AIS-II系統(tǒng)在船舶安全監(jiān)管中的應(yīng)用

中國交通通信信息中心 李晉 大連海事大學(xué) 胡青

目前，在船舶監(jiān)管領(lǐng)域，AIS系統(tǒng)和GPS公網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)作為VTS系統(tǒng)中的輔助系統(tǒng)，相互共存并發(fā)揮著重大作用。與VTS系統(tǒng)相比，它們能夠準(zhǔn)確確定監(jiān)管船舶的各種動(dòng)態(tài)信息和靜態(tài)信息，而不需要人為進(jìn)行呼叫就能夠自動(dòng)識(shí)別。其中AIS系統(tǒng)中，classA主要應(yīng)用于IMO公約規(guī)定的大于300總噸以上的船舶，AIS classB和GPS公網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)則應(yīng)用于小型內(nèi)河或沿海船舶。

現(xiàn)有的AIS系統(tǒng)是基于甚高頻（VHF）通信手段，采用自組織式時(shí)分多址（SOTDMA）或載波敏感時(shí)分多址（CSTDMA）通信模式，其通信距離有限，只能在40公里左右的范圍內(nèi)進(jìn)行船舶識(shí)別，因此在內(nèi)河等狹長水道特別是山區(qū)河流中，很難保障船舶航行的安全性。而GPS公網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)中船舶數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性傳輸、集中管理、價(jià)格便宜和易于維護(hù)的優(yōu)勢，使其在內(nèi)河船舶監(jiān)管中被越來越廣泛的應(yīng)用。

AIS-Ⅱ系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)

1、系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1：系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)圖

AIS-Ⅱ系統(tǒng)主要包括船載終端設(shè)備、傳輸網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)識(shí)別中心。其中，船載終端設(shè)備是系統(tǒng)指令和船舶識(shí)別的主體，負(fù)責(zé)將本船數(shù)據(jù)上傳至系統(tǒng)中心或周圍需要進(jìn)行識(shí)別的其他船舶；傳輸網(wǎng)絡(luò)主要是基于公網(wǎng)無線通信網(wǎng)絡(luò)（GPRS/CDMA/3G），采用IP網(wǎng)絡(luò)通信模式進(jìn)行船舶自動(dòng)識(shí)別的系統(tǒng)；系統(tǒng)識(shí)別中心則負(fù)責(zé)接收并認(rèn)證來自各地的船載終端設(shè)備，計(jì)算和檢索每一艘船舶需要識(shí)別的其他船舶信息，并發(fā)送給該船舶終端設(shè)備。

AIS-Ⅱ系統(tǒng)船舶自動(dòng)識(shí)別的實(shí)現(xiàn)是通過系統(tǒng)識(shí)別中心組織并轉(zhuǎn)發(fā)每個(gè)船舶周圍其它船舶的基本信息，包括：船名、呼號(hào)、船型、位置，航速、航向、IP地址、通信端口。船舶已經(jīng)識(shí)別后的信息通過兩種模式更新：一是船舶終端設(shè)備至船舶終端設(shè)備之間直接進(jìn)行信息交換（AIS-Ⅱ S-S模式），二是通過船舶識(shí)別中心轉(zhuǎn)發(fā)各船舶之間的信息（AIS-Ⅱ S-C模式）。當(dāng)船舶在系統(tǒng)識(shí)別中心輔助下對(duì)周圍船舶確認(rèn)后，各船舶之間通過發(fā)送ITU-M. 1371標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的Message18和Message19條信息進(jìn)行船舶各類信息的更新。

圖2 AIS-II船載終端設(shè)備主要模塊組成框圖

2、船載終端設(shè)備物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

船載終端設(shè)備是整個(gè)系統(tǒng)船舶識(shí)別的執(zhí)行主體和人機(jī)接口，其組成主要包括MCU模塊、GPS定位模塊、GPRS/CDMA通信模塊、LCD顯示模塊、鍵盤控制模塊和電源模塊等。設(shè)備總體結(jié)構(gòu)如圖2所示：

MCU核心處理器是船載終端設(shè)備的主控部分，主要負(fù)責(zé)設(shè)備功能的實(shí)現(xiàn)和通信協(xié)議棧與AIS-Ⅱ協(xié)議棧的運(yùn)行；GPS定位模塊負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)提供設(shè)備位置數(shù)據(jù)，供AIS-Ⅱ系統(tǒng)和系統(tǒng)內(nèi)其他船舶對(duì)該船進(jìn)行位置確認(rèn)；GPRS/CDMA無線通信模塊負(fù)責(zé)提供系統(tǒng)通信鏈路的聯(lián)接和數(shù)據(jù)傳輸；LCD顯示模塊和鍵盤控制模塊是人機(jī)接口，響應(yīng)和顯示人機(jī)之間的交互工作；電源模塊則是將船舶電壓變換到各模塊需要的電壓上以保證設(shè)備正常運(yùn)行。

AIS-Ⅱ系統(tǒng)主要業(yè)務(wù)功能

1、系統(tǒng)管理功能

系統(tǒng)管理功能主要提供AIS-Ⅱ船舶終端的在線注冊、審核、船舶識(shí)別和在線管理功能。它能管理和記錄該船舶的靜態(tài)信息、動(dòng)態(tài)信息和航次信息，并將上述信息記錄到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。

圖3 AIS-II顯示主界面

船舶首先將靜態(tài)信息在系統(tǒng)中注冊后，才能接入該系統(tǒng)并通過審核，之后通過執(zhí)行AIS-Ⅱ系統(tǒng)提供的各種服務(wù)，因此保證了船舶信息的安全性。當(dāng)船舶需要進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別服務(wù)時(shí)，AIS-Ⅱ系統(tǒng)將周圍船舶的各類信息（動(dòng)態(tài)信息、靜態(tài)信息和航次信息）發(fā)送給該船舶終端設(shè)備。如執(zhí)行會(huì)將上述信息發(fā)送給需要識(shí)別該船舶的其他船舶。同時(shí)，系統(tǒng)還提供船舶終端設(shè)備實(shí)時(shí)在線管理功能，可以檢測異常在線終端設(shè)備，以確保系統(tǒng)的安全性和實(shí)時(shí)在線的可靠性。

2、船舶自動(dòng)識(shí)別功能

船舶登錄系統(tǒng)識(shí)別中心后，可在系統(tǒng)識(shí)別中心的輔助下，由識(shí)別中心計(jì)算出該船舶需要識(shí)別的其他船舶，并將其他船舶的基本信息（網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接IP、端口號(hào)、船舶靜態(tài)信息、當(dāng)前動(dòng)態(tài)信息和認(rèn)證標(biāo)識(shí)等）發(fā)送給該船舶，同時(shí)將該船舶的基本信息發(fā)送給其他船舶，以完成系統(tǒng)船舶的自動(dòng)識(shí)別。當(dāng)船舶識(shí)別完成后，可通過AIS-Ⅱ S-S模式或AIS-Ⅱ S-C模式進(jìn)行后續(xù)動(dòng)態(tài)信息的交換。

3、AIS協(xié)議數(shù)據(jù)交換功能

船舶終端設(shè)備登錄到系統(tǒng)中心后，自動(dòng)識(shí)別的船舶之間和船舶與系統(tǒng)識(shí)別中心之間通過AIS協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)的更新和信息的交換。其中，互相識(shí)別的船舶之間信息的交換在AIS-Ⅱ S-S模式下按照ITU-M. 1371標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的Message18和Message19條信息進(jìn)行船舶各類信息的更新；在AIS-Ⅱ S-C模式下按照ITU-M. 1371標(biāo)準(zhǔn)Message1，3，5和Message17的模式將船舶各類信息上傳至系統(tǒng)識(shí)別中心，再由系統(tǒng)識(shí)別中心按照Message18和Message19的信息格式發(fā)送給各船舶終端設(shè)備。

同時(shí)，由于AIS-Ⅱ系統(tǒng)采用了基于IP的數(shù)據(jù)通信方式，因此，對(duì)每一個(gè)終端設(shè)備還需要進(jìn)行在線保持和身份驗(yàn)證識(shí)別等數(shù)據(jù)交換協(xié)議。

4、系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)功能

由于GPRS/CDMA系統(tǒng)在內(nèi)河和沿海區(qū)域是無縫覆蓋的蜂窩系統(tǒng)，而AIS-Ⅱ系統(tǒng)又是基于該系統(tǒng)的船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，因此船舶的自動(dòng)識(shí)別范圍也是全區(qū)域的。同時(shí)，AIS-Ⅱ系統(tǒng)在基于IP數(shù)據(jù)傳輸方式的基礎(chǔ)上，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的多級(jí)聯(lián)網(wǎng)，使整個(gè)國家或區(qū)域的船舶監(jiān)管納入一個(gè)聯(lián)網(wǎng)識(shí)別平臺(tái)中，使船舶識(shí)別范圍無限擴(kuò)展。同時(shí)，該系統(tǒng)可以與現(xiàn)有的AIS系統(tǒng)、VTS系統(tǒng)或衛(wèi)星通信系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，使整個(gè)系統(tǒng)能夠?qū)θ蚍秶鷥?nèi)的船舶進(jìn)行有效監(jiān)管和識(shí)別，并對(duì)任意一個(gè)水域能夠進(jìn)行全時(shí)態(tài)、全部船舶物標(biāo)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)管。

5、終端設(shè)備的船舶標(biāo)繪功能

AIS-Ⅱ系統(tǒng)終端設(shè)備開發(fā)了簡單的船舶標(biāo)繪功能，利用AIS自動(dòng)識(shí)別的其他船舶數(shù)據(jù)信息，可以完成船舶航路點(diǎn)設(shè)置、避碰預(yù)測等功能，并實(shí)時(shí)給出船舶的航向、航速等功能。該功能可以對(duì)船舶進(jìn)行導(dǎo)航和避碰，有效提高船舶航行安全性。

6、增值服務(wù)功能

在系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，基于該系統(tǒng)可以提供各種增值服務(wù)功能，如船舶搜救協(xié)調(diào)、生產(chǎn)調(diào)度、物流運(yùn)輸、航路警報(bào)、安全預(yù)警等各種增值服務(wù)。可以全方位提高船舶的航行安全和生產(chǎn)運(yùn)營效率。

AIS-Ⅱ系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1、AIS-Ⅱ系統(tǒng)軟件邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

AIS-Ⅱ系統(tǒng)軟件主要包括船載終端設(shè)備接入服務(wù)軟件、動(dòng)靜態(tài)信息轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)軟件、AIS-Ⅱ自動(dòng)識(shí)別計(jì)算和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)軟件、調(diào)度管理控制服務(wù)軟件以及前端顯示操作軟件。其中，前兩個(gè)軟件為AIS-Ⅱ系統(tǒng)終端設(shè)備的接口軟件，負(fù)責(zé)終端設(shè)備的接入和數(shù)據(jù)傳輸管理；隨后兩個(gè)服務(wù)軟件是AIS-Ⅱ系統(tǒng)核心識(shí)別服務(wù)軟件，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)AIS-Ⅱ系統(tǒng)的船舶自動(dòng)識(shí)別功能和系統(tǒng)增值服務(wù)管理；前端顯示操作軟件是人機(jī)交互接口，負(fù)責(zé)將系統(tǒng)的各種信息數(shù)據(jù)展現(xiàn)在系統(tǒng)識(shí)別中心監(jiān)管人員面前，并負(fù)責(zé)接收監(jiān)管人員的各種指令控制和轉(zhuǎn)發(fā)給系統(tǒng)各軟件或船載終端設(shè)備。

AIS-Ⅱ系統(tǒng)船載終端設(shè)備登錄、認(rèn)證和信息傳輸過程中都存在對(duì)數(shù)據(jù)庫的讀取操作，因此，系統(tǒng)核心船舶數(shù)據(jù)庫主要與AIS-Ⅱ系統(tǒng)接口服務(wù)軟件和AIS-Ⅱ系統(tǒng)核心識(shí)別軟件相關(guān)聯(lián)。當(dāng)前端顯示操作軟件需要數(shù)據(jù)服務(wù)時(shí)，由AIS-Ⅱ系統(tǒng)核心識(shí)別軟件提供所必需的各類數(shù)據(jù)，而前端顯示操作軟件不直接與系統(tǒng)核心船舶數(shù)據(jù)庫建立連接，保證了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全。

2、AIS-Ⅱ終端設(shè)備軟件邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

AIS-Ⅱ終端設(shè)備軟件邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，GPRS/CDMA網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)軟件模塊是AIS-Ⅱ系統(tǒng)船舶自動(dòng)識(shí)別的通信鏈路驅(qū)動(dòng)程序，負(fù)責(zé)與系統(tǒng)識(shí)別中心和其它船舶終端設(shè)備之間建立通信鏈路，該軟件模塊將收到的信息轉(zhuǎn)交給AIS-Ⅱ協(xié)議解析軟件模塊進(jìn)行解析，并將AIS-Ⅱ協(xié)議封裝軟件模塊提交的信息包發(fā)送出去。而AIS-Ⅱ系統(tǒng)識(shí)別船舶管理軟件模塊負(fù)責(zé)對(duì)解析后的周圍船舶信息進(jìn)行存儲(chǔ)、更新和管理操作，并響應(yīng)終端設(shè)備應(yīng)用管理核心軟件模塊的控制指令提交必要的信息給LCD顯示模塊、船舶標(biāo)繪軟件模塊進(jìn)行顯示操作；同時(shí)，接收來自終端設(shè)備應(yīng)用管理核心軟件模塊的本船更新的動(dòng)靜態(tài)信息，按照規(guī)定AIS-Ⅱ系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定發(fā)送給AIS-Ⅱ協(xié)議封裝軟件模塊，再由AIS-Ⅱ協(xié)議封裝軟件模塊封裝成系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)傳輸協(xié)議包提交給GPRS/CDMA網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)軟件模塊發(fā)送出去。

終端設(shè)備應(yīng)用管理核心軟件模塊是整個(gè)船載終端設(shè)備軟件的核心模塊，該模塊除了完成上述工作外還負(fù)責(zé)GPS定位處理軟件模塊、flash存儲(chǔ)管理軟件模塊、鍵盤操作軟件模塊等模塊之間的數(shù)據(jù)傳遞和溝通協(xié)調(diào)工作。

基于VHF的AIS系統(tǒng)與AIS-Ⅱ系統(tǒng)優(yōu)劣比較

ITU-R M.1371規(guī)定的AIS系統(tǒng)船載終端設(shè)備和岸站都是基于VHF通信，并采用SOTDMA方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸速率為9600bit/second AIS-Ⅱ系統(tǒng)相對(duì)于VHF， AIS系統(tǒng)具有如下優(yōu)勢：

1、安全。AIS-Ⅱ系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸基于GPRS/CDMA無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)傳輸過程中需要身份認(rèn)證，因此避免了現(xiàn)有AIS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息不確定性。由于AIS系統(tǒng)基于VHF信道的SOTDMA傳輸方式很容易被恐怖分子利用，只要在某一區(qū)域設(shè)置一個(gè)全時(shí)態(tài)（占用所有發(fā)射時(shí)隙）的AIS系統(tǒng)干擾器，同時(shí)發(fā)送大量的垃圾數(shù)據(jù)或虛假數(shù)據(jù)，就會(huì)造成周圍現(xiàn)有AIS系統(tǒng)無法正常工作，同時(shí)會(huì)造成該干擾器一定范圍內(nèi)的所有船舶都無法執(zhí)行AIS自動(dòng)識(shí)別功能。因此，在數(shù)據(jù)傳輸安全性上，AIS-Ⅱ系統(tǒng)具有絕對(duì)的優(yōu)勢。

2、可靠。AIS-Ⅱ系統(tǒng)基于GPRS/CDMA無線IP數(shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn)船舶自動(dòng)識(shí)別，內(nèi)河或沿海區(qū)域基本實(shí)現(xiàn)了無縫覆蓋，因此數(shù)據(jù)傳輸能夠得到保障。而基于VHF的AIS系統(tǒng)很難在內(nèi)陸峽谷河流中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸。同時(shí)，AIS-Ⅱ系統(tǒng)基于IP網(wǎng)絡(luò)的TCP/IP協(xié)議進(jìn)行傳輸，保證了數(shù)據(jù)的正確到達(dá)，而基于VHF的AIS系統(tǒng)則存在信道沖突而使傳輸數(shù)據(jù)丟失。另外，AIS-Ⅱ系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸帶寬＞115.2kbps，系統(tǒng)容量和數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于基于VHF的AIS系統(tǒng)。

3、較高性價(jià)比。AIS-Ⅱ系統(tǒng)（包括系統(tǒng)識(shí)別中心和船載終端設(shè)備）建造價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于基于VHF的AIS系統(tǒng)終端設(shè)備，而功能和數(shù)據(jù)傳輸效率則遠(yuǎn)高于基于VHF的AIS系統(tǒng)。雖然AIS-Ⅱ系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸需要繳納一定的網(wǎng)絡(luò)傳輸費(fèi)用，但相對(duì)于沿內(nèi)河網(wǎng)絡(luò)布設(shè)AIS基站后的維護(hù)費(fèi)用要低得多。AIS-Ⅱ系統(tǒng)易于維護(hù)，易于擴(kuò)展，容易拓展系統(tǒng)的各種增值服務(wù)。

由AIS-Ⅱ系統(tǒng)的特點(diǎn)和優(yōu)勢可知，本系統(tǒng)對(duì)船舶監(jiān)管系統(tǒng)是一個(gè)有力的補(bǔ)充，特別是對(duì)偏遠(yuǎn)山區(qū)和峽谷河流具有普遍的應(yīng)用優(yōu)勢，在內(nèi)河船舶自動(dòng)識(shí)別和導(dǎo)航避碰領(lǐng)域具有明顯的優(yōu)勢，使現(xiàn)存VTS系統(tǒng)和基于VHF的AIS系統(tǒng)能夠得有力補(bǔ)充，具有十分廣闊的應(yīng)用空間和市場發(fā)展前景。