海上電子圍欄及虛擬AIS 航標技術融合探討

宋 鑫，呂正冬

（中海油信息科技有限公司天津分公司，天津 300452）

引言

伴隨經濟的發展及社會的進步，海上船舶數量急劇增加，船舶的管理變得愈加困難，船舶破壞海上生產設備設施的事故時有發生，造成經濟損失的同時會對海上環境造成一定破壞。為有效保護海上生產設備設施，同時也確保海上船舶的安全行駛，大量應用技術被投入實際應用，但綜合考慮可操作性及成本，基于AIS 技術的海上電子圍欄及虛擬AIS 航標技術是眾多技術中的首選。本文簡要介紹兩種技術并探討將兩種技術進行融合，以增強船舶端與監控端的互動，進一步提升海上設備設施及船舶本身的防護效果。AIS 技術能夠廣泛應用的依據包括：

（1） 中國海事局《國內航行船舶船載電子海圖系統和自動識別系統設備管理規定》（海船舶〔2010〕156 號），該規定對中國籍沿海航行船舶配備船載電子海圖系統時間進行了要求。

（2） 國際海事組織（IMO）第73 屆海安會通過了《1974 年國際海上人命安全公約》（SOLAS74 公約）修正案，該修正案對需要安裝船載自動識別系統的國際及非國際船舶做了要求，航行安全分委會第54 次會議通過了船載駕駛臺航行值班警報系統及電子海圖和信息顯示系統配備要求的草案，草案對國際航行船舶安裝電子海圖的標準及時間做了要求。

1 海上電子圍欄技術

海上電子圍欄技術[1]是指以海上被保護設備設施的位置分布情況為參考，劃定一個保護區域，且該區域能夠覆蓋全部被保護設備設施，當船舶等進入該保護區域時，能夠被監控系統偵測到，監控系統自身進行報警的同時，會調用告警設備向船舶端發送報警提示。海上電子圍欄在海上不是真實存在的，其目前僅存在于監控系統中，船舶端一般無法查看。

在海上電子圍欄技術應用中[2]，判斷船舶是否處于保護區域的原理見圖1，其中3 區域為保護區，2 區域是限定在保護區最大、最小經緯度之間并去除保護區的區域，1 區是以2 區域為基礎向外擴展一定距離的區域，1 區域和2 區域共同組成預警區。當監控系統偵測到船舶的經緯度范圍位于1 區域時，監控系統會調用告警設備對船舶進行預警提示。當船舶越過1 區域，繼續向前行駛時，通過對比經緯度已無法直接判斷船舶位于3 區域還是2 區域，需要使用其他方法來判斷。以船舶所處位置點向外做射線，長度限定在1區域內，若與保護區的邊緣交點個數為偶數，則船舶仍然處于預警區，需要繼續對船舶進行預警提示；若與保護區的邊緣交點個數為奇數，則說明船舶已經駛入保護區，需要對船舶進行告警提示，同時還需采取其他措施對船舶進行驅離。

圖1 在海上電子圍欄技術應用中判斷船舶是否處于保護區域的原理

2 虛擬AIS 航標

虛擬AIS 航標[3-4]通常指由航標主管機構通過AIS岸臺基站發布的一種數字化航標，該航標能夠在諸如ECS（電子海圖系統）及ECDIS（電子海圖顯示與信息系統）等海圖導航系統中顯示，見圖2，但該航標在現實世界中并不存在。虛擬AIS 航標由AIS 岸臺基站使用AIS 21 號報文播發。監控系統根據海上設備設施分布情況，調用AIS 岸臺基站播發虛擬AIS 航標以提示過往船舶進行避讓。相對于實體航標，虛擬AIS 航標的建設維護成本都較低，具備經濟優勢。

圖2 虛擬AIS 航標在ECS(電子海圖系統)中的樣式

此外國家海事機構對虛擬AIS 航標有嚴格的管控要求，需遵循《海港總體設計規范》（JTS165-2013）、《航道工程設計規范》（JTS181-2016）和《自動識別系統（AIS）航標應用導則》（JT/T1193-2018）。虛擬AIS 航標一般分為臨時虛擬AIS 航標和永久虛擬AIS 航標。

臨時虛擬AIS 航標用于提供臨時性或預備性的警告信息，適用于如下情形：

標識航行限制區域；

標識臨時推薦航路；

標識故障航標或移位航標。

永久虛擬AIS 航標可在不具備布設實體航標條件時使用，宜布設在深水區域、惡劣海況環境或隨時間、洋流或天氣影響而動態變化的區域，適用于如下情形：

標識永久礙航物；

標識航道界限；

標識安全水域界限；

標識特殊區域（如錨地和遮蔽區）。

設置虛擬AIS 航標時應滿足以下技術要求：

（1） 在設置虛擬AIS 航標時，應確保每個虛擬AIS 航標包含表1 中字段內容，且內容應滿足相關法律法規及規范要求。

表1 虛擬AIS 航標包含字段內容示例

（2） 虛擬AIS 航標中文名稱格式為“航標名稱+虛擬AIS 航標”。AIS 航標中文名稱應避免與其他航標名稱相同，長度不應過長，不宜超過18 個字。

（3） AIS 岸臺基站通過AIS 21 號報文向外發布虛擬AIS 航標的英文名稱，不發布中文名稱。英文名稱為中文名稱對應的英文翻譯，地名、船名可使用漢語拼音。英文名稱應準確合理，避免與其他航標名稱相同。按照ITU-R M.1371-5 和《AIS 航標應用導則》（JT/T 1193-2018）對21 號報文格式的定義，航標英文名稱（包括空格）建議不超過20 個字符，最多不能超過34 個字符。

（4） 虛擬AIS 航標經緯度采用WGS-84 坐標，采用"XX°XX′XX.X″N XX°XX′XX.X″E" 格式。在AIS 管理系統中位置格式一般為"XX°XX.XXXX′N XX°XX.XXXX′E"，在設置虛擬AIS 航標時應進行格式轉化。

（5） MMSI 格式見圖3。

圖3 虛擬AIS 航標MMSI 格式

MMSI 碼由國家海事機構統籌安排分配，進行虛擬AIS航標設置時，應向國家海事機構申請并與其確認虛擬AIS 航標相關屬性是否準確規范。

（6） 虛擬AIS 航標用途種類應按照IALA 和《AIS 航標應用導則》（JT/T 1193-2018）的規定中的“用途種類”進行選擇。其顯示的特征參照《中國海區水上助航標志》（GB 4696-2016）中通用要求。

（7） 虛擬AIS 航標播發模式一般為“自主連續”，播發周期一般為180 S。虛擬AIS 航標的設置、調整及撤除均須由國家海事機構通過專用軟件系統控制。

3 海上電子圍欄與虛擬AIS 航標融合

海上電子圍欄是一道特殊的電子屏障，在海上設備設施防護中發揮著重要作用。其缺點是僅能在監控系統中顯示，船舶端只能收到預報警信息，無法查看海上電子圍欄也無法確定需要保護的海上設備設施所處位置。故海上電子圍欄技術還需要融合其他技術以提升防護效果。

依據虛擬AIS 航標在實際應用中的局限性，在使用時需要考慮以下問題：

（1） 使用虛擬AIS 航標時要求船舶依照相關國際規范和國內法規配備合規的ECS 或ECDIS 等AIS類設備。在實際應用中存在船舶不安裝AIS 類設備或關閉設備的情況，導致虛擬AIS 航標無法發揮其作用。同時考慮到船舶端AIS 設備選型和軟件版本等原因，并非所有船舶都能夠正確顯示虛擬AIS 航標。所以還需要考慮增加補足手段。

（2） 虛擬AIS 航標通過AIS 岸臺基站進行播發，若要保證虛擬AIS 航標持續穩定存在，那么需要確保AIS 岸臺基站穩定工作。當AIS 岸臺基站因各種原因無法正常播發虛擬AIS 航標時，應及時聯系國家海事機構進行報備，必要時需由國家海事機構發布航行警告。

（3） 虛擬AIS 航標播發覆蓋范圍與天氣狀況及VHF 天線高度有關。當出現雨、雪等不良天氣時，或者AIS 岸臺基站天線及相關區域船舶VHF 天線高度過低時，虛擬AIS 航標播發覆蓋范圍都可能縮小。

（4） 周邊水域出現的干擾源可能影響船舶端正常接收虛擬AIS 航標。由于軍事演習或其他應急演練，AIS 岸臺基站通信頻道可能受到干擾，影響船舶端正常接收虛擬AIS 航標。因此在日常巡檢中應及時關注國家海事機構發布的航行警告，做好溝通和解釋工作。

（5） 虛擬AIS 航標受國家海事機構管控，相關設計工作完成后需交由國家海事機構審批，待審批通過后才能正式啟用。

由于海上環境復雜多變，海上電子圍欄具有很高的性價比，對各種重點保護區域劃定預報警和監測范圍，一旦船舶目標進入或離開該區域，相關聯軟件系統就會進行報警提示。虛擬AIS 航標使用AIS 岸臺基站播發的AIS 21 號報文能夠在諸如ECS、ECDIS 等船舶端海圖導航系統中顯示，通過開發專業軟件系統可以調用AIS 岸臺基站進行虛擬AIS 航標播發以標注海上設備設施分布，同時進行AIS 21 號安全報文播發，提示過往船舶進行避讓。為提升監控系統對海上設備設施的防護效果，增強船舶端與監控系統的互動，實現對處于保護區域船舶的主動報警，可將海上電子圍欄與虛擬AIS 航標融合使用。首先通過海上電子圍欄劃定海上設備設施的防護范圍，并確定預警區和告警區；其次將需要保護的海上設備設施所處位置使用虛擬AIS 航標進行標注，必要時可以控制AIS 岸臺基站在正常情況下暫不播發虛擬AIS 航標，而在船舶觸發報警時進行播發，這樣設計可有效減少對正常行駛船舶的干擾。

預期效果見圖4 所示，監控系統能夠展示需要保護區域的預警范圍與報警范圍及虛擬AIS 航標位置，能夠對處于預報警區域的船舶進行預報警提示，船舶端能夠通過ECS 等AIS 設備查看需要保護的設備設施的位置，以便于及時采取有效措施駛離或調整航線，避免破壞需要保護的海上設備設施。

圖4 海上電子圍欄與虛擬AIS 航標融合后在軟件系統中的預期效果

4 未來展望

目前，海上電子圍欄或虛擬AIS 航標一般都是固定的，一旦設置，無法再隨時進行改變，所防護的海上設備設施也多為靜態目標，若通過開發或優化軟件算法、調整AIS 岸臺基站參數或將AIS 基站和漂浮目標進行有機綁定等方法，使海上電子圍欄、虛擬AIS 航標等隨著保護目標的移動而移動，實現對海上動態設備設施的防護，則海上電子圍欄與虛擬AIS 航標在海上設備設施防護領域的應用效果會進一步提升，應用范圍也會不斷擴大。

5 結論

在前文中已經提到，海上電子圍欄及虛擬AIS 航標的應用均依賴于AIS 設備，在實際應用中需保證AIS 岸臺基站播發范圍可覆蓋保護區域且其能穩定可靠運行，同時保證船舶端AIS 設備正常開啟才能起到防護效果，若船舶端關停了AIS 設備或AIS 岸臺基站出現故障，則無法起到防護效果。故為保證持續穩定的防護效果，增強抵御各種風險的能力，還需要融合雷達、VHF（甚高頻技術）[5]、超高清CCTV(閉路電視監控系統)等技術，在AIS 相關技術無法發揮作用時，起到有效的補充作用。