AIS和VTS在交管系统的应用区别与联系
[摘要] ais系统是整合了卫星定位和罗经计程仪、通过vhf无线电数据通信、在雷达和电子海图上的显示等技术的航海、导航、信息通信的新型航行设备和系统。vts是由海事主管当局实施的,旨在改善船舶交通安全和效率以及保护环境的一种服务系统。该系统具备与交通相互作用和对vts水域交通状况做出反应的能力。因此,提高和改善船舶的交通安全性将是ais和vts的主要功能。 [关键词] ais vts 雷达跟踪 一、引言
船舶自动识别系统(automatic identification system 简称ais)是诞生在20世纪国际新经济崛起的90年代,由发达国际率先发起,以信息技术为先导,是多门类高科技为支柱的新型航海设备和系统。从1995.7 imo 航行安全分委会(nav)41次会上瑞典、芬兰联合首次提出将自组织时分地(stdma)技术用于船舶间和船岸间海上转发器系统的建议以来, 国际海事组织(imo)、国际航标协会(iala)、国际电信联盟(itu)、国际电工委员会(iec)等十分重视ais 的进展,及时制订了一系列国际法规、技术标准,促使ais在技术、标准、产品等方面迅速发展。尤其是2001.12 imo 海委会(msc)73次会议通过各类船舶限期安装ais设备的决定,更是推动了ais的产品化进程与全面应用时代的到来。
目前我国已经建成ais基站70多座、ais地区级网络10多个,建成了长江口、珠江口、渤海湾及琼州海峡等四个ais岸基网络系
统,我国已有90%的远洋船舶装配了ais设备。根据交通部海事局“十一五”规划要求,我国将在“十一五”期间建成覆盖中国沿海的ais网络系统,为此,将分期建设ais岸基122个、地区级网络22个、海区级给asm3个、国家级中心及asm1个,增设公用干级网络9个,并相应增加该层面的asm 9个,建设目标是建成基于ais岸基的中国海事网络信息系统。
通过ais系统可以自动连续地向他船或岸台发射和接收船舶的静态信息(编码、船名等)、动态信息(船位、船首向、航向、航速等)、航次信息和安全短消息等。可为船舶避碰和航行辅助决策;与vts集成,可以增强船舶识别能力和提高船舶跟踪精度,并能扩大vts覆盖范围;通过ais网络,还可以为航运公司办公自动化和船队管理、进出港调度作业和领航协调、发布航行警告和气象信息、船舶安全与遇险呼叫和搜救服务、船岸之间信息传输等提供服务[1]。因此,有人说它将成为本世纪进行海上船舶识别、监视和通信的重要船舶设备。
二、ais跟踪与vts雷达跟踪 1、vts雷达跟踪的局限性
现在的vts对目标的定位跟踪是基于雷达的录取跟踪处理来实现的,还存在着以下局限性:
(1)雷达可以较精确地探测目标船的的位置,但不能探测出目标船的即时航速,它只能根据目标船的位置变化来计算平均的航速和航迹向。此外,雷达无法测出目标船的船艏向。
(2)微波雷达为直线传播,易受障碍物遮挡影响,存在大桥和大船等对其后的小目标船遮挡的现象。
(3)易受海浪暴雨的干扰,丢失小目标,极易产生跟踪丢失或误跟踪。
(4)获取目标信息量有限,无法获得船舶静态信息和航行状态等。 (5)雷达信号随距离衰减严重,无法探测到远距离处的小的目标船和航标,并随着距离增大,跟踪目标的精度降低。 2、ais信息的自动交换
在ais系统中,本船与它船或vts之间是通过vhf通信来自动进行数据交换的,交换的信息具体如下:
(1)静态信息:imo编号、船名、呼号、船长、船宽、船舶种类等。 (2)动态信息:utc时间、位置、对地速度(sog)、对地航向(cog)、船艏向、转向速率、航行状态等。
(3)航程信息:吃水、货物类别、目的地、eta等。 3、ais跟踪的优越性
根据上述的ais信息交换的种类和内容,应该看到,用ais对目标进行跟踪,具有以下的优越性:
(1)可自动实现船与船、船与岸之间的数据交换,获取的信息量大,可对船舶进行自动识别。
(2)可以获得精确的目标位置、即时速度、船艏向和转向速率,为及时判断避让措施的有效性提供了可能。 (3)不受障碍物遮挡,不受海浪、暴雨等干扰。
(4)vhf电波传输的绕射作用比雷达(微波)强,因而ais作用距离比雷达的远,受障碍物遮挡影响小,可“看到”大船、弯段周围、岛屿后面的船舶[2]。
(5)在ais作用范围内,不会因目标距离较远而影响定位精度,远处的小目标与近处的大目标,都具有相同的数据精度,而且,还可以获得远处的航标信息。 4、ais不能替代雷达
作为对目标船监测跟踪的手段,ais比vts雷达要有许多的优越性,但ais不能替代雷达。这主要原因为:
(1)雷达能获得作用范围内的所有物标(船舶、岛屿、航标、岸线等)的全景图像以及海浪雨雪的干扰情况,而ais则不能。 (2)雷达是主动探测设备,不受目标条件的,未安装ais的船舶或ais发生故障的船舶其位置和运动数据无法通过ais获得,而通过雷达则可以获得。
(3)用于vts中,ais的船舶数量受限,而雷达所探测的目标数量一般不受。
(4)雷达能通过确定参考目标,来选择相对运动矢量,便于直观判断船舶碰撞危险,并能根据cpa,tcpa£min cpa, mintcpa,以符号、灯光及声音报警。而ais不能直观判断碰撞危险。 三、ais在vts中的应用
目前我国已建成vts中心24个,其中包含50多座雷达站,已经覆盖沿海水域的大部分及长江下游,它们在提高船舶交通安全和效率,
保护水域环境方面发挥了卓有成效的作用。现在随着ais系统的建设步伐加快,通过ais技术与vts系统融合,将会极大地提高vts的功能,使之更好地为保障船舶航行安全提供服务。 1、增强了对船舶识别的能力
在vts中,对船舶识别的传统方法为通过vhf无线电话与雷达观测相结合的人工识别方法,这种方法存在识别难、速度慢、易失误等缺陷,特别是在船舶密度大的港口水域,这种缺陷就显得尤为突出。而ais可提供有效的船岸通信,通过船舶自动、连续地向vts岸站发送船舶识别码、船名、呼号及动、静态诸多航行信息。现在,新一代的vts系统已经将ais作为获取船舶信息的重要组成部分,通过ais基站或网络获取船舶动静态信息,然后再与雷达信息融合,不仅提高了船舶的定位精度和跟踪可靠性,而且可使vts自动、快速、可靠地识别船舶[3]。 2、增强了对船舶动态跟踪能力
vts是基于港口交管雷达来对船舶进行跟踪处理的,存在着难以兼得的高距离分辨率与作用距离远等诸多局限性,跟踪精度一般为50米或30米,并且随着远离雷达站,雷达跟踪和定位精度明显下降,雷达数据处理的局限性已成为vts发展的瓶颈,长期困扰着vts功能的提高。而ais的出现,特别是ais用于船舶动态跟踪处理,为开发基于ais信息的vts新型目标跟踪系统提供了重要条件。 (1)由ais提供的船位数据精度(小于5米)使跟踪分辨率、精度大幅度提高。
(2)传送数据不受气象、海况影响,用国际专用频道,sotdma技术信息交换、可显著提高船舶跟踪的稳定性与可靠性。
(3)跟踪矢量稳定时间短,对交管雷达数据处理延时约15个天线周期,约需45秒钟,而采用ais信息跟踪,可直接按获取目标的动态数据(目标船船位、航向、航速)予以标识,显示动态矢量,理论上只要一次采集数据就够了,无稳定时间。
3、扩大了vts的覆盖范围
通过ais网络,扩大了原以雷达为基础的vts覆盖范围,根据ais的通信技术,至少能扩大至海岸线外20海里,这样就可以对进出港口和沿岸航行的船舶提前进行识别,为船舶进出口和航行做好交通组织和交通动态的监控管理,从而提高航道船舶的通过能力和船舶的航行安全。
4、使vts系统连网成为可能
建设比较早的vts中心,由于各个设备厂家数据格式、技术标准、接口要求各自不统一,造成vts系统联网困难,信息难以共享[4]。而现在改造或新建的vts工程中,引入了ais技术和设备,这样,借助ais网络,就可以实现局部vts中心的连网,甚至大区水域的连网和全国的连网。
四、ais在海事管理中的应用
根据交通部海事局“十一五”规划,我国将建成覆盖沿海的ais网络。由于ais网络用的是ip协议,这就使得ais网络与现有的信
息网的基础设施集成时非常灵活,系统可以安装成internet或使用internet,还可以安装成基于internet的虚拟专用网(),从而构成了以全部船舶ais为基础,以ais监控中心为核心,以海事ais网络为纽带,覆盖我国沿海的中国海事船舶交通管理信息网,成为中国海事信息网的重要组成部分,为实现海事管理的现代化提供了重要条件。
1、拓宽海事管辖海域和协调能力
通过ais网络,可以对沿岸主要航线的船舶进行交通管理,充分利用ais的监督和管理手段,实施交通安全统一管理和交通组织,提高船舶通航效率,对船舶污染海域的肇事船舶判断准确性提高,对船舶遇险搜救更加直接,扩大了船舶交通管理体系和周边协调管理。 此外,ais还改变了船舶交通管理的海域和范围,可以实行大区域管理。例如长江口管区北至佘山、南至舟山,而且可与连云港管区、宁波管区和长江下流管区信息交换,协调管理。 2、对中国船舶报告制的支撑
通常进入船舶报告系统的船舶应通过无线通信,定时按规定格式报告船舶动态信息。ais可以自动、连续发送船舶航行信息,将其接入无线-有线通信网,再送入船舶报告系统的计算中心,由中心按系统要求对所有船舶按规定时间、周期及所需的信息建立数据库,并结合中心拥有的船舶静态数据、电子海图及气象数据等,按用户要求进行分析、处理,为搜救部门提供船舶信息及搜救决策服务信息,为各船公司提供转发服务。可见,ais融入船舶报告系统,可作为沿
岸国获取船舶及其货物资料的一种手段。
中国船舶报告制(chisrep)最重要的问题是报告站的数据采集,在报告数据中又以开航报和抵港报最难采集。建立ais之后,在进出港船舶的ais中,自动采集到这两项报数据,对chisrep是最佳的补充和完善。
3、ais解决了船舶碰撞难题
防止海上船舶碰撞,一直是航运科技界研究的重要课题,曾出现了arpa、海上导航专家系统等,但由于均不能向相遇船舶通报本船的避让操作意图,接收并对相遇船的避让操船措施作出相应处理的功能,而没有这项功能就做不到“知己知彼”,就构不成一个完整的避让方案。在实际海上航行中,因不清楚对方的意图而采取不相协调的避让措施,结果酿成碰撞事故,也正是缺乏此项功能的反映。 由于ais能够自动、连续提供包括船位、航向、航速、航行状态、船名、呼号、船长和吃水等大量的船舶动静态信息,并且不受天气和海况的干扰,具有可靠的通信设施,这样,大量的船舶航行信息为开发新型的自动避碰专家系统提供了从未有过的信息条件,因此,可望基于ais信息的新型实用自动避碰专家系统,不久将会面世。 此外,ais岸基站将收到的船舶ais信息自动输入vts系统,vts将ais信息与雷达探测到的目标信息进行融合,在融合过程中,不仅有装配ais的船舶与雷达跟踪信息进行融合,而且,vts还将未装配ais的船舶用雷达跟踪信息转换成ais标准信息,然后,再通过ais岸站用广播方式进行播发,这样,在vts覆盖范围内,装配了ais的
船舶既可接收到周围安装了ais设备船舶的动静态信息,也可以接收那些没有装配ais的船舶动静态信息,扩大了对周围船舶的识别范围,从而保证了船舶自身的正确航行,避免船舶发生碰撞。 4、拓展了船舶常规通信和遇险报警途径
ais系统在vhf频道上使用数字集群标准的技术来实现自动应答功能和通信功能,能减少海上频道vhf无线电话的通信压力,净化无线点秩序。在gmdss地面通信分系统中,最引人注目的变化是引入了dsc,imo规定甚高频无线电数字选择呼叫(vhf/dsc)是对每一艘船舶的强制配备要求,是gmdss中对a1海区船舶的呼叫系统,但由于其覆盖范围有限,误叫率较高,未起到预想的效果。此外,ais 也有兼容vhf/dsc的功能,在“ais技术特性”标准(itu-r m1371)附录3“信道管理和数字选择性呼叫(dsc)兼容性”规定ais将完成一些与ais相关的dsc操作,为了完成这些操作,ais设备包含有能调谐到ch70上接收对所有船舶的dsc呼叫,显而易见,ais具有vhf/dsc的功能,虽然不能完全取代dsc,但可以弥补gmdss中vhf/dsc的不足。
5、ais在航标管理上的应用
航标是帮助船舶安全、顺利航行而设置的助航设施,在视觉航标中以灯浮、灯塔、灯船等水上航标的维护管理较困难,因此研制了遥控、遥测和遥报的航标遥控系统,但由于航标工作环境恶劣,无线电技术的局限性,成为多年难解的课题,ais的出现,为航标遥测遥控实现成为可能。
ais的开放系统互联工作模式使该系统具有很大的兼容性,而它的网络应用特性更为航标应用奠定了良好的基础,一种以ais为基础的航标遥测遥控系统以及虚拟航标系统将随着ais技术的日臻成熟和联网应用而成为可能[5]。
6、海上航行数据记录仪(vdr)与ais信息的互通
海上航行数据记录仪(vdr)是自动记录船舶状态信息和操作信息,为调查海事原因、获取航行数据资料的设备,它与ais的结合,可以实现:
(1)将ais输出的有关船舶信息给vdr。这些信息包含船舶动态信数据、船位、航向、航速、船艏向、转向速率、船舶的横倾角、纵摇和横摇角等航行状态数据,这是vdr所必须记录的。
(2)将ais输出的船舶与岸上或船舶之间通信的信息给vdr,这也是vdr所必须记录的;
(3)逆向信息传输。就是从vdr中将它所存储的信息传给ais,通过ais发射给陆上基站或周围船舶ais船台,在船舶遇险时,这种信息传输功能就显得尤为重要。 五、ais的发展
通过ais网络,不仅可以为船舶避碰提供技术保障,而且可以实现船舶与陆岸之间的信息联网,使船舶交通信息,船舶抵达目的港、装载货物、集装箱和旅客以及货物性质等物流信息,船舶遇险或事故的安全救助信息海洋气象及灾害性天气预报和报警信息均能通过ais网络进行沟通,这将是ais今后发展的重要方向,如同internet
有着广阔的发展前景。 参考文献
[1] 中华人民共和国海事局编 中国沿海内河水域vts用户指南[m].人民交通出版社,2007.
[2] 中华人民共和国海事局编 内河船员管理文件汇编[m].大连:海事大学出版社,2005.
[3] 刘人杰 柳晓鸣 索继东 船舶交通管理电子信息系统[m].大连:海事大学出版社,2006.
[4] 中华人民共和国海事局编. 国际航标协会助航指南[m]. 人民交通出版社,2003. [5]
http://ftp.coscoqmc.com.cn/nclass/hhx/media/jiangao/14.doc
作者简介
姜凤娇(1978-),女,硕士,讲师,主要从事电子工程、交通信息系统、图像处理研究。
李松松(1975-)女,博士, 副教授,主要从事超声检测、无损检测、控制工程。
冯艳红(1980-),女,硕士,讲师,主要从事计算机科学、图像处理研究。
曹立杰(1978-),女,硕士,讲师,主要从事电力电子工程、自动化研究。
孟宪红(1968-),男,硕士,高级工程师,主要从事交通信息系统、船舶技术处理研究。
