長江干線虛擬航標發布方式的探索

王當利 黃曉龍 劉振坤 朱蘇皖

摘? 要：隨著通信導航技術在長江航道的發展和應用，已給越來越多的航運船舶提供了先進的信息溝通和導航服務。針對傳統實體航標占用可航行水域、設標周期長和難以維護的短板，結合長江干線實際情況，充分發揮虛擬航標的特點，探索電子航道圖虛擬航標和AIS虛擬航標的發布方式，并進行發布實驗，以驗證船舶通過連續橋區的安全性和提升了航道尺度利用率。兩種虛擬航標的發布方式能有效的彌補各自的局限性，達到優勢互補，為虛擬航標在長江干線航道的推廣提供保障。

關鍵詞：虛擬航標;AIS;電子航道圖;發布方式

中圖分類號：U644.4? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）33-0009-04

Abstract： With the development and application of communication and navigation technology in the Yangtze River channel， more and more shipping ships have provided advanced information communication and navigation services. In view of the facts， i.e.， the traditional physical navigation mark occupying the navigable waters， the long period of calibration and the difficulty inmaintenance， this study considers the actual situation of the Yangtze River trunk line and the characteristics of the virtual navigation mark， explores the release method of the virtual navigation mark and the AIS virtual navigation mark， and experiments to verify the safety of the ship through the continuous bridge area and improve the channel size utilization. The release methods of the two virtual navigation aids can effectively compensate for their respective limitations and complement each other， so as to provide guarantee for the promotion of virtual navigation marks on the Yangtze River.Keywords： aids to navigation; AIS; electronic channel map; release method

引言

虛擬航標技術是航道信息化發展的必然產物，在電子航海（E-Navigation）戰略體系下[1]，虛擬航標技術是傳統航標助航設備或系統體系的有效補充，充分體現了整合、共享與服務的本質特征。針對傳統實體航標占用可航水域、設置周期長等劣勢，結合虛擬航標技術在長江干線航道的適應性分析，探索電子航道圖虛擬航標和AIS虛擬航標的發布方式，并在武漢選取具特色的試驗河段進行實驗，以驗證這兩種虛擬航標在長江干線的適用性與有效性。為推動虛擬航標技術更好地應用于長江航道，確保船舶航行安全提供保障。

1 虛擬航標

虛擬航標（Virtual Aid to Navigation）是指物理上不存在，由經授權的助航服務提供部門發布能在導航系統中顯示的數字信息物標[2]。（IALA定義）它是繼視覺航標、無線電航標之后國際航標學會認可的，旨在提升和增強航標管理機關的航標助航服務能力的現代化技術手段。

1.1 虛擬航標涵義

（1）虛擬航標可用于告知航海人員航行危險物、安全航路、謹慎駕駛水域和規避水域等與航行相關的安全信息[3]。

（2）虛擬航標可用于標識能用圖形表示的線、區域、位置及其它形式。

（3）虛擬航標承載的信息，包括地理位置，可以固化也可以隨時（動態）變更。

（4）虛擬航標不應理解為替代其他形式的航行警告、航道通電或海上安全信息（MSI），而是海上（江上）安全信息發布的一種有效的補充機制，使得MSI的發布以及應用更加方便和豐富。

1.2 虛擬航標與實體航標特點

1.2.1 虛擬航標與實體航標優劣勢分析（如表1）

實體航標的功能很容易受到視線，天氣，海況，礙航物，航標故障等因素的影響，虛擬航標彌補了實體航標的不足，還可以幫助航標管理部門實現主動式服務和管理[4]。虛擬航標的大量應用，將會節約大量的人力物力和能源，減少或杜絕了各種環境污染。在時間關鍵的情形、標示航行條件頻繁變化的動態區域以及設置實體航標不可行或不可能的情況下，虛擬航標作用尤其明顯。例如，在永久航標設置前，臨時設置虛擬航標標示航行危險物比較適宜。此外，虛擬航標可用于標示航行條件頻繁變化的區域，這些區域需要動態標識。

1.2.2 虛擬航標與實體航標優劣互補

虛擬航標并不是為了取代實體航標，也不可能全面取代傳統航標，未來發展趨勢應是由少到多，逐漸占據優勢[4]。虛擬航標用來補充和完善、增強實體航標提供的助航服務，或者用來監控實體航標提供的工作情況，及早地發現實體航標故障并加以解決，優化航標配布，改善通航條件?？梢詾榇鞍踩叫刑峁└玫姆眨瑸殚L江航道智能與高效提供科技支持。虛擬航標的普及程度取決于下列因素：

（1）社會對虛擬航標、虛擬航道的認知程度。

（2）虛擬航標的技術保障體系。例如標準化規范化的虛擬航標定義和顯示;健全的虛擬航標運行管理體系。

（3）虛擬航標的輔助保障體系。例如法律法規、軟硬件網絡環境航道管理體系以及人員隊伍。

2 長江干線虛擬航標發布方式的探索

結合長江干線實際情況，探索電子航道圖虛擬航標和AIS虛擬航標的發布方式，并進行發布實驗，以驗證這兩種虛擬航標在長江干線的適用性與有效性。

2.1 基于電子航道圖虛擬航標發布的方式

2.1.1 試驗河段概況

選取長江武漢航道局武漢航道管理處轄區進行虛擬航標的示范應用。武漢航道管理處轄區航道界限上起鄧家口下迄泥磯，維護管理長江中、下游120.2公里的主航道和11公里的緩流航道。武漢航道處轄區航道圖如圖1所示。

目前已在武漢航道管理處轄區設置虛擬助航標志8座，應用水道總長44.2km，各虛擬航標其名稱及編碼見表2和圖2。? 虛擬航標管理系統及信息查詢界面如圖3、圖4所示。

2.1.2 虛擬航標試驗效果

運用虛擬航標管理系統，一方面實現了虛擬航標的在線管理維護，另一方面也使得裝有長江電子航道圖終端的船舶可在駕駛過程中按照虛擬航標標識的航線行駛，充分發揮了虛擬航標的助航作用。虛擬航標在長江電子航道圖船舶終端上顯示的界面如圖5所示。

（1）提高了船舶通過連續橋區的安全性

通過在連續橋區布設虛擬航標，航行船舶可根據虛擬航標標示的航道安全通過，確保了橋區船舶通行的安全。試驗期間，試驗河段未發生因航道導致的船舶事故，而且通過船舶駕駛人員反映，基于虛擬航標駕駛船舶通行連續橋區，駕駛操作相對更簡單，安全保障程度更高。

（2）提升了航道尺度利用率

虛擬航標位置調整更新更加及時，在航道尺度變化后，虛擬航標可在第一時間完成位置調整，因此為船舶提供的航道尺度更加準確，結合長江電子航道圖系統的應用，船舶對可利用航道水深更加了解，便于其貨物配載，進一步提升了航道尺度的利用率。

2.2 基于AIS虛擬航標發布的方式

選擇長江南京航道局下屬上海航道處的瀏河口至蕩茜閘之間大約23公里范圍的河段作為試驗河段，AIS虛擬航標系統為虛擬航標提供了基礎數據的設置、管理以及應用監視的窗口，從而實現虛擬AIS航標與實體航標的統一管理。

采用的4層體系結構如圖6。用戶層主要是面對用戶的航標業務管理系統以及綜合監控系統;數據層為位于航道處的數據庫服務器;應用層為位于航道處的AIS服務器;物理層為位于航道處管轄內的一個虛擬航標收發單元。

2.2.1 物理層

在示范應用河段內，至少需要一個作用范圍在二十公里以上的AIS基站來播發虛擬航標信息。因此，采用一個AIS虛擬航標收發單元來實現虛擬航標的示范應用。

2.2.2 應用層

應用層內是處虛擬AIS航標應用系統的核心，位于航道處內的AIS服務器。AIS服務器中運行的AIS信息收發系統將以最長3分鐘的時間間隔（管理者可以配置參數進行調整）連續不斷地從航道處的數據庫中讀取由處航標業務管理系統設計好的虛擬航標信息，并根據國際標準對信息進行轉換和處理，形成標準的21號AIS報文，形如：！AIVDM，1，1，， B，E：W1U：Gpq6h： 2ab0000000 0000043mQ48sI90000000000，4*70，然后，通過網絡數據接口傳送給AIS基站，完成虛擬航標信息的播發。AIS服務器還將同時通過網絡數據接口接收AIS驗證基站接收的AIS目標信息包括AIS基站播發的虛擬航標信息以及過往船舶的動態信息，并根據各自的報文格式進行解析和處理，存入航道處數據庫中的相關數據表中，供監控系統顯示和查詢。

2.2.3 數據層

數據層主要包括以下數據表：虛擬航標基礎數據表 （m_virtual_pharos）、AIS基站基礎數據表（m_ais_base）、虛擬航標明細類別表（m_virtual_sort）。虛擬航標明細類別表根據ITU RM-1371中MSG 21報文中規定的ATON類別進行定義。

2.2.4 用戶層

用戶層主要包括兩個部分：航標業務管理系統和綜合監控系統。

（1）航標業務管理系統

在現有航標業務管理系統的基礎上新增的虛擬航標信息管理、AIS基站數據維護和虛擬航標明細分類三個模塊的詳細情況如下：

a. 虛擬航標信息管理

虛擬航標基礎信息管理主要依據虛擬航標基礎信息表，內容主要包括航標編碼、航標類型、航標名稱、航標位置、播發驗證標志等。

虛擬航標信息的新建、修改、刪除、查詢：通過可視化界面編輯虛擬航標信息，包括新增、修改、刪除、查詢等操作，虛擬AIS航標報文編碼規則生成模塊的界面。

b. AIS基站數據維護

AIS基站數據維護依據AIS基礎數據表，信息內容主要包括基站MMSI、基站名稱、所屬部門、IP地址、基站經度、基站緯度、工作狀態等，能夠實現AIS基站的新建、刪除、修改和查詢功能。

c. 虛擬航標明細分類

虛擬航標明細分類模塊依據虛擬航標明細分類表，信息內容包括類型編號、類型名稱等，能夠實現虛擬航標類別的添加、刪除、修改和查詢功能。

（2）綜合監控系統

綜合監控系統是現有的實體航標以及通航船舶的動態監控系統，其基于電子航道圖顯示平臺運行，能夠在航道圖上實時顯示通航船舶以及實體航標的動態。為了實現虛擬航標與實體航標的統一監管，將在綜合監控系統增設虛擬航標監控功能，以在航道圖上顯示虛擬航標的位置以及虛擬航標信息的播發狀態。綜合監控系統將從數據庫中讀取從AIS服務器接收到的虛擬航標驗證數據與虛擬航標設計數據進行比較，如果出現虛擬航標驗證數據丟失或者虛擬航標驗證數據異常則自動啟動報警，以聲光方式提醒管理人員及時排查處理。

2.3 兩種發布方式的特點

基于對長江干線虛擬航標的理解，本文描述了兩種發布虛擬航標的方法。兩者的比較如表3。

基于AIS虛擬航標的設置方法和將虛擬航標作為航道基本數據要素應用于電子航道圖生產系統的設置方法相結合，能有效的彌補兩種方法各自的局限性，達到優勢互補。

3 結束語

虛擬航標技術作為一門綜合多種信息技術手段的新興航標應用技術，是對傳統的視覺航標的有效補充，是現代化航標體系的重要組成部分[2]。虛擬航標技術是新時期對長江航標助航體系的有效擴展，是航道信息化的必然產物，更是社會各界對確保航行安全，保障流域環境的強烈需求。為了推動虛擬航標技術更好地應用于長江航道，建議如下：

（1）進一步完善長江干線電子航道圖系統，建立基于長江電子航道圖系統的虛擬航標生產體系和應用體系。

（2）協調并充分利用長江干線AIS基站網絡資源，將動態的航道助航信息借助虛擬AIS航標技術體系實時為通航船舶、港行企事業單位服務。

（3）研究虛擬航標與航道通告（通電）以及其他航道動態發布方式的互補性，以期待虛擬航標技術全面融入長江航標助航及其服務體系。

（4）協調并整合長江干線電子航道圖應用平臺規范，以便長江內河航運用戶能夠正確規范顯示虛擬航標。

參考文獻：

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[4]張鵬.AIS虛擬航標應用探討[A].中國航海學會航標專業委員會沿海航標學組、無線電導航學組、內河航標學組年會暨學術交流會論文集[C].2009，2.

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