張玲新，季本山

(南通航運職業(yè)技術(shù)學院現(xiàn)代教育技術(shù)中心，江蘇南通 226010)

基于AIS的近海水上智能交通系統(tǒng)

張玲新，季本山

(南通航運職業(yè)技術(shù)學院現(xiàn)代教育技術(shù)中心，江蘇南通 226010)

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運用范圍的不斷擴展，水上交通管理的自動化、智能化程度也不斷提高，由此將逐步實現(xiàn)對交通運輸船舶的實時監(jiān)控與管理。文中以AIS作為物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集傳感單元，對近海水上智能交通系統(tǒng)的設計方案作了介紹。并通過實踐證明該方案的可行性，分析了以AIS組建物聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢，以及近海水上智能交通系統(tǒng)的運用前景。

AIS;物聯(lián)網(wǎng);智能交通系統(tǒng)

物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things)，指通過無線射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)、紅外傳感器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設備，實時采集需要監(jiān)控、連接、互動的物品或過程信息，以此進行信息交換和通信、實現(xiàn)物與物、物與人的泛在連接，以及對物品和過程的智能化感知、識別和管理［1］。我國物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究起步于1999年，如今物聯(lián)網(wǎng)已被我國政府列為5個要重點發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一。

國際電信聯(lián)盟(ITU)發(fā)布的《ITU互聯(lián)網(wǎng)報告2005:物聯(lián)網(wǎng)》中提出，物聯(lián)網(wǎng)有4個關(guān)鍵性的應用技術(shù)——RFID、傳感器、智能技術(shù)以及納米技術(shù)。根據(jù)國際海事組織(IMO)的要求，在2004年7月之前，所有300總噸以上的國際航行船舶均配備一種船載自動識別系統(tǒng)(Automatic Identification System，AIS)。并規(guī)定2008年7月1日以后裝船的雷達應能夠處理和顯示AIS信息，即AIS信息將組合顯示在雷達或電子海圖顯示與信息系統(tǒng)(ECDIS)上，使AIS的信息資源能得到充分的利用。

海上船舶航行的實踐證明，AIS提高了船舶駕駛?cè)藛T對船舶的識別能力及海上航行安全性。因此我國海事局要求2011年12月以后總噸在100以上的內(nèi)河船舶也都要安裝AIS。AIS在運輸船舶上的成功應用為建立近海水上智能交通系統(tǒng)(ITS)創(chuàng)造了條件，并為解決近海水上物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)提供了成功案例。

1 船載自動識別系統(tǒng)(AIS)

國際航行船舶采用雷達對海上的目標進行測定與跟蹤，但因其自身的局限性，雷達不能識別目標船舶的船名、呼號、船舶大小、吃水及操縱意圖等信息，并且雷達的工作性能受氣象、海況及周圍地形的影響［2］。為解決船舶跟蹤與識別問題，國際航標協(xié)會及西北歐的有關(guān)國家率先進行了AIS研究與開發(fā)，最終得到國際海事組織(IMO)采納與推行。

AIS采用甚高頻(VHF)無線電通信技術(shù)，系統(tǒng)包括船載AIS發(fā)射機和岸基AIS電臺，VHF的傳輸特性決定了AIS系統(tǒng)的作用范圍在25 n mile(1 n mile=1 852 m)，沿海各國政府都相繼建立了岸基臺，確保AIS系統(tǒng)的正常運行。

AIS在ITU規(guī)定的兩個專用VHF頻道上，Channel87B(AIS 1)，161.975 MHz和Channel88B(AIS 2)，162.025 MHz，采用自組織時分多址接續(xù)(SOTDMA)技術(shù)，使得多用戶可以按照時間分割制度，使用一個頻道以送信息而互不干擾。

船載AIS發(fā)送的數(shù)據(jù)有3種不同類型:(1)靜態(tài)或固定信息，此類信息在設備安裝時被輸入到AIS，如海上移動業(yè)務識別(MMSI)、呼號與船名、船舶類型、IOM編號等信息。(2)動態(tài)信息，此類信息除“航行狀態(tài)”信息外，其余者是通過連接AIS的船舶傳感器提供與更新，如船舶對地航向、位置、船首向、對地航速、航行狀態(tài)等。(3)與航次有關(guān)的信息，此類信息是在航行中通過手動錄入與更新。

2 近海水上智能交通系統(tǒng)構(gòu)思

根據(jù)《1974年國際海上人命安全公約》修正案的要求，國際海事組織(IMO)推行的全球海上遇險與安全系統(tǒng)(GMDSS)全面實施已近10年，對于遠洋運輸船舶而言，船舶都配備了衛(wèi)星通信包括INMARSATB、INMARSAT－C、INMARSAT－F船站和地面通信包括中高頻、甚高頻等設備，建立了高效、可靠的海上通信網(wǎng)，為執(zhí)行遠洋搜救任務、保障海上人命和財產(chǎn)安全。

文中以現(xiàn)有的AIS技術(shù)為基礎，在海岸線以每間隔約50 n mile距離點，建立一個岸基數(shù)據(jù)采集站，構(gòu)成系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡，完成近海運輸船舶動態(tài)信息的采集工作。岸基服務器對采集的數(shù)據(jù)進行分析、處理并存儲，第一次被岸基數(shù)據(jù)采集站獲得的船舶數(shù)據(jù)，被提取后將船位數(shù)據(jù)實時傳送給船舶公司的指定郵箱，使船舶公司及時掌握船舶動態(tài)，組織調(diào)度港口、貨物等工作;其后系統(tǒng)會跟蹤船舶航行狀態(tài)，定時或定距離向船公司發(fā)送船位報告，直到船舶離開岸基站的作用范圍。并將最后一次采集到的數(shù)據(jù)傳送給下一個岸基站。系統(tǒng)一旦失去跟蹤的目標船，會根據(jù)船舶的目的港進行判斷，對于外貿(mào)船舶會離開系統(tǒng)的作用范圍，這時將該船舶最后一次數(shù)據(jù)存儲并傳送給海岸電臺或交通管制中心(VTS)，說明該船舶已離開系統(tǒng)監(jiān)控范圍;對于內(nèi)貿(mào)船舶則繼續(xù)查詢下一個岸基站對該船采集數(shù)據(jù)，經(jīng)2小時后仍然查詢不到相關(guān)信息，系統(tǒng)自動將該船舶航行狀態(tài)設為異常，并通知船公司查核該船的航行動態(tài);6小時后無信息，系統(tǒng)將通知岸基站附近的交通管制中心，用無線電話呼叫查詢該船舶;12小時后系統(tǒng)自動打開甚高頻數(shù)字選擇性呼叫設備(VHF DSC)緊急呼叫失蹤船舶;超過24小時系統(tǒng)將船舶數(shù)據(jù)自動傳送給海上搜救中心(RCC)，采取全面搜救行動。被系統(tǒng)將航行狀態(tài)設置為異常的船舶，解除異常狀態(tài)，由本船通過VHF DSC向系統(tǒng)申請消除異?；虼镜卿浀较到y(tǒng)網(wǎng)站上消除異常狀態(tài)。

近海水上智能交通系統(tǒng)主要由船載AIS、岸基數(shù)據(jù)采集站和系統(tǒng)服務器3部分組成。船載AIS屬于標準配置，有Class A AIS和Class B AIS兩種類型，設備結(jié)構(gòu)基本相同，功能上存在細微差別，前者完全滿足IMO關(guān)于AIS性能標準的要求，為遠洋運輸船舶所使用。后者是一種簡易型的AIS，可使用在內(nèi)河或近海運輸船舶上。系統(tǒng)與船舶公司、交通管制中心(VTS)和海上搜救中心互聯(lián)網(wǎng)進行數(shù)據(jù)交換，系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 近海水上智能交通系統(tǒng)框圖

3 近海水上智能交通系統(tǒng)實現(xiàn)

岸基數(shù)據(jù)采集站的組成如圖2所示，在圖中岸基AIS采用標準Class A AIS作無線電射頻識別(RFID)單元，為減少硬件的投入，提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，每個岸上數(shù)據(jù)采集站的地理位置數(shù)據(jù)不用GPS或DGPS直接產(chǎn)生，而是用DGPS實地測得每個岸基數(shù)據(jù)采集站的經(jīng)緯度，再用MCS－51單片機或數(shù)字信號處理器(DSP)按規(guī)定的通信協(xié)議模擬地理位置信號發(fā)送給AIS的數(shù)據(jù)輸入接口。甚高頻數(shù)字呼叫設備(VHF DSC)用于船舶失蹤12小時后緊急呼叫。

圖2 岸基數(shù)據(jù)采集站組成框圖

在船舶電子通導設備中一般采用國際電工委員會(IEC)制訂的IEC61162［3］通信協(xié)議或美國航海電子協(xié)會的 NMEA0183協(xié)議，GPS輸出接口常采用的是NMEA0183協(xié)議。AIS常用的輸入輸出接口是采用IEC61162通信協(xié)議與外部設備進行通信，因此地理數(shù)據(jù)信號發(fā)生器與AIS通訊也應采用IEC61162協(xié)議。

IEC61162協(xié)議是一個單個發(fā)話器、多個收話器的標準，規(guī)定了硬件電氣特性、數(shù)據(jù)傳輸格式、字符及語句，其中包括正式語句(Approval Sentences)、詢問語句(Query Sentences)、私有語句(Propriety Sentences)。AIS定義了6位ASCII碼進行通信，每條語句以“$”或“!”開始，以 ＜CR＞ ＜LF＞結(jié)束，即:回車、換行。語句中每個數(shù)據(jù)域使用“，”作為分隔符，符號“*”表示后跟校驗數(shù)據(jù)。語句格式為:$＜地址域＞，＜數(shù)據(jù)域＞，…..＜數(shù)據(jù)域＞* ＜校驗域＞＜CR＞＜LF＞。地址域由發(fā)送設備代碼和數(shù)據(jù)形式代碼組成，用于區(qū)分設備類型與數(shù)據(jù)表示的內(nèi)容。

數(shù)據(jù)處理服務器通過硬件采集電路如圖3所示［4］，獲得AIS的輸出信息。服務器對AIS的信息進行轉(zhuǎn)換，取出不同數(shù)據(jù)域中的數(shù)據(jù)，存入數(shù)據(jù)庫，以供網(wǎng)絡用戶共享。建立數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫的關(guān)鍵為:海上移動業(yè)務標志(MMSI)、船名、呼號、船舶IMO編號、船長、船寬、船舶類型、船舶吃水、目的港、預計抵達時間、在船人數(shù)、船舶狀態(tài)、航行狀態(tài)、船舶位置、航速、航向等。

圖3 RS422/232轉(zhuǎn)換電路原理圖

根據(jù)上述近海水上智能交通系統(tǒng)構(gòu)思方案，組建一個岸上AIS數(shù)據(jù)采集站，用高配置的PC機作為服務器，用SQL建立數(shù)據(jù)庫，并按流程圖設計程序，如圖4所示。以一臺Class A型的AIS置于長江邊，可將在長江中航行的過往船舶的靜動態(tài)信息數(shù)據(jù)完整地采集到數(shù)據(jù)庫中，圖5所示為以船名查詢的船舶相關(guān)信息。

4 AIS近海水上智能交通系統(tǒng)的優(yōu)勢

使用AIS作為數(shù)據(jù)采集的傳感器組成物聯(lián)網(wǎng)—近海水上智能交通系統(tǒng)，具有以下幾方面的優(yōu)勢:

(1)硬件資源投入少。AIS已投入使用多年，沿海岸的AIS基站已完全形成網(wǎng)絡，在此基礎上建立物聯(lián)網(wǎng)投入相對較少。

(2)不占IP地址資源。IMO給每一艘遠洋運輸船賦予一個海上移動業(yè)務識別碼(MMSI)，使每艘船與MMSI唯一對應，這樣用AIS作為物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集傳感器，就不需要給每艘船再設一IP地址，節(jié)省了IP資源。

圖4 近海水上智能交通系統(tǒng)流程圖

(3)穩(wěn)定、可靠。自2004年7月，AIS在300噸以上船舶配置使用以來，AIS為船舶航行安全、提高交通管制效率作出貢獻。因此用AIS作為物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集傳感器，為整個系統(tǒng)的穩(wěn)定奠定了基礎。

圖5 近海水上智能交通系統(tǒng)程序界面

5 近海水上智能交通系統(tǒng)的展望

AIS的基本功能是為了實現(xiàn)船舶的自動識別，減少和避免船舶之間的碰撞。目前除實現(xiàn)了AIS基本功能外，在海上搜尋與救助、交通管制、海上安全信息和識別助航設備、監(jiān)控船舶排污等方面也發(fā)揮著積極的作用。用AIS作為數(shù)據(jù)傳感器組成的近海水上智能交通系統(tǒng)，將具有全球聯(lián)網(wǎng)特性，采用開放式系統(tǒng)互聯(lián)的工作模式，實現(xiàn)實時動態(tài)的海事管理功能，岸上管理部門可以對船舶進行適時、全過程監(jiān)控，為提高航運管理水平，保證航運安全具有廣闊的開發(fā)與應用前景。

［1］王宇.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能智能港口中的應用前景［J］.集裝箱化，2010(12):28－30.

［2］鮑君忠，周尊山，徐東華，等.船載自動識別系統(tǒng)應用［M］.大連:大連海事大學出版社，2006.

［3］IEC.IEC 61996 －2 ED.1 －2006.2.Maritime navigation and radio communication equipment and system－Shipborne voyage data recorder(VDR)［S］.USA:FDIS(IEC):2006.

［4］徐志京，周薇娜.AIS輸出信息的采集及處理技術(shù)研究［J］.航海技術(shù)，2006(2):29 －31.

Intelligent Coastal Waters Transportation System Based on AIS

ZHANG Lingxin，JI Benshan
(Modern Educational Technology Center，Nantong Shipping Vocational and Technical College，Nantong 226001，China)

With the increasing application of the technology of the internet of things，the automation and intelligent level of coastal waters transportation management is improving continuously，and hence the merchant ship real time monitoring and management can be realized gradually.This paper discusses the design of a coastal waters intelligent transportation system by taking AIS(Automatic Identification System)as a data acquisition sensing unit of the internet of things.The advantages of AIS-based internet of things and the application prospects of the coastal waters intelligent transportation system are analyzed.The scheme is proved to be feasible.

AIS;internet of things;intelligent transportation system

TP27

A

1007－7820(2012)08－104－03

2012-03-20

張玲新(1970—)，男，講師。研究方向:信息技術(shù)。