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摘 要：针对舟山港务管理局对港内船舶识别与动态跟踪的需求，在分析研究船舶自动识别系统(Automatic Identification System, AIS)的通信技术、总体结构的可行性、覆盖范围和所能容纳的最大船舶数量的基础上，设计并组建以船舶自动识别系统船站作为岸基站的海事信息监测系统.实际试运行表明，该系统的功能和性能满足实用要求，具有良好经济性，并可推广至类似的应用场合.
关键词：船舶自动识别系统；海事信息；自组织时分多址访问；监测系统
中图分类号：U675.79；U676.1；TP274 文献标志码：A
Maritime information monitoring system on AIS
ship station in Zhoushan Port
SHEN Aidi1, HAN Yanfang1, XU Yuewei2, GUO Zengfeng2
(1. Academy of Sci. & Tech., Shanghai Maritime Univ., Shanghai 200135, China;
2. Zhoushan Port Authority, Zhoushan Zhejiang 316000, China)
Abstract： In order to meet the requirements of identifying and tracking ships in port, a maritime information monitoring system is designed and constructed for Zhoushan Port Authority. Based on investigation of the communication techniques applied in automatic identification system (AIS), the feasibility of the system’s architecture is analyzed, along with the effective coverage area and the largest number of vessels in the system. A trial application shows that the system meets function and economic requirements, and can be utilized in similar applications.
Key words： automatic identification system; maritime information; self-organizing time division multiple access; monitoring system
0 引 言
舟山港具有丰富的深水岸线资源和优越的建港自然条件，其300多个泊位分布于8个港区.2006年，舟山港货物吞吐量超过1.14亿t，成为全国10大港口之一.为充分利用港口资源，进一步提高港口作业效率，减少船舶交通事故，舟山港务局需要加快港口管理的信息化、数字化和网络化进程，建立基于船舶自动识别系统（Automatic Identification System, AIS）的海事信息监测系统，提高对港内船舶的识别与动态跟踪能力.
目前，我国在东海、南海沿岸海域及长江下游已建成多个基于AIS岸站的海事信息监测系统，系统的通信网络主要由船载AIS船站、AIS岸站、AIS控制中心、信息传输系统及相关接口组成，系统自动完成船舶动态实时监控和交通管理决策支持.此类基于AIS岸站的海事信息监测系统不仅软硬件设备昂贵、建设周期长，而且系统的建设和运行仅限于海事执法部门.在综合分析舟山港务局对系统的需求、项目投资状况及其他外部环境的基础上，提出并组建基于船站（即以船站作为岸基站）的海事信息监测系统.
1 建设方案的可行性
船站的建设方案是否可行，关键在于船站的数据通信功能是否满足舟山港务局海事信息监测系统的需求.
1.1 系统的功能需求
舟山港务局作为港口码头管理单位，承担船舶引航与码头作业管理等工作，对海事信息监测系统的基本需求体现在如下2个方面：
（1）数据采集.通过船载AIS船站，实时采集航行或锚泊在港区内船舶的3类数据：①船舶静态信息，如海上移动识别码(Maritime Mobile Service Identity, MMSI)、IMO编号、呼号和船名、船长和船宽以及船舶类型等；②船舶动态信息，如船位、航向、航速、艏向和航行状态等；③航次相关信息，如船舶吃水、危险货物类型、目的港和预计到港时间等.
（2）数据应用.由AIS获取的船舶数据，经适当处理应用于港务局指挥中心应用系统，完成水上移动目标（船舶）监测、引航作业调度以及码头作业调度的数字化管理.
可见，舟山港务局海事信息监测系统不同于海事执法部门的海事信息监测系统，不需要对航行或锚泊在港内的船舶进行控制、管理和指挥，系统信息单向由船舶流向港务局.
1.2 AIS船站与岸站功能分析
AIS船站有3个主要组成部分：GPS接收机、通信处理器和VHF数据收发器.［1］其结构组成见图1.
GPS接收机提供精确的船舶动态信息和UTC同步时间；通信处理器是AIS的核心部分，存储由键盘输入的本船静态信息及航行相关信息，并将这些信息捆绑在一起，通过数字数据链路VHF发送出去.同时，通信处理器接收输入输出显示单元编制的简短信息通过收发器发送.所有在VHF范围内的船站或岸站都能接收并解析上述信息，从而获取邻近区域内的船舶数据.因此，AIS船站不仅可以发送本船信息，而且可以接收其他AIS船站信息.
AIS岸站的结构与船站大致相同，但功能比船站强，除具备船站功能外，还能管理船站工作模式与信道.［2］在岸站覆盖范围内，船站与岸站间通信时，船站以自主连续、受控或轮询方式向岸站发送船舶的静态和动态信息，岸站则向船站发送控制和分配信息、点对点与安全有关的信息，或以广播方式发布船舶动态、航行安全和GPS的差分纠错信息.［3］
上述分析表明，当海事信息监测系统仅监测和跟踪辖区内的船舶信息，并且只接收船载船站发送的数据而不向船舶发送任何信息和指令时，该系统完全可以利用AIS船站作为岸基站进行组建.
2 系统的总体结构
系统总体结构见图2.系统主体为3个岸基站和1台AIS网络服务器.图 2 系统总体结构
岸基站的AIS船站采用自组织时分多路访问协议(SOTDMA)通过VHF数据链路接收辖区内航行或锚泊船舶数据.前端服务器通过串行接口接收船站AIS数据，按IEC 61162协议解析数据帧，应用TCP/IP协议通过电信专网将船舶数据发往位于港务局指挥中心的AIS网络服务器.
AIS网络服务器是汇集3个岸基站所有数据的数据中心.由于3个岸基站各自覆盖的区域存在重叠，航行或锚泊在重叠区域内同一艘船的数据可能被2个甚至3个岸基站同时接收到.为此，AIS网络服务器必须对接收到的数据作唯一性检验与处理，确保数据准确有效.
移动目标监测、引航调度管理和码头作业调度是港航管理应用系统的3个子系统，应用地理信息管理系统（Geographic Information System,GIS）技术，通过图形可视化界面提供船舶数据，为港务局的日常生产和作业管理提供实时信息.
3 岸基站的设置
在岸基站布置过程中，除充分考虑岸基站布置点周围的地形地貌与电磁环境外，还应重点解决如下2个问题：(1)系统覆盖范围.系统所设置的3个岸基站，应能覆盖整个舟山港区；(2)系统监测容量.系统所能容纳的最大船舶数量应大于港区实际船舶数量.
3.1 覆盖范围
舟山港的码头分布在多个岛屿，整个港区海域南北向约80 n mile，东西向约50 n mile.为覆盖整个舟山港，在岙山、岱山和嵊泗各设置1个岸基站，以六角星表示(见图3).3个岸基站的天线架设高度约25 m.3个圆的半径为18 n mile，分别以3个岸基站为圆心.图 3 岸基站位置
根据无线电传播特性，岸基站AIS的作用半径R与天线高度h1、船载的AIS船站天线高度h2之间满足公式［4］R=2.22(h1+h2)(1)通常，船载AIS天线的高度在9~25 m之间，不考虑VHF的发射功率，仅从无线电传播特性来看，根据式（1），岸基站的作用半径R为18~23 n mile，满足设计要求.
另外，由于无线电波的绕射作用，在半径R以外的一定范围仍可得到较好的通信效果.这一范围的大小与发射功率、接收机灵敏度和天线增益有关.
3.2 监测容量
作为海事信息监测系统，每个岸基站所能容纳的最大船载AIS数量，即系统监测容量是令人关注的问题.AIS通信采用的是SOTDMA协议，工作频率是AIS1 161.975 MHz和AIS2 162.025 MHz，无线传输的带宽为25 kHz或12.5 kHz，调制采用高斯最小移频键控(GMSK).每1帧长度为1 min，每个信道被划分为2 250个时隙，每个时隙长26.67 ms，信道传输速率为9 600 bps，所以每个时隙为256 b.每1帧开始和结束以GPS提供的世界时UTC时间为标志.
根据国际电信联盟ITU-R M.1371建议案标准［5］，AIS发送船舶静态信息和航行相关信息需要416 b，子帧至少占用2个连续时隙.船位动态信息需要168 b，子帧只占用1个时隙，按表1规定的更新速率发送.船舶进入港区海域后，因其静态信息和航行相关信息不再变化，信道主要发送船舶动态信息.这样，整个港区船舶发布的静态信息占有信道的时隙数较少，可以不考虑静态信息对信道的占用量，而只考虑动态信息占用系统容量的情况.［6］
表1 AIS动态信息更新周期序号船舶状态报告周期/s报告频率/
次·min-11抛锚1801/320~14 kn12530~14 kn且正在改变航向415414~23 kn610514~23 kn且正在改变航向2306大于23 kn3207大于23 kn且正在改变航向230
多艘船舶在同一频道采用时分制进行数据通信时，设允许单艘船舶发送子帧的时间为Ts，覆盖范围内船舶数量为M，单艘船舶发送信号的周期为T，则Ts≤TM(2)由式（2）得M≤TTs(3)设1个子帧占有的连续时隙数为l，则AIS发送1个子帧的时间长度Ts=60l2 250(4)在AIS的1个信道中，每帧可以容纳的船舶数量M≤TTs=2 250T60l(5)根据AIS技术标准［6］，AIS发布的信息1次最多只能占用5个时隙，即lmax=5；当AIS只报告船位动态信息时，需占用1个时隙，即l=1.
由于船舶进入港区后，航速明显减慢，不太可能大于14 kn.根据上述算式和表1规定，可得系统所能容纳各类船舶的最大数量，见表2.
表2 系统所能容纳各类船舶的最大数量船舶状态最大数量/艘锚泊6 7500~14 kn4500~14 kn且正在改变航向150
舟山港务局的统计数据表明，港内装有船载AIS的航行船舶不足100艘，且绝大多数航速低于14 kn；停泊在港区码头与抛锚在锚地的船舶总量不超过400艘.因此，系统的监测容量完全满足要求，不会因信道阻塞而影响数据传输.
4 结 论
现有的AIS海事信息监测系统均基于岸站，根据舟山港务局的特殊情况，经过多次现场勘察和理论计算，设计并组建基于AIS船站的海事信息监测系统.该系统已于2007年6月投入试运行，获得良好的监测效果.系统能及时反映港区内真实的船舶动态及其相关信息，改善管理手段，提升工作效率.但是，这种基于AIS船站的系统缺少岸基站对船载AIS的管理和指挥功能，不太适用于海事监管部门.
参考文献：
［1］张京娟, 陈实如, 郝燕玲. 船舶自动识别系统的研究［J］. 中国航海, 2002(4): 57-59.
［2］朱艳梅. 船舶自动识别系统在VTS中的应用研究［D］. 大连: 大连海事大学, 2004.
［3］杨梅, 刘人杰, 柳晓鸣. 基于船载自动识别系统的海事信息网建设方案［J］. 大连海事大学学报, 2003, 29(3): 68-71.
［4］刘人杰, 刘畅, 黄习刚. 船舶自动识别系统的信息传输［J］. 中国航海, 2002(3): 41-44.
［5］ITU: Radiocommunication study group 8. Draft revision of recommendation ITU-R M.1371: technical characteristics for a universal shipborne automatic identification system using time division multiple access in the VHF maritime mobile band［S］. Geneva: ITU-R, 1998.
［6］刘人杰, 刘畅, 柳晓鸣. AIS应用于VTS中系统容量的分析［J］. 中国航海, 2002(2): 22-24.
(编辑 王文婧)
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
关键词：船舶自动识别系统；海事信息；自组织时分多址访问；监测系统
中图分类号：U675.79；U676.1；TP274 文献标志码：A
Maritime information monitoring system on AIS
ship station in Zhoushan Port
SHEN Aidi1, HAN Yanfang1, XU Yuewei2, GUO Zengfeng2
(1. Academy of Sci. & Tech., Shanghai Maritime Univ., Shanghai 200135, China;
2. Zhoushan Port Authority, Zhoushan Zhejiang 316000, China)
Abstract： In order to meet the requirements of identifying and tracking ships in port, a maritime information monitoring system is designed and constructed for Zhoushan Port Authority. Based on investigation of the communication techniques applied in automatic identification system (AIS), the feasibility of the system’s architecture is analyzed, along with the effective coverage area and the largest number of vessels in the system. A trial application shows that the system meets function and economic requirements, and can be utilized in similar applications.
Key words： automatic identification system; maritime information; self-organizing time division multiple access; monitoring system
0 引 言
舟山港具有丰富的深水岸线资源和优越的建港自然条件，其300多个泊位分布于8个港区.2006年，舟山港货物吞吐量超过1.14亿t，成为全国10大港口之一.为充分利用港口资源，进一步提高港口作业效率，减少船舶交通事故，舟山港务局需要加快港口管理的信息化、数字化和网络化进程，建立基于船舶自动识别系统（Automatic Identification System, AIS）的海事信息监测系统，提高对港内船舶的识别与动态跟踪能力.
目前，我国在东海、南海沿岸海域及长江下游已建成多个基于AIS岸站的海事信息监测系统，系统的通信网络主要由船载AIS船站、AIS岸站、AIS控制中心、信息传输系统及相关接口组成，系统自动完成船舶动态实时监控和交通管理决策支持.此类基于AIS岸站的海事信息监测系统不仅软硬件设备昂贵、建设周期长，而且系统的建设和运行仅限于海事执法部门.在综合分析舟山港务局对系统的需求、项目投资状况及其他外部环境的基础上，提出并组建基于船站（即以船站作为岸基站）的海事信息监测系统.
1 建设方案的可行性
船站的建设方案是否可行，关键在于船站的数据通信功能是否满足舟山港务局海事信息监测系统的需求.
1.1 系统的功能需求
舟山港务局作为港口码头管理单位，承担船舶引航与码头作业管理等工作，对海事信息监测系统的基本需求体现在如下2个方面：
（1）数据采集.通过船载AIS船站，实时采集航行或锚泊在港区内船舶的3类数据：①船舶静态信息，如海上移动识别码(Maritime Mobile Service Identity, MMSI)、IMO编号、呼号和船名、船长和船宽以及船舶类型等；②船舶动态信息，如船位、航向、航速、艏向和航行状态等；③航次相关信息，如船舶吃水、危险货物类型、目的港和预计到港时间等.
（2）数据应用.由AIS获取的船舶数据，经适当处理应用于港务局指挥中心应用系统，完成水上移动目标（船舶）监测、引航作业调度以及码头作业调度的数字化管理.
可见，舟山港务局海事信息监测系统不同于海事执法部门的海事信息监测系统，不需要对航行或锚泊在港内的船舶进行控制、管理和指挥，系统信息单向由船舶流向港务局.
1.2 AIS船站与岸站功能分析
AIS船站有3个主要组成部分：GPS接收机、通信处理器和VHF数据收发器.［1］其结构组成见图1.
GPS接收机提供精确的船舶动态信息和UTC同步时间；通信处理器是AIS的核心部分，存储由键盘输入的本船静态信息及航行相关信息，并将这些信息捆绑在一起，通过数字数据链路VHF发送出去.同时，通信处理器接收输入输出显示单元编制的简短信息通过收发器发送.所有在VHF范围内的船站或岸站都能接收并解析上述信息，从而获取邻近区域内的船舶数据.因此，AIS船站不仅可以发送本船信息，而且可以接收其他AIS船站信息.
AIS岸站的结构与船站大致相同，但功能比船站强，除具备船站功能外，还能管理船站工作模式与信道.［2］在岸站覆盖范围内，船站与岸站间通信时，船站以自主连续、受控或轮询方式向岸站发送船舶的静态和动态信息，岸站则向船站发送控制和分配信息、点对点与安全有关的信息，或以广播方式发布船舶动态、航行安全和GPS的差分纠错信息.［3］
上述分析表明，当海事信息监测系统仅监测和跟踪辖区内的船舶信息，并且只接收船载船站发送的数据而不向船舶发送任何信息和指令时，该系统完全可以利用AIS船站作为岸基站进行组建.
2 系统的总体结构
系统总体结构见图2.系统主体为3个岸基站和1台AIS网络服务器.图 2 系统总体结构
岸基站的AIS船站采用自组织时分多路访问协议(SOTDMA)通过VHF数据链路接收辖区内航行或锚泊船舶数据.前端服务器通过串行接口接收船站AIS数据，按IEC 61162协议解析数据帧，应用TCP/IP协议通过电信专网将船舶数据发往位于港务局指挥中心的AIS网络服务器.
AIS网络服务器是汇集3个岸基站所有数据的数据中心.由于3个岸基站各自覆盖的区域存在重叠，航行或锚泊在重叠区域内同一艘船的数据可能被2个甚至3个岸基站同时接收到.为此，AIS网络服务器必须对接收到的数据作唯一性检验与处理，确保数据准确有效.
移动目标监测、引航调度管理和码头作业调度是港航管理应用系统的3个子系统，应用地理信息管理系统（Geographic Information System,GIS）技术，通过图形可视化界面提供船舶数据，为港务局的日常生产和作业管理提供实时信息.
3 岸基站的设置
在岸基站布置过程中，除充分考虑岸基站布置点周围的地形地貌与电磁环境外，还应重点解决如下2个问题：(1)系统覆盖范围.系统所设置的3个岸基站，应能覆盖整个舟山港区；(2)系统监测容量.系统所能容纳的最大船舶数量应大于港区实际船舶数量.
3.1 覆盖范围
舟山港的码头分布在多个岛屿，整个港区海域南北向约80 n mile，东西向约50 n mile.为覆盖整个舟山港，在岙山、岱山和嵊泗各设置1个岸基站，以六角星表示(见图3).3个岸基站的天线架设高度约25 m.3个圆的半径为18 n mile，分别以3个岸基站为圆心.图 3 岸基站位置
根据无线电传播特性，岸基站AIS的作用半径R与天线高度h1、船载的AIS船站天线高度h2之间满足公式［4］R=2.22(h1+h2)(1)通常，船载AIS天线的高度在9~25 m之间，不考虑VHF的发射功率，仅从无线电传播特性来看，根据式（1），岸基站的作用半径R为18~23 n mile，满足设计要求.
另外，由于无线电波的绕射作用，在半径R以外的一定范围仍可得到较好的通信效果.这一范围的大小与发射功率、接收机灵敏度和天线增益有关.
3.2 监测容量
作为海事信息监测系统，每个岸基站所能容纳的最大船载AIS数量，即系统监测容量是令人关注的问题.AIS通信采用的是SOTDMA协议，工作频率是AIS1 161.975 MHz和AIS2 162.025 MHz，无线传输的带宽为25 kHz或12.5 kHz，调制采用高斯最小移频键控(GMSK).每1帧长度为1 min，每个信道被划分为2 250个时隙，每个时隙长26.67 ms，信道传输速率为9 600 bps，所以每个时隙为256 b.每1帧开始和结束以GPS提供的世界时UTC时间为标志.
根据国际电信联盟ITU-R M.1371建议案标准［5］，AIS发送船舶静态信息和航行相关信息需要416 b，子帧至少占用2个连续时隙.船位动态信息需要168 b，子帧只占用1个时隙，按表1规定的更新速率发送.船舶进入港区海域后，因其静态信息和航行相关信息不再变化，信道主要发送船舶动态信息.这样，整个港区船舶发布的静态信息占有信道的时隙数较少，可以不考虑静态信息对信道的占用量，而只考虑动态信息占用系统容量的情况.［6］
表1 AIS动态信息更新周期序号船舶状态报告周期/s报告频率/
次·min-11抛锚1801/320~14 kn12530~14 kn且正在改变航向415414~23 kn610514~23 kn且正在改变航向2306大于23 kn3207大于23 kn且正在改变航向230
多艘船舶在同一频道采用时分制进行数据通信时，设允许单艘船舶发送子帧的时间为Ts，覆盖范围内船舶数量为M，单艘船舶发送信号的周期为T，则Ts≤TM(2)由式（2）得M≤TTs(3)设1个子帧占有的连续时隙数为l，则AIS发送1个子帧的时间长度Ts=60l2 250(4)在AIS的1个信道中，每帧可以容纳的船舶数量M≤TTs=2 250T60l(5)根据AIS技术标准［6］，AIS发布的信息1次最多只能占用5个时隙，即lmax=5；当AIS只报告船位动态信息时，需占用1个时隙，即l=1.
由于船舶进入港区后，航速明显减慢，不太可能大于14 kn.根据上述算式和表1规定，可得系统所能容纳各类船舶的最大数量，见表2.
表2 系统所能容纳各类船舶的最大数量船舶状态最大数量/艘锚泊6 7500~14 kn4500~14 kn且正在改变航向150
舟山港务局的统计数据表明，港内装有船载AIS的航行船舶不足100艘，且绝大多数航速低于14 kn；停泊在港区码头与抛锚在锚地的船舶总量不超过400艘.因此，系统的监测容量完全满足要求，不会因信道阻塞而影响数据传输.
4 结 论
现有的AIS海事信息监测系统均基于岸站，根据舟山港务局的特殊情况，经过多次现场勘察和理论计算，设计并组建基于AIS船站的海事信息监测系统.该系统已于2007年6月投入试运行，获得良好的监测效果.系统能及时反映港区内真实的船舶动态及其相关信息，改善管理手段，提升工作效率.但是，这种基于AIS船站的系统缺少岸基站对船载AIS的管理和指挥功能，不太适用于海事监管部门.
参考文献：
［1］张京娟, 陈实如, 郝燕玲. 船舶自动识别系统的研究［J］. 中国航海, 2002(4): 57-59.
［2］朱艳梅. 船舶自动识别系统在VTS中的应用研究［D］. 大连: 大连海事大学, 2004.
［3］杨梅, 刘人杰, 柳晓鸣. 基于船载自动识别系统的海事信息网建设方案［J］. 大连海事大学学报, 2003, 29(3): 68-71.
［4］刘人杰, 刘畅, 黄习刚. 船舶自动识别系统的信息传输［J］. 中国航海, 2002(3): 41-44.
［5］ITU: Radiocommunication study group 8. Draft revision of recommendation ITU-R M.1371: technical characteristics for a universal shipborne automatic identification system using time division multiple access in the VHF maritime mobile band［S］. Geneva: ITU-R, 1998.
［6］刘人杰, 刘畅, 柳晓鸣. AIS应用于VTS中系统容量的分析［J］. 中国航海, 2002(2): 22-24.
(编辑 王文婧)
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文