基于AIS的渡口水上斑馬線的自動識別與實現(xiàn)

李偉，馮愛國

(南通航運職業(yè)技術(shù)學(xué)院航海系，江蘇南通　226010)

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基于AIS的渡口水上斑馬線的自動識別與實現(xiàn)

李偉，馮愛國

(南通航運職業(yè)技術(shù)學(xué)院航海系，江蘇南通226010)

為降低渡口渡船與其他船舶的碰撞風(fēng)險，提出一種基于AIS的渡口水上斑馬線自動識別設(shè)計方案，并根據(jù)船舶導(dǎo)助航設(shè)備配備及渡口實際情況，給出具體實施建議。該方案通過對船舶AIS數(shù)據(jù)處理及識別，利用AIS的MESSAGE功能、自動VHF語音播報等主動向入界船舶發(fā)出實時預(yù)警，實現(xiàn)船舶對渡口水上斑馬線的自動識別。

渡口；水上斑馬線；AIS；自動識別

渡口渡船安全長期以來都是水上交通安全管理的重點和難點[1]。為有效降低渡船與其他船舶的碰撞危險，海事部門提出了建立渡口水上斑馬線的概念，并就水上斑馬線的劃定方法、航行規(guī)則等問題進(jìn)行了闡述，在部分管轄水域已付諸實施[2-3]。渡口水上斑馬線為渡船橫越過江劃定特定水域，對規(guī)范斑馬線內(nèi)船舶之間的航行和避碰行為，保障渡口水域內(nèi)航行安全起到了積極的作用。

然而水上斑馬線不同于道路斑馬線，不可能在水面上劃出斑馬紋，海事部門從海事管理的角度完成了水上斑馬線的劃區(qū)、定線問題，而對水上斑馬線的識別尤其自動識別問題研究不足。本文提出一種基于船舶自動識別系統(tǒng)(automatic identification system， AIS)的渡口水上斑馬線自動識別設(shè)計方案，以期能為渡口水上斑馬線的應(yīng)用、改進(jìn)和推廣工作提供參考。

1　渡口水上斑馬線的構(gòu)建

1.1設(shè)置方法

渡口水上斑馬線的設(shè)置一般以兩岸渡口的連線為中間線，以上下游分別向上、向下500 m為邊界線確定為渡口水上斑馬線。對于往返航行線路不一致的渡船，應(yīng)根據(jù)分道航行規(guī)則和實際航行情況，分別劃定渡船往返的斑馬線[3]。

為便于其他船舶提前警戒、自動識別水上斑馬線，可以渡口斑馬線上、下邊界線分別向上游、向下游1 000 m(根據(jù)水域?qū)嶋H通航船舶的噸位、尺度可適當(dāng)?shù)臄U大或縮小)設(shè)置為渡口水上斑馬線預(yù)警區(qū)，理想狀態(tài)下渡口水上斑馬線如圖1所示。但某些渡口所處航段周邊通航環(huán)境較復(fù)雜，船舶交通流量大，甚至緊鄰錨地、淺灘、大橋等特殊水域，如長江江蘇段江陰以下河段通沙汽渡、皋張汽渡等，故渡口水上斑馬線在形狀上不像理想狀態(tài)下那么規(guī)則，一般多為不規(guī)則的多邊形，圖2為某汽渡渡口水域斑馬線示意圖。

1.2識別

快速準(zhǔn)確的識別渡口水上斑馬線至關(guān)重要要，通?？刹挪捎梦锢碜R別方法和自動識別方法。物理識別方法適用于所有船舶，主要通過在航海圖書資料上設(shè)置特定標(biāo)識或陸域上設(shè)置標(biāo)識標(biāo)牌等便于過往船舶識別。目前隨著船舶先進(jìn)的航海儀器配備(如AIS、ECDIS等)，自動識別技術(shù)可更好的發(fā)揮渡口水上斑馬線的作用。

圖1　理想狀態(tài)下渡口水上斑馬線示意圖

圖2　某汽渡渡口水上斑馬線示意圖

1.3航行規(guī)則

渡口水上斑馬線水域通航船舶需嚴(yán)格遵守《內(nèi)河避碰規(guī)則》《內(nèi)河渡口渡船安全管理規(guī)定》等規(guī)定，航行的船舶必須認(rèn)真履行協(xié)助避讓義務(wù)，進(jìn)入該水域之前，應(yīng)保持正規(guī)了望、謹(jǐn)慎駕駛、注意橫越船的動態(tài)；并提前采取減速、停車等有效措施協(xié)助避讓；在該水域內(nèi)禁止掉頭、追越[4-6]。

2　基于AIS的渡口水上斑馬線自動識別設(shè)計方案

2.1總體設(shè)計框架

系統(tǒng)主要由串口聯(lián)接與通信、數(shù)據(jù)解讀、數(shù)據(jù)庫設(shè)計、入界辨識模塊、固式警告回傳模塊等部分組成。其中通過數(shù)據(jù)采集模塊采集附近水域船舶的信息，通過入界辨識模塊甄別進(jìn)入斑馬線水域的船舶，建立入界船舶數(shù)據(jù)庫，進(jìn)一步通過控制模塊以固定警告回傳的形式實現(xiàn)數(shù)據(jù)輸出，使進(jìn)入渡口水域的船舶自動識別水上斑馬線區(qū)域，以便與渡船之間進(jìn)行及時有效的信息交互，保障渡口水域水上交通安全。系統(tǒng)總體設(shè)計框架如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)設(shè)計的總體架構(gòu)圖

2.2自動識別與實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

隨著航?？茖W(xué)技術(shù)的發(fā)展，目前船舶導(dǎo)助航設(shè)備更新?lián)Q代，多數(shù)船舶尤其是大型船舶均配有AIS設(shè)備，而渡口水域大型船舶與渡船一旦發(fā)生碰撞危害最大，故針對裝有AIS設(shè)備的船舶，進(jìn)入渡口水上斑馬線水域自動警告系統(tǒng)設(shè)計及工作流程如圖4所示。

1)AIS信息采集及數(shù)據(jù)處理[7-9]

AIS設(shè)備以串行通信方式采集本船船位、航向、航速等基礎(chǔ)傳感器數(shù)據(jù)，以STDMA方式利用VHF87/88頻道與周圍船舶及基站實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，而后仍以串行通信方式輸出本船及目標(biāo)船的靜、動態(tài)信息。AIS設(shè)備串行接口采用標(biāo)準(zhǔn)的航海儀器接口RS422/485，采集信息需經(jīng)過RS422/RS232轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，或通過RS422/USB轉(zhuǎn)換，將信號送入PC機串口完成信號的采集和處理。接口的輸出采用IEC61162-100通信協(xié)議。根據(jù)ITU-RM、1371和IEC61162-100協(xié)議，AIS接口輸出的信息是6bit ASCII碼，對AIS數(shù)據(jù)的處理首先要采集6bit ASCII碼組成的AIS暗碼語句，然后將其編碼轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的二進(jìn)制碼。AIS數(shù)據(jù)可通過.NETFramework 2.0中提供的 SerialPort類采集，該類可實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)通信。Serialport采集AIS報文流程如圖5所示。

圖4　自動警告系統(tǒng)工作流程圖

圖5　AIS報文采集流程

2)甄別進(jìn)入渡口斑馬線的目標(biāo)船

獲得AIS目標(biāo)船動態(tài)和靜態(tài)數(shù)據(jù)后，需對目標(biāo)船是否進(jìn)入斑馬線水域進(jìn)行甄別，考慮到渡口水域通航環(huán)境較復(fù)雜，斑馬線區(qū)域的形狀一般不規(guī)則，識別算法相對復(fù)雜，需要編程實現(xiàn)?？蓪唏R線水域劃分為若干區(qū)帶，通過對捕獲到的目標(biāo)船地理坐標(biāo)信息(λ，φ)與區(qū)帶中最外圍4個點(經(jīng)度、緯度最大點或最小點)比較判斷船舶是否入界，對首次進(jìn)入船舶進(jìn)行報警并將其報警狀態(tài)置為“已報警”。

3)實現(xiàn)入界船舶的自動播報功能

①AIS短信(MESSAGE)警告回傳

圖6　自動VHF語音播報軟件控制流程圖

通過甄選確定船舶進(jìn)入渡口斑馬線水域后，對于裝有AIS設(shè)備的船舶，利用AIS的MESSAGE功能[10-15]，由外部設(shè)備(監(jiān)控計算機工作站)通過ABM語句和BBM語句，向入界船舶發(fā)送警告短信，提醒其已進(jìn)入渡口斑馬線水域，請謹(jǐn)慎駕駛。

②自動VHF語音播報及船隊信息共享

通過計算機控制單片機(STC12C5A60S2)，在獲取入界船舶信息后，向下位機以串行方式輸出開關(guān)指令觸發(fā)語音軟件及VHF開關(guān)，在語音臺呼話麥克風(fēng)處由語音軟件廣播入界船舶船名、識別號及相關(guān)模板警告語音，如：“船名：XXX，MMSI：YYYYYYYYY，已進(jìn)入渡口斑馬線水域，請渡船船隊及來往船保持警戒?！睋P聲器播出的語音通過VHF06頻道實現(xiàn)自動廣播[16]。其軟件控制流程圖及設(shè)計效果圖如6、7所示。另外捕獲的目標(biāo)船可在總控臺圖形化顯示，可根據(jù)需要依托GPRS無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)向渡船船隊顯示目標(biāo)船的位置及動態(tài)信息[17-20]。

2.3實施建議

基于AIS的渡口水上斑馬線自動識別設(shè)計方案可實現(xiàn)安裝AIS設(shè)備大型船舶對水上斑馬線的識別，解決了渡口水域碰撞事故危害較大的一類船舶對水上斑馬線的自動識別；而對未安裝AIS小型船舶，建議可在主管機關(guān)的統(tǒng)一規(guī)范下，設(shè)計一種基于GPRS(3G/4G)及GPS模組的低成本嵌入式智能終端，強制安裝于該類船舶，以便作為AIS監(jiān)控的補充技術(shù)手段。在交通流量較大、通航環(huán)境較復(fù)雜、渡運頻次較高的渡口水域?qū)嵤┒煽谒习唏R線自動識別技術(shù)；對交通流量較小、渡運頻次較低的渡口水域建議采用物理的方法通過在陸域設(shè)置標(biāo)識標(biāo)牌等識別斑馬線。

圖7　自動VHF語音播報軟件設(shè)計效果圖

3　結(jié)語

渡口水上斑馬線的設(shè)置有效地解決了渡口水域劃區(qū)、定線的問題，對規(guī)范渡船及過往船舶的航行和避讓行為必將起到積極作用。然而渡口水域船舶航行安全是一個系統(tǒng)工程，需要多個部門相互配合齊抓共管，渡口水上斑馬線作為渡船安全營運、安全監(jiān)管的一次新的嘗試，實施過程中肯定會存在諸多問題，有待于實踐中不斷地完善。

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(責(zé)任編輯：郎偉鋒)

Automatic Identification and Implementation of Water Pedestrian Crossing in Ferry Areas Based on AIS Information

LIWei,FENGAiguo

(DeptmentofNavigation，NantongVocational&TechnicalShippingCollege，Nantong226010,China)

In order to reduce the risks of collision with other ships, a design which can automatically identifie water pedestrian crossing based on AIS information is proposed.The specific implementation suggestions is further given according to the current navigational equipments in the shipping industry and the actual situations around ferry areas. The scheme is based on AIS data processing and identification, utilization of the AIS MESSAGE function, VHF automatic voice broadcast to send real-time early warning. Therefore, the automatic identification of water pedestrian crossing is achieved.

ferry; water pedestrian crossing; AIS; automatic identification

2016-03-21

南通科技計劃項目(bk2014031)；2015年度江蘇省高校優(yōu)秀科技創(chuàng)新團(tuán)隊資助計劃

李偉(1984—)，男，山東棗莊人，講師，主要研究方向為航海教育、水上交通風(fēng)險控制與決策,E-mail：weili@ntsc.edu.cn.

10.3969/j.issn.1672-0032.2016.03.009

U697

A

1672-0032(2016)03-0050-05