AIS與現(xiàn)代航海技術(shù)的關(guān)系及對未來航海的影響研究

蘭海濤

摘 要 本文將圍繞AIS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成、技術(shù)核心以及實(shí)際功能進(jìn)行分析討論，并提出AIS與現(xiàn)代航海技術(shù)的關(guān)系及對未來航海的影響，以此充分發(fā)揮AIS系統(tǒng)的監(jiān)視能效，實(shí)現(xiàn)航速、航向、呼號等信息的全面獲取，借助與終端設(shè)備的連接，構(gòu)建探測網(wǎng)絡(luò)，確保在航道相對密集、環(huán)境較為惡劣的情況下也能準(zhǔn)確定位船舶位置，切實(shí)起到防止船舶碰壁的作用，提高信息傳遞效率，推動航海事業(yè)發(fā)展。

關(guān)鍵詞 AIS 航海技術(shù) 通信網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號：U676 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0745（2022）07-0158-03

AIS是指船舶自動識別系統(tǒng)，通常由GPS定位儀、船載顯示器與傳感器組成，其應(yīng)用目的在于保證船舶的安全航行，為相關(guān)駕駛?cè)藛T提供更好的監(jiān)視效果與把控船舶的能力，為了確保該系統(tǒng)得到有效運(yùn)用，首先要對AIS系統(tǒng)的基本內(nèi)容進(jìn)行深入了解。

1 AIS系統(tǒng)分析

1.1 AIS系統(tǒng)組成

AIS系統(tǒng)主要由控制單元、GPS模塊、船舶應(yīng)用設(shè)備以及甚高頻無線電波組成，其中控制單元是指內(nèi)嵌式處理器系統(tǒng)，能夠負(fù)責(zé)整個(gè)程序的運(yùn)行與控制，實(shí)現(xiàn)信息的接發(fā)、處理、分析，而GPS模塊則用于提供船舶動態(tài)信息以及時(shí)間基準(zhǔn)。甚高頻無線電波則是作為海上通信頻道，能夠?qū)崿F(xiàn)AIS設(shè)備之間的數(shù)字交換。船舶設(shè)備接口的作用則在于確保AIS系統(tǒng)能夠與船舶的多種設(shè)備有序連接。同時(shí)AIS系統(tǒng)具有極強(qiáng)的適配性與兼容性，可以與多種系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，比如全球定位系統(tǒng)、ECDIS以及自動雷達(dá)標(biāo)繪儀，不僅能進(jìn)一步提高船位、船速信息的獲取精確性，還能將船名、吃水等靜態(tài)數(shù)據(jù)傳遞到岸臺廣播，實(shí)現(xiàn)與附近船舶與岸臺的通話協(xié)調(diào)，使相關(guān)避讓措施更加高效，保證船舶通航安全。

1.2 AIS系統(tǒng)的技術(shù)核心

AIS系統(tǒng)所采用的核心技術(shù)主要包括：第一，DSC技術(shù)，該方法主要是在VHF頻道上以數(shù)字化方式完成詢問信息的自動發(fā)出，而接收到詢問的船舶需要以相同的頻道將船只基本信息返回至詢問方，DSC的詢問模式大多為廣播，利用信息攜帶的地址碼完成詢問對象的判斷，這樣便可保證只有被詢問的船舶才能完成回應(yīng)，而不會影響其他船舶的正常航行。同時(shí)DCS技術(shù)也能與數(shù)字式自動傳輸技術(shù)進(jìn)行有效融合，使船位、船速的信息掌握更加精確;第二，DOTDMA技術(shù)，又稱作自組織時(shí)分多址接入，是一種能夠解決通信沖突的接入算法，通常應(yīng)用于處在連續(xù)運(yùn)行的移動臺，其接入目的在于提供一個(gè)無需控制臺，確保通信沖突的形成概率得以大幅度降低。通過將GPS系統(tǒng)作為基礎(chǔ)核心，向數(shù)據(jù)鏈路用戶提供監(jiān)視畫面，即使在缺少通信基礎(chǔ)設(shè)施、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)變化劇烈的場合也能正常使用。此外，SOTDMA能夠?qū)崟r(shí)完成信道分配工作，自主選擇空閑時(shí)段進(jìn)行信息傳發(fā)，保證多個(gè)船舶之間能夠自動完成動態(tài)信息交換，不僅可以緩解船員的工作壓力，也能有效避免因人員操作失誤引發(fā)的不良狀況。而且SOTDMA協(xié)議可以將多個(gè)VHF信道依照時(shí)間劃分成多個(gè)時(shí)隙，以1min為1幀，共計(jì)2250個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙代表26.5ms，傳輸量為256b。這樣便可使AIS設(shè)備依照協(xié)議內(nèi)容，尋找空閑時(shí)隙進(jìn)行船舶信息的發(fā)送。

1.3 AIS系統(tǒng)的實(shí)際功能

簡單來說，AIS的功能是指借助VHF通信，依照自組織時(shí)分多址接入通信協(xié)議，在任意海域內(nèi)實(shí)現(xiàn)不同船舶、船岸之間的動態(tài)交換，為船舶航路監(jiān)視以及避讓航行提供切實(shí)可行的信息，保證通信暢通。并且AIS系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確識別船只位置、完成協(xié)助跟蹤目標(biāo)，進(jìn)一步簡化信息間的交流傳遞，能夠強(qiáng)化ARPA雷達(dá)、船舶報(bào)告功能，從而在電子海圖上將船向、船線等信息進(jìn)行可視化轉(zhuǎn)換。

2 AIS與現(xiàn)代航海技術(shù)的關(guān)系分析

2.1 AIS與衛(wèi)星定位技術(shù)

衛(wèi)星定位技術(shù)是我國當(dāng)前最重要的導(dǎo)航手段，能夠隨時(shí)隨地、全天候地為船舶實(shí)現(xiàn)位置定位，提供航向、UTC等重要數(shù)據(jù)，若想確保AIS可以充分發(fā)揮安全保障作用，便需要將衛(wèi)星定位技術(shù)作為應(yīng)用基礎(chǔ)。首先GPS與GLONASS技術(shù)能夠提供協(xié)調(diào)世界時(shí)，并將其作為AIS系統(tǒng)的運(yùn)行前提，完成SLOT的劃分，將時(shí)隙寬度設(shè)置在27ms左右，使系統(tǒng)中的AIS設(shè)備與時(shí)隙保持同步。同時(shí)GPS提供的協(xié)調(diào)世界時(shí)精確度極高，能夠完全符合AIS時(shí)間同步的應(yīng)用要求。其次，衛(wèi)星定位技術(shù)所提供的航速、航向信息屬于AIS間交換的動態(tài)參數(shù)，并保持1次/s的更新頻率，使AIS系統(tǒng)可以從GPS中實(shí)時(shí)掌握船只動態(tài)數(shù)據(jù)，幫助船員合理調(diào)整船舶航行，同時(shí)也能為周邊船舶提供參考信息。由此可知二者的關(guān)系主要體現(xiàn)在，衛(wèi)星定位技術(shù)是AIS系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)條件，而AIS也能進(jìn)一步提高衛(wèi)星定位技術(shù)的工作范圍與時(shí)效性。

2.2 AIS與電子信息系統(tǒng)

電子信息系統(tǒng)全稱為電子海圖顯示與信息系統(tǒng)，又可稱作ECDIS，能夠持續(xù)給出船位，提供與航海有關(guān)的信息，起到防范險(xiǎn)情的作用。但在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，ECDIS的普及率卻始終得不到提升，這主要是由于電子海圖一直在修訂與改正，導(dǎo)致該系統(tǒng)的實(shí)際能效難以充分發(fā)揮。隨著我國信息技術(shù)的進(jìn)一步提升，ECDIS的制約因素也被徹底消除，能夠通過與AIS系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，作為其理想的顯示平臺，將AIS的信息交換內(nèi)容進(jìn)行數(shù)字化、圖形化顯示，將周邊具有AIS船舶的運(yùn)動矢量、呼號等內(nèi)容涵蓋在內(nèi)。并進(jìn)一步利用此類信息，實(shí)現(xiàn)CPA參數(shù)的計(jì)算，從而根據(jù)預(yù)先設(shè)定的危險(xiǎn)距離完成報(bào)警，同時(shí)也可在線模擬船舶躲避決策。由此可知，ECIDS與AIS的關(guān)系是相輔相成的，通過將兩者有機(jī)結(jié)合，能夠在船舶導(dǎo)航與船舶避險(xiǎn)方面發(fā)揮重要作用。

此外，要注意在使用AIS時(shí)，要確保其接口標(biāo)準(zhǔn)符合IEC61142，以此保證與ECDIS的高效連接，獲取AIS的全部交互信息。當(dāng)前IMO對于AIS目標(biāo)船的顯示規(guī)定可細(xì)分為：第一，目標(biāo)船缺省顯示，只顯示具體位置;第二，目標(biāo)船激活顯示，顯示船速、船向以及轉(zhuǎn)向速率;第三，選擇某一目標(biāo)船進(jìn)行詳細(xì)顯示，將AIS收集的信息以及CPA、TCPA呈現(xiàn)在數(shù)據(jù)窗口當(dāng)中;第四，目標(biāo)丟失顯示，若在預(yù)定范圍內(nèi)出現(xiàn)目標(biāo)船的信號丟失，需要在船只的最后位置進(jìn)行符號標(biāo)示并采取報(bào)警處理。

2.3 AIS與ARPA

ARPA是指自動雷達(dá)標(biāo)繪儀，屬于一種自動跟蹤雷達(dá)系統(tǒng)，能夠計(jì)算并顯示選定物標(biāo)的回波，從而幫助船舶實(shí)現(xiàn)預(yù)測與避讓，其包含的ARPA單元能夠?qū)τ?jì)程儀、陀螺羅經(jīng)等傳感器收集的信息進(jìn)行分析、計(jì)算與處理，并向操作人員顯示目標(biāo)航速、方位以及與本船的實(shí)際距離，使船員可以根據(jù)自動雷達(dá)標(biāo)繪儀的自動試操功能采取切實(shí)有效避讓措施。但該裝置同樣存在一定的不足之處，比如ARPA難以從干擾雜波中抑或是當(dāng)船舶相遇時(shí)準(zhǔn)確探查指定區(qū)域內(nèi)是否存在船舶，產(chǎn)生此類狀況的原因在于系統(tǒng)的抗干擾性較弱，其結(jié)果容易受地理環(huán)境抑或是氣象變化等因素影響，在顯示屏上出現(xiàn)假回波，導(dǎo)致負(fù)責(zé)觀測的人員難以準(zhǔn)確判斷波形。而且如果物標(biāo)本身的反射電波效果較低，則自動雷達(dá)標(biāo)繪儀出現(xiàn)忽視跟蹤的概率會大幅度提升，一旦船舶處在夜間行駛的狀態(tài)，很容易引發(fā)船舶相碰的狀況。此外，ARPA雖然能準(zhǔn)確判斷船只位置，但對于船只規(guī)格、類型的判斷不夠準(zhǔn)確，因此相關(guān)測量數(shù)據(jù)的精確程度仍有待探究。因此為了保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性，確保通信效率，需要將AIS與ARPA充分結(jié)合，實(shí)現(xiàn)船舶與口岸之間的信息傳輸，因?yàn)锳IS本身的抗干擾性極強(qiáng)，能夠有效抵御雜波干擾，使ARPA的目標(biāo)物辨識能力得到大幅度提升，強(qiáng)化監(jiān)控效果。

3 AIS對未來航海的積極影響

3.1 船舶避碰方面

雷達(dá)與自動雷達(dá)標(biāo)繪儀是當(dāng)前收集其他船只信息的手段之一，借助公式（1）計(jì)算目標(biāo)的空間坐標(biāo)，但僅限于獲取船只的位置數(shù)據(jù)，而AIS則不同，能夠借助信息處理，完成目標(biāo)船只的位置解算，確保CPA、航速等動態(tài)參數(shù)的準(zhǔn)確掌握。同時(shí)AIS也能有效解決以往自動雷達(dá)標(biāo)繪儀無法應(yīng)對船只交通緊密時(shí)的避碰要求，AIS系統(tǒng)可以自主實(shí)現(xiàn)信息交換，且數(shù)據(jù)內(nèi)容豐富，通過目標(biāo)船的傳感器設(shè)備完成所需信息的收集，并對船舶轉(zhuǎn)向速率、船長、船寬等數(shù)據(jù)進(jìn)行全面探究，之后利用此類數(shù)據(jù)快速響應(yīng)船舶航行狀態(tài)，即使在緊急會遇形勢下也能有效完成船舶運(yùn)動狀態(tài)的推測，從而使船舶駕駛?cè)藛T準(zhǔn)確做出避碰決策[1]。

3.2 通信網(wǎng)絡(luò)方面

隨著我國企業(yè)信息化發(fā)展的日益成熟，對船舶動態(tài)監(jiān)管的實(shí)際需求也在不斷提升，以往的船舶動態(tài)數(shù)據(jù)主要是由船員以報(bào)文形式將相關(guān)信息傳送到監(jiān)控中心，但這種方式會使監(jiān)控中心過于被動，難以隨時(shí)隨地獲取船只航行狀態(tài)，并且船只航行信息需要經(jīng)過人工編輯，監(jiān)控功能被大幅度制約，信息準(zhǔn)確性無法有效保證。此外，信息的共享程度較低，無論是傳真通信還是電傳通信，都難以保證信息傳遞的時(shí)效性。因此，為了盡快滿足船務(wù)企業(yè)、航管部門、貨物公司的迫切需求，需要加強(qiáng)AIS系統(tǒng)的應(yīng)用[2]。

但隨著AIS的大范圍普及以及AIS岸站的大規(guī)模建設(shè)，AIS的網(wǎng)絡(luò)狀況也得到明顯優(yōu)化，能夠?qū)IS網(wǎng)絡(luò)接入到互聯(lián)網(wǎng)當(dāng)中，使相關(guān)人員在網(wǎng)絡(luò)平臺中便可實(shí)現(xiàn)信息的分享與發(fā)布，并將其作為未來船舶的管理手段。一方面體現(xiàn)在合理選擇岸站之后，所構(gòu)建的AIS臺鏈能夠保證沿海海域的全覆蓋，徹底消除盲區(qū)。同時(shí)AIS設(shè)備的信息轉(zhuǎn)發(fā)能力極強(qiáng)，可以使裝載AIS的船只成為轉(zhuǎn)發(fā)站，以此達(dá)到進(jìn)一步提高AIS覆蓋能力的目的。另一方面表現(xiàn)在AIS岸臺能夠與AIS船只完成信息的實(shí)時(shí)交互，利用短數(shù)據(jù)發(fā)布的形式將氣象條件、航道狀況等內(nèi)容傳遞出去，并將船名、呼號、航向轉(zhuǎn)速、航行狀態(tài)、目的港等進(jìn)行收集起來。此外，由于船舶本身具有GPS、LOG等傳感器，因此可以有效保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、精確性，使相關(guān)信息及時(shí)傳遞到監(jiān)控中心，由監(jiān)控中心對AIS岸臺信息進(jìn)行管理。由此可知，AIS網(wǎng)絡(luò)運(yùn)用可以實(shí)現(xiàn)與Internet網(wǎng)絡(luò)的全面結(jié)合，從而為與航運(yùn)有關(guān)的領(lǐng)域提供船舶航行數(shù)據(jù)，在保證對船舶全面監(jiān)控的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)交通狀況的及時(shí)了解，更好地完成對船只的航行把控。

4 實(shí)現(xiàn)船舶安全通航的對策探究

4.1 合理制定通航方案

科學(xué)、合理的通航方案主要體現(xiàn)在以下幾方面：第一，要準(zhǔn)確掌握最新的水文氣象狀況、航道信息以及碼頭泊位數(shù)據(jù)，并做好安全評估工作;第二，要制定適合的進(jìn)港時(shí)機(jī)，通常來說船舶都會選在白天完成進(jìn)港，主要原因在于白天能見度較高，可以幫助技術(shù)人員充分分析潮流狀況，使船舶在進(jìn)出港時(shí)保留充足的富余水深，并有效利用潮流使船舶順利靠離。同時(shí)，還要保證船舶在錨泊時(shí)具有足夠的時(shí)間辦理相關(guān)手續(xù)，按時(shí)完成卸載工作，即便是在低潮時(shí)也能實(shí)現(xiàn)安全漂浮;第三，要制定行進(jìn)航速，不僅需要船舶本身保持高水平的操縱能力，還要避免因船速過快導(dǎo)致船體出現(xiàn)大幅度下沉，要求船員能夠準(zhǔn)確計(jì)量到達(dá)重要航點(diǎn)的時(shí)間點(diǎn)，并對可能產(chǎn)生的誤差進(jìn)行原因探究。

4.2 強(qiáng)化交通流管理

為了保證船舶能夠安全進(jìn)出港，需要依照實(shí)際情況對其發(fā)出航行警告，使其余過往船只能夠預(yù)先收到相關(guān)信息，從而及時(shí)避讓。在進(jìn)行交通流管理時(shí)，需要防止其他船舶阻礙通航船舶的航行，若交通流過于密集，可采取交通管制手段，限制單向通行，避免產(chǎn)生航道緊迫的局面。根據(jù)該城市海上交通管理規(guī)定第二十七項(xiàng)條例可知，如果存在嚴(yán)重影響海上交通安全的船只，可自行申請護(hù)航，而參與護(hù)航的船只、游艇需要優(yōu)先對航道采取清障工作，以此達(dá)到為船舶構(gòu)建有利通航條件的目的。

4.3 全面掌握船舶性能

當(dāng)船只進(jìn)入了對操縱有顯著影響的淺水區(qū)域，為了保證航向準(zhǔn)確、航速均勻，需要船長充分了解船舶本身的實(shí)際性能、謹(jǐn)慎操作，并對淺水狀況下船舶的操縱局限性進(jìn)行全面掌握。船舶在保持低速行駛的過程中，如果船長沒有充分掌握船舶在風(fēng)流中的偏移規(guī)律與偏轉(zhuǎn)程度，很容易偏離正確航道，難以在預(yù)期時(shí)間內(nèi)達(dá)到相應(yīng)的區(qū)域點(diǎn)。因此船舶操縱人員要合理預(yù)估風(fēng)流對船舶航行產(chǎn)生的影響，正確使用車舵，能夠在船身轉(zhuǎn)入新航向時(shí)，利用早回舵以及大舵角及時(shí)調(diào)整船只偏轉(zhuǎn)角度。而在船舶靠泊時(shí)則要準(zhǔn)確分析風(fēng)流使船體產(chǎn)生的對岸移動，以此保證船舶靠泊時(shí)留有足夠的操縱空間。而在進(jìn)出港時(shí)需要預(yù)先完成備車，用以在航道較窄的水域?qū)崿F(xiàn)半速調(diào)整，完成及時(shí)停車。最后，還要充分運(yùn)用GPS、雷達(dá)等技術(shù)完成船舶的準(zhǔn)確定位，避免出現(xiàn)船舶碰撞事故。

綜上所述，通過對AIS與現(xiàn)代航海技術(shù)的關(guān)系及對未來航海的影響進(jìn)行分析討論，進(jìn)一步促進(jìn)船舶自動識別系統(tǒng)與航海技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，加強(qiáng)對海上交通的監(jiān)視效果，避免船舶碰撞事故的形成，促進(jìn)航海信息化建設(shè)的進(jìn)一步發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 鄒翔.現(xiàn)代航海技術(shù)狀況及發(fā)展方向[J].中國水運(yùn)， 2020（05）：44-45.