目前,在船舶監(jiān)管領(lǐng)域,AIS系統(tǒng)和GPS公網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)作為VTS系統(tǒng)中的輔助系統(tǒng),相互共存并發(fā)揮著重大作用。與VTS系統(tǒng)相比,它們能夠準(zhǔn)確確定監(jiān)管船舶的各種動態(tài)信息和靜態(tài)信息,而不需要人為進(jìn)行呼叫就能夠自動識別。其中AIS系統(tǒng)中,classA主要應(yīng)用于IMO公約規(guī)定的大于300總噸以上的船舶,AIS classB和GPS公網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)則應(yīng)用于小型內(nèi)河或沿海船舶。
現(xiàn)有的AIS系統(tǒng)是基于甚高頻(VHF)通信手段,采用自組織式時分多址(SOTDMA)或載波敏感時分多址(CSTDMA)通信模式,其通信距離有限,只能在40公里左右的范圍內(nèi)進(jìn)行船舶識別,因此在內(nèi)河等狹長水道特別是山區(qū)河流中,很難保障船舶航行的安全性。而GPS公網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)中船舶數(shù)據(jù)實時性傳輸、集中管理、價格便宜和易于維護(hù)的優(yōu)勢,使其在內(nèi)河船舶監(jiān)管中被越來越廣泛的應(yīng)用。
AIS-Ⅱ系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)總體設(shè)計
1、系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)設(shè)計
AIS-Ⅱ系統(tǒng)主要包括船載終端設(shè)備、傳輸網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)識別中心。其中,船載終端設(shè)備是系統(tǒng)指令和船舶識別的主體,負(fù)責(zé)將本船數(shù)據(jù)上傳至系統(tǒng)中心或周圍需要進(jìn)行識別的其他船舶;傳輸網(wǎng)絡(luò)主要是基于公網(wǎng)無線通信網(wǎng)絡(luò)(GPRS/CDMA/3G),采用IP網(wǎng)絡(luò)通信模式進(jìn)行船舶自動識別的系統(tǒng);系統(tǒng)識別中心則負(fù)責(zé)接收并認(rèn)證來自各地的船載終端設(shè)備,計算和檢索每一艘船舶需要識別的其他船舶信息,并發(fā)送給該船舶終端設(shè)備。
AIS-Ⅱ系統(tǒng)船舶自動識別的實現(xiàn)是通過系統(tǒng)識別中心組織并轉(zhuǎn)發(fā)每個船舶周圍其它船舶的基本信息,包括:船名、呼號、船型、位置,航速、航向、IP地址、通信端口。船舶已經(jīng)識別后的信息通過兩種模式更新:一是船舶終端設(shè)備至船舶終端設(shè)備之間直接進(jìn)行信息交換(AIS-Ⅱ S-S模式),二是通過船舶識別中心轉(zhuǎn)發(fā)各船舶之間的信息(AIS-Ⅱ S-C模式)。當(dāng)船舶在系統(tǒng)識別中心輔助下對周圍船舶確認(rèn)后,各船舶之間通過發(fā)送ITU-M. 1371標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的Message18和Message19條信息進(jìn)行船舶各類信息的更新。
2、船載終端設(shè)備物理結(jié)構(gòu)設(shè)計
船載終端設(shè)備是整個系統(tǒng)船舶識別的執(zhí)行主體和人機接口,其組成主要包括MCU模塊、GPS定位模塊、GPRS/CDMA通信模塊、LCD顯示模塊、鍵盤控制模塊和電源模塊等。設(shè)備總體結(jié)構(gòu)如圖2所示:
MCU核心處理器是船載終端設(shè)備的主控部分,主要負(fù)責(zé)設(shè)備功能的實現(xiàn)和通信協(xié)議棧與AIS-Ⅱ協(xié)議棧的運行;GPS定位模塊負(fù)責(zé)實時提供設(shè)備位置數(shù)據(jù),供AIS-Ⅱ系統(tǒng)和系統(tǒng)內(nèi)其他船舶對該船進(jìn)行位置確認(rèn);GPRS/CDMA無線通信模塊負(fù)責(zé)提供系統(tǒng)通信鏈路的聯(lián)接和數(shù)據(jù)傳輸;LCD顯示模塊和鍵盤控制模塊是人機接口,響應(yīng)和顯示人機之間的交互工作;電源模塊則是將船舶電壓變換到各模塊需要的電壓上以保證設(shè)備正常運行。
AIS-Ⅱ系統(tǒng)主要業(yè)務(wù)功能
1、系統(tǒng)管理功能
系統(tǒng)管理功能主要提供AIS-Ⅱ船舶終端的在線注冊、審核、船舶識別和在線管理功能。它能管理和記錄該船舶的靜態(tài)信息、動態(tài)信息和航次信息,并將上述信息記錄到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。
船舶首先將靜態(tài)信息在系統(tǒng)中注冊后,才能接入該系統(tǒng)并通過審核,之后通過執(zhí)行AIS-Ⅱ系統(tǒng)提供的各種服務(wù),因此保證了船舶信息的安全性。當(dāng)船舶需要進(jìn)行自動識別服務(wù)時,AIS-Ⅱ系統(tǒng)將周圍船舶的各類信息(動態(tài)信息、靜態(tài)信息和航次信息)發(fā)送給該船舶終端設(shè)備。如執(zhí)行會將上述信息發(fā)送給需要識別該船舶的其他船舶。同時,系統(tǒng)還提供船舶終端設(shè)備實時在線管理功能,可以檢測異常在線終端設(shè)備,以確保系統(tǒng)的安全性和實時在線的可靠性。
2、船舶自動識別功能
船舶登錄系統(tǒng)識別中心后,可在系統(tǒng)識別中心的輔助下,由識別中心計算出該船舶需要識別的其他船舶,并將其他船舶的基本信息(網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接IP、端口號、船舶靜態(tài)信息、當(dāng)前動態(tài)信息和認(rèn)證標(biāo)識等)發(fā)送給該船舶,同時將該船舶的基本信息發(fā)送給其他船舶,以完成系統(tǒng)船舶的自動識別。當(dāng)船舶識別完成后,可通過AIS-Ⅱ S-S模式或AIS-Ⅱ S-C模式進(jìn)行后續(xù)動態(tài)信息的交換。
3、AIS協(xié)議數(shù)據(jù)交換功能
船舶終端設(shè)備登錄到系統(tǒng)中心后,自動識別的船舶之間和船舶與系統(tǒng)識別中心之間通過AIS協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)的更新和信息的交換。其中,互相識別的船舶之間信息的交換在AIS-Ⅱ S-S模式下按照ITU-M. 1371標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的Message18和Message19條信息進(jìn)行船舶各類信息的更新;在AIS-Ⅱ S-C模式下按照ITU-M. 1371標(biāo)準(zhǔn)Message1,3,5和Message17的模式將船舶各類信息上傳至系統(tǒng)識別中心,再由系統(tǒng)識別中心按照Message18和Message19的信息格式發(fā)送給各船舶終端設(shè)備。
同時,由于AIS-Ⅱ系統(tǒng)采用了基于IP的數(shù)據(jù)通信方式,因此,對每一個終端設(shè)備還需要進(jìn)行在線保持和身份驗證識別等數(shù)據(jù)交換協(xié)議。
4、系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)功能
由于GPRS/CDMA系統(tǒng)在內(nèi)河和沿海區(qū)域是無縫覆蓋的蜂窩系統(tǒng),而AIS-Ⅱ系統(tǒng)又是基于該系統(tǒng)的船舶自動識別系統(tǒng),因此船舶的自動識別范圍也是全區(qū)域的。同時,AIS-Ⅱ系統(tǒng)在基于IP數(shù)據(jù)傳輸方式的基礎(chǔ)上,可以實現(xiàn)系統(tǒng)的多級聯(lián)網(wǎng),使整個國家或區(qū)域的船舶監(jiān)管納入一個聯(lián)網(wǎng)識別平臺中,使船舶識別范圍無限擴(kuò)展。同時,該系統(tǒng)可以與現(xiàn)有的AIS系統(tǒng)、VTS系統(tǒng)或衛(wèi)星通信系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng),使整個系統(tǒng)能夠?qū)θ蚍秶鷥?nèi)的船舶進(jìn)行有效監(jiān)管和識別,并對任意一個水域能夠進(jìn)行全時態(tài)、全部船舶物標(biāo)的實時動態(tài)監(jiān)管。
5、終端設(shè)備的船舶標(biāo)繪功能
AIS-Ⅱ系統(tǒng)終端設(shè)備開發(fā)了簡單的船舶標(biāo)繪功能,利用AIS自動識別的其他船舶數(shù)據(jù)信息,可以完成船舶航路點設(shè)置、避碰預(yù)測等功能,并實時給出船舶的航向、航速等功能。該功能可以對船舶進(jìn)行導(dǎo)航和避碰,有效提高船舶航行安全性。
6、增值服務(wù)功能
在系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上,基于該系統(tǒng)可以提供各種增值服務(wù)功能,如船舶搜救協(xié)調(diào)、生產(chǎn)調(diào)度、物流運輸、航路警報、安全預(yù)警等各種增值服務(wù)??梢匀轿惶岣叽暗暮叫邪踩蜕a(chǎn)運營效率。
AIS-Ⅱ系統(tǒng)軟件設(shè)計
1、AIS-Ⅱ系統(tǒng)軟件邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計
AIS-Ⅱ系統(tǒng)軟件主要包括船載終端設(shè)備接入服務(wù)軟件、動靜態(tài)信息轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)軟件、AIS-Ⅱ自動識別計算和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)軟件、調(diào)度管理控制服務(wù)軟件以及前端顯示操作軟件。其中,前兩個軟件為AIS-Ⅱ系統(tǒng)終端設(shè)備的接口軟件,負(fù)責(zé)終端設(shè)備的接入和數(shù)據(jù)傳輸管理;隨后兩個服務(wù)軟件是AIS-Ⅱ系統(tǒng)核心識別服務(wù)軟件,負(fù)責(zé)實現(xiàn)AIS-Ⅱ系統(tǒng)的船舶自動識別功能和系統(tǒng)增值服務(wù)管理;前端顯示操作軟件是人機交互接口,負(fù)責(zé)將系統(tǒng)的各種信息數(shù)據(jù)展現(xiàn)在系統(tǒng)識別中心監(jiān)管人員面前,并負(fù)責(zé)接收監(jiān)管人員的各種指令控制和轉(zhuǎn)發(fā)給系統(tǒng)各軟件或船載終端設(shè)備。
AIS-Ⅱ系統(tǒng)船載終端設(shè)備登錄、認(rèn)證和信息傳輸過程中都存在對數(shù)據(jù)庫的讀取操作,因此,系統(tǒng)核心船舶數(shù)據(jù)庫主要與AIS-Ⅱ系統(tǒng)接口服務(wù)軟件和AIS-Ⅱ系統(tǒng)核心識別軟件相關(guān)聯(lián)。當(dāng)前端顯示操作軟件需要數(shù)據(jù)服務(wù)時,由AIS-Ⅱ系統(tǒng)核心識別軟件提供所必需的各類數(shù)據(jù),而前端顯示操作軟件不直接與系統(tǒng)核心船舶數(shù)據(jù)庫建立連接,保證了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全。
2、AIS-Ⅱ終端設(shè)備軟件邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計
AIS-Ⅱ終端設(shè)備軟件邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計,GPRS/CDMA網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動軟件模塊是AIS-Ⅱ系統(tǒng)船舶自動識別的通信鏈路驅(qū)動程序,負(fù)責(zé)與系統(tǒng)識別中心和其它船舶終端設(shè)備之間建立通信鏈路,該軟件模塊將收到的信息轉(zhuǎn)交給AIS-Ⅱ協(xié)議解析軟件模塊進(jìn)行解析,并將AIS-Ⅱ協(xié)議封裝軟件模塊提交的信息包發(fā)送出去。而AIS-Ⅱ系統(tǒng)識別船舶管理軟件模塊負(fù)責(zé)對解析后的周圍船舶信息進(jìn)行存儲、更新和管理操作,并響應(yīng)終端設(shè)備應(yīng)用管理核心軟件模塊的控制指令提交必要的信息給LCD顯示模塊、船舶標(biāo)繪軟件模塊進(jìn)行顯示操作;同時,接收來自終端設(shè)備應(yīng)用管理核心軟件模塊的本船更新的動靜態(tài)信息,按照規(guī)定AIS-Ⅱ系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定發(fā)送給AIS-Ⅱ協(xié)議封裝軟件模塊,再由AIS-Ⅱ協(xié)議封裝軟件模塊封裝成系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)傳輸協(xié)議包提交給GPRS/CDMA網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動軟件模塊發(fā)送出去。
終端設(shè)備應(yīng)用管理核心軟件模塊是整個船載終端設(shè)備軟件的核心模塊,該模塊除了完成上述工作外還負(fù)責(zé)GPS定位處理軟件模塊、flash存儲管理軟件模塊、鍵盤操作軟件模塊等模塊之間的數(shù)據(jù)傳遞和溝通協(xié)調(diào)工作。
基于VHF的AIS系統(tǒng)與AIS-Ⅱ系統(tǒng)優(yōu)劣比較
ITU-R M.1371規(guī)定的AIS系統(tǒng)船載終端設(shè)備和岸站都是基于VHF通信,并采用SOTDMA方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,數(shù)據(jù)傳輸速率為9600bit/second AIS-Ⅱ系統(tǒng)相對于VHF, AIS系統(tǒng)具有如下優(yōu)勢:
1、安全。AIS-Ⅱ系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸基于GPRS/CDMA無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸,系統(tǒng)傳輸過程中需要身份認(rèn)證,因此避免了現(xiàn)有AIS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息不確定性。由于AIS系統(tǒng)基于VHF信道的SOTDMA傳輸方式很容易被恐怖分子利用,只要在某一區(qū)域設(shè)置一個全時態(tài)(占用所有發(fā)射時隙)的AIS系統(tǒng)干擾器,同時發(fā)送大量的垃圾數(shù)據(jù)或虛假數(shù)據(jù),就會造成周圍現(xiàn)有AIS系統(tǒng)無法正常工作,同時會造成該干擾器一定范圍內(nèi)的所有船舶都無法執(zhí)行AIS自動識別功能。因此,在數(shù)據(jù)傳輸安全性上,AIS-Ⅱ系統(tǒng)具有絕對的優(yōu)勢。
2、可靠。AIS-Ⅱ系統(tǒng)基于GPRS/CDMA無線IP數(shù)據(jù)傳輸實現(xiàn)船舶自動識別,內(nèi)河或沿海區(qū)域基本實現(xiàn)了無縫覆蓋,因此數(shù)據(jù)傳輸能夠得到保障。而基于VHF的AIS系統(tǒng)很難在內(nèi)陸峽谷河流中實現(xiàn)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸。同時,AIS-Ⅱ系統(tǒng)基于IP網(wǎng)絡(luò)的TCP/IP協(xié)議進(jìn)行傳輸,保證了數(shù)據(jù)的正確到達(dá),而基于VHF的AIS系統(tǒng)則存在信道沖突而使傳輸數(shù)據(jù)丟失。另外,AIS-Ⅱ系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸帶寬>115.2kbps,系統(tǒng)容量和數(shù)據(jù)傳輸實時性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于基于VHF的AIS系統(tǒng)。
3、較高性價比。AIS-Ⅱ系統(tǒng)(包括系統(tǒng)識別中心和船載終端設(shè)備)建造價格遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于基于VHF的AIS系統(tǒng)終端設(shè)備,而功能和數(shù)據(jù)傳輸效率則遠(yuǎn)高于基于VHF的AIS系統(tǒng)。雖然AIS-Ⅱ系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸需要繳納一定的網(wǎng)絡(luò)傳輸費用,但相對于沿內(nèi)河網(wǎng)絡(luò)布設(shè)AIS基站后的維護(hù)費用要低得多。AIS-Ⅱ系統(tǒng)易于維護(hù),易于擴(kuò)展,容易拓展系統(tǒng)的各種增值服務(wù)。
由AIS-Ⅱ系統(tǒng)的特點和優(yōu)勢可知,本系統(tǒng)對船舶監(jiān)管系統(tǒng)是一個有力的補充,特別是對偏遠(yuǎn)山區(qū)和峽谷河流具有普遍的應(yīng)用優(yōu)勢,在內(nèi)河船舶自動識別和導(dǎo)航避碰領(lǐng)域具有明顯的優(yōu)勢,使現(xiàn)存VTS系統(tǒng)和基于VHF的AIS系統(tǒng)能夠得有力補充,具有十分廣闊的應(yīng)用空間和市場發(fā)展前景。
作者:中國交通通信信息中心 李晉 大連海事大學(xué) 胡青 來源:中國船檢