基于冗余數據的AIS虛擬航標監測方法

李 昱

基于冗余數據的AIS虛擬航標監測方法

李 昱

利用冗余AIS基站播發虛擬航標信息時，某個AIS基站的異常往往難以被及時發現。針對這一現狀，研究一種基于冗余數據的AIS虛擬航標監測方法，讓AIS基站播發一條冗余的專有虛擬航標信息，用以標識AIS基站來源。在數字航道系統中，設計虛擬航標播發與監測一體化模塊，制定異常報警策略，在圖形化的綜合監控系統中實現虛擬航標的實時監測和主動報警。該方法已在長江數字航道工程中得到應用，效果良好，具有很好的實用價值和推廣意義。

AIS；虛擬航標；冗余數據；21號報文；AIS基站標識

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

在工程實施中，虛擬航標的AIS電文由岸基的AIS站發射，為了保證其正常連續穩定地為過往船舶服務，還需要制定及時、有效的虛擬航標失常監測方法和保障機制。本文根據長江12.5米深水航道工程和數字航道工程的實際需求，提出一種基于冗余數據的AIS虛擬航標播發和監測方法。

一、AIS虛擬航標應用

（一）AIS虛擬航標應用方式

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

AIS虛擬航標通過AIS基站播發21號報文的方式實現，基站選址應保證信號能夠覆蓋所應標示的水域，避免電磁干擾，并具有穩定性和安全性。[3]為了保證虛擬航標的播發正常率，對于重要的AIS基站常建有備用基站，進行冗余播發。

（二）AIS虛擬航標應用場景

1.永久性標示應用

（1）標示復式航道界限

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

（2）標示節點

傳統航標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“抓點調向”的需求，又不能影響船舶航行或靠離泊。在交通流復雜而設標困難的位置，可設置虛擬航標代替實體航標標示節點位置，提示船舶及時調整船位和航向。[5]

2.臨時標示應用

（1）應急搶通

當突發水上交通事故或發現礙航物時，可以立即設置虛擬航標標示礙航物位置、事故水域或應急通道，在實體航標設置到位前，進行應急搶通。

（2）臨時限制航行水域

當需要在可航水域進行臨時性作業，而設置實體航標影響作業時，可設置虛擬航標臨時標定限制航行水域，并進行臨時交通管制。[4]

二、AIS虛擬航標監測

AIS虛擬航標具有重要的助航作用，為了保證其正常地為過往船舶服務，應監測其播發狀態，及時發現故障并采取恢復措施。目前，比較常見的監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的狀態。然而，船載AIS巡查需要定期到播發水域巡航，成本高昂，而且難以第一時間發現故障。

2.發射基站監控

通過網絡遠程連接AIS發射基站控制臺，監控基站的運行狀態和發射參數，能夠側面了解信號源的正常情況。然而，發射基站監控只能實時監測發射源的狀態，不能發現由于環境干擾等信號傳輸問題造成的虛擬航標失常。

3.監測站監控

為了確保AIS基站的全天候不間斷播發，可以在覆蓋水域建設監測站，接收基站發射的AIS數據，通過網絡傳輸給監控中心，通過監控平臺對播發AIS虛擬航標的完好性進行監測。通過監測站能夠實現對虛擬航標的直觀、有效監測，但如果采取冗余基站方式，除非結合發射基站監控，否則只有所有發射基站均發生故障時才能發現問題。

三、基于數字航道的AIS虛擬航標監測

上述的AIS虛擬航標監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字航道工程的AIS虛擬航標建設中，我們設計了一種虛擬航標的播發與監測一體化系統，基于數字航道平臺，通過在AIS基站引入冗余標識數據，實現了AIS虛擬航標的全天候完善性監測。

1.系統架構

如圖1所示，虛擬航標的播發與監測一體化系統采用4層體系架構。

（1）用戶層：面對用戶的虛擬航標業務管理系統以及綜合監控系統。

（2）數據層：位于管理部門機房的數據庫服務器。

（3）應用層：位于管理部門機房的AIS控制，收發和解析服務器。

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

虛擬航標靜態信息在業務管理系統中進行維護，基本信息參考AIS航標報告（AtoN）21號報文規范。針對在長江應用特點，制定了幾種不同類型的虛擬航標，包括左側標志、右側標志、專用標志和應急沉船示位標志，它們在AtoN21號報文中的虛擬航標類型碼（Type AtoN）分別設為24、25、30和28。

綜合監控系統對虛擬航標狀態進行顯示，有別于ECDIS只采用來標識所有的虛擬航標，參照國際海道測量組織（IHO）的海圖規范第四版第B部分（IHO S4）的顯示規則，[6]對不同類型的虛擬

圖1 AIS虛擬航標播發與監測系統架構圖

航標進行了符號化設計，如表1所示。

表1 主要虛擬航標類型及其符號

AIS服務器運行AIS信息收發系統，一方面對AIS虛擬航標信息進行轉換和處理，形成標準的21號AIS報文，然后通過網絡數據接口傳送給AIS發射基站，以設定的時間間隔持續地進行虛擬航標信息的播發；另一方面通過網絡數據接口從AIS監測基站接收由AIS發射基站播發的虛擬航標信息，入庫并供綜合監控系統顯示和查詢。

2.基于冗余數據的實時監測

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

為解決該問題，讓每個AIS發射基站各自播發一個專有的地理位置無效的虛擬航標，用它們來區分不同基站發射源。例如：讓甲、乙兩基站同時冗余播發某水域內的3座虛擬航標信息。那么，甲站發布A、B、C、x共4組數據，乙站發布A、B、C、y共4組數據，其中兩站發布的A、B、C組數據完全一致，而x、y則是分別用于標定甲和乙基站的專用數據。它們用不同的MMSI碼和標名區分，而且位置無效，以免引起對船舶用戶的誤導。當綜合監控平臺監測到專有標識的虛擬航標動態數據不更新時，即可提示相應AIS基站播發信息異常。

3. 報警策略

在綜合監控系統中，為了保障虛擬航標持續穩定工作，將對以下幾種情況進行報警：

（1）超時：超過規定時間閾值未收到更新的虛擬航標動態數據。

（2）數據不符：接收到的虛擬航標動態數據與數據庫中標準數據不符。

（3）基站異常：超過規定時間閾值未收到更新的基站專有虛擬航標動態數據。

四、工程應用

基于冗余數據的AIS虛擬航標監測方法，在長江12.5米深水航道工程和數字航道工程中得到結合應用。

在長江南京以下12.5米深水航道二期工程中，在落成洲、世業洲等限制河段，采用復式航道的形式同時維護12.5米深水航道和10.8米原有航道。為了避免同時設置實體航標標示同一段航道的不同尺度，過多占用通航水域資源，給船舶辨別助航標志帶來困擾，采用了實體航標標示常規航道、虛擬航標標示深水航道的方法，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。為了保證虛擬航標的保障率，采用冗余基站播發方式，所有虛擬航標均有兩座及以上的基站同時播發AIS信號。同時為了區分不同基站來源，采用了上述的冗余數據方法，讓每個基站同時還播發了自己專有的無效位置冗余信息。

同時，在長江數字航道工程建設過程中，接入了12.5米深水航道虛擬航標監測站信息，并在數字航道綜合監測平臺與實體航標一起進行綜合實時顯示和監控，其監控界面如圖2所示。

圖2 虛擬航標和實體航標的實時監控

系統為了全天候監測虛擬航標的運行情況，按照前文的報警策略實現了報警提示功能，可對虛擬航標和AIS基站的異常進行實時主動報警，如圖3所示。

圖3 虛擬航標的報警提示

五、結論

本文研究了一種基于冗余數據的AIS虛擬航標監測方法，解決了采取冗余AIS基站發射方式時獨立基站故障難以及時發現的問題，并在相關工程中實現和驗證，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的發射基站通過14號報文播發實體航標的失常信息，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]李術元.AIS虛擬航標在長江12.5 m深水航道中的應用探討[J].中國水運,2016(3):20-23.

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

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

[6]任存斌.AIS航標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:中國地質大學,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。