基于AIS技術(shù)航標(biāo)遙測遙控應(yīng)用的探討

梁海鳳 郭章儉

摘 要：航標(biāo)遙測遙控是航標(biāo)管理部門提高航標(biāo)維護管理工作效率的重要手段，因此航標(biāo)管理部門一直致力于提高轄區(qū)航標(biāo)的遙測遙控覆蓋率。而由于受無線電通信距離的影響，單一的通信方式是無法滿足轄區(qū)所有航標(biāo)的遙測遙控需求。因此，航標(biāo)管理部門一般是多種通信技術(shù)結(jié)合使用，如：AIS技術(shù)、北斗導(dǎo)航等等，其中AIS技術(shù)在航標(biāo)遙測遙控是應(yīng)用較多一種。

關(guān)鍵詞：AIS技術(shù) 航標(biāo)遙測遙控 商用無線電通信

1.前言

AIS技術(shù)日臻成熟，促進該技術(shù)在航海安全管理上得到全面推廣和應(yīng)用，特別是航標(biāo)管理部門基于AIS技術(shù)的航標(biāo)遙測遙控應(yīng)用。受AIS通信時隙資源有限性的影響，在通航密度高的航區(qū)（如港內(nèi)）大量應(yīng)用以上設(shè)備，將無法獲得AIS管理部門的批準，原因是AIS管理部門必須首先保證船舶通航安全管理的需要，但使用于外港及近岸航區(qū)時，由于時隙資源冗余足夠多，則不會有上述限制。本文是基于作者長期的基層航標(biāo)維護管理工作經(jīng)驗總結(jié)，對AIS技術(shù)在航標(biāo)遙測遙控上的應(yīng)用進行探討，解決普通商用無線電通信網(wǎng)絡(luò)無法覆蓋區(qū)域航標(biāo)的遙測遙控問題。

2.普通商用無線電通信網(wǎng)絡(luò)航標(biāo)遙測遙控

（1）商用無線電通信網(wǎng)絡(luò)航標(biāo)遙測遙控是以商用無線電通信網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)構(gòu)建起來的航標(biāo)遙測遙控管理平臺。工作過程如下：航標(biāo)工作狀態(tài)信息采集設(shè)備把采集到的信息，通過商用無線電通信網(wǎng)絡(luò)，把航標(biāo)的工作信息傳輸?shù)胶綐?biāo)管理部門的平臺中，實現(xiàn)對航標(biāo)工作狀態(tài)數(shù)據(jù)綜合管理。

（2）發(fā)生網(wǎng)絡(luò)租用費。利用商用無線電通信網(wǎng)絡(luò)進行航標(biāo)遙測遙控，必須向電信公司租用通信卡，一座航標(biāo)需配置一個通信卡，費用為10/月。實踐中，航標(biāo)管理部門對這個費用的性價比仍是可以接受的。

（3）商用網(wǎng)絡(luò)無線通信距離。普通商用通信網(wǎng)絡(luò)是指：中國電信、中國聯(lián)通、中國移動等，以無線網(wǎng)絡(luò)的有效通信距離為15海里左右，當(dāng)大于15海里時，燈器上的通信終端將無法正常通信，從而影響航標(biāo)的遙測遙控工作正常。有如下案例證明：湛江航標(biāo)處在湛江港0—2號燈浮標(biāo)均安裝商用通信網(wǎng)絡(luò)遙測遙控終端，其中湛江港1、2號燈浮勉強能通信工作，燈浮距離最近的岸基為14.56海里；湛江港0號燈浮標(biāo)就無正常通信，該燈浮標(biāo)距離最近的岸基為15.5海里，說明商用通信網(wǎng)絡(luò)的作用距離最大只能達到15海里。

根據(jù)以上分析，普通商用無線電網(wǎng)絡(luò)受限于作用距離的極限性，無法全部滿足航標(biāo)管理部門的航標(biāo)遙測遙控100%覆蓋的要求，為此，開發(fā)AIS技術(shù)的航標(biāo)遙測遙控系統(tǒng)勢在必行。

3.AIS技術(shù)簡介

AIS（船舶自動識別系統(tǒng)）是一種具有船舶自動識別、通信和導(dǎo)航定位功能的新型助航電子系統(tǒng)。AIS采用SOTDMA協(xié)議，是一個無中心節(jié)點的通信識別網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，工作在VHF頻段（156MHz-162MHz）。AIS由船臺（CLASSA、CLASSB）、基站組成。船臺可向其它船及基站自動播發(fā)本船的動態(tài)信息（位置信息、航速信息、航向信息等），靜態(tài)信息（MMSI、IMO、船名、目的港等）、安全相關(guān)短信息等，同時也可自動接收其它船及基站發(fā)送的動態(tài)信息、靜態(tài)信息及安全相關(guān)短信息。基站則可依靠所獲取的信息，實現(xiàn)對其海區(qū)內(nèi)的船舶實時管理，提高海域管理效率等等。

AIS原本只是應(yīng)用于船舶航行的安全管理系統(tǒng)，近年來，AIS技術(shù)在助航保障中也得到很好的應(yīng)用，如AIS應(yīng)答器、AIS航標(biāo)遙測遙控等，其中利用AIS通信作用距離更大特點，成功開發(fā)出AIS航標(biāo)遙測遙控技術(shù)，填補了商用無線通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋不足的短板。

4.基于AIS技術(shù)的航標(biāo)遙測遙控系統(tǒng)架構(gòu)

基于AIS技術(shù)的航標(biāo)遙測遙控系統(tǒng)，是利用現(xiàn)有的AIS基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)搭建的，其系統(tǒng)架構(gòu)及工作流程如下：

AIS航標(biāo)遙測遙控系統(tǒng)主要由AIS數(shù)字航標(biāo)終端、GPS天線、VHF天線、航標(biāo)管理監(jiān)控中心（航標(biāo)管理軟件）、AIS基站等組成。（1）GPS天線和AIS數(shù)字航標(biāo)終端內(nèi)部GPS接收模塊完成GPS信息的接收，通過解析GPS信息可以獲得航標(biāo)終端的精確位置信息；（2）VHF天線主要接收周圍最近AIS基站、安裝AIS船載應(yīng)答機的船舶的信息；（3）AIS數(shù)字航標(biāo)終端主要完成航標(biāo)的運行狀態(tài)、航標(biāo)蓄電池和太陽能電池等工作狀態(tài)的監(jiān)測，同時把監(jiān)測到的所有數(shù)據(jù)通過VHF實時傳送給AIS基站——AIS控制中心——航標(biāo)管理平臺（中心），航標(biāo)管理部門在管理平臺上數(shù)據(jù)管理，實現(xiàn)AIS技術(shù)對航標(biāo)的遙測遙控功能。

AIS航標(biāo)遙測遙控工作流程圖，如圖1。

航標(biāo)管理部門向AIS管理部門申請AIS航標(biāo)設(shè)置，獲取AIS航標(biāo)入網(wǎng)身份（MMSI碼），將入網(wǎng)身份信息以在線形式寫入AIS數(shù)字航標(biāo)終端，終端將采集到的航標(biāo)工作狀態(tài)信息，通過VHF無線電發(fā)送到最近的AIS基站再轉(zhuǎn)到航標(biāo)管理平臺。

5.AIS航標(biāo)遙測時隙資源占用分析

2008年11月，中國電子科技集團第十研究所在上海吳淞口海域進行了一次AIS系統(tǒng)時隙占用率的測試。

AIS接收設(shè)備天線架高為30米，穩(wěn)定接收距離約25海里。將一周時間的測試數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計：在不同時段的1分鐘接收時間內(nèi)，接收船舶數(shù)量較多時約為250艘，接收船舶數(shù)量較少時約為80艘。

以信道負載較重的某1分鐘的數(shù)據(jù)來計算時隙占用率。根據(jù)測試數(shù)據(jù)顯示，接收船數(shù)為248艘，實際接收到的報文數(shù)量為826條，由于所接收到的報文中有些報文占用時隙數(shù)大于等于2個，經(jīng)統(tǒng)計實際時隙占用量為1140個。故，這1分鐘的時隙占用率為：1140/4500=25.33%。

如果在此條件下加裝3 0 0套ATON設(shè)備（報告率為1次/分鐘），那么，這1分鐘的時隙占用數(shù)為1140+300=1440，故，這1分鐘的時隙占用率為： 1440/4500=32%。

由圖2數(shù)據(jù)可計算此時的時隙沖突率，計算方法如下：

1分鐘內(nèi)時隙占用數(shù)=1440=180（船只數(shù)）X8（報告率Rr）；

根據(jù)圖2，可得出這1分鐘的時隙沖突率約為4%；故，在此條件下AIS系統(tǒng)仍能保證很高的通信成功率。

通過以上測試結(jié)果表明，在近岸或外港航區(qū)使用AIS技術(shù)的航標(biāo)遙測遙控設(shè)備，是不會造成AIS系統(tǒng)通信成功率的下降的。

6.AIS遙測遙控設(shè)備硬件選用要求

由于AIS遙測遙控設(shè)備工作環(huán)境為外港，海況特別惡劣，對硬件要求比較嚴格：

（1）耗電低：24小時不超過2AH；

（2）VHF無線電通信距離：有效通信距離大于25海里（AIS基站的有效通信距離25海里）；

（3）VHF天線不銹材質(zhì)，抗擊搖擺：大于40度；

（4）抗風(fēng)浪：風(fēng)力14級以上；

（5）水密性：高于IP68。

7.實際應(yīng)用情況分析

2014年6月起，湛江航標(biāo)處在瓊洲海峽北水道的1—7號燈浮標(biāo)上，試驗使用成都市偉豐電子科技有限公司的AIS遙測遙控設(shè)備，連續(xù)使用了4年，總體情況如下：

（1）試用海域的地理位置

瓊洲海峽北水道位于雷洲半島東部海域，航道走向為自北向南，與大陸的距離陸地約為24海里。航道最北端為1號燈浮，最南端為7號燈浮。根據(jù)測算， 1號燈距離最近的山狗吼基站為24海里， 7號燈距離最近的木欄頭基站為24海里，以上海域，各種商用通信網(wǎng)絡(luò)均無法有效覆蓋。

（2）試用海域的海況

北水道每年4-8月（臺風(fēng)期間除外）海況稍好，其他時間基本是東北季候風(fēng)天氣，海上浪高基本在2米以上，海況非常惡劣。

（3）設(shè)備試驗情況及改良

第一階段：2014年6月—2015年6月，7座燈浮標(biāo)均安裝一體化型AIS燈器，天線為鋁合金材料。安裝頭一兩個月，數(shù)據(jù)的傳輸較好；在經(jīng)歷大風(fēng)浪后，發(fā)現(xiàn)燈器的天線均有不同程度的損壞，明顯是抗風(fēng)壓情況不理想，造成通信性能差，影響試驗效果。

第二階段：2015年6月起，使用型號仍是ACTi-AN01，設(shè)備外殼為全鋁合金型；天線經(jīng)過改良，選用不銹鋼材質(zhì)，自恢復(fù)性能好，抗風(fēng)能力強，天線能保持良好的指向性，通信性能大幅提高。

（4）燈浮標(biāo)能耗配置要求

為確保燈浮標(biāo)的能源供應(yīng)的充足性，實際應(yīng)用中為各燈浮標(biāo)配置的能源為：60W硅板、160安時蓄電池，輸入能源大于一般情況下的量（一般情況只配置40W的硅板，其他不變），即可保障燈浮標(biāo)所有設(shè)備的能耗需要。

（5）試驗情況分析

第一階段，由于設(shè)備天線問題，采集數(shù)據(jù)不全，視為不成功；第二階段，設(shè)備經(jīng)過改良后，通信性能大幅提升，數(shù)據(jù)采集和傳輸正常，航標(biāo)維護人員隨時可平臺中查閱和管理數(shù)據(jù)（如圖3示）。

8.結(jié)束語

綜上所述，在近岸或外港航區(qū)，利用AIS技術(shù)進行航標(biāo)遙測遙控，是不影響AIS系統(tǒng)正常通信的，反而可形成資源共享；利用AIS技術(shù)實現(xiàn)航標(biāo)遙測遙控，解決了商用通信網(wǎng)絡(luò)通信距離不足問題，進一步提升航標(biāo)遙測遙控的覆蓋率，可以讓航標(biāo)維護人員及時掌握航標(biāo)狀態(tài)信息，制訂主動的維護方案，提高維護工作的效率，降低維護成本，提升維護人員的生產(chǎn)安全系數(shù)。希望本文的分析可以為同行提供參考。