專用固態(tài)數(shù)字雷達(dá)與AIS基站組合系統(tǒng)在洋山E航海示范工程中的應(yīng)用

杭德平　楊祥

【摘 要】 為保障上海港洋山深水港區(qū)海域船舶的航行安全，實(shí)現(xiàn)對通航密集水域未安裝AIS船載終端設(shè)備的小型船舶和小目標(biāo)的有效監(jiān)控，東海航海保障中心創(chuàng)新實(shí)施E航海示范工程建設(shè)，將專用固態(tài)數(shù)字雷達(dá)與AIS基站組合應(yīng)用，對由固態(tài)數(shù)字雷達(dá)探測發(fā)現(xiàn)的小型船舶或小目標(biāo)進(jìn)行篩選和識別，并將有效數(shù)據(jù)以虛擬AIS航標(biāo)報(bào)文向周邊船舶播發(fā)，以便其他船舶掌握相關(guān)信息。實(shí)踐表明，該系統(tǒng)能有效保障航行安全，并為E航海技術(shù)在保障航海安全上的應(yīng)用積累經(jīng)驗(yàn)。

【關(guān)鍵詞】 上海港洋山深水港區(qū);E航海;固態(tài)雷達(dá);AIS;船舶避碰

0 引 言

目前，上海港洋山深水港區(qū)（以下簡稱“洋山港區(qū)”）是世界最大的海島型深水港，船舶流量日益密集且船舶大型化趨勢明顯，年集裝箱吞吐量已占上海港年集裝箱吞吐總量近1/2，對上海國際航運(yùn)中心和上海自貿(mào)區(qū)建設(shè)起著重要作用。隨著洋山港區(qū)四期自動化碼頭的投入使用，洋山港區(qū)貨運(yùn)吞吐量必將進(jìn)一步增加，港區(qū)發(fā)展具有極大潛力。

洋山港區(qū)主航道位于浙江省北部島礁海域，傳統(tǒng)漁場密布，且處于沿海南北航路中心，大中型船舶和漁船、砂石料船等小型船舶在此聚集交匯航行或作業(yè)，通航環(huán)境復(fù)雜。

船舶自動識別系統(tǒng)（AIS）自推廣應(yīng)用以來，在保障船舶航行安全和提高通航效率方面發(fā)揮了重要的作用。目前我國仍有很多小型船舶（如漁船、砂石料船等）尚未按《國際海上人命安全公約》（《SOLAS公約》）規(guī)定配備AIS船載終端設(shè)備。這些小型船舶常常在沿海部分通航密集水域航行或作業(yè)，在能見度不良等情況下極易發(fā)生船舶碰撞事故。

為改善和提高洋山港區(qū)大中型船舶航行和靠離泊的助航安全保障條件，為駕引人員提供切實(shí)有效的助航服務(wù)支持，東海航海保障中心于2016年實(shí)施洋山E航海示范工程建設(shè)，依托AIS、VTS、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、專用固態(tài)數(shù)字雷達(dá)、差分定位、物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等先進(jìn)技術(shù)和助航設(shè)備，加強(qiáng)船與船、船與岸及岸與岸之間海上航行相關(guān)業(yè)務(wù)及數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通和共享，利用信息技術(shù)重點(diǎn)為洋山港區(qū)大中型船舶航行安全提供技術(shù)支持服務(wù)。

1 洋山E航海示范工程簡介

E航海示范工程的基本要素包括整體系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)、定位導(dǎo)航授時(shí)（PNT）系統(tǒng)、通信方式和手段，數(shù)據(jù)模型，以及服務(wù)（業(yè)務(wù)）類型等分項(xiàng)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)航行環(huán)境數(shù)據(jù)采集、PNT系統(tǒng)、船岸通信交互系統(tǒng)、E航海服務(wù)平臺、E航海終端設(shè)備示范安裝應(yīng)用等5個重點(diǎn)方面的應(yīng)用。其中航行環(huán)境數(shù)據(jù)采集是所有相關(guān)數(shù)據(jù)交換的基礎(chǔ)。洋山港區(qū)深水航道所處海域的特殊性增大了航行安全風(fēng)險(xiǎn)，在能見度不良時(shí)需要進(jìn)一步提高對航行或滯留在警戒區(qū)航道內(nèi)未安裝AIS設(shè)備的小型船舶實(shí)時(shí)探測和分辨篩選識別的能力，獲取其動態(tài)數(shù)據(jù)，并能夠通過現(xiàn)有AIS國際通用播發(fā)平臺發(fā)送相應(yīng)船舶動態(tài)信息，使大中型船舶AIS船載終端設(shè)備能夠接收相關(guān)信息。這對保障船舶的正常航行、避碰和加強(qiáng)海事監(jiān)管具有重要意義。

2 創(chuàng)新研發(fā)探測和播發(fā)組合系統(tǒng)的解決方案

2.1 技術(shù)方案

在通常情況下，VTS系統(tǒng)可通過雷達(dá)探測船舶目標(biāo)，可與AIS功能實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)。VTS系統(tǒng)雷達(dá)能對覆蓋區(qū)內(nèi)的相關(guān)目標(biāo)進(jìn)行自主探測、跟蹤和動態(tài)數(shù)據(jù)采集，但不能對目標(biāo)進(jìn)行主動識別;而AIS雖然能對覆蓋區(qū)內(nèi)裝有AIS船載終端設(shè)備的船舶進(jìn)行主動識別、跟蹤以及采集動態(tài)數(shù)據(jù)和靜態(tài)數(shù)據(jù)，但無法獲取覆蓋區(qū)內(nèi)未安裝AIS船載終端設(shè)備小型船舶或小目標(biāo)的動態(tài)。

洋山E航海示范工程建設(shè)項(xiàng)目創(chuàng)新研發(fā)一套探測與播發(fā)功能相結(jié)合的系統(tǒng)。在小洋山沈家灣客運(yùn)碼頭樓頂上安裝一套固態(tài)數(shù)字雷達(dá)系統(tǒng)和一套AIS專用基站系統(tǒng)，使用固態(tài)數(shù)字雷達(dá)探測洋山港區(qū)警戒區(qū)航道內(nèi)船舶，篩選識別并跟蹤航道內(nèi)未安裝AIS船載終端設(shè)備船舶的動向，并將雷達(dá)信號轉(zhuǎn)換為AIS基站系統(tǒng)信號，以虛擬AIS航標(biāo)報(bào)文播發(fā)，供航道內(nèi)和周邊海域大中型船舶船載接收機(jī)接收。圖1為AIS工作示意圖，組合系統(tǒng)主要具備以下功能：

（1）提高了在不良天氣條件下對處于洋山港區(qū)警戒區(qū)航道內(nèi)未安裝AIS船載終端設(shè)備的小型船舶或小目標(biāo)的識別與跟蹤能力;

（2）對固態(tài)數(shù)字雷達(dá)探測發(fā)現(xiàn)的小型船舶或小目標(biāo)進(jìn)行篩選和識別，并將有效數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為AIS標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文;

（3）將需要標(biāo)識的小型船舶或小目標(biāo)的數(shù)據(jù)，由AIS基站以虛擬AIS航標(biāo)報(bào)文播發(fā)給在洋山港區(qū)警戒區(qū)航道內(nèi)和周邊海域的船舶，供船舶識別避讓。

2.2 雷達(dá)技術(shù)參數(shù)

洋山E航海示范工程使用了TERMA Scanter 2200 Series型基于固態(tài)發(fā)射機(jī)技術(shù)的2D全相干脈沖壓縮雷達(dá)，具有數(shù)字軟件定義功能。雷達(dá)基本技術(shù)參數(shù)設(shè)置見表1。

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)試驗(yàn)證，雷達(dá)探測發(fā)現(xiàn)漁船、游艇和帆船等小型目標(biāo)效果較好。從沈家灣客運(yùn)碼頭往洋山港區(qū)主航道方向，雷達(dá)信號覆蓋主航道、警戒區(qū)及周邊海域，重點(diǎn)識別和跟蹤在洋山港區(qū)警戒區(qū)內(nèi)活動的小型船舶或小目標(biāo)，特別是在特殊天氣和能見度不良時(shí)能準(zhǔn)確探測識別小型船舶和小目標(biāo)，并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)以虛擬AIS航標(biāo)報(bào)文播發(fā)。

2.3 AIS播發(fā)策略

在通航環(huán)境復(fù)雜的洋山港區(qū)警戒區(qū)及警戒區(qū)外500 m區(qū)域內(nèi)，活動船舶的信息被雷達(dá)探測錄取后，數(shù)據(jù)經(jīng)后臺處理比對，無AIS船載信息的小型船舶或小目標(biāo)將被識別為虛擬AIS目標(biāo)，通過18號AIS報(bào)文（標(biāo)準(zhǔn)B類設(shè)備位置報(bào)告）向虛擬AIS目標(biāo)周圍船舶通報(bào)，幫助安裝有AIS船載終端設(shè)備的大中型船舶及時(shí)發(fā)現(xiàn)和識別此類目標(biāo)。

為了使大中型船舶在進(jìn)入警戒區(qū)前及早獲得小型船舶或小目標(biāo)的動態(tài)信息，虛擬AIS目標(biāo)信號的識別范圍比固態(tài)數(shù)字雷達(dá)探測到的小型船舶或小目標(biāo)的識別范圍略大。AIS默認(rèn)播發(fā)頻率為，系統(tǒng)管理員可適當(dāng)調(diào)整播發(fā)區(qū)域和播發(fā)頻率。

圖2為融合了固態(tài)數(shù)字雷達(dá)系統(tǒng)和專用AIS基站的組合系統(tǒng)――洋山E航海綜合信息系統(tǒng)，可對小型船舶或小目標(biāo)進(jìn)行識別并融合顯示。紅圈內(nèi)目標(biāo)為未安裝AIS船載終端設(shè)備的小型船舶，以虛擬AIS目標(biāo)的形式在信息系統(tǒng)中顯示。

為避免該水域內(nèi)的航標(biāo)被誤探測識別，以航標(biāo)為中心150 m范圍內(nèi)的固定小目標(biāo)將不被識別。當(dāng)固態(tài)數(shù)字雷達(dá)或?qū)Ｓ肁IS基站設(shè)備發(fā)生異常時(shí)，該組合系統(tǒng)也將停止向外播發(fā)小目標(biāo)信息，以避免播發(fā)數(shù)據(jù)錯誤。

3 結(jié) 語

專用固態(tài)數(shù)字雷達(dá)與AIS基站組合系統(tǒng)在洋山E航海示范工程中的應(yīng)用，為處于洋山港區(qū)警戒區(qū)航道內(nèi)和周邊海域的船舶安全航行和避碰預(yù)警提供了一種有效的解決方案。該系統(tǒng)也是E航海理念和技術(shù)在上海國際航運(yùn)中心建設(shè)中的一次創(chuàng)新應(yīng)用，將為E航海理念和技術(shù)應(yīng)用于保障航海安全提供寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和成功范例，為保障航海安全發(fā)揮了積極的作用。