ais技术在航海实践中具体应用分析大连海大继续教育学院学士学位论文.doc

大连海事大学毕 业 论 文 二O 年 月 AIS技术在航海实践中具体应用分析 .学汇百川 德济四海 专业班级:航海技术专升本15级姓 名: 蔺 洪 波 指导教师: 王 利 民 继续教育学院 内容摘要 传统的雷达曾是海上船舶交通服务系统（VTS）的一个里程碑。而雷达一直作为这方面的观测设备，用来监测和识别船舶，虽然随着技术的进步，雷达的性能得到了一定的提高，但始终难以克服其自身的局限性。随着通信技术和计算机技术的飞速发展，应运而生的AIS技术显示出了卓越的优势。AIS系统提出了前所未有的船舶标识信息和高实时性的船舶运动参数。它与当前的雷达相比具有提高信息量大、准确性高、实时性好、抗干扰能力强和穿越障碍传输等优点。AIS系统将会给海上船舶监视带来革命性的进步。本文分析了AIS系统的发展及其优越性、AIS系统的重要性和AIS在航海中的应用。为此，我们应对AIS技术有全面正确的了解，并对AIS的生产背景和基本功能进行准确分析，同时对AIS在航海实践中的具体应用进行研究，促进航海技术发展，为船舶航海提供有力的技术支持，满足船舶航海需求。 【关键词】AIS技术: 航海实践；应用分析 The traditional radar was a milestone of VTS (A marine vessel traffic service) system. Radar as a kind of observation equipment has been used for monitoring and identifying ships for a long time. With the progress of technology, radars performance has been improved, but its hard to overcome its own limitations. With the rapid development of communication and computer technology, AIS system was born and to show its remarkable advantages. The AIS system puts forward unprecedented identifying information and high real-time motion parameters of ships. Compared to radar, it has more information, higher accuracy, better real-time performance, strong anti-interference capability, and through-obstacles transmission, etc. The AIS system will bring a revolutionary progress to marine vessel surveillance. The paper analyzes the development of AIS system, including its superiority and importance, and the application of AIS in sailing. To this end, we should have a comprehensive understanding of VTS and an accurate analysis on its production background and basic function. In the meantime, the paper studies the application of AIS in navigating practice. It aims to promote the development of navigation technology, provide powerful technical support for ship sailing, and meet the demand of ship navigation. 【Keywords】: AIS, navigating practice, analysis 目 录1 AIS系统的生产背景及配备要求 .1 1.1 AIS生产背景 .11.2 AIS配备要求 .12 AIS基本工作原理 .1 2.1 AIS工作信道 .1 2.2 AIS作用距离 .1 2.3 AIS时隙划分与使用 .1 2.4 AIS同步 .2 2.4.1 UTC直接同步 .2 2.4.2 UTC间接同步 .2 2.4.3 基站直接同步 .2 2.4.4 基站简接同步 .2 2.4.5 移动台标识同步 .2 2.5 AIS工作模式 .2 2.5.1 自主连续模式 .2 2.5.2 分配模式 .2 2.5.3 轮询模式 .2 2.6 协议 .2 2.6.1 多址接入 .2 2.6.3 自组织十分多址接入 .3 2.6.4 固定接入十分多址接入 .3 2.6.5 载波侦测十分多址接入 .33 AIS的功能 .3 3.1 提高海上搜寻与救助能利 .3 3.2 提高交通管制的效率 .3 3.4 发布海上安全信息和识别助航设备 .4 3.5 监控船舶排污活动 .44 AIS在航海实践中的应用分析 .44.1 AIS在海上搜救及救援中的应用 .44.2 AIS技术在船舶舶数据传输系统的构建中得到了应用 .44.3 AIS技术在船舶智能控制系统的构建中取得重要作用 .44.4 AIS技术在船舶避碰控制中得到重要应用 .45 AIS技术的未来发展前景 .56 结论 .5 AIS系统的应用与分析 .海纳百川 德济四海1 AIS系统的生产背景及配备要求 1.1 AIS生产背景： 现代船舶随着数量与危险货物装载量的不断加大，及船舶大型化和高速化方向的发展，港口和航道交通管制显得十分重要。尽管IMO和世界各国的政府主管部门采取了制定和实施避碰规则，建立交管系统VTS，建立进港船舶报告制度，但是世界重要水道越来越拥挤，海损事故时有发生，给船舶航行安全和海洋生态造成巨大威胁。对交管部门来说，避免水上事故发生的必要性是实时动态地掌握其管辖水域内来往船舶的航行状态、船舶类型和载货情况、船名和呼号等信息，以便采取必要的措施来保证船舶的航行安全。VTS和APPA雷达无法识别目标的问题日益突出。航行中的船舶之间的信息交换非常有限，同时也深感现行状况存在诸多局限性。因此，提高船舶航行安全、防止及控制船舶对海洋的污染，成为国际海事组织和各国主管部门的当务之急。为了进一步提高船舶航行安全，有关机构和厂商对助航设备进行着不断的研究和开发。当今通信技术和计算机技术的飞速发展，为这方面的研究和开发提供了技术上的保证。船载AIS就是依托这些技术发展而成的。 1.2 AIS配备要求： 船舶自动识别系统诞生于90年代，是有发达国家率先发起的，通过近几年的开发、研制，系统发展迅速、日趋成熟。国际海事组织（IMO）和国际航标协会（TALA）经过调查研究和科学论证，已经纳入了该系统，并对海上人命安全标准公约（SOUS）的第五章进行了修改。规定自2002年7月1日起进入AIS设备的实施期，要求所有300总吨及以上从事国际航行的船舶、所有500总吨以上的船舶、所有客船必须配备一台AIS。要求所有于2002年7月1日前建造的从事国际航运的各类船舶必须在2003年7月1日到2008年7月1日前装备AIS设备。2 AIS基本工作原理2.1 AIS工作信道：AIS设备能够在两个VHF信道工作，即AIS1和AIS2上使用两个TDMA接收机同时接收信息，和使用一个TDMA发射机在两个信道上交替发射。此外，AIS还可以在主管机关支配的区域性信道工作。2.2 AIS作用距离： AIS发射功率通常为12.5W（高功率），作为距离约为25n mile，在主管机关要求可为2W(低功率)，作为距离7n mile。B类CSTDMA设备的发射功率限制2W。2.3AIS时隙划分与使用：AIS数据传输遵循TDMA协议接入VHF数据链路。在协议中将同步于UTC时间的1min定义为帧，每个帧被划分为2 250（02 249）个时隙。AIS工作在两个并行的信道，两个信道最多有4 500个时隙。工作时，每台AIS设备在每帧内可占用一个或多个时隙，在不同的帧内使用相同的时隙发送AIS信息。AIS设备工作时，首先根据信道使用情况，按照协议确定时隙选择间隔，每个SI至少有4个连续的候选时隙，然后再SI中确定本机适用的时隙和信道，并标明需要占用的帧数。2.4 AIS同步： AIS按照时间同步级别的高低排序。2.4.1 UTC直接同步： TDMA的帧同步通常由GNSS设备提供符合精度要求的UTC时间直接同步，称为UTC直接同步。2.4.2 UTC间接同步：如不能直接获得UTC，但能接收到其他采用UTC直接计时台站的信号，则应同步于这些台站，称为UTC间接同步状态。2.4.3 基站直接同步：以上同步方式如果无法获得，但能接收从基站发射的信息，则应与能接收的台站数量最多并且在最近40s至少收到过两个报告的基站同步。当能够选择多个同步基站时，设备自动选用MMSI最小基站。当AIS基站探测到有至少一台AIS设备与其同步时，其动态信息更新报告间隔由10s减少为3s。2.4.4 基站简接同步：如果以上同步都无法获得，但能接收到同步与基站的移动台站发射的信息，则应与该台站同步。2.4.5 移动台标识同步：如果上述同步方式都无法获得，则AIS设备应与在最近9帧内接收的台站数量最多，并在最近40s内接收到两个报告的移动台站时，设备自动选用MMSI最小的台站。当AIS船载设备确认本身为同步标志台时，其动态信息更新报告间隔减小为2s.。2.5 AIS工作模式：2.5.1 自主连续模式：此模式为缺省工作状态，不需要人员操作，适用所有区域。在此模式下，AIS设备按照TDMA协议自行确定广播时隙，并自动解决与其他平台站在发射时间安排上的冲突，以系统设定的信息更新报告间隔，自动和连续地播发本船信息。2.5.2 分配模式： 此模式是船舶进入负责交通监控的主管机关正在实施交通控制区域时的一种工作模式，一般通过主管机关AIS基站覆盖实现。主管机关指定一个或多个在WGS-84坐标系下的东北角和西南角经纬作为参考点的矩形区域，区域的边界长度一般为20-200n mile，在此区域内的AIS设备运行的信道、收发模式、宽带、发射功率、时隙、和信息更新报告间隙等都服从主管机关分配。但如果自主连续式要求的报告更新间隔高于分配模式的要求时，A类AIS移动设备则采用自主连续工作模式。2.5.3 轮询模式： 此模式也称查询或控制模式。AIS设备在收到其他船舶或管理机关询问时，在与询问相同的信道上单独响应询问的工作方式称为轮询模式。2.6 TDMA 协议：2.61 多址接入： 该协议用于在未来预先声明时，为站点分配一个时隙，常用在数据路网络登记过程中的第一个传输时隙的占用，或具有非常重复特性的消息发射时，帮助TDMA帧和SOTDMA帧确定发射时隙。2.6.2 增量十分多址接入： 协议主要用于有不重要重复性质的时隙分配，如在台站进入数据链路网时，RATDMS分配第一个传输时隙后，ITDMA连续分配第一个帧中的其余发射时隙，或周期报告时隙临时更改及转换，安全消息的预先声明的等情形。2.6.3 自组织十分多址接入： 是AIS设备访问数据链路的主要方式。这种方式能根据数据链路未来运行状况的先验知识，按照设定的算法，自主连续地选择发射时隙，安排位置报告的发射时间表，并预告后继3-17帧时隙的分配情况。2.6.4 固定接入十分多址接入： 只用于基站，以一帧的开始为参照基准，按照主管机关的预先安排分配时隙，用于重复性消息的发布。这对于一个区域内有多个相邻基站的情形尤为重要，可以有效地避免通信冲突。2.6.5 载波侦测时分多址接入： 只用于部分B类移动台站，称为CS-AIS设备。此类设备开启电源时，用载波侦测技术监测AIS网络活动的情况，只有当AIS网络有空闲时隙时才能发射。3 AIS的主要功能 AIS是一种船舶导航设备，通过AIS使用能增强船舶间避碰的措施，能加强ARPA雷达，船舶交通管理系统、船舶报告功能、能在电子海图上显示所有船舶可视化的航向、航线、船名等信息，达到改进海事通信的功能和提供一种船舶进行语音和文本通信的方法，增强了船舶的全局意识。 AIS的基本功能是为了实现船舶的自动识别，减少和避免船舶间的碰撞。目前这一功能发挥得比较好。此外，AIS还有一些其他功能也正在发挥作用，特别是在海事监管和搜寻救助中发挥的作用比较明显。3.1提高海上搜寻与救助能力： 渤海海峡和琼州海峡提前安装A1S的一个重要原因是提高这些水域的海上搜寻和救助能力。AIS的安装，增强了船舶安全航行的技术条件，改善了重点水域安全航行的环境，提高了海事部门对船舶遇险救助的指挥和决策能力。当船舶遇险时，海上搜救中心可以通过岸基很快找到离遇险地点最近的船舶前往救助，从而大大提高了搜救工作效率。烟台海事局在2005年2月对FLU19轮和CU轮的救助过程中，AIS发挥了其独有的作用。 3.2提高交通管制的效率：为实现对船舶自动识别，减少VTS人员与船舶驾驶员在VHF上的通话时间，目前各海事局正在将AIS整合进VIS系统，弥补了单纯依靠雷达系统进行人工识别的不足，使YTS人员在任何时候都能全面掌握区域内船舶交通状况，提高了交通管制的工作效率。 3.3 AIS的“黑匣子”功能：据南方网讯报道“上海海事局2004年8月22日对违反规定向辖区内海域排污的两艘外轮送达了行政处罚通知书，罚款13万元。在最新应用的AIS记录的确凿证据面前，两外轮船长心服口服地接受了处罚。原来，检查人员在对船舶讲行检查时发现该轮有违章排污嫌疑，立即通过船舶报告中心调取了新使用的船舶识别系统的数据。在确凿证据面前。船方不得不承认在中国海域违章排污的事实。在事故查中，船舶报告中心存储了船舶标识和船舶航迹，AIS在其中实现了类似“黑匣子功能。 3.4发布海上安全信息和识别助航设备：海事部门可以实时通过A1S系统的无线数据链路传输发布最新的航行报告、潮汐和气象等信息，提高了船舶的安全系数。此外将AIS安装在水上浮标等各种助航设施上，有利于船舶驾驶人员识别，也有利于航标管理部门和海事部门监控它们的状态。当由于恶劣天气或其他原因使浮标移位时，可以通过设定的监控报警装置及时发现。及时采取措施，从而减少事故的发生。 3.5监控船舶排污活动：根据规定，化学品船的洗舱水要排入岸上接收设施或者海中。但排于海中要满足一定条件，例如，对于C类物质，根据MARPOL 73/78附则二的规定必须满足水深不少于25 m距最近陆地不少于12 n mike，且船舶的航行速度至少为7 kn等条件。以前，由于技术原因，海事部门很难对船舶排放洗舱水行为进行监控。装了AIS设备之后，可以对船舶整个航程进行监控，核对船舶是否满足了排放条件。这样，可以杜绝一些违章排放洗舱水的行为。 4 AIS在航海实践中的应用分析从AIS技术发展来看，AIS技术能够有效弥补雷达技术和VTS技术的缺陷，提高船舶通讯质量和信号监测质量。基于AIS技术的突出优点，目前AIS技术在航海实践中主要应用在以下几方面。 4.1 AIS在海上搜救及救助中的应用： 对于海岸监控网来说还应该具有协助海上搜救和救助功能。当一船遇险时即可通过 AIS设备发送有关遇险信息，就能够快速找到离遇险地点最近的船舶，从而提高海上搜寻和救助工作的效率。在整个搜寻过程中海上救助协调中心也能够对整个搜寻过程的监控，更加有效地利用可用的资源并确保覆盖整个搜寻区域，并且所有出事地点附近的船舶和参与救助的船只，都能够像海上救助协调中心一样，识别遇难船只从而采取救助行动，这样将更有利高效、快速地实施海上搜寻和救助。4.2 AIS技术在船舶数据传输系统的构建中得到了应用： 船舶在航行过程中，需要与周边船舶及港口进行数据通讯，受到航行距离及船舶雷达盲区的限制，需要构建高效的数据传输系统解决这一问题。基于AIS技术能够自动发射、接收和处理船舶数据的特点，该技术在船舶数据传输中得到了重要应用。4.3 AIS技术在船舶智能控制系统的构建中取得重要作用： 为了保证船舶安全航行、减少危险因素、做到危险预警，目前船舶智能控制系统在积极构建中。从AIS的技术特点来看，能够做到对航行的智能辅助，所以该技术在船舶智能控制系统的构建中得到重要应用。4.4 AIS技术在船舶避碰控制中得到重要应用： 出于提高船舶航行安全性的考虑，如何避免船舶在航行中发生碰撞，提高航行安全性成为了航运发展的重要方向，考虑到AIS技术能够对船舶进行准确定位的特点，在目前船舶避碰控制系统中AIS技术得到了全面应用。 应用AIS技术以后，航行于开阔水域的船舶不用VHF无线电话便可自动获得来往船舶的各类信息，航行于限制水域的船舶不仅可自动获得其他船舶的信息，而且通过VYS的广播获得各类航行信息和港口信息。这样可在最大程度上防止船舶避碰和各类海难事故的发生，为航运界带来了前所未有的安全感。目前在世界知名的航运公司中，均实现了AIS系统的全覆盖。从我国几年的航运发展来看，AIS系统的构建和应用也成为了重要内容，当前我国应用AIS技术的船舶就达到了近千条，取得了积极的应用效果。 5 AIS技术的未来发展前景 由于目前不是所有的船舶都配备有此设备，例如游船、内陆水域船舶等，所以必须生产出满足较低航行标准的、经济的AIS设备。随着IMO关于AIS标准的出台和不断提高，各种研制厂商也不断地推出了具有最新功能的AIS设备。AIS将成为对现存导航系统(包括雷达)最重要的补充。总之，经AIS接收的数据将提高值班驾驶员获取信息的质量，增强通航意识。配备合适的图象装置，船载AIS通过计算机到达最近点(CPA)和从目标船发送数据，将能提供快速、自动和精确的碰撞危险信息，为自动避碰系统的发展提供了较好的数据源， AIS从单台仪器向网络方面发展，从单一的提供数据向智能专家系统发展，与为VTS结合向新型船舶交管系统方向发展，向互联网（INTERNET）发展。AIS已不是简单的船舶装备的单独航行仪器，它与海岸AIS网构成船岸之间航海保障系统，进入互联网，其有广阔的前景。船拍AIS与电子海图显示（ECDIS）技术集成为“新型船舶避碰专家系统”，AIS与过去基于基雷达的VTS结合集成为“新型船舶交管系统”。AIS既是航海导航通信设备，又是船舶信息化的网络系统，利用传统的甚高频水上移动通信频率，采取了自主时分多通道访问协议的数字通信技术，以先进的GPS定位作为船位的基础数据，电子海图显示为显示终端，因此在海事管理方面有广阔的应用前景，对船舶交通管理具有监督能力，对运输船队有调度、营运的管理能力、对船舶进出港具有领航能力、对船舶遇险有搜救能力、对海上航行的船舶有获得航行警告和气象信息的能力、还有船舶与公司之间信息通信的能力。 6 结论迄今为止，对AIS的研究已经展开。但买际上，这些研究还都出于一个初期的阶段，很多学者对AIS融入到各种现有的海上交通系统中进行了预测和研究，但大多数还没有深入下去，其研究的结果未得到证实或仅有部分验证，有待专家和实际应用的进一步验证。目前研究的特点是横向研究较多、纵向研究较少、应用型研究多、理论研究少，结论有待证实。但是这些研究为将来ATS的研究和发展打下了基础，能给相关的研究以启发和引导。应该说，对AIS的各方面研究都将对AIS的发展起到很大的推动作用，也将促进海上交通安全向前发展。AIS今后的研究发展方向可以从硬件和软件两个方面来考虑。硬件是指AIS及其配套设施的建设、改进、完善等，指的是整个硬件环境的建立；软件则指AIS相关技术的研究、制度的改革以及人员的培训、软件的开发等的研究和开发利用等。随着各类研究和应用的不断深入，AIS的发展必将会对未来航运带来巨大的便利。【参考文献】 1. 刘正江等编. 航海学. 大连:海事大学出版社发行. 2012年8月第一版. 2053672. 彭耿 等编. 天基AIS系统发展概况及应用分析.国防科技2015年第6期. 100083 3. 王世远 编. 21世纪船舶集成导航系统. 中国航海2003年第1期. CN31-1388U4. 代彦波 编. 船舶自动识别系统及关键技术的研究.哈尔滨工程大学出版社. 2006年 - 5 -