装一体化AIS ATON设备，利用航标自身能源供电。通过串行接入航标灯灯器电路，采集灯器工作电流；通过并行接入电池电路，采集当前电池电压，同时AIS ATON将本航标位置信息、ID信息和航标灯状态信息发送周围AIS船舶和陆地AIS接收基站。

航标AIS终端通信模式主要分RATDMA（随机时隙时分多址）和FATDMA（定时隙时分多址）。需要指出的是，RATDMA可以离开基站独立工作，而FATDMA必须依赖基站才能工作。后者每次信息发送时隙位置都是固定的，需要由基站协助广播时隙保留指令，避免因周围船载AIS或其他航标AIS在相同时隙发送信息而造成时隙冲突。

AIS航标设备主要技术指标如表1所示：

（2）AIS基站。AIS基站包括2台AIS基站收信机和基站控制器、AIS基站天线、GPS天线、避雷器、天线安装架、馈线和路由器。AIS基站主要将覆盖范围内接收到的AIS数据通过基站控制器发送给AIS服务器端，基站控制器最多可以发送16个不同链路数据，AIS服务器端同时可以通过基站控制器下达对AIS收发基站的设置指令以及需要广播或寻址发送到船载AIS终端的中英文短信等。基站控制器同时还具备本地实时数据存储、本地AIS目标监控、本地AIS时隙表统计等功能。系统采用双机备份并可以自动切换，提高了数据可靠性和稳定性。

目前我们沿海三大航海保障中心使用的AIS基站主要以瑞典SAAB公司生产的R40型号为主，今年来，国内AIS生产商也陆续研发生产了多种功能的AIS基站，随着国内企业对AIS技术的不断提高，国产基站将完全替代进口产品。

（3）AIS航标基站测试仪。航标AIS的日常维护和现场检修工作量不断增加，航标一线工作人员在AIS航标、AIS基站巡检时必须跟监控中心联系，依靠基站接收信号判断航标AIS是否工作正常。但这种方式不能检测航标AIS 的关键技术指标，如AIS航标AIS基站发射时隙数设置是否正确，发射功率是否达标等。为此南海航海保障中心开发了一种手持无线AIS测试仪，可以测试AIS航标基站的发射功率、频率、MMSI、发射各种语句、相应时隙数等。设备采用电池工作，可立即显示测试数据，也可通过USB连接线跟电脑相连读取数据。测试仪不仅用于AIS设备的检验，亦可用于安装后现场检验，更可用于日常维护、检修等。为AIS航标和基站提供更多性能检测和技术保障。

AIS航标基站检测仪主要性能：①工作频道为AIS1（CH2087）和AIS2 （CH2088），以及DSC频道。符合ITUR M-1371-4等国际标准；②能接收并显示消息21、6、8、14等各种信息；③可以测试I、II、III型的AIS航标；④检测时可用同轴电缆直接连接（串衰减器）AIS设备或用天线无线方式；⑤检测结果除显示外，同时可存储，最多可保存10次测试数据。所保存的测试数据可以通过软件转存到电脑上，以便打印测试报告；⑥采用时隙同步技术，不需要GPS时钟信号。对于生成的VDL语句和查询语句采用RATDMA通信模式。

表1

4.系统软件

AIS航标基站监控系统使用国际标准S57格式电子海图数据，符合IHOS52电子海图显示标准，整体模块设计分为：①电子海图功能模块；②距离、面积计算功能模块；③CPA/TCPA计算功能模块；④AIS目标分类显示模块；⑤AIS历史数据查询模块；⑥AIS数据历史轨迹回放模块；⑦AIS航标基站状态分析模块；⑧AIS航标及基站发射统计模块。

本文提出基于AIS技术的航标检测与监控系统，弥补了传统方式的不足，但在后续研究中应关注提高终端稳定性；加强设备兼容性，尽量在软件上兼容大部分系统，硬件设备上也应满足北斗系统定位和其他AIS通信设备的兼容要求；提高报警信息可靠性；完善系统遥控功能，保证能源功耗下推进航标数据收集、统计、处理、分析和预警机制等功能，更加完善系统功能性。