黃純 陳國偉 毛新健

【摘 要】 為保護(hù)洋山港水域內(nèi)重要工程設(shè)施，保障洋山港水域船舶的航行、停泊、作業(yè)安全，東海航海保障中心上海航標(biāo)處與洋山港海事局合作，針對特殊水域助航技術(shù)不完善的問題共同開發(fā)電子圍欄系統(tǒng)，以洋山港水域?qū)嶋H應(yīng)用作為案例介紹電子圍欄系統(tǒng)的主要功能、架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)、應(yīng)用場景設(shè)計，為服務(wù)航船安全和海事監(jiān)管提供一種全新手段。

【關(guān)鍵詞】 洋山港;電子圍欄系統(tǒng);信息服務(wù);預(yù)警

0 引 言

洋山深水港區(qū)（以下簡稱“洋山港”）是服務(wù)“一帶一路”建設(shè)的重要支點，是上海國際航運中心的重要組成部分，其區(qū)域內(nèi)的東海大橋、碼頭等工程設(shè)施極其重要。

洋山港水域有海上干線的交匯航路，周邊密布傳統(tǒng)漁業(yè)作業(yè)區(qū)，各類船舶在此交匯航行和作業(yè)，通航環(huán)境復(fù)雜;洋山港水域存在水文氣象區(qū)域性差異，部分水域在寒潮大風(fēng)季節(jié)時瞬時風(fēng)力較大，抗風(fēng)浪等級較低的小型商船和漁船極易在此區(qū)域發(fā)生事故。隨著我國海上交通運輸業(yè)的迅速發(fā)展，近年來洋山港水域水上交通流量明顯增加，局部水域船舶密集，水上交通風(fēng)險增大。

為保護(hù)洋山港水域內(nèi)重要工程設(shè)施，保障洋山港水域船舶的航行、停泊、作業(yè)安全，東海航海保障中心上海航標(biāo)處與洋山港海事局合作，針對特殊水域助航技術(shù)不完善的問題共同開展電子圍欄系統(tǒng)的應(yīng)用研究，依托東海航海保障中心在船舶自動識別系統(tǒng)（AIS）基站資源及專業(yè)技術(shù)積累，結(jié)合特殊水域船舶交通流量精細(xì)化數(shù)據(jù)采集，在洋山港四期碼頭布置專用AIS基站，開發(fā)電子圍欄系統(tǒng)，建立特殊水域助航服務(wù)新模式，實現(xiàn)了在特殊水域智能助航與警示，主動式助航信息服務(wù)成效顯著。

1 電子圍欄系統(tǒng)的主要功能

（1）對劃定水域內(nèi)的所有船舶發(fā)出預(yù)警信息。在出現(xiàn)惡劣天氣前，可運用電子圍欄系統(tǒng)對進(jìn)入劃定水域的所有船舶發(fā)送AIS安全提醒報文，讓船舶及時了解該水域天氣狀況，以便及時采取安全措施。

（2）對重點水域船舶發(fā)送特別預(yù)警信息。洋山港海事局轄區(qū)內(nèi)有東海大橋、風(fēng)電場、LNG作業(yè)區(qū)等重要設(shè)施和重點水域，這些水域都有特定的通航條件約束。運用電子圍欄系統(tǒng)劃定這些重點水域后，可自動向進(jìn)入劃定水域的船舶發(fā)送相關(guān)預(yù)警信息，提醒船舶交通服務(wù)（VTS）中心值班人員及時判斷船舶動向，提高監(jiān)管效果。

（3）對特定水域船舶發(fā)送臨時預(yù)警信息。沉船現(xiàn)場、水工作業(yè)現(xiàn)場等水域因施工作業(yè)需要而臨時劃定警戒區(qū)域。為防止船舶誤入這些特定水域，可通過設(shè)置電子圍欄、AIS虛擬航標(biāo)，對靠近該類水域船舶發(fā)送AIS短報文予以警示。

2 電子圍欄系統(tǒng)架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用場景設(shè)計

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

電子圍欄系統(tǒng)是在傳統(tǒng)的AIS數(shù)據(jù)應(yīng)用基礎(chǔ)上開發(fā)的拓展應(yīng)用系統(tǒng)，由AIS播發(fā)基站和應(yīng)用軟件系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。

（1）AIS播發(fā)基站。AIS播發(fā)基站的功能是數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)發(fā)送。AIS播發(fā)基站將接收到的AIS船臺廣播信息進(jìn)行初步處理和存儲后再轉(zhuǎn)發(fā)給應(yīng)用軟件，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)和應(yīng)用;應(yīng)用軟件將要發(fā)送的數(shù)據(jù)信息通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給基站管理服務(wù)器，由基站向AIS船臺播發(fā)AIS數(shù)據(jù)。

（2）應(yīng)用軟件系統(tǒng)。電子圍欄應(yīng)用軟件系統(tǒng)是采用面向?qū)ο蟮拈_發(fā)方法、運用微服務(wù)理念而開發(fā)的基于瀏覽器/服務(wù)器模式（B/S架構(gòu)）的管理系統(tǒng)。系統(tǒng)通過AIS播發(fā)基站在水上劃出電子圍欄區(qū)域和警戒線，當(dāng)系統(tǒng)感知船舶進(jìn)入電子圍欄區(qū)域或穿越警戒線時，就會由AIS基站向船舶發(fā)送安全提醒、氣象信息等AIS短報文。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

（1）采用面向?qū)ο箝_發(fā)方法。電子圍欄應(yīng)用軟件系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)，選用的是基于UML（Unified Modeling Language）標(biāo)準(zhǔn)的可視化（Rational Rose）建模工具。建模工具從不同應(yīng)用角度出發(fā)，定義了系統(tǒng)的用例圖、類圖、對象圖、狀態(tài)圖、活動圖、順序圖、協(xié)作圖、構(gòu)件圖、部署圖等圖形模型，從不同角度對系統(tǒng)進(jìn)行描述。

（2）微服務(wù)應(yīng)用架構(gòu)。電子圍欄應(yīng)用軟件采用的微服務(wù)應(yīng)用架構(gòu)可以讓系統(tǒng)運轉(zhuǎn)變得更為簡便，只需擴(kuò)展單個組件而無需整個應(yīng)用程序堆棧就能滿足服務(wù)等級協(xié)議，且可更快更新，將更有利于后續(xù)系統(tǒng)功能的拓展和二次開發(fā)。

（3）采用B/S架構(gòu)。為充分滿足電子圍欄應(yīng)用軟件系統(tǒng)在安全、跨平臺、易擴(kuò)展、易維護(hù)等方面的要求，采用先進(jìn)的3層應(yīng)用體系架構(gòu)：第一層為客戶機(jī)，是用戶與整個系統(tǒng)的接口，客戶的應(yīng)用程序精簡到一個通用瀏覽器軟件;第二層為網(wǎng)頁（Web）服務(wù)器，動態(tài)生成超文本標(biāo)準(zhǔn)語言（HTML）代碼和相應(yīng)的數(shù)據(jù)響應(yīng)及存取處理;第三層數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，協(xié)調(diào)各Web服務(wù)器發(fā)出的對數(shù)據(jù)庫的請求，管理數(shù)據(jù)庫。基于B/S架構(gòu)開發(fā)的電子圍欄應(yīng)用軟件，可在網(wǎng)絡(luò)瀏覽器上輕松訪問和應(yīng)用。

2.3 應(yīng)用場景設(shè)計

應(yīng)用軟件是電子圍欄系統(tǒng)的管理控制核心，必須滿足特定水域船舶的使用需求。

（1）電子圍欄區(qū)域設(shè)置。在控制終端上設(shè)置警戒線及由自主劃定多邊形線段組成的電子圍欄區(qū)域，實現(xiàn)在海圖圖層上通過經(jīng)緯度描點、拖拽劃線等人機(jī)友好界面實現(xiàn)警戒線的設(shè)置，當(dāng)船舶以某一航線穿越警戒線后，可對其播發(fā)AIS短報文;對于進(jìn)入多邊形封閉電子圍欄警戒區(qū)域內(nèi)的船舶進(jìn)行AIS短報文廣播，也可根據(jù)后臺導(dǎo)入預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)對比匹配后，對指定船舶進(jìn)行AIS短報文廣播。

（2）船舶數(shù)據(jù)的查詢顯示?；贏IS信息可實時查詢單個船舶AIS數(shù)據(jù)的靜態(tài)信息和動態(tài)信息，也可以以列表、柱圖、曲線圖等方式實時顯示群體AIS船舶數(shù)據(jù)信息。

（3）船舶數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析?？蓪Υ┰捷爡^(qū)某條警戒線的船舶，或?qū)﹄娮訃鷻趨^(qū)域內(nèi)的船舶的信息（船舶名稱、種類、數(shù)量等）進(jìn)行分類統(tǒng)計分析，從而獲取穿越警戒線船舶的統(tǒng)計列表，進(jìn)而獲取區(qū)域船舶流量圖。劃定電子圍欄區(qū)域后，系統(tǒng)可自動實現(xiàn)數(shù)量統(tǒng)計功能，跟蹤查詢特定關(guān)注船舶AIS航行軌跡線，對于配置多套AIS設(shè)備的江海運輸船舶，自動觸發(fā)電子圍欄軟件，系統(tǒng)可對船載AIS船名等數(shù)據(jù)記錄進(jìn)行比對，為海事現(xiàn)場執(zhí)法提供依據(jù)。

（4）系統(tǒng)播發(fā)機(jī)制。在電子圍欄系統(tǒng)播發(fā)控制終端上，監(jiān)管人員可靈活設(shè)定重復(fù)播發(fā)時間間隔，也可手動即時播發(fā)。當(dāng)有多臺AIS基站組網(wǎng)時，可手動指定播發(fā)的基站，也可根據(jù)電子圍欄區(qū)域按基站與船舶“就近原則”自動選擇播發(fā)基站。

（5）用戶體驗設(shè)計。系統(tǒng)可為用戶保存常用播發(fā)內(nèi)容，具備數(shù)據(jù)推送日志的記錄功能，方便日常播發(fā)操作;系統(tǒng)可針對不同船舶類型進(jìn)行精準(zhǔn)推送，避免無關(guān)聯(lián)船舶受到干擾。

（6）后臺船舶數(shù)據(jù)導(dǎo)入。后臺可導(dǎo)入特別關(guān)注船舶（砂石船、小型施工船、危險品船和客渡船等）的數(shù)據(jù)，當(dāng)這些船舶穿越電子圍欄區(qū)域和警戒線時，系統(tǒng)記錄這些船舶穿越時的船位信息，并選取為這些船舶預(yù)設(shè)的廣播語句進(jìn)行警示播發(fā)，同時產(chǎn)生一條數(shù)據(jù)推送日志。

（7）基站配置監(jiān)控軟件。通過應(yīng)用軟件系統(tǒng)，可實現(xiàn)對AIS播發(fā)基站基礎(chǔ)信息配置、控制和各類工作數(shù)據(jù)監(jiān)測。

（8）甚高頻（VHF）語音播發(fā)。設(shè)置電子圍欄警戒區(qū)域，當(dāng)船舶穿越警戒區(qū)域時，可根據(jù)需要通過VHF基站16頻道發(fā)送區(qū)域VHF語音信息。

（9）手機(jī)短信服務(wù)。中國移動、中國電信和中國聯(lián)通3家通信運營商提供沿海手機(jī)短信服務(wù)，系統(tǒng)采用第三方接口組件并分別開發(fā)公網(wǎng)手機(jī)短信模塊，一旦船舶穿越電子圍欄，系統(tǒng)除通過AIS短報文播發(fā)警示信息外，還通過手機(jī)短信服務(wù)向船舶有關(guān)人員的手機(jī)播發(fā)短信。

3 應(yīng)用實例

2019年7月30日，洋山港VTS中心收到31日大風(fēng)預(yù)警信息，隨即結(jié)合轄區(qū)實際情況在通航警戒區(qū)、東海大橋、南支燈船、黃澤洋等重點水域設(shè)置了電子圍欄區(qū)域（見圖1），對途經(jīng)預(yù)警線的所有船舶船載AIS設(shè)備發(fā)送“明天洋山西北風(fēng)8級，陣風(fēng)9至10級”的大風(fēng)預(yù)警信息，為船舶安全航行提供服務(wù)。

4 結(jié) 語

洋山港電子圍欄系統(tǒng)已在洋山港海事局試運行，為轄區(qū)水域提供AIS信息服務(wù)，實現(xiàn)東海大橋碰撞提示、特定船舶預(yù)警播發(fā)、LNG碼頭前沿設(shè)防、沉船礙航物提醒、風(fēng)電場禁止航行、特定氣象（大風(fēng)及能見度不良）信息播發(fā)等各類管理場景應(yīng)用，基本達(dá)到系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)。