基于AIS技术航标遥测遥控应用的探讨

梁海凤 郭章俭

摘 要：航标遥测遥控是航标管理部门提高航标维护管理工作效率的重要手段，因此航标管理部门一直致力于提高辖区航标的遥测遥控覆盖率。而由于受无线电通信距离的影响，单一的通信方式是无法满足辖区所有航标的遥测遥控需求。因此，航标管理部门一般是多种通信技术结合使用，如：AIS技术、北斗导航等等，其中AIS技术在航标遥测遥控是应用较多一种。

关键词：AIS技术 航标遥测遥控 商用无线电通信

1.前言

AIS技术日臻成熟，促进该技术在航海安全管理上得到全面推广和应用，特别是航标管理部门基于AIS技术的航标遥测遥控应用。受AIS通信时隙资源有限性的影响，在通航密度高的航区（如港内）大量应用以上设备，将无法获得AIS管理部门的批准，原因是AIS管理部门必须首先保证船舶通航安全管理的需要，但使用于外港及近岸航区时，由于时隙资源冗余足够多，则不会有上述限制。本文是基于作者长期的基层航标维护管理工作经验总结，对AIS技术在航标遥测遥控上的应用进行探讨，解决普通商用无线電通信网络无法覆盖区域航标的遥测遥控问题。

2.普通商用无线电通信网络航标遥测遥控

（1）商用无线电通信网络航标遥测遥控是以商用无线电通信网络为基础构建起来的航标遥测遥控管理平台。工作过程如下：航标工作状态信息采集设备把采集到的信息，通过商用无线电通信网络，把航标的工作信息传输到航标管理部门的平台中，实现对航标工作状态数据综合管理。

（2）发生网络租用费。利用商用无线电通信网络进行航标遥测遥控，必须向电信公司租用通信卡，一座航标需配置一个通信卡，费用为10/月。实践中，航标管理部门对这个费用的性价比仍是可以接受的。

（3）商用网络无线通信距离。普通商用通信网络是指：中国电信、中国联通、中国移动等，以无线网络的有效通信距离为15海里左右，当大于15海里时，灯器上的通信终端将无法正常通信，从而影响航标的遥测遥控工作正常。有如下案例证明：湛江航标处在湛江港0—2号灯浮标均安装商用通信网络遥测遥控终端，其中湛江港1、2号灯浮勉强能通信工作，灯浮距离最近的岸基为14.56海里；湛江港0号灯浮标就无正常通信，该灯浮标距离最近的岸基为15.5海里，说明商用通信网络的作用距离最大只能达到15海里。

根据以上分析，普通商用无线电网络受限于作用距离的极限性，无法全部满足航标管理部门的航标遥测遥控100%覆盖的要求，为此，开发AIS技术的航标遥测遥控系统势在必行。

3.AIS技术简介

AIS（船舶自动识别系统）是一种具有船舶自动识别、通信和导航定位功能的新型助航电子系统。AIS采用SOTDMA协议，是一个无中心节点的通信识别网络系统，工作在VHF频段（156MHz-162MHz）。AIS由船台（CLASSA、CLASSB）、基站组成。船台可向其它船及基站自动播发本船的动态信息（位置信息、航速信息、航向信息等），静态信息（MMSI、IMO、船名、目的港等）、安全相关短信息等，同时也可自动接收其它船及基站发送的动态信息、静态信息及安全相关短信息。基站则可依靠所获取的信息，实现对其海区内的船舶实时管理，提高海域管理效率等等。

AIS原本只是应用于船舶航行的安全管理系统，近年来，AIS技术在助航保障中也得到很好的应用，如AIS应答器、AIS航标遥测遥控等，其中利用AIS通信作用距离更大特点，成功开发出AIS航标遥测遥控技术，填补了商用无线通信网络覆盖不足的短板。

4.基于AIS技术的航标遥测遥控系统架构

基于AIS技术的航标遥测遥控系统，是利用现有的AIS基础网络搭建的，其系统架构及工作流程如下：

AIS航标遥测遥控系统主要由AIS数字航标终端、GPS天线、VHF天线、航标管理监控中心（航标管理软件）、AIS基站等组成。（1）GPS天线和AIS数字航标终端内部GPS接收模块完成GPS信息的接收，通过解析GPS信息可以获得航标终端的精确位置信息；（2）VHF天线主要接收周围最近AIS基站、安装AIS船载应答机的船舶的信息；（3）AIS数字航标终端主要完成航标的运行状态、航标蓄电池和太阳能电池等工作状态的监测，同时把监测到的所有数据通过VHF实时传送给AIS基站——AIS控制中心——航标管理平台（中心），航标管理部门在管理平台上数据管理，实现AIS技术对航标的遥测遥控功能。

AIS航标遥测遥控工作流程图，如图1。

航标管理部门向AIS管理部门申请AIS航标设置，获取AIS航标入网身份（MMSI码），将入网身份信息以在线形式写入AIS数字航标终端，终端将采集到的航标工作状态信息，通过VHF无线电发送到最近的AIS基站再转到航标管理平台。

5.AIS航标遥测时隙资源占用分析

2008年11月，中国电子科技集团第十研究所在上海吴淞口海域进行了一次AIS系统时隙占用率的测试。

AIS接收设备天线架高为30米，稳定接收距离约25海里。将一周时间的测试数据进行统计：在不同时段的1分钟接收时间内，接收船舶数量较多时约为250艘，接收船舶数量较少时约为80艘。

以信道负载较重的某1分钟的数据来计算时隙占用率。根据测试数据显示，接收船数为248艘，实际接收到的报文数量为826条，由于所接收到的报文中有些报文占用时隙数大于等于2个，经统计实际时隙占用量为1140个。故，这1分钟的时隙占用率为：1140/4500=25.33%。

如果在此条件下加装3 0 0套ATON设备（报告率为1次/分钟），那么，这1分钟的时隙占用数为1140+300=1440，故，这1分钟的时隙占用率为： 1440/4500=32%。

由图2数据可计算此时的时隙冲突率，计算方法如下：

1分钟内时隙占用数=1440=180（船只数）X8（报告率Rr）；

根据图2，可得出这1分钟的时隙冲突率约为4%；故，在此条件下AIS系统仍能保证很高的通信成功率。

通过以上测试结果表明，在近岸或外港航区使用AIS技术的航标遥测遥控设备，是不会造成AIS系统通信成功率的下降的。

6.AIS遥测遥控设备硬件选用要求

由于AIS遥测遥控设备工作环境为外港，海况特别恶劣，对硬件要求比较严格：

（1）耗电低：24小时不超过2AH；

（2）VHF无线电通信距离：有效通信距离大于25海里（AIS基站的有效通信距离25海里）；

（3）VHF天线不锈材质，抗击摇摆：大于40度；

（4）抗风浪：风力14级以上；

（5）水密性：高于IP68。

7.实际应用情况分析

2014年6月起，湛江航标处在琼洲海峡北水道的1—7号灯浮标上，试验使用成都市伟丰电子科技有限公司的AIS遥测遥控设备，连续使用了4年，总体情况如下：

（1）试用海域的地理位置

琼洲海峡北水道位于雷洲半岛东部海域，航道走向为自北向南，与大陆的距离陆地约为24海里。航道最北端为1号灯浮，最南端为7号灯浮。根据测算， 1号灯距离最近的山狗吼基站为24海里， 7号灯距离最近的木栏头基站为24海里，以上海域，各种商用通信网络均无法有效覆盖。

（2）试用海域的海况

北水道每年4-8月（台风期间除外）海况稍好，其他时间基本是东北季候风天气，海上浪高基本在2米以上，海况非常恶劣。

（3）设备试验情况及改良

第一階段：2014年6月—2015年6月，7座灯浮标均安装一体化型AIS灯器，天线为铝合金材料。安装头一两个月，数据的传输较好；在经历大风浪后，发现灯器的天线均有不同程度的损坏，明显是抗风压情况不理想，造成通信性能差，影响试验效果。

第二阶段：2015年6月起，使用型号仍是ACTi-AN01，设备外壳为全铝合金型；天线经过改良，选用不锈钢材质，自恢复性能好，抗风能力强，天线能保持良好的指向性，通信性能大幅提高。

（4）灯浮标能耗配置要求

为确保灯浮标的能源供应的充足性，实际应用中为各灯浮标配置的能源为：60W硅板、160安时蓄电池，输入能源大于一般情况下的量（一般情况只配置40W的硅板，其他不变），即可保障灯浮标所有设备的能耗需要。

（5）试验情况分析

第一阶段，由于设备天线问题，采集数据不全，视为不成功；第二阶段，设备经过改良后，通信性能大幅提升，数据采集和传输正常，航标维护人员随时可平台中查阅和管理数据（如图3示）。

8.结束语

综上所述，在近岸或外港航区，利用AIS技术进行航标遥测遥控，是不影响AIS系统正常通信的，反而可形成资源共享；利用AIS技术实现航标遥测遥控，解决了商用通信网络通信距离不足问题，进一步提升航标遥测遥控的覆盖率，可以让航标维护人员及时掌握航标状态信息，制订主动的维护方案，提高维护工作的效率，降低维护成本，提升维护人员的生产安全系数。希望本文的分析可以为同行提供参考。