AIS在當代航海技術中的應用

摘 要：伴隨著科技進步，人類對于海洋的認知也越發深入，在經濟全球化發展的當今社會，航海技術已經成為各國重點發展的領域之一。為保障船舶航行安全，推動當代航海技術高質量發展，本文以AIS為研究對象，簡要分析了AIS對當代航海技術的應用，深入探索AIS在當代航海技術中的應用路徑。在基于AI的當代航海技術的研究中，本文根據當代航海技術的發展情況，提出開發DBS/AIS船舶自動識別系統的觀點，通過BDS與AIS的有機結合，提高船舶監控能力和信息服務水平，進一步推動當代航海技術發展，賦能船舶航行安全水平提升。

關鍵詞：AIS；BDS；航海技術；船舶自動識別系統

在我國，AIS在當代航海技術領域的應用時間較長，而隨著技術研發的推進，以及船舶航行經驗的積累，我國開始認識到傳統AIS在信息實時共享上存在的不足，所以有必要開發一套新型系統來創新和優化AIS，在保障船舶定位精度的基礎上，為船舶航行、海上交通管制等提供更有力的支持。

一、AIS在當代航海技術領域的價值

一是船舶避碰，AIS支持船舶之間的實時動態信息交換，這些信息具有多樣性的特點，不僅能全面獲取船舶在航行時的基本信息，如轉向速率、航首方向等，而且能通過這些數據詳細分析船舶當前的航行情況，對船舶未來航行狀態進行預測［1］。

二是船運信息化建設。目前，當代航海技術已經進入信息化發展階段，在現代航海運輸要求下，當代航海技術也在不斷進步，其中信息化技術的應用為當代航海技術的發展創造了良好條件。

二、當代航海技術的發展情況

在當代航海技術領域，我國通過大量研究與實驗，已經發現了AIS系統存在的不足，開始在船舶自動識別系統的開發中，將北斗衛星導航系統（BDS）與AIS系統融合，憑借BDS系統強大的定位、導航、授時服務等功能，實現船舶的高精度定位。

三、AIS在當代航海技術中的應用策略

（一）應用思路

根據當代航海技術的發展現狀，本文提出在當代航海技術領域開發新型船舶自動識別系統的觀點。為解決傳統船舶自動識別系統在信息共享和船舶定位監控等方面存在的不足，本文主要研究運用信息融合算法促進BDS與AIS信息融合，對傳統船舶自動識別系統實施改造。

首先，利用改進信息融合算法，采用BDS/AIS定位方案，解決傳統船舶自動識別系統在定位精度上存在的不足，支持系統穩定實現船舶位置、速度等信息的實時動態傳遞［2］。其次，結合船舶定位監控的需求，精心選擇船舶自動識別系統的軟件設施，完成系統硬件部分的設計。最后，基于Android設計船舶自動識別系統的軟件部分，實現船舶定位監控等功能。

（二）系統總體設計

本文研究的新型船舶自動識別系統，根本目的是提高船舶定位精度和系統監控能力，系統用戶為船員，根據系統監控需求，硬件與軟件部分分別要實現以下功能，見圖1［3］。

根據新型船舶自動識別系統的功能需求，本文將該系統的整體結構劃分為硬件和軟件兩個部分，各部分的內容如下。

1.硬件部分

（1）負責實時接收衛星信號，實現導航定位等功能。

（2）具備同時處理BDS和AIS子系統信息的能力，通過提取速度、加速度、經緯度等基本信息進行信息融合運算，計算融合后的船舶位置最優估值。

（3）系統能夠通過WiFi模塊將基于改進信息融合算法的最優軌跡值傳遞給用戶端，支持船員在任意位置了解船舶的航行情況、定位情況，以此為依據預測船舶未來航行情況，改進船舶航行計劃。

（4）基于最優估計值，在AIS系統中利用TDMA發射器向岸基AIS站臺和來往船舶發送信號，支持AIS站臺及來往船舶精準掌握船舶航行狀態，在此基礎上提高船舶航行的安全性。

2.軟件部分

（1）為保證系統內部信息的安全性，系統應具備用戶登錄功能，支持用戶在系統中注冊、登錄賬號密碼，系統通過安全驗證授權各項操作功能。

（2）系統要設計高效、穩定的通信模塊，支持通信模塊與硬件系統實現通信，在船員需要監控船舶航行狀態時，可以通過通信模塊實時獲取船舶的航行信息。

（3）系統可以通過移動終端接收船舶航行信息，在電子地圖上實時顯示更新船舶位置，支持用戶實時掌握船舶航行路線，及時發現偏航問題，降低發生碰撞事故的概率。

（4）系統應提供人機交互界面，此類操作界面的內容要簡單易懂，方便用戶通過界面直接完成系統操作。人機交互界面盡量做到整潔美觀，同時要合理對系統功能進行布局。

（三）系統硬件設計

根據新型船舶自動識別系統對硬件部分的需求，本文選擇的系統硬件部分見表1。

1.主控模塊

該系統主控模塊選擇STM32F103C8T6芯片。該模塊具備北斗信息初步處理、解析等功能，采用改進信息融合算法進行BDS和AIS信息融合，將融合后的數據傳遞給WiFi模塊［4］。主控模塊提供四個串口，其中串口1與北斗模塊進行通信，串口3與AIS模塊進行通信，串口4則負責與WiFi模塊進行通信，在WiFi模塊的支持下實時動態將船舶定位信息發送給移動終端，而船員則可以在船舶上使用手機查看船舶的位置信息。

2.北斗模塊

北斗模塊的主要功能是收集船舶的基本定位信息，如船舶經緯度，為主控模塊提供船舶的航行狀態信息。該系統的北斗模塊選擇ATGM332D5N31芯片，該芯片可滿足多種衛星定位需求，擁有32個獨立追蹤信道，支持從多種衛星導航系統中獲取GNSS數據，實現高精度定位，芯片基本參數見表2。

3.WiFi模塊

WiFi模塊選擇ESP8266芯片，主要功能是支持數據傳輸，尤其是支持移動終端與主控模塊的通信，可以將BDS和AIS融合后的信息傳遞給用戶的移動終端，幫助用戶實時掌握船舶的航行狀態。ESP8266芯片是一種WiFi微控制器，可作為獨立系統運行，也可以與其他主處理器連接［5］。該芯片集成802.11b/g/n網絡協議棧，能與外部MCU通信串口或SPI接口進行操作，內置高度定制化自動化引腳配置功能，支持用戶在芯片上連接外設。

4.操作界面

該系統的人機操作界面采用OLED屏幕，該屏幕分辨率為128×64，配置SSD1306驅動集成電路，提供多種連接模式，如6800、8080兩種并行連接模塊，3線與4線串行外設接口連接模塊等。

5.USB轉TTL模塊

該模塊選擇CH340型號的芯片，能通過UART串口實現通信，也可以下載燒錄程序，支持3.3V和5.5V供電，能避免因驅動或電腦不匹配引起的故障問題。

（四）電路設計

該系統的主機供電選擇DC8V供電電源，根據CH340芯片的特點經轉換后得到DC3.3V和DC5.5V供電，為系統各硬件模塊的高效穩定運行提供支持，系統電路圖見圖2。

（五）系統軟件設計

1.主程序

根據船舶定位與監控管理的需求，本文設計的新型船舶自動識別系統的工作流程見圖3。

根據系統工作流程，主控模塊在同時接收到來自AIS和BDS模塊傳遞的數據信息后，在WiFi模塊的幫助下可以將各類數據傳遞給APP，支持用戶在移動終端直接接收數據［6］，也可以在主控模塊直接將信息傳遞給改進信息融合模型，經AIS和BDS信息融合處理后，再由WiFi模塊將處理后的數據傳遞給APP，支持用戶直觀了解船舶定位信息。

在主控模塊中，本文選擇的信息融合算法為改進IMMKF的AIS/BDS信息融合定位算法，該算法主要以聯邦卡爾曼濾波作為基礎，通過將BDS與AIS數據進行融合，得出精準的數據融合結果。

一是AIS和BDS作為兩套獨立的測量系統，擁有各自觀測值以及獨立的狀態工具，所以采用聯邦卡爾曼濾波結構進行濾波，在各自濾波后采用分布式結構進行數據信息的融合，計算出全局性的最優估計值，融合流程見圖4。

二是濾波部分采用IMMKF濾波算法，提高非線性估計精度。

三是采用CI融合算法，實現多模型濾波，確保融合設備不局限于AIS和BDS，在船舶定位需要更高精度時還可以接入其他設備。

2.軟件流程

在以BDS和AIS為基礎的新型船舶自動識別系統中，系統所有代碼都采用C語言實現，先在PC終端上開發實現代碼，再以交叉編譯為基礎生成可執行文件，隨后將該文件燒錄至MCU中運行。系統在運行前先要進行初始化設置，在所有模塊正常運作的基礎上基于串口調試打印系統工作日志，完成對BDS、AIS、WiFi等模塊運行狀態的評估，在獲取兩類不同數據信息后，按照不同解碼規則對兩類數據進行解碼，將無法再進行信息融合的信息放入緩存緩沖區。

3.APP設計

該系統的一系列操作功能，都要通過系統專用APP來實現。本文根據船舶航行、定位、監控等對新型船舶自動識別系統的需求，設計具備多樣化功能的APP［7］。

（1）UI界面設計。將UI界面作為系統的人機交互界面，根據系統操作功能在UI界面設計基本的人機操作按鈕或功能窗口，如用戶登錄窗口，包含用戶登錄系統需要輸入的賬號、密碼，提供賬號注冊、密碼找回等多重功能，從源頭上控制好系統信息的安全。

（2）通信模塊設計。該模塊主要負責收發系統發送的定位信息，自動對所接收數據進行解析。在系統的人機操作界面上實時顯示船舶狀態信息，在可視化展示的基礎上提高用戶了解船舶航行狀態的程度。

（3）顯示定位模塊設計。其主要功能為顯示地圖和船舶的航行數據。該系統的顯示定位模塊采用百度地圖的應用開發進行設計，先對百度地圖進行初始化設置，再從地圖上讀取經緯度坐標數據，顯示船舶位置圖表，完成對船舶的顯示定位。

（4）監控數據庫設計。本文采用SQL創建數據庫，在存儲數據時通過將Content Values對象傳遞給insert的方法，將數據導入數據庫，并對數據進行安全保存。根據系統數據特征，本文在數據庫中將數據劃分為船舶定位數據、船舶監控數據、用戶信息數據等類型。

結語

綜上所述，在當代航海技術領域，AIS是一項應用范圍廣、應用價值大的技術手段，其在當代航海技術領域的應用能顯著提高船舶航行監控效果，提高船舶定位精度。本文認為在AIS技術的應用過程中，還存在因數據信息本身完整性、信息實時動態共享不足等方面的問題，這些問題的存在會給AIS系統的正常功能造成影響，導致AIS無法滿足船舶定位和航行監控等方面的要求?；贐DS和AIS的新型船舶自動識別系統，能彌補單一AIS系統存在的不足，其在以傳統AIS系統為基礎的框架體系中引入BDS數據信息，并采用改進信息融合算法，能同時發揮兩類數據信息的作用，大幅提高船舶航行定位精度和監控水平。

參考文獻：

［1］展瓊謠，劉冰，王靜舉，等.船舶自動識別系統在航海領域的應用［J］.珠江水運，2024（13）：138140.

［2］劉芭，鄧東德，雷星星，等.基于RFID的船舶身份自動識別系統的設計與應用［J］.儀器儀表用戶，2024，31（06）：3032.

［3］郭保坤.AIS在當代航海技術中的應用研究［J］.中國水運，2024（02）：8386.

［4］蔣文盼.AIS與現代航海技術的關系及對未來航海的影響研究［J］.珠江水運，2022（19）：3133.

［5］葉強.AIS與現代航海技術的關系及對未來航海的影響分析［J］.科技風，2021（04）：2324.

［6］張可立，丁振宇，高杰.海洋一號C/D衛星全球船舶自動識別系統設計與應用［J］.航天器工程，2019，28（05）：2631.

［7］肖長詩，陳芊芊，文元橋，等.基于LoRa的封閉水域船舶自動識別系統設計［J］.船海工程，2019，48（01）：158162+167.

作者簡介：陳留遠（1983— ），男，漢族，山東濟寧人，本科，講師，研究方向：航海技術；呂延川（1984— ），男，漢族，江蘇徐州人，本科，講師，研究方向：航海技術。