基于AIS的航标灯光自适应调节系统设计

王晓峰，李维运

（中交上海航道勘察设计研究院有限公司，上海 200120）

0 引言

航标通常设置于通航水域或其附近，用以指示通航水域的尺寸、方向、界限及各种水下或水上障碍，供船舶定位、导航或其它专用目的[1]。它对水运、渔业、海洋开发和国防建设，对建立海上和内河的安全经济通道，提供可靠的航行安全保障条件[2]。视觉航标在白天依靠航标的形状和颜色传递信息，在夜间通常依靠航标灯光来传递信息，航标灯是视觉航标重要的组成部分。随着智能航运、E航海等概念的兴起和发展，海上船舶逐步大型化及无人化，航标逐渐向智能化、多功能化等方面发展，航标在助导航服务方面发挥着越来越重要的作用[3]。航标作为海上各类服务设施的重要载体，受限于航标内部空间限制，同时各种系统设备电力能源供给能力不足的劣势逐渐显现。传统的航标灯作为海上航标重要的助导航设施，发光强度是固定的，为了满足最远的作用距离，航标灯始终按最远作用距离发出设定的光强，不利于能源的节省，同时也会对周边环境产生光污染。

特别在夜晚，对于大型船舶而言，由于其惯性较大、驾驶台高，需要在较远处获取灯光信号来提前做出相应动作，保障船舶安全航行，因此大型船舶对航标灯光视距要求更高、航标灯光强更大；而对于小型船舶而言，由于其惯性小、航行灵活且驾驶台低，大射程的灯光容易造成眩光，不利于船舶航行，于是对航标灯光强需求则没有大型船舶需求那么高。

因此，可通过技术手段对航标灯的使用和控制技术做出改进，在航标灯上搭载AIS系统，感知周边船舶航行状态，自适应调节航标灯射程，一方面可节省自身能源消耗[4]，另一方面可减少对周边环境形成的光污染。该系统可应用在附近船舶流量较少的区域，使用效果更为明显。

1 技术背景

1.1 传统航标灯工作原理

图1为传统航标灯的工作原理图。日光控制器采集外界的光照，当光照值比设定值大时，灯器判断为白天，自动关闭光源，达到白天关灯的目的。当光照值比设定值小时，灯器判断为夜间，自动开启光源，达到夜间开灯的目的。编码控制器是产生航标灯特定闪光的装置，单片机里储存各种闪光编码，特定标位的航标灯可选用该标位规定的闪光编码。电源控制器是灯器电源的管理器，它对控制电路和光源提供设计规定的电源。

图1 传统航标灯的工作原理框图Fig.1 The working principle block diagram of traditional beacon light

1.2 AIS概述

AIS（Automatic Identification System，自动识别系统）是一种工作在VHF频段采用SOTDMA（自主时分多址）现代通讯技术的广播式自动报告系统[5]。AIS技术标准规定：每分钟划分为2 250个时间段。每个时间段可发布1条不长于256 bit的信息，长于256 bit的信息需要增加时间段。每条船舶会通过询问选择一个与他船不发生冲突的时间段和对应的时间段来发布本船的信息[6]。

AIS船舶自动识别系统，可以对船舶航行的静态和动态信息进行连续地监视和管理。AIS系统是通过接收船舶主动发出的AIS信号了解船舶的静态信息和动态信息[7]。

2 航标灯能耗分析

根据JT/T 730—2008《航标灯光强测量和灯光射程计算》标准给出灯光射程公式[8]：

式中：I为航标灯灯光光强，cd，计算时以有效光强代入；E为照度阈值，E=0.686；D为灯光射程，n mile；T为大气透射系数，一般取T=0.74。

将上列系数代入式（1），即为航标灯灯光射程计算公式：

根据式（2）可知，航标灯光射程的增加，光强将成倍的增加，造成能耗的增加。

3 系统设计

通过在航标灯上加载AIS模块，可利用AIS模块接收附近船舶发出的动静态信息。动态信息包括船舶的位置、航速、航向、航首向、航行状态等信息，静态信息包括船舶的MMSI、呼号与船名、IMO号码、长度与宽度、船舶类型等。因此，系统可对船舶发出的AIS报文进行识别和提取，将船舶大小、位置等信息发送至光强控制（选择）模块，达到航标灯智能选择光强的目的。航标灯光自适应调节系统框图如图2所示。

图2 航标灯光自适应调节系统框图Fig.2 Block diagram of beacon light adaptive adjustment system

图3为航标灯加载AIS模块的框图。控制MCU主要用于航标灯的各项数据的收集，灯光亮度控制，灯光节奏控制，以及灯器的启闭等；日光阀模块用于收集感知日光强度，转换成电信号，通知MCU当前的日光强度，使MCU根据日光强度控制灯器的启闭，从而节约能源；灯质模块用于得到预设的灯质值，MCU得到灯质值后可根据要求进行闪烁；DC-DC模块作用是由于航标灯均使用蓄电池供电，蓄电池电压在白天充电和晚上放电时均会有浮动，DC-DC模块可以稳定地输出一个固定的灯器控制工作电压，而不受外部输入电压浮动的影响；电源输入电磁兼容处理网络作用是由于海上电磁环境恶劣，各种雷达、船舶AIS、对讲机等无线电干扰，部分干扰会通过航标灯器的电源线缆耦合进入灯器，对灯器的正常工作带来不必要的影响，该网络可有效杜绝此类的干扰进入；定位模块主要通过北斗卫星定位，实时监测浮动航标的当前位置；灯层驱动模块是LED的驱动电路，具有PWM调光，恒定功率，稳定亮度，灯器亮灭等功能，由MCU直接编程控制；LED发光源由若干LED网络和透镜组成，使灯器亮起时可以达到相应的射程及发光角度指标；北斗通信模块用于将航标灯采集的航标数据通过北斗卫星上传至数据接收服务器；全网通信模块用于将航标灯采集的航标数据通过移动公共网络上传至数据接收服务器；AIS接口模块可实时接收AIS接收器提供的信号，由MCU自动调整航标灯的射程；数据存储模块可将MCU收集到的数据进行不易失存储；看门狗模块可实时监控MCU运行情况，防止MCU由于特殊情况下出现死机、宕机状态，进行自动复位[9]。

图3 航标灯模块框图Fig.3 Block diagram of beacon light module

图4为AIS模块框图。AIS接收是接收船舶AIS台站发出的本船航行状态包括静态和动态信息；解调模块用于解调信号，转换成数字信号；定位模块主要通过北斗卫星定位，利用PPS进行时隙0校准；看门狗模块为实时监控MCU运行情况，防止MCU由于特殊情况下出现死机、宕机状态，进行自动复位；MCU对A频点、B频点的数字信号进行HDLC、NZRI、CRC校验，基带的软件解调；对解调成功的报文进行判断分析，来确定是否需要航标灯进行射程调整，将控制信号传给航标灯器。

图4 AIS模块框图Fig.4 Block diagram of AIS module

AIS接收流程图及系统主要工作流程图如图5所示。当航标灯在夜晚开始工作时，正常开启弱档光强，以满足小型船舶夜间正常行驶需要。同时开启AIS接收模块，通过不断接收附近船舶发出的AIS信息，判断附近是否有大型船舶，当有大型船舶时判断大型船舶是否靠近，如果是，则开启强档光强，当其驶离时，恢复成弱档；当附近没有大型船舶，但是有中型船舶时，判断是否靠近，如果是，则开启中档光强，直至其驶离，恢复成弱档光强；当AIS未能采集到大、中型船舶，则一直保持弱档光强，满足小型船舶正常夜间航行灯光需求。为满足航标灯始终满足船舶安全航行需求，当检测到有大型船舶驶入时，大型船舶享有第一优先级别的航标灯光射程[10]。

图5 AIS系统主要工作流程图Fig.5 The main working process of AIS system

4 结语

1）目前现有的航标灯为了满足最远的作用距离，始终按最远作用距离发出设定的光强，当附近没有船舶或者船舶较少时，对于航标灯能源而言造成不必要的消耗和浪费。特别当附近只有小型船舶时，会对驾引人员造成眩晕的后果，同时也可能会对航标灯附近居民等造成一定的光污染。通过在航标灯上增加AIS系统模块，自适应控制航标灯光亮度，可有效解决此类不利影响。

2）根据航标灯能耗计算公式，当航标灯光射程增加，光强将成倍的增加，造成能耗的增加，通过感知附近船舶，收集船舶静态信息和动态信息，根据船舶的大小和位置对航标灯光进行自适应调节，可大幅减少航标灯能源消耗，延长使用寿命。

3）本系统增加AIS系统模块后，赋予了航标感知船舶并能进行信息交互的功能，在减少能源消耗的基础上，可在航标上增设不同的感知设施，以满足今后航标适应智能航运发展的需要。

4）本系统设计目前只适用于附近船舶较少的海域，对于船舶流量较大的区域，航标灯射程基本上处于最远作用距离状态，无法有效节省航标能源。