AIS-II系統在船舶安全監管中的應用

中國交通通信信息中心 李晉 大連海事大學 胡青

目前，在船舶監管領域，AIS系統和GPS公網監控系統作為VTS系統中的輔助系統，相互共存并發揮著重大作用。與VTS系統相比，它們能夠準確確定監管船舶的各種動態信息和靜態信息，而不需要人為進行呼叫就能夠自動識別。其中AIS系統中，classA主要應用于IMO公約規定的大于300總噸以上的船舶，AIS classB和GPS公網監控系統則應用于小型內河或沿海船舶。

現有的AIS系統是基于甚高頻（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公里左右的范圍內進行船舶識別，因此在內河等狹長水道特別是山區河流中，很難保障船舶航行的安全性。而GPS公網監控系統中船舶數據實時性傳輸、集中管理、價格便宜和易于維護的優勢，使其在內河船舶監管中被越來越廣泛的應用。

AIS-Ⅱ系統物理結構總體設計

1、系統物理結構設計

圖1：系統物理結構圖

AIS-Ⅱ系統主要包括船載終端設備、傳輸網絡和系統識別中心。其中，船載終端設備是系統指令和船舶識別的主體，負責將本船數據上傳至系統中心或周圍需要進行識別的其他船舶；傳輸網絡主要是基于公網無線通信網絡（GPRS/CDMA/3G），采用IP網絡通信模式進行船舶自動識別的系統；系統識別中心則負責接收并認證來自各地的船載終端設備，計算和檢索每一艘船舶需要識別的其他船舶信息，并發送給該船舶終端設備。

AIS-Ⅱ系統船舶自動識別的實現是通過系統識別中心組織并轉發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。船舶已經識別后的信息通過兩種模式更新：一是船舶終端設備至船舶終端設備之間直接進行信息交換（AIS-Ⅱ S-S模式），二是通過船舶識別中心轉發各船舶之間的信息（AIS-Ⅱ S-C模式）。當船舶在系統識別中心輔助下對周圍船舶確認后，各船舶之間通過發送ITU-M. 1371標準規定的Message18和Message19條信息進行船舶各類信息的更新。

圖2 AIS-II船載終端設備主要模塊組成框圖

2、船載終端設備物理結構設計

船載終端設備是整個系統船舶識別的執行主體和人機接口，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。設備總體結構如圖2所示：

MCU核心處理器是船載終端設備的主控部分，主要負責設備功能的實現和通信協議棧與AIS-Ⅱ協議棧的運行；GPS定位模塊負責實時提供設備位置數據，供AIS-Ⅱ系統和系統內其他船舶對該船進行位置確認；GPRS/CDMA無線通信模塊負責提供系統通信鏈路的聯接和數據傳輸；LCD顯示模塊和鍵盤控制模塊是人機接口，響應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備正常運行。

AIS-Ⅱ系統主要業務功能

1、系統管理功能

系統管理功能主要提供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信息、動態信息和航次信息，并將上述信息記錄到系統數據庫。

圖3 AIS-II顯示主界面

船舶首先將靜態信息在系統中注冊后，才能接入該系統并通過審核，之后通過執行AIS-Ⅱ系統提供的各種服務，因此保證了船舶信息的安全性。當船舶需要進行自動識別服務時，AIS-Ⅱ系統將周圍船舶的各類信息（動態信息、靜態信息和航次信息）發送給該船舶終端設備。如執行會將上述信息發送給需要識別該船舶的其他船舶。同時，系統還提供船舶終端設備實時在線管理功能，可以檢測異常在線終端設備，以確保系統的安全性和實時在線的可靠性。

2、船舶自動識別功能

船舶登錄系統識別中心后，可在系統識別中心的輔助下，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（網絡聯接IP、端口號、船舶靜態信息、當前動態信息和認證標識等）發送給該船舶，同時將該船舶的基本信息發送給其他船舶，以完成系統船舶的自動識別。當船舶識別完成后，可通過AIS-Ⅱ S-S模式或AIS-Ⅱ S-C模式進行后續動態信息的交換。

3、AIS協議數據交換功能

船舶終端設備登錄到系統中心后，自動識別的船舶之間和船舶與系統識別中心之間通過AIS協議進行數據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標準規定的Message18和Message19條信息進行船舶各類信息的更新；在AIS-Ⅱ S-C模式下按照ITU-M. 1371標準Message1，3，5和Message17的模式將船舶各類信息上傳至系統識別中心，再由系統識別中心按照Message18和Message19的信息格式發送給各船舶終端設備。

同時，由于AIS-Ⅱ系統采用了基于IP的數據通信方式，因此，對每一個終端設備還需要進行在線保持和身份驗證識別等數據交換協議。

4、系統聯網功能

由于GPRS/CDMA系統在內河和沿海區域是無縫覆蓋的蜂窩系統，而AIS-Ⅱ系統又是基于該系統的船舶自動識別系統，因此船舶的自動識別范圍也是全區域的。同時，AIS-Ⅱ系統在基于IP數據傳輸方式的基礎上，可以實現系統的多級聯網，使整個國家或區域的船舶監管納入一個聯網識別平臺中，使船舶識別范圍無限擴展。同時，該系統可以與現有的AIS系統、VTS系統或衛星通信系統進行聯網，使整個系統能夠對全球范圍內的船舶進行有效監管和識別，并對任意一個水域能夠進行全時態、全部船舶物標的實時動態監管。

5、終端設備的船舶標繪功能

AIS-Ⅱ系統終端設備開發了簡單的船舶標繪功能，利用AIS自動識別的其他船舶數據信息，可以完成船舶航路點設置、避碰預測等功能，并實時給出船舶的航向、航速等功能。該功能可以對船舶進行導航和避碰，有效提高船舶航行安全性。

6、增值服務功能

在系統聯網的基礎上，基于該系統可以提供各種增值服務功能，如船舶搜救協調、生產調度、物流運輸、航路警報、安全預警等各種增值服務。可以全方位提高船舶的航行安全和生產運營效率。

AIS-Ⅱ系統軟件設計

1、AIS-Ⅱ系統軟件邏輯結構設計

AIS-Ⅱ系統軟件主要包括船載終端設備接入服務軟件、動靜態信息轉發服務軟件、AIS-Ⅱ自動識別計算和數據轉發服務軟件、調度管理控制服務軟件以及前端顯示操作軟件。其中，前兩個軟件為AIS-Ⅱ系統終端設備的接口軟件，負責終端設備的接入和數據傳輸管理；隨后兩個服務軟件是AIS-Ⅱ系統核心識別服務軟件，負責實現AIS-Ⅱ系統的船舶自動識別功能和系統增值服務管理；前端顯示操作軟件是人機交互接口，負責將系統的各種信息數據展現在系統識別中心監管人員面前，并負責接收監管人員的各種指令控制和轉發給系統各軟件或船載終端設備。

AIS-Ⅱ系統船載終端設備登錄、認證和信息傳輸過程中都存在對數據庫的讀取操作，因此，系統核心船舶數據庫主要與AIS-Ⅱ系統接口服務軟件和AIS-Ⅱ系統核心識別軟件相關聯。當前端顯示操作軟件需要數據服務時，由AIS-Ⅱ系統核心識別軟件提供所必需的各類數據，而前端顯示操作軟件不直接與系統核心船舶數據庫建立連接，保證了系統的數據安全。

2、AIS-Ⅱ終端設備軟件邏輯結構設計

AIS-Ⅱ終端設備軟件邏輯結構設計，GPRS/CDMA網絡驅動軟件模塊是AIS-Ⅱ系統船舶自動識別的通信鏈路驅動程序，負責與系統識別中心和其它船舶終端設備之間建立通信鏈路，該軟件模塊將收到的信息轉交給AIS-Ⅱ協議解析軟件模塊進行解析，并將AIS-Ⅱ協議封裝軟件模塊提交的信息包發送出去。而AIS-Ⅱ系統識別船舶管理軟件模塊負責對解析后的周圍船舶信息進行存儲、更新和管理操作，并響應終端設備應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、船舶標繪軟件模塊進行顯示操作；同時，接收來自終端設備應用管理核心軟件模塊的本船更新的動靜態信息，按照規定AIS-Ⅱ系統標準規定發送給AIS-Ⅱ協議封裝軟件模塊，再由AIS-Ⅱ協議封裝軟件模塊封裝成系統標準傳輸協議包提交給GPRS/CDMA網絡驅動軟件模塊發送出去。

終端設備應用管理核心軟件模塊是整個船載終端設備軟件的核心模塊，該模塊除了完成上述工作外還負責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據傳遞和溝通協調工作。

基于VHF的AIS系統與AIS-Ⅱ系統優劣比較

ITU-R M.1371規定的AIS系統船載終端設備和岸站都是基于VHF通信，并采用SOTDMA方式進行數據傳輸，數據傳輸速率為9600bit/second AIS-Ⅱ系統相對于VHF， AIS系統具有如下優勢：

1、安全。AIS-Ⅱ系統數據傳輸基于GPRS/CDMA無線網絡的數據傳輸，系統傳輸過程中需要身份認證，因此避免了現有AIS系統的數據信息不確定性。由于AIS系統基于VHF信道的SOTDMA傳輸方式很容易被恐怖分子利用，只要在某一區域設置一個全時態（占用所有發射時隙）的AIS系統干擾器，同時發送大量的垃圾數據或虛假數據，就會造成周圍現有AIS系統無法正常工作，同時會造成該干擾器一定范圍內的所有船舶都無法執行AIS自動識別功能。因此，在數據傳輸安全性上，AIS-Ⅱ系統具有絕對的優勢。

2、可靠。AIS-Ⅱ系統基于GPRS/CDMA無線IP數據傳輸實現船舶自動識別，內河或沿海區域基本實現了無縫覆蓋，因此數據傳輸能夠得到保障。而基于VHF的AIS系統很難在內陸峽谷河流中實現穩定的數據傳輸。同時，AIS-Ⅱ系統基于IP網絡的TCP/IP協議進行傳輸，保證了數據的正確到達，而基于VHF的AIS系統則存在信道沖突而使傳輸數據丟失。另外，AIS-Ⅱ系統數據傳輸帶寬＞115.2kbps，系統容量和數據傳輸實時性遠遠大于基于VHF的AIS系統。

3、較高性價比。AIS-Ⅱ系統（包括系統識別中心和船載終端設備）建造價格遠遠低于基于VHF的AIS系統終端設備，而功能和數據傳輸效率則遠高于基于VHF的AIS系統。雖然AIS-Ⅱ系統數據傳輸需要繳納一定的網絡傳輸費用，但相對于沿內河網絡布設AIS基站后的維護費用要低得多。AIS-Ⅱ系統易于維護，易于擴展，容易拓展系統的各種增值服務。

由AIS-Ⅱ系統的特點和優勢可知，本系統對船舶監管系統是一個有力的補充，特別是對偏遠山區和峽谷河流具有普遍的應用優勢，在內河船舶自動識別和導航避碰領域具有明顯的優勢，使現存VTS系統和基于VHF的AIS系統能夠得有力補充，具有十分廣闊的應用空間和市場發展前景。