基于AIS的水下管道防護系統搭建研究

馬駿 楊國峰 呂正冬

（1.中海油信息科技有限公司 廣東省深圳市 518052 2.中海油信息科技有限公司天津分公司 天津市 300452）

1 引言

在中國北部海域，海底蘊藏著豐富的油氣資源，隨著海底油田不斷被發現，我國已經建立了相當數量的海上平臺進行油氣開發，同時也在海底鋪設了交錯復雜的油氣管道用于油氣輸送。由于海況復雜，航運繁忙，大型船舶過往頻密，給水下油氣管道造成嚴重的安全隱患，雖然按照國家的相關規定相關部門已申請設立禁漁禁錨區，但由于缺乏先進的、主動的、實時的監管手段，仍多次出現由于大型船舶在油氣管道鋪設范圍區域內拋錨、拖錨和漁業活動導致油氣管道被損害的事故和險情。油氣管道一旦遭到破損，不僅需要耗費大量人力物力進行排查和維修，還需要耗費大量成本，影響正常的油氣生產，造成難以估量的經濟損失，更甚者一旦原油發生大面積泄露，將對海域生態環境造成難以修復的破壞，影響深遠，制約該區域經濟發展，背馳我國“保護海洋環境，促進航運經濟”的政策方針。

在船舶動態監管方面，相關國家海事機構已在我國沿海陸續建設船舶自動識別系統（Automatic Identification System，簡寫為AIS）岸基網絡系統工程。AIS 岸基系統的建設，主要功能已逐步應用到我國的海事日常管理工作中，實現掌握我國沿海水域船舶動態、提高船舶航行安全、推進水上交通信息化，使水上安全主管部門能夠獲取與共享船舶動態信息資源。而海底油氣管道保護重在預防，為更好的保護海底油氣管道，防患于未然，避免其遭受破壞造成巨大的經濟損失和海洋生態環境危害，確保油氣管道穩定安全的運行，需實時、主動監管油氣管道保護區的船舶。而當前AIS 未能實現數據過濾、存儲、轉發以及特定海域監管功能，不滿足特殊要求及對特定船舶群發AIS 預警信息。為此，亟需充分利用現有的電子海圖和AIS 等技術，對AIS 進行二次開發、研究，解決當前AIS在特定海域的監管應用缺失問題，擴大AIS 在特定海域中的應用范疇，實現海底油氣管道等特定海域內船舶實時監控和軌跡跟蹤以及針對性自動播發預警功能，由被動止損變為主動防護，做好海底油氣管道的實時監控和安全保護工作，減少或避免遭受錨害。

2 AIS航標

AIS 航標是指通過21 號電文播報供船舶導航、定位、避險或其他助航信息的一種AIS 臺站。AIS 航標包含實體標、虛擬標和合成標三類。AIS 航標的功能如下：

2.1 廣播自身位置信息

AIS 航標可向其周邊海域廣播位置信息，提醒周邊船舶注意避讓，調整自身航行方向與航速。

2.2 發送工作狀態

當自身工作狀態發生改變或存在報警信息時，AIS 航標可以向周邊海域發送自身工作信息，便于航標管理機構及時發現并采取必要措施。

2.3 對周邊海域發送氣象信息

AIS 航標會按照航標管理單位設置，定時向周邊海域船舶發送氣象信息，告知船舶當前及未來氣象狀況，便于船舶及時調整航行計劃，保證安全通航。

2.4 收集周邊海域船舶狀況

按照國際要求，海上行駛船舶需安裝AIS 系統，定時向其周邊水域發送其位置、航行信息，提醒注意避讓，保障航行安全。AIS航標能夠收集船舶相關信息并將該信息推送至航標管理機構數據中心進行存儲或作下一步處理。

圖1：油氣防護系統架構

2.5 接收遠程控制消息

AIS 航標可接收航標管理機構的控制信息，按照要求改變自身工作狀態或完成其他設置，保證AIS 航標安全穩定運行且滿足通航要求。

在實際應用中由于虛擬航標使用維護成本較低，正在被推廣使用。

3 建設內容

本文基于電子海圖、虛擬航標技術進行系統搭建，主要建設內容如下所述：

3.1 電子海圖服務定制

在對現有電子海圖基礎服務研究和技術掌握的前提下，一方面，采集北部海域鉆井平臺和海底油氣管道相關數據信息，結合電子海圖技術，對監管油氣管道進行數字建模，規劃海底油氣管道保護區，建立船舶靠近、拋錨、拖錨警戒區，展示在客戶端的電子海圖上，便于監管人員清晰地認知保護區的位置區域和警戒范疇。另一方面通過電子海圖實時展示由AIS 發送的船舶動態信息，使監管人員能動態監測到船舶航行軌跡，量化感知保護區的船舶密度。

3.2 建設AIS數據庫

通過專線從國家AIS 數據中心接入AIS 數據，對AIS 數據庫服務器輸出的原始的AIS 數據格式、協議等進行研究、分析及二次編程，建設AIS 大數據存儲數據庫集群，再通過大數據分析和計算服務為相關業務系統和單位提供數據服務。如建設船舶動態數據庫，實時動態數據庫要求能夠記錄船舶的航行軌跡以及相關貨物、船員等信息，并能夠通過大數據分析支持對特定區域船舶交通狀況進行實時分析（包括海況信息、碰撞危險度判斷等）、預測分析和事后分析。

3.3 構建AIS消息服務平臺

在對現有的AIS 基站、指令報文和系統運行原理研究的前提下，構建AIS 指令發送/接收、處理、分析、存儲的AIS 消息服務平臺，并研究AIS 基站調度算法，編寫一套能靈活調用就近AIS 基站發送預警指令給特定船舶的算法，定向推送消息，確保信息傳達的及時性和準確性。

3.4 編寫基站控制程序

由于各個基站的生產廠家不同，基站的協議不盡相同，對相關廠家的AIS 協議進行調研整理，需要編寫一套能適配不同協議的基站控制程序，協同AIS 消息服務平臺調度指定的AIS 基站對特定船舶完成播發指令的工作。

3.5 建設保護區監控系統

利用電子海圖服務、大數據分析與應用與互聯網技術，結合AIS 基站調度算法和基站控制程序，以面向對象、面向服務為設計思想，建設基于B/S 結構的油氣管道保護區監控系統，實現對保護區船舶的實時有效監管、對進入保護區的船舶播發預警信息、短信通知、歷史事故復盤、船舶軌跡跟蹤等功能。

4 功能設計

該防護系統主要包含以下功能：

4.1 實時監控

對于在保護區附近活動的船舶進行實時監控，通過電子海圖服務功能，可通過不同條件篩選、查看船舶AIS 詳細信息，船舶AIS信息其屬性包括MMSI、IMO、呼號、船名、貨物/船舶類型、船舶長度、船舶寬度、船艏向、時戳、報告日期、預計到達時間、目前最大靜態吃水、目的地等。

4.2 船舶預警

對于進入保護區的船舶，發送預(報)警AIS 消息，通知船舶已經進入保護區域，不要在保護區拋錨、拖錨和作業。對于每次發送AIS 預(報)警消息，需要記錄發送預(報)警消息的相關信息，方便歷史查詢。這些信息包括：船舶的MMSI、船舶位置、發送時間、消息內容、發送時的預(報)警區域、應答時間、回復內容。

4.3 短信、郵件通知

當有船舶在保護區有拋錨、拖錨和作業意圖時，短信和郵件通知相關人員，提醒需要重點監控相應船舶。對于每次發送的短消息和郵件，需要記錄發送信息的詳細信息，方便歷史查詢。這些信息包括：船舶的MMSI、船舶位置、發送時間、消息內容、發送時的預(報)警區域。

4.4 預警、報警設置

客戶端可以根據需要，對各種預警、報警情況進行提前設置。對于預警、報警設置的更改，要記錄每次更改的歷史，方便歷史查詢。

4.5 事故復盤

發生海底油氣管道破損事故后，對事故信息進行記錄，包括事故發生時間段、事故點坐標范圍，并通過事故信息篩查同一時間段，在此事故點一定范圍內活動的船舶軌跡信息，查找肇事船舶。

4.6 軌跡跟蹤

一旦確定肇事船舶后，對肇事船舶進行重點標記并實時跟蹤，同時報告給海事監管部門，尋求對肇事船舶進行追責賠償處理，并記錄追責信息。

4.7 用戶狀態監控

管理端可以對連接到出此系統的用戶進行管理和監控。對于用戶的每次登錄和退出，都要做詳細的記錄。管理端對用戶管理的每次變更，都需要做詳細的歷史記錄

5 大數據分析

由于海運繁忙程度日益劇增，船舶數量龐大，在于基站實時通訊的同時產生巨大的數據量，為了更好的貼合應用領域和業務實現，需要應用到大數據技術和服務體系，對大量的船舶數據進行采集、存儲、分析，擴大應用范疇，從而產生更大的價值。

（1）鑒于大數據“多源異構”的特點，大數據采集使用實時流處理模式：通過K-V 查詢接口，以流處理模式，逐條傳輸、數據清理，融合并入庫中。

（2）大數據存儲采用分布式存儲模式，包含分布式塊存儲、分布式文件存儲、分布式對象存儲。

（3）大數據分析包含可視化分析、數據挖掘算法、預測性分析能力、語義引擎、數據質量和數據管理等。

6 數據庫

6.1 AIS數據庫

AIS 數據通過網絡專線接入，數據接入后分兩種格式存儲：一種是AIS 原始數據，一種是AIS 檢索數據。

6.1.1 AIS 原始數據

AIS 原始數據即標準NMEA-0183 格式AIS 電文數據，每1 小時存一個文件，文件命名規則為YYYYMMDDhhmm.dat。每次接收都會給報文加一個時間標簽，時間標簽格式為$POSN,1,2010,02, 01,11,00,00。AIS 原始數據支持軌跡分析和流量統計功能，可以為系統提供決策性支持。系統應至少保存一年的AIS 原始數據。

6.1.2 AIS 檢索數據

為了方便AIS 歷史數據快速檢索，系統應存儲解析過后的關鍵數據，同時為每條數據加了時間標簽和查詢索引。

6.2 業務數據庫

在對系統功能的需求分析和理解的基礎之上，針對于保護區監控系統建設業務數據庫（使用MySQL 關系型數據庫），主要用于存儲、計算分析各項業務邏輯、系統設置和基礎配置數據，以其中一部分內容舉例說明，如保護區設置數據、船舶數據、預警設置數據、報警設置數據、歷史事故數據、用戶數據、角色數據、權限數據、日志數據等等。

船舶數據：指船舶的靜態數據，包括MMSI、IMO、呼號、船名、貨物/船舶類型、船舶長度、船舶寬度、更新時間等屬性。

預警信息：可包括預警id、預警級別、關聯保護區、預警消息內容、更新時間、更新人等屬性。

報警信息：可包括報警id、報警類型、報警內容、報警形式（系統提醒、郵件提醒、短信提醒）、報告對象、接收地址、報告頻率、更新時間、更新人等屬性。

歷史事故：包括事故id、事故類型、肇事船舶、發生時間、發現人、事故位置、事故描述、處理結果、處理人、更新時間、更新人等屬性。

權限信息：包括權限id、菜單名稱、按鈕名稱、關聯角色、更新時間、更新人等屬性。

7 總體架構

按照建設目標和建設內容，油氣管道保護系統的總體架構從下往上分為支撐層、服務層、應用層等部分，總體架構詳細內容如圖1 所示。

8 結束語

本文以AIS 技術為基礎，進行水下管道防護系統搭建研究，期望能切實緩解水下管道防護的情況。但是在實際應用當中，任何問題都不可能靠單一技術來進行解決，所以要想更好的解決水下設施防護，還需要考慮與其他技術的融合。