长江干线虚拟航标发布方式的探索

王当利 黄晓龙 刘振坤 朱苏皖

摘  要：随着通信导航技术在长江航道的发展和应用，已给越来越多的航运船舶提供了先进的信息沟通和导航服务。针对传统实体航标占用可航行水域、设标周期长和难以维护的短板，结合长江干线实际情况，充分发挥虚拟航标的特点，探索电子航道图虚拟航标和AIS虚拟航标的发布方式，并进行发布实验，以验证船舶通过连续桥区的安全性和提升了航道尺度利用率。两种虚拟航标的发布方式能有效的弥补各自的局限性，达到优势互补，为虚拟航标在长江干线航道的推广提供保障。

关键词：虚拟航标;AIS;电子航道图;发布方式

中图分类号：U644.4        文献标志码：A       文章编号：2095-2945（2019）33-0009-04

Abstract： With the development and application of communication and navigation technology in the Yangtze River channel， more and more shipping ships have provided advanced information communication and navigation services. In view of the facts， i.e.， the traditional physical navigation mark occupying the navigable waters， the long period of calibration and the difficulty inmaintenance， this study considers the actual situation of the Yangtze River trunk line and the characteristics of the virtual navigation mark， explores the release method of the virtual navigation mark and the AIS virtual navigation mark， and experiments to verify the safety of the ship through the continuous bridge area and improve the channel size utilization. The release methods of the two virtual navigation aids can effectively compensate for their respective limitations and complement each other， so as to provide guarantee for the promotion of virtual navigation marks on the Yangtze River.Keywords： aids to navigation; AIS; electronic channel map; release method

引言

虛拟航标技术是航道信息化发展的必然产物，在电子航海（E-Navigation）战略体系下[1]，虚拟航标技术是传统航标助航设备或系统体系的有效补充，充分体现了整合、共享与服务的本质特征。针对传统实体航标占用可航水域、设置周期长等劣势，结合虚拟航标技术在长江干线航道的适应性分析，探索电子航道图虚拟航标和AIS虚拟航标的发布方式，并在武汉选取具特色的试验河段进行实验，以验证这两种虚拟航标在长江干线的适用性与有效性。为推动虚拟航标技术更好地应用于长江航道，确保船舶航行安全提供保障。

1 虚拟航标

虚拟航标（Virtual Aid to Navigation）是指物理上不存在，由经授权的助航服务提供部门发布能在导航系统中显示的数字信息物标[2]。（IALA定义）它是继视觉航标、无线电航标之后国际航标学会认可的，旨在提升和增强航标管理机关的航标助航服务能力的现代化技术手段。

1.1 虚拟航标涵义

（1）虚拟航标可用于告知航海人员航行危险物、安全航路、谨慎驾驶水域和规避水域等与航行相关的安全信息[3]。

（2）虚拟航标可用于标识能用图形表示的线、区域、位置及其它形式。

（3）虚拟航标承载的信息，包括地理位置，可以固化也可以随时（动态）变更。

（4）虚拟航标不应理解为替代其他形式的航行警告、航道通电或海上安全信息（MSI），而是海上（江上）安全信息发布的一种有效的补充机制，使得MSI的发布以及应用更加方便和丰富。

1.2 虚拟航标与实体航标特点

1.2.1 虚拟航标与实体航标优劣势分析（如表1）

实体航标的功能很容易受到视线，天气，海况，碍航物，航标故障等因素的影响，虚拟航标弥补了实体航标的不足，还可以帮助航标管理部门实现主动式服务和管理[4]。虚拟航标的大量应用，将会节约大量的人力物力和能源，减少或杜绝了各种环境污染。在时间关键的情形、标示航行条件频繁变化的动态区域以及设置实体航标不可行或不可能的情况下，虚拟航标作用尤其明显。例如，在永久航标设置前，临时设置虚拟航标标示航行危险物比较适宜。此外，虚拟航标可用于标示航行条件频繁变化的区域，这些区域需要动态标识。

1.2.2 虚拟航标与实体航标优劣互补

虚拟航标并不是为了取代实体航标，也不可能全面取代传统航标，未来发展趋势应是由少到多，逐渐占据优势[4]。虚拟航标用来补充和完善、增强实体航标提供的助航服务，或者用来监控实体航标提供的工作情况，及早地发现实体航标故障并加以解决，优化航标配布，改善通航条件。可以为船舶安全航行提供更好的服务，为长江航道智能与高效提供科技支持。虚拟航标的普及程度取决于下列因素：

（1）社会对虚拟航标、虚拟航道的认知程度。

（2）虚拟航标的技术保障体系。例如标准化规范化的虚拟航标定义和显示;健全的虚拟航标运行管理体系。

（3）虚拟航标的辅助保障体系。例如法律法规、软硬件网络环境航道管理体系以及人员队伍。

2 长江干线虚拟航标发布方式的探索

结合长江干线实际情况，探索电子航道图虚拟航标和AIS虚拟航标的发布方式，并进行发布实验，以验证这两种虚拟航标在长江干线的适用性与有效性。

2.1 基于电子航道图虚拟航标发布的方式

2.1.1 试验河段概况

选取长江武汉航道局武汉航道管理处辖区进行虚拟航标的示范应用。武汉航道管理处辖区航道界限上起邓家口下迄泥矶，维护管理长江中、下游120.2公里的主航道和11公里的缓流航道。武汉航道处辖区航道图如图1所示。

目前已在武汉航道管理处辖区设置虚拟助航标志8座，应用水道总长44.2km，各虚拟航标其名称及编码见表2和图2。  虚拟航标管理系统及信息查询界面如图3、图4所示。

2.1.2 虚拟航标试验效果

运用虚拟航标管理系统，一方面实现了虚拟航标的在线管理维护，另一方面也使得装有长江电子航道图终端的船舶可在驾驶过程中按照虚拟航标标识的航线行驶，充分发挥了虚拟航标的助航作用。虚拟航标在长江电子航道图船舶终端上显示的界面如图5所示。

（1）提高了船舶通过连续桥区的安全性

通过在连续桥区布设虚拟航标，航行船舶可根据虚拟航标标示的航道安全通过，确保了桥区船舶通行的安全。试验期间，试验河段未发生因航道导致的船舶事故，而且通过船舶驾驶人员反映，基于虚拟航标驾驶船舶通行连续桥区，驾驶操作相对更简单，安全保障程度更高。

（2）提升了航道尺度利用率

虚拟航标位置调整更新更加及时，在航道尺度变化后，虚拟航标可在第一时间完成位置调整，因此为船舶提供的航道尺度更加准确，结合长江电子航道图系统的应用，船舶对可利用航道水深更加了解，便于其货物配载，进一步提升了航道尺度的利用率。

2.2 基于AIS虚拟航标发布的方式

选择长江南京航道局下属上海航道处的浏河口至荡茜闸之间大约23公里范围的河段作为试验河段，AIS虚拟航标系统为虚拟航标提供了基础数据的设置、管理以及应用监视的窗口，从而实现虚拟AIS航标与实体航标的统一管理。

采用的4层体系结构如图6。用户层主要是面对用户的航标业务管理系统以及综合监控系统;数据层为位于航道处的数据库服务器;应用层为位于航道处的AIS服务器;物理层为位于航道处管辖内的一个虚拟航标收发单元。

2.2.1 物理层

在示范应用河段内，至少需要一个作用范围在二十公里以上的AIS基站来播发虚拟航标信息。因此，采用一个AIS虚拟航标收发单元来实现虚拟航标的示范应用。

2.2.2 应用层

应用层内是处虚拟AIS航标应用系统的核心，位于航道处内的AIS服务器。AIS服务器中运行的AIS信息收发系统将以最长3分钟的时间间隔（管理者可以配置参数进行调整）连续不断地从航道处的数据库中读取由处航标业务管理系统设计好的虚拟航标信息，并根据国际标准对信息进行转换和处理，形成标准的21号AIS报文，形如：！AIVDM，1，1，， B，E：W1U：Gpq6h： 2ab0000000 0000043mQ48sI90000000000，4*70，然后，通过网络数据接口传送给AIS基站，完成虚拟航标信息的播发。AIS服务器还将同时通过网络数据接口接收AIS验证基站接收的AIS目标信息包括AIS基站播发的虚拟航标信息以及过往船舶的动态信息，并根据各自的报文格式进行解析和处理，存入航道处数据库中的相关数据表中，供监控系统显示和查询。

2.2.3 数据层

数据层主要包括以下数据表：虚拟航标基础数据表 （m_virtual_pharos）、AIS基站基础数据表（m_ais_base）、虚拟航标明细类别表（m_virtual_sort）。虚拟航标明细类别表根据ITU RM-1371中MSG 21报文中规定的ATON类别进行定义。

2.2.4 用户层

用户层主要包括两个部分：航标业务管理系统和综合监控系统。

（1）航标业务管理系统

在现有航标业务管理系统的基础上新增的虚拟航标信息管理、AIS基站数据维护和虚拟航标明细分类三个模块的详细情况如下：

a. 虚拟航标信息管理

虚拟航标基础信息管理主要依据虚拟航标基础信息表，内容主要包括航标编码、航标类型、航标名称、航标位置、播发验证标志等。

虚拟航标信息的新建、修改、删除、查询：通过可视化界面编辑虚拟航标信息，包括新增、修改、删除、查询等操作，虚拟AIS航標报文编码规则生成模块的界面。

b. AIS基站数据维护

AIS基站数据维护依据AIS基础数据表，信息内容主要包括基站MMSI、基站名称、所属部门、IP地址、基站经度、基站纬度、工作状态等，能够实现AIS基站的新建、删除、修改和查询功能。

c. 虚拟航标明细分类

虚拟航标明细分类模块依据虚拟航标明细分类表，信息内容包括类型编号、类型名称等，能够实现虚拟航标类别的添加、删除、修改和查询功能。

（2）综合监控系统

综合监控系统是现有的实体航标以及通航船舶的动态监控系统，其基于电子航道图显示平台运行，能够在航道图上实时显示通航船舶以及实体航标的动态。为了实现虚拟航标与实体航标的统一监管，将在综合监控系统增设虚拟航标监控功能，以在航道图上显示虚拟航标的位置以及虚拟航标信息的播发状态。综合监控系统将从数据库中读取从AIS服务器接收到的虚拟航标验证数据与虚拟航标设计数据进行比较，如果出现虚拟航标验证数据丢失或者虚拟航标验证数据异常则自动启动报警，以声光方式提醒管理人员及时排查处理。

2.3 两种发布方式的特点

基于对长江干线虚拟航标的理解，本文描述了两种发布虚拟航标的方法。两者的比较如表3。

基于AIS虚拟航标的设置方法和将虚拟航标作为航道基本数据要素应用于电子航道图生产系统的设置方法相结合，能有效的弥补两种方法各自的局限性，达到优势互补。

3 结束语

虚拟航标技术作为一门综合多种信息技术手段的新兴航标应用技术，是对传统的视觉航标的有效补充，是现代化航标体系的重要组成部分[2]。虚拟航标技术是新时期对长江航标助航体系的有效扩展，是航道信息化的必然产物，更是社会各界对确保航行安全，保障流域环境的强烈需求。为了推动虚拟航标技术更好地应用于长江航道，建议如下：

（1）进一步完善长江干线电子航道图系统，建立基于长江电子航道图系统的虚拟航标生产体系和应用体系。

（2）协调并充分利用长江干线AIS基站网络资源，将动态的航道助航信息借助虚拟AIS航标技术体系实时为通航船舶、港行企事业单位服务。

（3）研究虚拟航标与航道通告（通电）以及其他航道动态发布方式的互补性，以期待虚拟航标技术全面融入长江航标助航及其服务体系。

（4）协调并整合长江干线电子航道图应用平台规范，以便长江内河航运用户能够正确规范显示虚拟航标。

参考文献：

[1]余华.基于AIS的航标助航信息服务技术研究[D].集美大学，2011.

[2]林海.基于电子航道图的虚拟航标系统架构[J].中国水运，2014（03）：46-47.

[3]方耿舜.AIS航标开发与应用的研究[D].集美大学，2012.

[4]张鹏.AIS虚拟航标应用探讨[A].中国航海学会航标专业委员会沿海航标学组、无线电导航学组、内河航标学组年会暨学术交流会论文集[C].2009，2.

[5]方英豪，刘世江.AIS虚拟航标的可行性[J].中国水运，2007（06）：46-47.

[6]徐峰.虚拟航标在长江航道中的应用[J].水运工程，2012（3）：119-123.