海上電子圍欄及虛擬AIS 航標(biāo)技術(shù)融合探討

宋 鑫，呂正冬

（中海油信息科技有限公司天津分公司，天津 300452）

引言

伴隨經(jīng)濟的發(fā)展及社會的進步，海上船舶數(shù)量急劇增加，船舶的管理變得愈加困難，船舶破壞海上生產(chǎn)設(shè)備設(shè)施的事故時有發(fā)生，造成經(jīng)濟損失的同時會對海上環(huán)境造成一定破壞。為有效保護海上生產(chǎn)設(shè)備設(shè)施，同時也確保海上船舶的安全行駛，大量應(yīng)用技術(shù)被投入實際應(yīng)用，但綜合考慮可操作性及成本，基于AIS 技術(shù)的海上電子圍欄及虛擬AIS 航標(biāo)技術(shù)是眾多技術(shù)中的首選。本文簡要介紹兩種技術(shù)并探討將兩種技術(shù)進行融合，以增強船舶端與監(jiān)控端的互動，進一步提升海上設(shè)備設(shè)施及船舶本身的防護效果。AIS 技術(shù)能夠廣泛應(yīng)用的依據(jù)包括：

（1） 中國海事局《國內(nèi)航行船舶船載電子海圖系統(tǒng)和自動識別系統(tǒng)設(shè)備管理規(guī)定》（海船舶〔2010〕156 號），該規(guī)定對中國籍沿海航行船舶配備船載電子海圖系統(tǒng)時間進行了要求。

（2） 國際海事組織（IMO）第73 屆海安會通過了《1974 年國際海上人命安全公約》（SOLAS74 公約）修正案，該修正案對需要安裝船載自動識別系統(tǒng)的國際及非國際船舶做了要求，航行安全分委會第54 次會議通過了船載駕駛臺航行值班警報系統(tǒng)及電子海圖和信息顯示系統(tǒng)配備要求的草案，草案對國際航行船舶安裝電子海圖的標(biāo)準(zhǔn)及時間做了要求。

1 海上電子圍欄技術(shù)

海上電子圍欄技術(shù)[1]是指以海上被保護設(shè)備設(shè)施的位置分布情況為參考，劃定一個保護區(qū)域，且該區(qū)域能夠覆蓋全部被保護設(shè)備設(shè)施，當(dāng)船舶等進入該保護區(qū)域時，能夠被監(jiān)控系統(tǒng)偵測到，監(jiān)控系統(tǒng)自身進行報警的同時，會調(diào)用告警設(shè)備向船舶端發(fā)送報警提示。海上電子圍欄在海上不是真實存在的，其目前僅存在于監(jiān)控系統(tǒng)中，船舶端一般無法查看。

在海上電子圍欄技術(shù)應(yīng)用中[2]，判斷船舶是否處于保護區(qū)域的原理見圖1，其中3 區(qū)域為保護區(qū)，2 區(qū)域是限定在保護區(qū)最大、最小經(jīng)緯度之間并去除保護區(qū)的區(qū)域，1 區(qū)是以2 區(qū)域為基礎(chǔ)向外擴展一定距離的區(qū)域，1 區(qū)域和2 區(qū)域共同組成預(yù)警區(qū)。當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)偵測到船舶的經(jīng)緯度范圍位于1 區(qū)域時，監(jiān)控系統(tǒng)會調(diào)用告警設(shè)備對船舶進行預(yù)警提示。當(dāng)船舶越過1 區(qū)域，繼續(xù)向前行駛時，通過對比經(jīng)緯度已無法直接判斷船舶位于3 區(qū)域還是2 區(qū)域，需要使用其他方法來判斷。以船舶所處位置點向外做射線，長度限定在1區(qū)域內(nèi)，若與保護區(qū)的邊緣交點個數(shù)為偶數(shù)，則船舶仍然處于預(yù)警區(qū)，需要繼續(xù)對船舶進行預(yù)警提示；若與保護區(qū)的邊緣交點個數(shù)為奇數(shù)，則說明船舶已經(jīng)駛?cè)氡Ｗo區(qū)，需要對船舶進行告警提示，同時還需采取其他措施對船舶進行驅(qū)離。

圖1 在海上電子圍欄技術(shù)應(yīng)用中判斷船舶是否處于保護區(qū)域的原理

2 虛擬AIS 航標(biāo)

虛擬AIS 航標(biāo)[3-4]通常指由航標(biāo)主管機構(gòu)通過AIS岸臺基站發(fā)布的一種數(shù)字化航標(biāo)，該航標(biāo)能夠在諸如ECS（電子海圖系統(tǒng)）及ECDIS（電子海圖顯示與信息系統(tǒng)）等海圖導(dǎo)航系統(tǒng)中顯示，見圖2，但該航標(biāo)在現(xiàn)實世界中并不存在。虛擬AIS 航標(biāo)由AIS 岸臺基站使用AIS 21 號報文播發(fā)。監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)海上設(shè)備設(shè)施分布情況，調(diào)用AIS 岸臺基站播發(fā)虛擬AIS 航標(biāo)以提示過往船舶進行避讓。相對于實體航標(biāo)，虛擬AIS 航標(biāo)的建設(shè)維護成本都較低，具備經(jīng)濟優(yōu)勢。

圖2 虛擬AIS 航標(biāo)在ECS(電子海圖系統(tǒng))中的樣式

此外國家海事機構(gòu)對虛擬AIS 航標(biāo)有嚴(yán)格的管控要求，需遵循《海港總體設(shè)計規(guī)范》（JTS165-2013）、《航道工程設(shè)計規(guī)范》（JTS181-2016）和《自動識別系統(tǒng)（AIS）航標(biāo)應(yīng)用導(dǎo)則》（JT/T1193-2018）。虛擬AIS 航標(biāo)一般分為臨時虛擬AIS 航標(biāo)和永久虛擬AIS 航標(biāo)。

臨時虛擬AIS 航標(biāo)用于提供臨時性或預(yù)備性的警告信息，適用于如下情形：

標(biāo)識航行限制區(qū)域；

標(biāo)識臨時推薦航路；

標(biāo)識故障航標(biāo)或移位航標(biāo)。

永久虛擬AIS 航標(biāo)可在不具備布設(shè)實體航標(biāo)條件時使用，宜布設(shè)在深水區(qū)域、惡劣海況環(huán)境或隨時間、洋流或天氣影響而動態(tài)變化的區(qū)域，適用于如下情形：

標(biāo)識永久礙航物；

標(biāo)識航道界限；

標(biāo)識安全水域界限；

標(biāo)識特殊區(qū)域（如錨地和遮蔽區(qū)）。

設(shè)置虛擬AIS 航標(biāo)時應(yīng)滿足以下技術(shù)要求：

（1） 在設(shè)置虛擬AIS 航標(biāo)時，應(yīng)確保每個虛擬AIS 航標(biāo)包含表1 中字段內(nèi)容，且內(nèi)容應(yīng)滿足相關(guān)法律法規(guī)及規(guī)范要求。

表1 虛擬AIS 航標(biāo)包含字段內(nèi)容示例

（2） 虛擬AIS 航標(biāo)中文名稱格式為“航標(biāo)名稱+虛擬AIS 航標(biāo)”。AIS 航標(biāo)中文名稱應(yīng)避免與其他航標(biāo)名稱相同，長度不應(yīng)過長，不宜超過18 個字。

（3） AIS 岸臺基站通過AIS 21 號報文向外發(fā)布虛擬AIS 航標(biāo)的英文名稱，不發(fā)布中文名稱。英文名稱為中文名稱對應(yīng)的英文翻譯，地名、船名可使用漢語拼音。英文名稱應(yīng)準(zhǔn)確合理，避免與其他航標(biāo)名稱相同。按照ITU-R M.1371-5 和《AIS 航標(biāo)應(yīng)用導(dǎo)則》（JT/T 1193-2018）對21 號報文格式的定義，航標(biāo)英文名稱（包括空格）建議不超過20 個字符，最多不能超過34 個字符。

（4） 虛擬AIS 航標(biāo)經(jīng)緯度采用WGS-84 坐標(biāo)，采用"XX°XX′XX.X″N XX°XX′XX.X″E" 格式。在AIS 管理系統(tǒng)中位置格式一般為"XX°XX.XXXX′N XX°XX.XXXX′E"，在設(shè)置虛擬AIS 航標(biāo)時應(yīng)進行格式轉(zhuǎn)化。

（5） MMSI 格式見圖3。

圖3 虛擬AIS 航標(biāo)MMSI 格式

MMSI 碼由國家海事機構(gòu)統(tǒng)籌安排分配，進行虛擬AIS航標(biāo)設(shè)置時，應(yīng)向國家海事機構(gòu)申請并與其確認(rèn)虛擬AIS 航標(biāo)相關(guān)屬性是否準(zhǔn)確規(guī)范。

（6） 虛擬AIS 航標(biāo)用途種類應(yīng)按照IALA 和《AIS 航標(biāo)應(yīng)用導(dǎo)則》（JT/T 1193-2018）的規(guī)定中的“用途種類”進行選擇。其顯示的特征參照《中國海區(qū)水上助航標(biāo)志》（GB 4696-2016）中通用要求。

（7） 虛擬AIS 航標(biāo)播發(fā)模式一般為“自主連續(xù)”，播發(fā)周期一般為180 S。虛擬AIS 航標(biāo)的設(shè)置、調(diào)整及撤除均須由國家海事機構(gòu)通過專用軟件系統(tǒng)控制。

3 海上電子圍欄與虛擬AIS 航標(biāo)融合

海上電子圍欄是一道特殊的電子屏障，在海上設(shè)備設(shè)施防護中發(fā)揮著重要作用。其缺點是僅能在監(jiān)控系統(tǒng)中顯示，船舶端只能收到預(yù)報警信息，無法查看海上電子圍欄也無法確定需要保護的海上設(shè)備設(shè)施所處位置。故海上電子圍欄技術(shù)還需要融合其他技術(shù)以提升防護效果。

依據(jù)虛擬AIS 航標(biāo)在實際應(yīng)用中的局限性，在使用時需要考慮以下問題：

（1） 使用虛擬AIS 航標(biāo)時要求船舶依照相關(guān)國際規(guī)范和國內(nèi)法規(guī)配備合規(guī)的ECS 或ECDIS 等AIS類設(shè)備。在實際應(yīng)用中存在船舶不安裝AIS 類設(shè)備或關(guān)閉設(shè)備的情況，導(dǎo)致虛擬AIS 航標(biāo)無法發(fā)揮其作用。同時考慮到船舶端AIS 設(shè)備選型和軟件版本等原因，并非所有船舶都能夠正確顯示虛擬AIS 航標(biāo)。所以還需要考慮增加補足手段。

（2） 虛擬AIS 航標(biāo)通過AIS 岸臺基站進行播發(fā)，若要保證虛擬AIS 航標(biāo)持續(xù)穩(wěn)定存在，那么需要確保AIS 岸臺基站穩(wěn)定工作。當(dāng)AIS 岸臺基站因各種原因無法正常播發(fā)虛擬AIS 航標(biāo)時，應(yīng)及時聯(lián)系國家海事機構(gòu)進行報備，必要時需由國家海事機構(gòu)發(fā)布航行警告。

（3） 虛擬AIS 航標(biāo)播發(fā)覆蓋范圍與天氣狀況及VHF 天線高度有關(guān)。當(dāng)出現(xiàn)雨、雪等不良天氣時，或者AIS 岸臺基站天線及相關(guān)區(qū)域船舶VHF 天線高度過低時，虛擬AIS 航標(biāo)播發(fā)覆蓋范圍都可能縮小。

（4） 周邊水域出現(xiàn)的干擾源可能影響船舶端正常接收虛擬AIS 航標(biāo)。由于軍事演習(xí)或其他應(yīng)急演練，AIS 岸臺基站通信頻道可能受到干擾，影響船舶端正常接收虛擬AIS 航標(biāo)。因此在日常巡檢中應(yīng)及時關(guān)注國家海事機構(gòu)發(fā)布的航行警告，做好溝通和解釋工作。

（5） 虛擬AIS 航標(biāo)受國家海事機構(gòu)管控，相關(guān)設(shè)計工作完成后需交由國家海事機構(gòu)審批，待審批通過后才能正式啟用。

由于海上環(huán)境復(fù)雜多變，海上電子圍欄具有很高的性價比，對各種重點保護區(qū)域劃定預(yù)報警和監(jiān)測范圍，一旦船舶目標(biāo)進入或離開該區(qū)域，相關(guān)聯(lián)軟件系統(tǒng)就會進行報警提示。虛擬AIS 航標(biāo)使用AIS 岸臺基站播發(fā)的AIS 21 號報文能夠在諸如ECS、ECDIS 等船舶端海圖導(dǎo)航系統(tǒng)中顯示，通過開發(fā)專業(yè)軟件系統(tǒng)可以調(diào)用AIS 岸臺基站進行虛擬AIS 航標(biāo)播發(fā)以標(biāo)注海上設(shè)備設(shè)施分布，同時進行AIS 21 號安全報文播發(fā)，提示過往船舶進行避讓。為提升監(jiān)控系統(tǒng)對海上設(shè)備設(shè)施的防護效果，增強船舶端與監(jiān)控系統(tǒng)的互動，實現(xiàn)對處于保護區(qū)域船舶的主動報警，可將海上電子圍欄與虛擬AIS 航標(biāo)融合使用。首先通過海上電子圍欄劃定海上設(shè)備設(shè)施的防護范圍，并確定預(yù)警區(qū)和告警區(qū)；其次將需要保護的海上設(shè)備設(shè)施所處位置使用虛擬AIS 航標(biāo)進行標(biāo)注，必要時可以控制AIS 岸臺基站在正常情況下暫不播發(fā)虛擬AIS 航標(biāo)，而在船舶觸發(fā)報警時進行播發(fā)，這樣設(shè)計可有效減少對正常行駛船舶的干擾。

預(yù)期效果見圖4 所示，監(jiān)控系統(tǒng)能夠展示需要保護區(qū)域的預(yù)警范圍與報警范圍及虛擬AIS 航標(biāo)位置，能夠?qū)μ幱陬A(yù)報警區(qū)域的船舶進行預(yù)報警提示，船舶端能夠通過ECS 等AIS 設(shè)備查看需要保護的設(shè)備設(shè)施的位置，以便于及時采取有效措施駛離或調(diào)整航線，避免破壞需要保護的海上設(shè)備設(shè)施。

圖4 海上電子圍欄與虛擬AIS 航標(biāo)融合后在軟件系統(tǒng)中的預(yù)期效果

4 未來展望

目前，海上電子圍欄或虛擬AIS 航標(biāo)一般都是固定的，一旦設(shè)置，無法再隨時進行改變，所防護的海上設(shè)備設(shè)施也多為靜態(tài)目標(biāo)，若通過開發(fā)或優(yōu)化軟件算法、調(diào)整AIS 岸臺基站參數(shù)或?qū)IS 基站和漂浮目標(biāo)進行有機綁定等方法，使海上電子圍欄、虛擬AIS 航標(biāo)等隨著保護目標(biāo)的移動而移動，實現(xiàn)對海上動態(tài)設(shè)備設(shè)施的防護，則海上電子圍欄與虛擬AIS 航標(biāo)在海上設(shè)備設(shè)施防護領(lǐng)域的應(yīng)用效果會進一步提升，應(yīng)用范圍也會不斷擴大。

5 結(jié)論

在前文中已經(jīng)提到，海上電子圍欄及虛擬AIS 航標(biāo)的應(yīng)用均依賴于AIS 設(shè)備，在實際應(yīng)用中需保證AIS 岸臺基站播發(fā)范圍可覆蓋保護區(qū)域且其能穩(wěn)定可靠運行，同時保證船舶端AIS 設(shè)備正常開啟才能起到防護效果，若船舶端關(guān)停了AIS 設(shè)備或AIS 岸臺基站出現(xiàn)故障，則無法起到防護效果。故為保證持續(xù)穩(wěn)定的防護效果，增強抵御各種風(fēng)險的能力，還需要融合雷達(dá)、VHF（甚高頻技術(shù)）[5]、超高清CCTV(閉路電視監(jiān)控系統(tǒng))等技術(shù)，在AIS 相關(guān)技術(shù)無法發(fā)揮作用時，起到有效的補充作用。