基于冗余數(shù)據(jù)的AIS虛擬航標(biāo)監(jiān)測方法

李 昱

基于冗余數(shù)據(jù)的AIS虛擬航標(biāo)監(jiān)測方法

李 昱

利用冗余AIS基站播發(fā)虛擬航標(biāo)信息時，某個AIS基站的異常往往難以被及時發(fā)現(xiàn)。針對這一現(xiàn)狀，研究一種基于冗余數(shù)據(jù)的AIS虛擬航標(biāo)監(jiān)測方法，讓AIS基站播發(fā)一條冗余的專有虛擬航標(biāo)信息，用以標(biāo)識AIS基站來源。在數(shù)字航道系統(tǒng)中，設(shè)計虛擬航標(biāo)播發(fā)與監(jiān)測一體化模塊，制定異常報警策略，在圖形化的綜合監(jiān)控系統(tǒng)中實現(xiàn)虛擬航標(biāo)的實時監(jiān)測和主動報警。該方法已在長江數(shù)字航道工程中得到應(yīng)用，效果良好，具有很好的實用價值和推廣意義。

AIS；虛擬航標(biāo)；冗余數(shù)據(jù)；21號報文；AIS基站標(biāo)識

隨著應(yīng)用的推廣和深入，船舶自動識別系統(tǒng)（Automatic Identification System，簡稱AIS）已不僅僅只用于船舶間的避碰，還已發(fā)展成具有諸多航行和海事管理功能的綜合系統(tǒng)。對于航標(biāo)管理部門而言，利用AIS可進(jìn)行各種助航應(yīng)用（Aids to Navigation，簡稱AtoN ）。國際航標(biāo)協(xié)會（IALA）在A-126號建議案中也詳細(xì)闡述了AIS技術(shù)在航標(biāo)上的應(yīng)用并提出了實施方法。[1]歸納起來，AtoN應(yīng)用包括三種形式：AIS真實航標(biāo)、AIS仿真航標(biāo)和AIS虛擬航標(biāo)。AIS真實航標(biāo)是指航標(biāo)裝備AIS，實時地向周圍發(fā)送身份、精確位置和工作狀態(tài)等信息。仿真航標(biāo)是指航標(biāo)真實存在，但仿真航標(biāo)的AIS電文卻從安裝在遠(yuǎn)離航標(biāo)的AIS站發(fā)射。虛擬航標(biāo)是指AIS航標(biāo)電文指示的位置實際上不存在真實的物理航標(biāo)，但根據(jù)AIS電文可在船載的AIS終端或電子海圖顯示與信息系統(tǒng)（ECDIS）的顯示屏幕上標(biāo)識出航標(biāo)的符號。目前，虛擬航標(biāo)由于具有經(jīng)濟(jì)、便捷和靈活等優(yōu)點，已成為重要的助航設(shè)施，例如在新的沉船處設(shè)置物理浮標(biāo)之前，用AIS虛擬航標(biāo)作為新沉船的緊急標(biāo)記，或用虛擬航標(biāo)臨時劃分通航航道等。

在工程實施中，虛擬航標(biāo)的AIS電文由岸基的AIS站發(fā)射，為了保證其正常連續(xù)穩(wěn)定地為過往船舶服務(wù)，還需要制定及時、有效的虛擬航標(biāo)失常監(jiān)測方法和保障機(jī)制。本文根據(jù)長江12.5米深水航道工程和數(shù)字航道工程的實際需求，提出一種基于冗余數(shù)據(jù)的AIS虛擬航標(biāo)播發(fā)和監(jiān)測方法。

一、AIS虛擬航標(biāo)應(yīng)用

（一）AIS虛擬航標(biāo)應(yīng)用方式

國際電信聯(lián)盟（ITU）將AIS的21號報文專門用于航標(biāo)報告（AtoN）[2]，作為補(bǔ)充手段增強(qiáng)助航功能。AIS基站通過21號報文，可以廣播航標(biāo)的類型、名稱、位置等助航信息。當(dāng)播發(fā)的航標(biāo)真實存在時，即為仿真航標(biāo)，其在船載的AIS終端及電子海圖顯示與信息系統(tǒng)（ECDIS）中通常顯示為；當(dāng)播發(fā)的航標(biāo)實體并不真實存在時，在21號報文中需標(biāo)識為虛擬航標(biāo)，其顯示時通常加上V來清楚地標(biāo)識為虛擬航標(biāo)，如。

AIS虛擬航標(biāo)通過AIS基站播發(fā)21號報文的方式實現(xiàn)，基站選址應(yīng)保證信號能夠覆蓋所應(yīng)標(biāo)示的水域，避免電磁干擾，并具有穩(wěn)定性和安全性。[3]為了保證虛擬航標(biāo)的播發(fā)正常率，對于重要的AIS基站常建有備用基站，進(jìn)行冗余播發(fā)。

（二）AIS虛擬航標(biāo)應(yīng)用場景

1.永久性標(biāo)示應(yīng)用

（1）標(biāo)示復(fù)式航道界限

復(fù)式航道指在通航水域劃分不同維護(hù)水深的水域，以供不同吃水船舶航行的航道。由于需要用航標(biāo)標(biāo)示出不同的水域界限，如果全部設(shè)置實體航標(biāo)，將占用一定的通航水域資源，并容易造成混淆。這種情況下，可以在實體航標(biāo)標(biāo)示的航道水域內(nèi)，利用虛擬航標(biāo)標(biāo)示出深水航道界限，供吃水受限的大型船舶使用。[4]

（2）標(biāo)示節(jié)點

傳統(tǒng)航標(biāo)起著助航作用的同時，本身也有一定的礙航特性。特別是在深水港口等交通流量密集水域，既要滿足船舶“抓點調(diào)向”的需求，又不能影響船舶航行或靠離泊。在交通流復(fù)雜而設(shè)標(biāo)困難的位置，可設(shè)置虛擬航標(biāo)代替實體航標(biāo)標(biāo)示節(jié)點位置，提示船舶及時調(diào)整船位和航向。[5]

2.臨時標(biāo)示應(yīng)用

（1）應(yīng)急搶通

當(dāng)突發(fā)水上交通事故或發(fā)現(xiàn)礙航物時，可以立即設(shè)置虛擬航標(biāo)標(biāo)示礙航物位置、事故水域或應(yīng)急通道，在實體航標(biāo)設(shè)置到位前，進(jìn)行應(yīng)急搶通。

（2）臨時限制航行水域

當(dāng)需要在可航水域進(jìn)行臨時性作業(yè)，而設(shè)置實體航標(biāo)影響作業(yè)時，可設(shè)置虛擬航標(biāo)臨時標(biāo)定限制航行水域，并進(jìn)行臨時交通管制。[4]

二、AIS虛擬航標(biāo)監(jiān)測

AIS虛擬航標(biāo)具有重要的助航作用，為了保證其正常地為過往船舶服務(wù)，應(yīng)監(jiān)測其播發(fā)狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)故障并采取恢復(fù)措施。目前，比較常見的監(jiān)測方法包括以下幾種：

1.船載AIS巡查

通過船載AIS終端在實地巡查是最直接的監(jiān)測方法。巡查船舶所安裝的船載AIS終端接收到21號報文后，在ECDIS實時顯示，能夠直觀檢查虛擬航標(biāo)的狀態(tài)。然而，船載AIS巡查需要定期到播發(fā)水域巡航，成本高昂，而且難以第一時間發(fā)現(xiàn)故障。

2.發(fā)射基站監(jiān)控

通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程連接AIS發(fā)射基站控制臺，監(jiān)控基站的運行狀態(tài)和發(fā)射參數(shù)，能夠側(cè)面了解信號源的正常情況。然而，發(fā)射基站監(jiān)控只能實時監(jiān)測發(fā)射源的狀態(tài)，不能發(fā)現(xiàn)由于環(huán)境干擾等信號傳輸問題造成的虛擬航標(biāo)失常。

3.監(jiān)測站監(jiān)控

為了確保AIS基站的全天候不間斷播發(fā)，可以在覆蓋水域建設(shè)監(jiān)測站，接收基站發(fā)射的AIS數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給監(jiān)控中心，通過監(jiān)控平臺對播發(fā)AIS虛擬航標(biāo)的完好性進(jìn)行監(jiān)測。通過監(jiān)測站能夠?qū)崿F(xiàn)對虛擬航標(biāo)的直觀、有效監(jiān)測，但如果采取冗余基站方式，除非結(jié)合發(fā)射基站監(jiān)控，否則只有所有發(fā)射基站均發(fā)生故障時才能發(fā)現(xiàn)問題。

三、基于數(shù)字航道的AIS虛擬航標(biāo)監(jiān)測

上述的AIS虛擬航標(biāo)監(jiān)測方法都或多或少存在著弊端，在長江12.5米深水航道工程和數(shù)字航道工程的AIS虛擬航標(biāo)建設(shè)中，我們設(shè)計了一種虛擬航標(biāo)的播發(fā)與監(jiān)測一體化系統(tǒng)，基于數(shù)字航道平臺，通過在AIS基站引入冗余標(biāo)識數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了AIS虛擬航標(biāo)的全天候完善性監(jiān)測。

1.系統(tǒng)架構(gòu)

如圖1所示，虛擬航標(biāo)的播發(fā)與監(jiān)測一體化系統(tǒng)采用4層體系架構(gòu)。

（1）用戶層：面對用戶的虛擬航標(biāo)業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)以及綜合監(jiān)控系統(tǒng)。

（2）數(shù)據(jù)層：位于管理部門機(jī)房的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。

（3）應(yīng)用層：位于管理部門機(jī)房的AIS控制，收發(fā)和解析服務(wù)器。

（4）物理層：部署在播發(fā)水域的AIS虛擬航標(biāo)收發(fā)單元，每個收發(fā)單元包括兩個及以上播發(fā)虛擬航標(biāo)信息的AIS基站，以及用于驗證虛擬航標(biāo)是否正確播發(fā)的AIS船臺（完善性監(jiān)測站）。

虛擬航標(biāo)靜態(tài)信息在業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)中進(jìn)行維護(hù)，基本信息參考AIS航標(biāo)報告（AtoN）21號報文規(guī)范。針對在長江應(yīng)用特點，制定了幾種不同類型的虛擬航標(biāo)，包括左側(cè)標(biāo)志、右側(cè)標(biāo)志、專用標(biāo)志和應(yīng)急沉船示位標(biāo)志，它們在AtoN21號報文中的虛擬航標(biāo)類型碼（Type AtoN）分別設(shè)為24、25、30和28。

綜合監(jiān)控系統(tǒng)對虛擬航標(biāo)狀態(tài)進(jìn)行顯示，有別于ECDIS只采用來標(biāo)識所有的虛擬航標(biāo)，參照國際海道測量組織（IHO）的海圖規(guī)范第四版第B部分（IHO S4）的顯示規(guī)則，[6]對不同類型的虛擬

圖1 AIS虛擬航標(biāo)播發(fā)與監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)圖

航標(biāo)進(jìn)行了符號化設(shè)計，如表1所示。

表1 主要虛擬航標(biāo)類型及其符號

AIS服務(wù)器運行AIS信息收發(fā)系統(tǒng)，一方面對AIS虛擬航標(biāo)信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換和處理，形成標(biāo)準(zhǔn)的21號AIS報文，然后通過網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接口傳送給AIS發(fā)射基站，以設(shè)定的時間間隔持續(xù)地進(jìn)行虛擬航標(biāo)信息的播發(fā)；另一方面通過網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接口從AIS監(jiān)測基站接收由AIS發(fā)射基站播發(fā)的虛擬航標(biāo)信息，入庫并供綜合監(jiān)控系統(tǒng)顯示和查詢。

2.基于冗余數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測

上述系統(tǒng)架構(gòu)中，為了提高可靠性，AIS發(fā)射基站的部署采用了交叉覆蓋、冗余播發(fā)的策略，收發(fā)單元中的監(jiān)測站亦可能接收到相鄰發(fā)射基站播放的虛擬航標(biāo)信息。而且，21號報文中只有虛擬航標(biāo)的標(biāo)識信息而不包含發(fā)射基站的標(biāo)識信息。因此，僅僅由監(jiān)測站是否持續(xù)接收到虛擬航標(biāo)信息無法準(zhǔn)確地判斷其配套的發(fā)射基站是否正常工作。

為解決該問題，讓每個AIS發(fā)射基站各自播發(fā)一個專有的地理位置無效的虛擬航標(biāo)，用它們來區(qū)分不同基站發(fā)射源。例如：讓甲、乙兩基站同時冗余播發(fā)某水域內(nèi)的3座虛擬航標(biāo)信息。那么，甲站發(fā)布A、B、C、x共4組數(shù)據(jù)，乙站發(fā)布A、B、C、y共4組數(shù)據(jù)，其中兩站發(fā)布的A、B、C組數(shù)據(jù)完全一致，而x、y則是分別用于標(biāo)定甲和乙基站的專用數(shù)據(jù)。它們用不同的MMSI碼和標(biāo)名區(qū)分，而且位置無效，以免引起對船舶用戶的誤導(dǎo)。當(dāng)綜合監(jiān)控平臺監(jiān)測到專有標(biāo)識的虛擬航標(biāo)動態(tài)數(shù)據(jù)不更新時，即可提示相應(yīng)AIS基站播發(fā)信息異常。

3. 報警策略

在綜合監(jiān)控系統(tǒng)中，為了保障虛擬航標(biāo)持續(xù)穩(wěn)定工作，將對以下幾種情況進(jìn)行報警：

（1）超時：超過規(guī)定時間閾值未收到更新的虛擬航標(biāo)動態(tài)數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)不符：接收到的虛擬航標(biāo)動態(tài)數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)不符。

（3）基站異常：超過規(guī)定時間閾值未收到更新的基站專有虛擬航標(biāo)動態(tài)數(shù)據(jù)。

四、工程應(yīng)用

基于冗余數(shù)據(jù)的AIS虛擬航標(biāo)監(jiān)測方法，在長江12.5米深水航道工程和數(shù)字航道工程中得到結(jié)合應(yīng)用。

在長江南京以下12.5米深水航道二期工程中，在落成洲、世業(yè)洲等限制河段，采用復(fù)式航道的形式同時維護(hù)12.5米深水航道和10.8米原有航道。為了避免同時設(shè)置實體航標(biāo)標(biāo)示同一段航道的不同尺度，過多占用通航水域資源，給船舶辨別助航標(biāo)志帶來困擾，采用了實體航標(biāo)標(biāo)示常規(guī)航道、虛擬航標(biāo)標(biāo)示深水航道的方法，既利用了不同水深資源，又充分利用了航寬，大大提高了航道通航能力。為了保證虛擬航標(biāo)的保障率，采用冗余基站播發(fā)方式，所有虛擬航標(biāo)均有兩座及以上的基站同時播發(fā)AIS信號。同時為了區(qū)分不同基站來源，采用了上述的冗余數(shù)據(jù)方法，讓每個基站同時還播發(fā)了自己專有的無效位置冗余信息。

同時，在長江數(shù)字航道工程建設(shè)過程中，接入了12.5米深水航道虛擬航標(biāo)監(jiān)測站信息，并在數(shù)字航道綜合監(jiān)測平臺與實體航標(biāo)一起進(jìn)行綜合實時顯示和監(jiān)控，其監(jiān)控界面如圖2所示。

圖2 虛擬航標(biāo)和實體航標(biāo)的實時監(jiān)控

系統(tǒng)為了全天候監(jiān)測虛擬航標(biāo)的運行情況，按照前文的報警策略實現(xiàn)了報警提示功能，可對虛擬航標(biāo)和AIS基站的異常進(jìn)行實時主動報警，如圖3所示。

圖3 虛擬航標(biāo)的報警提示

五、結(jié)論

本文研究了一種基于冗余數(shù)據(jù)的AIS虛擬航標(biāo)監(jiān)測方法，解決了采取冗余AIS基站發(fā)射方式時獨立基站故障難以及時發(fā)現(xiàn)的問題，并在相關(guān)工程中實現(xiàn)和驗證，具有一定的推廣價值。

下一步工作中，還將研究利用虛擬航標(biāo)的發(fā)射基站通過14號報文播發(fā)實體航標(biāo)的失常信息，以更好地保障船舶的航行安全。

[1]IALA:Recommendation A-126:The use of Automatic Identification System(AIS) in marine aids to navigation services [R].4th ed.2008:12.

[2]ITU:Recommendation ITU-RM.1371:Technical Characteristics for a Ship borne Automatic Identification System(AIS) Using Time Division Multiple Access in the Maritime Mobile Band[R].Geneva: ITU-R,1998.

[3]李術(shù)元.AIS虛擬航標(biāo)在長江12.5 m深水航道中的應(yīng)用探討[J].中國水運,2016(3):20-23.

[4]宋剛.AIS虛擬航標(biāo)在長江航運管理中的應(yīng)用[J].電子信息, 2015(2):54-54.

[5]徐峰.AIS航標(biāo)在長江下游航道應(yīng)用的思考[J].中國水運, 2012(6):40-41.

[6]任存斌.AIS航標(biāo)及其在東海長江口水域航海通告和海圖中的表示方法研究[D].北京:中國地質(zhì)大學(xué),2015.

10.16176/j.cnki.21-1284.2017.06.005

李昱（1983—），男，長江南京航道局，高級工程師，工程碩士。