基于冗余数据的AIS虚拟航标监测方法

李 昱

基于冗余数据的AIS虚拟航标监测方法

李 昱

利用冗余AIS基站播发虚拟航标信息时，某个AIS基站的异常往往难以被及时发现。针对这一现状，研究一种基于冗余数据的AIS虚拟航标监测方法，让AIS基站播发一条冗余的专有虚拟航标信息，用以标识AIS基站来源。在数字航道系统中，设计虚拟航标播发与监测一体化模块，制定异常报警策略，在图形化的综合监控系统中实现虚拟航标的实时监测和主动报警。该方法已在长江数字航道工程中得到应用，效果良好，具有很好的实用价值和推广意义。

AIS；虚拟航标；冗余数据；21号报文；AIS基站标识

随着应用的推广和深入，船舶自动识别系统（Automatic Identification System，简称AIS）已不仅仅只用于船舶间的避碰，还已发展成具有诸多航行和海事管理功能的综合系统。对于航标管理部门而言，利用AIS可进行各种助航应用（Aids to Navigation，简称AtoN ）。国际航标协会（IALA）在A-126号建议案中也详细阐述了AIS技术在航标上的应用并提出了实施方法。[1]归纳起来，AtoN应用包括三种形式：AIS真实航标、AIS仿真航标和AIS虚拟航标。AIS真实航标是指航标装备AIS，实时地向周围发送身份、精确位置和工作状态等信息。仿真航标是指航标真实存在，但仿真航标的AIS电文却从安装在远离航标的AIS站发射。虚拟航标是指AIS航标电文指示的位置实际上不存在真实的物理航标，但根据AIS电文可在船载的AIS终端或电子海图显示与信息系统（ECDIS）的显示屏幕上标识出航标的符号。目前，虚拟航标由于具有经济、便捷和灵活等优点，已成为重要的助航设施，例如在新的沉船处设置物理浮标之前，用AIS虚拟航标作为新沉船的紧急标记，或用虚拟航标临时划分通航航道等。

在工程实施中，虚拟航标的AIS电文由岸基的AIS站发射，为了保证其正常连续稳定地为过往船舶服务，还需要制定及时、有效的虚拟航标失常监测方法和保障机制。本文根据长江12.5米深水航道工程和数字航道工程的实际需求，提出一种基于冗余数据的AIS虚拟航标播发和监测方法。

一、AIS虚拟航标应用

（一）AIS虚拟航标应用方式

国际电信联盟（ITU）将AIS的21号报文专门用于航标报告（AtoN）[2]，作为补充手段增强助航功能。AIS基站通过21号报文，可以广播航标的类型、名称、位置等助航信息。当播发的航标真实存在时，即为仿真航标，其在船载的AIS终端及电子海图显示与信息系统（ECDIS）中通常显示为；当播发的航标实体并不真实存在时，在21号报文中需标识为虚拟航标，其显示时通常加上V来清楚地标识为虚拟航标，如。

AIS虚拟航标通过AIS基站播发21号报文的方式实现，基站选址应保证信号能够覆盖所应标示的水域，避免电磁干扰，并具有稳定性和安全性。[3]为了保证虚拟航标的播发正常率，对于重要的AIS基站常建有备用基站，进行冗余播发。

（二）AIS虚拟航标应用场景

1.永久性标示应用

（1）标示复式航道界限

复式航道指在通航水域划分不同维护水深的水域，以供不同吃水船舶航行的航道。由于需要用航标标示出不同的水域界限，如果全部设置实体航标，将占用一定的通航水域资源，并容易造成混淆。这种情况下，可以在实体航标标示的航道水域内，利用虚拟航标标示出深水航道界限，供吃水受限的大型船舶使用。[4]

（2）标示节点

传统航标起着助航作用的同时，本身也有一定的碍航特性。特别是在深水港口等交通流量密集水域，既要满足船舶“抓点调向”的需求，又不能影响船舶航行或靠离泊。在交通流复杂而设标困难的位置，可设置虚拟航标代替实体航标标示节点位置，提示船舶及时调整船位和航向。[5]

2.临时标示应用

（1）应急抢通

当突发水上交通事故或发现碍航物时，可以立即设置虚拟航标标示碍航物位置、事故水域或应急通道，在实体航标设置到位前，进行应急抢通。

（2）临时限制航行水域

当需要在可航水域进行临时性作业，而设置实体航标影响作业时，可设置虚拟航标临时标定限制航行水域，并进行临时交通管制。[4]

二、AIS虚拟航标监测

AIS虚拟航标具有重要的助航作用，为了保证其正常地为过往船舶服务，应监测其播发状态，及时发现故障并采取恢复措施。目前，比较常见的监测方法包括以下几种：

1.船载AIS巡查

通过船载AIS终端在实地巡查是最直接的监测方法。巡查船舶所安装的船载AIS终端接收到21号报文后，在ECDIS实时显示，能够直观检查虚拟航标的状态。然而，船载AIS巡查需要定期到播发水域巡航，成本高昂，而且难以第一时间发现故障。

2.发射基站监控

通过网络远程连接AIS发射基站控制台，监控基站的运行状态和发射参数，能够侧面了解信号源的正常情况。然而，发射基站监控只能实时监测发射源的状态，不能发现由于环境干扰等信号传输问题造成的虚拟航标失常。

3.监测站监控

为了确保AIS基站的全天候不间断播发，可以在覆盖水域建设监测站，接收基站发射的AIS数据，通过网络传输给监控中心，通过监控平台对播发AIS虚拟航标的完好性进行监测。通过监测站能够实现对虚拟航标的直观、有效监测，但如果采取冗余基站方式，除非结合发射基站监控，否则只有所有发射基站均发生故障时才能发现问题。

三、基于数字航道的AIS虚拟航标监测

上述的AIS虚拟航标监测方法都或多或少存在着弊端，在长江12.5米深水航道工程和数字航道工程的AIS虚拟航标建设中，我们设计了一种虚拟航标的播发与监测一体化系统，基于数字航道平台，通过在AIS基站引入冗余标识数据，实现了AIS虚拟航标的全天候完善性监测。

1.系统架构

如图1所示，虚拟航标的播发与监测一体化系统采用4层体系架构。

（1）用户层：面对用户的虚拟航标业务管理系统以及综合监控系统。

（2）数据层：位于管理部门机房的数据库服务器。

（3）应用层：位于管理部门机房的AIS控制，收发和解析服务器。

（4）物理层：部署在播发水域的AIS虚拟航标收发单元，每个收发单元包括两个及以上播发虚拟航标信息的AIS基站，以及用于验证虚拟航标是否正确播发的AIS船台（完善性监测站）。

虚拟航标静态信息在业务管理系统中进行维护，基本信息参考AIS航标报告（AtoN）21号报文规范。针对在长江应用特点，制定了几种不同类型的虚拟航标，包括左侧标志、右侧标志、专用标志和应急沉船示位标志，它们在AtoN21号报文中的虚拟航标类型码（Type AtoN）分别设为24、25、30和28。

综合监控系统对虚拟航标状态进行显示，有别于ECDIS只采用来标识所有的虚拟航标，参照国际海道测量组织（IHO）的海图规范第四版第B部分（IHO S4）的显示规则，[6]对不同类型的虚拟

图1 AIS虚拟航标播发与监测系统架构图

航标进行了符号化设计，如表1所示。

表1 主要虚拟航标类型及其符号

AIS服务器运行AIS信息收发系统，一方面对AIS虚拟航标信息进行转换和处理，形成标准的21号AIS报文，然后通过网络数据接口传送给AIS发射基站，以设定的时间间隔持续地进行虚拟航标信息的播发；另一方面通过网络数据接口从AIS监测基站接收由AIS发射基站播发的虚拟航标信息，入库并供综合监控系统显示和查询。

2.基于冗余数据的实时监测

上述系统架构中，为了提高可靠性，AIS发射基站的部署采用了交叉覆盖、冗余播发的策略，收发单元中的监测站亦可能接收到相邻发射基站播放的虚拟航标信息。而且，21号报文中只有虚拟航标的标识信息而不包含发射基站的标识信息。因此，仅仅由监测站是否持续接收到虚拟航标信息无法准确地判断其配套的发射基站是否正常工作。

为解决该问题，让每个AIS发射基站各自播发一个专有的地理位置无效的虚拟航标，用它们来区分不同基站发射源。例如：让甲、乙两基站同时冗余播发某水域内的3座虚拟航标信息。那么，甲站发布A、B、C、x共4组数据，乙站发布A、B、C、y共4组数据，其中两站发布的A、B、C组数据完全一致，而x、y则是分别用于标定甲和乙基站的专用数据。它们用不同的MMSI码和标名区分，而且位置无效，以免引起对船舶用户的误导。当综合监控平台监测到专有标识的虚拟航标动态数据不更新时，即可提示相应AIS基站播发信息异常。

3. 报警策略

在综合监控系统中，为了保障虚拟航标持续稳定工作，将对以下几种情况进行报警：

（1）超时：超过规定时间阈值未收到更新的虚拟航标动态数据。

（2）数据不符：接收到的虚拟航标动态数据与数据库中标准数据不符。

（3）基站异常：超过规定时间阈值未收到更新的基站专有虚拟航标动态数据。

四、工程应用

基于冗余数据的AIS虚拟航标监测方法，在长江12.5米深水航道工程和数字航道工程中得到结合应用。

在长江南京以下12.5米深水航道二期工程中，在落成洲、世业洲等限制河段，采用复式航道的形式同时维护12.5米深水航道和10.8米原有航道。为了避免同时设置实体航标标示同一段航道的不同尺度，过多占用通航水域资源，给船舶辨别助航标志带来困扰，采用了实体航标标示常规航道、虚拟航标标示深水航道的方法，既利用了不同水深资源，又充分利用了航宽，大大提高了航道通航能力。为了保证虚拟航标的保障率，采用冗余基站播发方式，所有虚拟航标均有两座及以上的基站同时播发AIS信号。同时为了区分不同基站来源，采用了上述的冗余数据方法，让每个基站同时还播发了自己专有的无效位置冗余信息。

同时，在长江数字航道工程建设过程中，接入了12.5米深水航道虚拟航标监测站信息，并在数字航道综合监测平台与实体航标一起进行综合实时显示和监控，其监控界面如图2所示。

图2 虚拟航标和实体航标的实时监控

系统为了全天候监测虚拟航标的运行情况，按照前文的报警策略实现了报警提示功能，可对虚拟航标和AIS基站的异常进行实时主动报警，如图3所示。

图3 虚拟航标的报警提示

五、结论

本文研究了一种基于冗余数据的AIS虚拟航标监测方法，解决了采取冗余AIS基站发射方式时独立基站故障难以及时发现的问题，并在相关工程中实现和验证，具有一定的推广价值。

下一步工作中，还将研究利用虚拟航标的发射基站通过14号报文播发实体航标的失常信息，以更好地保障船舶的航行安全。

[1]IALA:Recommendation A-126:The use of Automatic Identification System(AIS) in marine aids to navigation services [R].4th ed.2008:12.

[2]ITU:Recommendation ITU-RM.1371:Technical Characteristics for a Ship borne Automatic Identification System(AIS) Using Time Division Multiple Access in the Maritime Mobile Band[R].Geneva: ITU-R,1998.

[3]李术元.AIS虚拟航标在长江12.5 m深水航道中的应用探讨[J].中国水运,2016(3):20-23.

[4]宋刚.AIS虚拟航标在长江航运管理中的应用[J].电子信息, 2015(2):54-54.

[5]徐峰.AIS航标在长江下游航道应用的思考[J].中国水运, 2012(6):40-41.

[6]任存斌.AIS航标及其在东海长江口水域航海通告和海图中的表示方法研究[D].北京:中国地质大学,2015.

10.16176/j.cnki.21-1284.2017.06.005

李昱（1983—），男，长江南京航道局，高级工程师，工程硕士。