基于便携式AIS设备的小型渔船救助系统

2018-07-16陈榕魁

电子技术与软件工程 2018年10期

文/陈榕魁

表1：CM X 7042芯片主要参数及应用

随着船舶自动识别系统（Automatic Identidication System，即AIS）设备终端的广泛使用，使得海上航行安全性以及运营效率得到大幅度的提升，船舶海上发生意外事故的频率明显降低。但对于小型渔船救助系统，其发展进程缓慢，内河小型船只以及沿近海小型渔船AIS安装、使用问题显著，安全问题突出，不利于小型船只的安全、高效航行与运营。主要表现为：针对质量小于100总吨的内河船只以及小于300总吨的沿海船只，海事局未发布强制安装AIS系统的规定；小型渔船受船舶电源、AIS系统安装环境等条件的限制，无法配备有效的救助设备。如何解决小型渔船高效生产经营的安全性问题，是当前各级部门亟待解决的重点。

针对小型渔船救助系统发展缓慢，其安全运营得不到保障的现状，本文从便携角度出发，结合AIS技术基础，针对小型渔船进行救助系统的研究，实现小型渔船的导航、避碰以及安全救助，解决大船舶救助系统结构复杂，成本高昂，不适于小型渔船安装使用的问题。

1　AIS小型渔船救助系统分析

1.1　AIS工作原理

AIS是船舶数字助航装备以及系统的统一称谓，其主要组成部分为船载装备和基站设施。通过定位系统，实现船舶动态信息（如航速、航向）以及静态信息（船舶编号、类型）的组合封装，并通过近海水域船舶及海岸基站等在VHF频道以SOTDMA方式传播，以便海水域船舶及海岸基站实时掌控船舶信息，实现船舶互相协调、及时避让以及安全救助。AIS系统主要由数据采集、信号处理与系统控制、信息输出以及VHF四部分组成。

1.2　AIS系统需求分析

1.2.1功耗需求

目前海上AIS收发信机工作时使用船电或太阳能充电，可保证系统稳定运行，为防止电量不足影响设备工作，在进行便携设备设计时，应限制设备收发信号的功耗，应尽可能选择低功耗方案，实现系统的稳定持续运行。

1.2.2通信和识别需求

现有AIS系统仅能实现动力60马力以上且安装AIS设备的大型船舶-大型船舶以及大型船舶-海岸基站之间的通信、识别，小型船舶因动力不足等原因，未安装AIS系统，因而无法实现与大型船舶及基站之间的通信、识别，易发生被碰危险，使得海事的实施监管以及应急救助等难以及时展开，难以保证船舶，尤其小型船舶的安全运行，应借助便携式AIS的通信功能，实现危急情况的及时通讯。

1.2.3容量需求

AIS收发装置包含船舶动态以及静态信息，需要一定的空间容量，为保证系统正常运行，需保证信道利用以及系统阻塞控制在合理范围，而单个AIS基站容量较小，约为300-500，因此，为满足收发装置容量需求，应对系统容量进行合理设计，保留一定余量，满足系统运行要求。

2　系统功能及结构设计

本文对信息网络与AIS进行技术融合，采用能手机与AIS硬件模块相结合形式，实现基于AIS的小型船舶防撞、实时监控以及应急救助等应用目的，满足相关技术标准要求，实现性和操作性较强。其主要组成部分为：AIS中转基站、数据互换装置、AIS实时监管系统以及便携终端四部分组成。

2.1　系统架构

2.1.1AIS中转基站

AIS中转基站与相关海事部门AIS基站有所区别，其主要功能是AIS数据的接受、中转，对船舶AIS和手机终端AIS进行结合，主要功能为：接收船舶AIS数据并借助无线或有线局域网络将数据发送至数据的中转装置，与此同时，数据中转装置将船舶AIS数据传动中转基站，转发基站通过VHF，以广播形式进行信息传送以便周围船舶接收信息。

AIS转发基站在满足系统容量需求的同时，扩大通信覆盖范围，进而实现大、小船舶之间的即时通信，保障小型渔船的安全运营。

2.1.2 数据互换装置

安装了便携终端的小型渔船，可以通过AIS自组网的特性进行通信和安全识别，其数据流程如下：

大型船舶AIS----小型船舶便携AIS

小型船舶便携AIS----小型船舶便携AIS

为满足数据应用要求，并充分利用大数据提高对小型渔船救助的覆盖率和成功率，系统同时增加数据互换装置。该系统装置主要功能为：对船船只等海上航行实体的系统数据与便携终端数据进行格式转换、数据结合，进而实现对船只动态、静态资料的日常管理，满足后期海量数据解析与处理要求。数据主要实现流程如下：

大型船舶AIS----数据中转装置----小型船舶便携AIS

小型船舶便携AIS----数据中转装置----大型船舶便携AIS

小型船舶便携AIS----数据中转装置----小型船舶便携AIS

2.1.3AIS实时监管系统

实时监管平台主要实现针对船舶动态的实时监控，其主要对象是大型船舶的AIS终端、小型渔船手机终端等不同类型的AIS目标。

2.1.4便携终端

小型通讯设备是AIS终端的主要载体，通过定制手机中置入AIS模块硬件模块实现便携终端的设计。

2.2　AIS模块功能实现

2.2.1实时通讯功能实现

为满足大量数据处理及低功耗的要求，本文的便携式系统采用ARM嵌入式控制芯片SMT32F103CBT6，该芯片适用于零下40至80摄氏度的温度区间，供电电压低，特殊的停机、待机以及睡眠模式等保证其低功耗，同时，该芯片拥有7通道DMA控制器。在低功耗、瞬时启动以及多唤醒事件中可达到最佳平衡状态。

2.2.2北斗定位功能实现

本文选用NEO-6M作为定位模块，通过将接收到的北斗信号进行转换，通过功率放大器进行信号放大，进而对信号进行处理。分析北斗卫星导航位置信息，可实时计算小型渔船的时间、速度以及具体位置。

2.2.3无线发送功能实现

为保证救助系统的有效性，通过嵌入硬件AIS模块的方式，实现在小型渔船遇险时将其信息发送至附近船舶或港岸基台，即时通信，保证救援开展的及时性、高效性，无线发送功能主要实现：AIS无线信号发送，距离6海里（半径）；AIS无线信号搜索接受，距离4海里（半径）。AIS无线发送模块采用CM X 7042 芯片，实现AIS报文的接收和发送。其相关参数如表1所示。

3　系统应用

经实际调查、研讨，本文开发出适用小型渔船的便携式AIS系统，终端可实现AIS无线通信功能通话语音/短信功能，系统可实现通讯交互、搜索显示、报警通知以及周边搜救等功能。

通过手机嵌入硬件AIS模块的方式，保证船舶在没有3G/4G甚至基站信号的情况下，借助其自组网的特性，仍可实现通信。船舶不论大小，在其安全范围内均可互相识别，及时通讯，避免碰撞事故的发生，保证事故发生率。本文设计的AIS系统增加了中转基站和数据互换装置，对基站容量进行了扩容，同时可以记录相关的数据，可以从整个系统的角度多渠道对渔船险情提前通知，并对救援行动进行整体调度，提高救援效率。